Podstawy elektroniki Rr
-
Upload
michal-dulawski -
Category
Documents
-
view
2.042 -
download
4
Transcript of Podstawy elektroniki Rr
PODSTAWY ELEKTRONIKI
dr inż Artur JĘDRUSYNA p 103 bud C-6 tel 320-23-23
E-mail arturjedrusynapwrwrocplKonsultacje
dr inż Krzysztof TOMCZUKp 213 bud C-6 tel 320-29-62
E-mail krzysztoftomczukpwrwrocpl
Konsultacje
Zakład Automatyki i Kriogeniki I-20
PODSTAWY ELEKTRONIKI
LITERATURA
[1] Sztuka elektronikirdquo - PHorowitz i WHill
[2] Układy poacutełprzewodnikowe - UTietze i ChSchenk
[3] Układy elektroniczne - SSeely
[4] Elektronika w zadaniach - WCiążyński
[5] bdquoWprowadzenie do elektroniki i energoelektronikirdquo ndash M Kaźmierkowski J Matysik
[6] bdquoZasilacze i stabilizatory liniowerdquo M Obszarny AGH
bull Napięcie
Napięcie UEB ndash roacuteżnica potencjałoacutew między punktami E a B przy czym potencjał VE jest dodatni
względem potencjału VB
Przykład
UEB = 07 V
UBE = - 07 V
gdzie VE gt VB
Jednostka Oznaczenie idealnego źroacutedła napięcia stałego
[V] = [J] [C] (volt = pracaładunek) na schematach
Siła elektromotoryczna E - napięcie na odcinku obwodu zawierającym źroacutedło prądu a nie zawierającym rezystancji nazywamy
bull Potencjał
Potencjał VX - napięcie względem wspoacutelnego punktu odniesienia 0 (masy)
VX = UX0 (często używa się ozn UX)
Pojęcia podstawowe
bull Prąd
Prąd elektryczny - uporządkowany ruch ładunkoacutewNatężenie prądu I - ilość ładunku dQ przepływająca przez przewodnik w jednostce czasu dt
Jednostka [A] = [C] [s]
Kierunek przepływu prądu oznacza się strzałką na przewodzie umownie przyjmuje się że prąd jest dodatni gdy strzałka jest skierowana od punktu bardziej dodatniego do punktu bardziej ujemnego
Rzeczywisty kierunek przepływu elektronoacutew jest przeciwny
Onaczenie idealnego źroacutedła prądu na schemacie
Dla podtrzymania stałej roacuteżnicy potencjałoacutew konieczne jest istnienie zewnętrznych sił powodujących rozdział ładunkoacutew elektrycznych czyli źroacutedeł prądu
Prąd elektryczny może płynąć tylko wzdłuż drogi zamkniętej ktoacutera nazywa się obwodem elektrycznym
Pojęcia podstawowe
IdQ
dt=
I
E I
U1=IR1
U2=IR2
U3=IR3
R1
R2
R3
bull Rezystancja i prawo Ohma
Wspoacutełczynnik proporcjonalności Rmiędzy napięciem i natężeniem nazywany jest oporem lub rezystancją
Prawo Ohma
R = U I
Jednostka [ ΩΩΩΩ ] = [ V ] [ A ]
bull Pierwsze prawo Kirchhoffa
Dla dowolnego węzła sieci elektrycznej
bull Drugie prawo Kirchhoffa
Dla obwodu zamkniętego
Pojęcia podstawowe
IR Eiisum =
I iisum = 0
bull Twierdzenie TheveninaDowolny dwuzaciskowy układ składający się z kombinacji źroacutedeł napięcia i rezystoroacutew można zastąpićpołączeniem szeregowym pojedynczego rezystora RT i pojedynczego źroacutedła napięciowego UT
UT = UROZWARCIA
RT = UROZWARCIA IZWARCIA
bull Moc
Moc P - praca wykonana w jednostce czasu
P = UI
Jednostka [W] = [J] [s] = ([J] [C]) ([C] [s])
[W] = [V][A]
Korzystając z prawa Ohma można otrzymać zależności ktoacutere przydadzą się np przy określaniu mocy rezystoroacutew P = I2 RP = U2R
Dla napięć i prądoacutew zmiennych P = U I wyraża moc chwilową
Pojęcia podstawowe
bull Sygnały
Sygnał sinusoidalny
U = Umsinωωωωt gdzie
Um - amplituda ωωωω=2ππππf ndash pulsacja [rads] t ndash czas [s] f ndash częstotliwość [Hz]
Przebieg sinusoidalny opisują dwa parametry amplituda Um i pulsacja ωωωω
Inne parametry (substytuty amplitudy)
wartość międzyszczytowa
Upp = 2 Um
wartość skuteczna dla dowolnego sygnału
Usk = 0707 Um
PrzykładWartość skuteczna napięcia w sieci elektrycznej wynosi 230V (przebieg sinusoidalny o częstotliwości 50Hz) Stąd amplituda tego napięcia jest roacutewna 325V a wartość międzyszczytowa 650V
Pojęcia podstawowe
dttUT
UT
SK int=0
2 )(1
bull Sygnały
Sygnał prostokątny
Podobnie jak sygnał sinusoidalny można opisać dwoma parametrami - amplitudą i pulsacją - z tą roacuteżnicą że wartość skuteczna dla fali prostokątnej jest roacutewna jej amplitudzie
Sygnał prostokątny
ndash zbocze narastające ndash poziom wysoki ndash zbocze opadającendash poziom niski
Rzeczywisty kształt sygnału prostokątnego jest daleki od ideału gdyż zbocza nie są prostopadłe
Najczęściej czas narastania czy opadania zboczy mieści się w granicach od kilku nanosekund (ns) do kilku mikrosekund (micros) i mierzy się go jako czas narastania od 01 do 09 napięcia sygnału
Pojęcia podstawowe
bull Sygnały
Sygnał piłokształtny to sygnał o przebiegu liniowym (napięcie rośnie lub opada ze stałąprędkością) powtarzany okresowo
ImpulsyNajczęściej nie są to sygnały okresowe
Opisać je można poprzez podanie amplitudy i szerokości impulsuW technice cyfrowej występują często impulsy powtarzające się okresowo wtedy do opisu takiego sygnału
należy dodać częstotliwość oraz wspoacutełczynnik wypełnienia (stosunek szerokości impulsu do okresu powtarzania)Impulsy dzielimy na dodatnie i ujemne
Skoki i szpilki są sygnałami ktoacutere zwykle nie mają praktycznego zastosowania w układach elektronicznych nadająsię za to znakomicie do ich analizowania i opisu
Pojęcia podstawowe
bull Logarytmiczny stosunek napięć
Stosunek amplitud dwoacutech sygnałoacutew można wyrazić w decybelach zgodnie ze wzorem
ku[dB]=20log10(U2U1)
gdzie U2 i U1 to amplitudy poroacutewnywanych sygnałoacutew
ku ku [dB]
01 -20dB
0707 -3dB
1 0dB
141 3dB
10 20dB
100 40dB
1000 60dB
Pojęcia podstawowe
bull RezystoryRezystory to elementy dwukońcoacutewkowe o właściwościach dających się opisać prawem Ohma
a) metalizowany b) drutowyc) węglowy d) drabinka rezystorowae) grubowarstwowy
Najważniejsze parametry rezystoroacutew
- rezystancja znamionowa - podawana zwykle w Ω kΩ lub MΩ- tolerancja rezystancji (dokładność) - podawana w procentach- moc znamionowa - moc ktoacuterą może rezystor rozproszyć- wspoacutełczynnik temperaturowy rezystancji TWR- napięcie znamionowe
Elementy bierne RLC
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie rezystoroacutew
Z prawa Ohma (R=UI) wynikają następujące właściwości rezystoroacutew
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych szeregowo wynosi
R=R1+R2
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle wynosi
Dla dowolnej liczby rezystoroacutew
Z praktycznego punktu widzenia warto zauważyć że wypadkowa rezystancja dwoacutech rezystoroacutew roacuteżniących sięznacznie od siebie jest w przybliżeniu roacutewna dla połączenia szeregowego tych rezystoroacutew rezystancji o większej wartości a dla połączenia roacutewnoległego tych rezystoroacutew rezystancji o mniejszej wartości
Warto roacutewnież zauważyć że rezystancja wypadkowa n rezystoroacutew o takiej samej rezystancji R1 połączonych roacutewnolegle wynosi R=R1n
Elementy bierne RLC
Dzielnik napięcia
Napięcie wyjściowe Uwy można obliczyć następująco
przez oba rezystory płynie taki sam prąd I (o ile wyjście nie jest obciążone jakąś rezystancją)
czyli
napięcie na R2 czyli wyjściowe jest roacutewne
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Zgodnie z twierdzeniem Thevenina
napięcie na rozwartych zaciskach wyjściowych dzielnika (punkty A i B)
jest roacutewne
U = UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
prąd zwarcia dla dzielnika wynosi
Izw = Uwe R1
Z powyższych zależności można wyliczyć rezystancję zastępczą dla układu Thevenina RT = UT Izw
RT = (R1 R2) (R1+ R2)Widać stąd że rezystancja RT jest wypadkową rezystancją połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew R1 i R2
Układ zastępczy Thevenina dla dzielnika składa się więc ze źroacutedła napięcia UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
połączonego szeregowo z rezystancją RT = (R1 R2) (R1+ R2)
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Jeżeli do dzielnika podłączymy obciążenie w postaci rezystora Robc to znowu otrzymamy dzielnik napięcia składający się z rezystoroacutew RT i Robc oraz źroacutedła napięcia UT
Napięcie na obciążeniu Robc będzie roacutewne Uobc = UT [Robc (RT+ Robc)]
Jak widać z powyższego wzoru aby obciążenie nie zmieniło w znaczący sposoacuteb napięcia wyjściowego dzielnika musi być spełniona zależność
Robc gtgt RT
woacutewczas można przyjąć że Uobc = ~ UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
Przyjęto że aby powyższe roacutewnanie było spełnione musi być spełniony warunek minimalny Robc = 10RT = 10(R1 R2) (R1+ R2)
czyli rezystancja obciążenia musi być przynajmniej 10 razy większa od wypadkowej rezystancji połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew dzielnika napięciowego
Warunek ten zapewnia że zmiana napięcia wyjściowego dzielnika pod wpływem obciążenia będzie mniejsza od 10 (warunek często stosowany w praktyce)
Elementy bierne RLC
Elementy bierne RLC
Potencjometr - rezystor o zmiennej rezystancji element o trzech końcoacutewkach
Potencjometr pełni funkcję regulowanego dzielnika napięcia
Położenie suwaka dzieli rezystancję potencjometru na dwie części R1 i R2
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Kondensator - element dwukońcoacutewkowy o właściwościach
dających się opisać roacutewnaniem
Q=CU
gdzie Q -ładunek [C] U -napięcie na okładkach (końcoacutewkach)
kondensatora [V] C -pojemność kondensatora [F]
Kondensatory są zbudowane z dwoacutech przewodzących
elektrod (okładek) przedzielonych dielektrykiem (izolatorem)
Kondensator jest elementem ktoacutery posiada zdolność
gromadzenia ładunku
Kondensator o pojemności C i napięciu U zawiera ładunek Q
na jednej okładce i przeciwnie spolaryzowany ładunek -Q
na drugiej okładce
Przykłady konstrukcji kondensatoroacutew stałych a) zwijkowego b) wielowarstwowego
c) płytkowego d) rurkowego
e) SMD do montażu powierzchniowego
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Superkondensator - rodzaj kondensatora elektrolitycznego
ktoacutery z uwagi na sposoacuteb konstrukcji wykazuje niezwykle
dużą pojemność elektryczną w poroacutewnaniu do klasycznych kondesatoroacutew elektrolitycznych
Największą zaletą superkondensatoroacutew jest bardzo kroacutetki czas ładownia w poroacutewnaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np akumulatorami)
Zastosowania superkondensatoroacutew
roacutewnolegle źroacutedło zasilania z innymi źroacutedłami energii (np ogniwami paliwowymi) w celu
kroacutetkotrwałego dostarczania mocy szczytowej co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiaroacutew
całego układu (rozwiązania testowane m in w prototypach samochodoacutew hybrydowych
i wspomaganiu zasilania robotoacutew)
awaryjne źroacutedło zasilania
(stosowane min do wyjść
i zjeżdżalni ewakuacyjnych
w samolotach Airbus)
źroacutedło zasilania ciągłego
w urządzeniach o niewielkiej
mocy (pamięć komputerowa
elektryczne szczoteczki do zęboacutew)
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Prąd płynący przez kondensator jest wprost proporcjonalny do szybkości zmian napięcia
Jeśli na kondensatorze o pojemności 1F napięcie zmienia z prędkością 1Vs
to przepływa przez niego prąd o natężeniu 1A
Najważniejsze parametry kondensatoroacutew
- pojemność ndash [microF] [nF] lub [pF]- tolerancja pojemności (dokładność) ndash []- napięcie znamionowe ndash [V]
- stratność (upływność)
- temperaturowy wspoacutełczynnik zmian
pojemności
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie kondensatoroacutew
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych szeregowo wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych roacutewnolegle wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych szeregowo
C=C1+C2
Ogoacutelnie
Elementy bierne RLC
a) elektrolityczny b) tantalowyc) poliestrowy d) ceramicznye) styrofleksowy
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0 zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to
kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z roacutewnaniem
Gdzie RC stałą czasową τ [Ω][F] = [s]
Elementy bierne RLC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
PODSTAWY ELEKTRONIKI
LITERATURA
[1] Sztuka elektronikirdquo - PHorowitz i WHill
[2] Układy poacutełprzewodnikowe - UTietze i ChSchenk
[3] Układy elektroniczne - SSeely
[4] Elektronika w zadaniach - WCiążyński
[5] bdquoWprowadzenie do elektroniki i energoelektronikirdquo ndash M Kaźmierkowski J Matysik
[6] bdquoZasilacze i stabilizatory liniowerdquo M Obszarny AGH
bull Napięcie
Napięcie UEB ndash roacuteżnica potencjałoacutew między punktami E a B przy czym potencjał VE jest dodatni
względem potencjału VB
Przykład
UEB = 07 V
UBE = - 07 V
gdzie VE gt VB
Jednostka Oznaczenie idealnego źroacutedła napięcia stałego
[V] = [J] [C] (volt = pracaładunek) na schematach
Siła elektromotoryczna E - napięcie na odcinku obwodu zawierającym źroacutedło prądu a nie zawierającym rezystancji nazywamy
bull Potencjał
Potencjał VX - napięcie względem wspoacutelnego punktu odniesienia 0 (masy)
VX = UX0 (często używa się ozn UX)
Pojęcia podstawowe
bull Prąd
Prąd elektryczny - uporządkowany ruch ładunkoacutewNatężenie prądu I - ilość ładunku dQ przepływająca przez przewodnik w jednostce czasu dt
Jednostka [A] = [C] [s]
Kierunek przepływu prądu oznacza się strzałką na przewodzie umownie przyjmuje się że prąd jest dodatni gdy strzałka jest skierowana od punktu bardziej dodatniego do punktu bardziej ujemnego
Rzeczywisty kierunek przepływu elektronoacutew jest przeciwny
Onaczenie idealnego źroacutedła prądu na schemacie
Dla podtrzymania stałej roacuteżnicy potencjałoacutew konieczne jest istnienie zewnętrznych sił powodujących rozdział ładunkoacutew elektrycznych czyli źroacutedeł prądu
Prąd elektryczny może płynąć tylko wzdłuż drogi zamkniętej ktoacutera nazywa się obwodem elektrycznym
Pojęcia podstawowe
IdQ
dt=
I
E I
U1=IR1
U2=IR2
U3=IR3
R1
R2
R3
bull Rezystancja i prawo Ohma
Wspoacutełczynnik proporcjonalności Rmiędzy napięciem i natężeniem nazywany jest oporem lub rezystancją
Prawo Ohma
R = U I
Jednostka [ ΩΩΩΩ ] = [ V ] [ A ]
bull Pierwsze prawo Kirchhoffa
Dla dowolnego węzła sieci elektrycznej
bull Drugie prawo Kirchhoffa
Dla obwodu zamkniętego
Pojęcia podstawowe
IR Eiisum =
I iisum = 0
bull Twierdzenie TheveninaDowolny dwuzaciskowy układ składający się z kombinacji źroacutedeł napięcia i rezystoroacutew można zastąpićpołączeniem szeregowym pojedynczego rezystora RT i pojedynczego źroacutedła napięciowego UT
UT = UROZWARCIA
RT = UROZWARCIA IZWARCIA
bull Moc
Moc P - praca wykonana w jednostce czasu
P = UI
Jednostka [W] = [J] [s] = ([J] [C]) ([C] [s])
[W] = [V][A]
Korzystając z prawa Ohma można otrzymać zależności ktoacutere przydadzą się np przy określaniu mocy rezystoroacutew P = I2 RP = U2R
Dla napięć i prądoacutew zmiennych P = U I wyraża moc chwilową
Pojęcia podstawowe
bull Sygnały
Sygnał sinusoidalny
U = Umsinωωωωt gdzie
Um - amplituda ωωωω=2ππππf ndash pulsacja [rads] t ndash czas [s] f ndash częstotliwość [Hz]
Przebieg sinusoidalny opisują dwa parametry amplituda Um i pulsacja ωωωω
Inne parametry (substytuty amplitudy)
wartość międzyszczytowa
Upp = 2 Um
wartość skuteczna dla dowolnego sygnału
Usk = 0707 Um
PrzykładWartość skuteczna napięcia w sieci elektrycznej wynosi 230V (przebieg sinusoidalny o częstotliwości 50Hz) Stąd amplituda tego napięcia jest roacutewna 325V a wartość międzyszczytowa 650V
Pojęcia podstawowe
dttUT
UT
SK int=0
2 )(1
bull Sygnały
Sygnał prostokątny
Podobnie jak sygnał sinusoidalny można opisać dwoma parametrami - amplitudą i pulsacją - z tą roacuteżnicą że wartość skuteczna dla fali prostokątnej jest roacutewna jej amplitudzie
Sygnał prostokątny
ndash zbocze narastające ndash poziom wysoki ndash zbocze opadającendash poziom niski
Rzeczywisty kształt sygnału prostokątnego jest daleki od ideału gdyż zbocza nie są prostopadłe
Najczęściej czas narastania czy opadania zboczy mieści się w granicach od kilku nanosekund (ns) do kilku mikrosekund (micros) i mierzy się go jako czas narastania od 01 do 09 napięcia sygnału
Pojęcia podstawowe
bull Sygnały
Sygnał piłokształtny to sygnał o przebiegu liniowym (napięcie rośnie lub opada ze stałąprędkością) powtarzany okresowo
ImpulsyNajczęściej nie są to sygnały okresowe
Opisać je można poprzez podanie amplitudy i szerokości impulsuW technice cyfrowej występują często impulsy powtarzające się okresowo wtedy do opisu takiego sygnału
należy dodać częstotliwość oraz wspoacutełczynnik wypełnienia (stosunek szerokości impulsu do okresu powtarzania)Impulsy dzielimy na dodatnie i ujemne
Skoki i szpilki są sygnałami ktoacutere zwykle nie mają praktycznego zastosowania w układach elektronicznych nadająsię za to znakomicie do ich analizowania i opisu
Pojęcia podstawowe
bull Logarytmiczny stosunek napięć
Stosunek amplitud dwoacutech sygnałoacutew można wyrazić w decybelach zgodnie ze wzorem
ku[dB]=20log10(U2U1)
gdzie U2 i U1 to amplitudy poroacutewnywanych sygnałoacutew
ku ku [dB]
01 -20dB
0707 -3dB
1 0dB
141 3dB
10 20dB
100 40dB
1000 60dB
Pojęcia podstawowe
bull RezystoryRezystory to elementy dwukońcoacutewkowe o właściwościach dających się opisać prawem Ohma
a) metalizowany b) drutowyc) węglowy d) drabinka rezystorowae) grubowarstwowy
Najważniejsze parametry rezystoroacutew
- rezystancja znamionowa - podawana zwykle w Ω kΩ lub MΩ- tolerancja rezystancji (dokładność) - podawana w procentach- moc znamionowa - moc ktoacuterą może rezystor rozproszyć- wspoacutełczynnik temperaturowy rezystancji TWR- napięcie znamionowe
Elementy bierne RLC
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie rezystoroacutew
Z prawa Ohma (R=UI) wynikają następujące właściwości rezystoroacutew
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych szeregowo wynosi
R=R1+R2
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle wynosi
Dla dowolnej liczby rezystoroacutew
Z praktycznego punktu widzenia warto zauważyć że wypadkowa rezystancja dwoacutech rezystoroacutew roacuteżniących sięznacznie od siebie jest w przybliżeniu roacutewna dla połączenia szeregowego tych rezystoroacutew rezystancji o większej wartości a dla połączenia roacutewnoległego tych rezystoroacutew rezystancji o mniejszej wartości
Warto roacutewnież zauważyć że rezystancja wypadkowa n rezystoroacutew o takiej samej rezystancji R1 połączonych roacutewnolegle wynosi R=R1n
Elementy bierne RLC
Dzielnik napięcia
Napięcie wyjściowe Uwy można obliczyć następująco
przez oba rezystory płynie taki sam prąd I (o ile wyjście nie jest obciążone jakąś rezystancją)
czyli
napięcie na R2 czyli wyjściowe jest roacutewne
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Zgodnie z twierdzeniem Thevenina
napięcie na rozwartych zaciskach wyjściowych dzielnika (punkty A i B)
jest roacutewne
U = UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
prąd zwarcia dla dzielnika wynosi
Izw = Uwe R1
Z powyższych zależności można wyliczyć rezystancję zastępczą dla układu Thevenina RT = UT Izw
RT = (R1 R2) (R1+ R2)Widać stąd że rezystancja RT jest wypadkową rezystancją połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew R1 i R2
Układ zastępczy Thevenina dla dzielnika składa się więc ze źroacutedła napięcia UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
połączonego szeregowo z rezystancją RT = (R1 R2) (R1+ R2)
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Jeżeli do dzielnika podłączymy obciążenie w postaci rezystora Robc to znowu otrzymamy dzielnik napięcia składający się z rezystoroacutew RT i Robc oraz źroacutedła napięcia UT
Napięcie na obciążeniu Robc będzie roacutewne Uobc = UT [Robc (RT+ Robc)]
Jak widać z powyższego wzoru aby obciążenie nie zmieniło w znaczący sposoacuteb napięcia wyjściowego dzielnika musi być spełniona zależność
Robc gtgt RT
woacutewczas można przyjąć że Uobc = ~ UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
Przyjęto że aby powyższe roacutewnanie było spełnione musi być spełniony warunek minimalny Robc = 10RT = 10(R1 R2) (R1+ R2)
czyli rezystancja obciążenia musi być przynajmniej 10 razy większa od wypadkowej rezystancji połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew dzielnika napięciowego
Warunek ten zapewnia że zmiana napięcia wyjściowego dzielnika pod wpływem obciążenia będzie mniejsza od 10 (warunek często stosowany w praktyce)
Elementy bierne RLC
Elementy bierne RLC
Potencjometr - rezystor o zmiennej rezystancji element o trzech końcoacutewkach
Potencjometr pełni funkcję regulowanego dzielnika napięcia
Położenie suwaka dzieli rezystancję potencjometru na dwie części R1 i R2
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Kondensator - element dwukońcoacutewkowy o właściwościach
dających się opisać roacutewnaniem
Q=CU
gdzie Q -ładunek [C] U -napięcie na okładkach (końcoacutewkach)
kondensatora [V] C -pojemność kondensatora [F]
Kondensatory są zbudowane z dwoacutech przewodzących
elektrod (okładek) przedzielonych dielektrykiem (izolatorem)
Kondensator jest elementem ktoacutery posiada zdolność
gromadzenia ładunku
Kondensator o pojemności C i napięciu U zawiera ładunek Q
na jednej okładce i przeciwnie spolaryzowany ładunek -Q
na drugiej okładce
Przykłady konstrukcji kondensatoroacutew stałych a) zwijkowego b) wielowarstwowego
c) płytkowego d) rurkowego
e) SMD do montażu powierzchniowego
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Superkondensator - rodzaj kondensatora elektrolitycznego
ktoacutery z uwagi na sposoacuteb konstrukcji wykazuje niezwykle
dużą pojemność elektryczną w poroacutewnaniu do klasycznych kondesatoroacutew elektrolitycznych
Największą zaletą superkondensatoroacutew jest bardzo kroacutetki czas ładownia w poroacutewnaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np akumulatorami)
Zastosowania superkondensatoroacutew
roacutewnolegle źroacutedło zasilania z innymi źroacutedłami energii (np ogniwami paliwowymi) w celu
kroacutetkotrwałego dostarczania mocy szczytowej co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiaroacutew
całego układu (rozwiązania testowane m in w prototypach samochodoacutew hybrydowych
i wspomaganiu zasilania robotoacutew)
awaryjne źroacutedło zasilania
(stosowane min do wyjść
i zjeżdżalni ewakuacyjnych
w samolotach Airbus)
źroacutedło zasilania ciągłego
w urządzeniach o niewielkiej
mocy (pamięć komputerowa
elektryczne szczoteczki do zęboacutew)
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Prąd płynący przez kondensator jest wprost proporcjonalny do szybkości zmian napięcia
Jeśli na kondensatorze o pojemności 1F napięcie zmienia z prędkością 1Vs
to przepływa przez niego prąd o natężeniu 1A
Najważniejsze parametry kondensatoroacutew
- pojemność ndash [microF] [nF] lub [pF]- tolerancja pojemności (dokładność) ndash []- napięcie znamionowe ndash [V]
- stratność (upływność)
- temperaturowy wspoacutełczynnik zmian
pojemności
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie kondensatoroacutew
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych szeregowo wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych roacutewnolegle wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych szeregowo
C=C1+C2
Ogoacutelnie
Elementy bierne RLC
a) elektrolityczny b) tantalowyc) poliestrowy d) ceramicznye) styrofleksowy
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0 zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to
kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z roacutewnaniem
Gdzie RC stałą czasową τ [Ω][F] = [s]
Elementy bierne RLC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
bull Napięcie
Napięcie UEB ndash roacuteżnica potencjałoacutew między punktami E a B przy czym potencjał VE jest dodatni
względem potencjału VB
Przykład
UEB = 07 V
UBE = - 07 V
gdzie VE gt VB
Jednostka Oznaczenie idealnego źroacutedła napięcia stałego
[V] = [J] [C] (volt = pracaładunek) na schematach
Siła elektromotoryczna E - napięcie na odcinku obwodu zawierającym źroacutedło prądu a nie zawierającym rezystancji nazywamy
bull Potencjał
Potencjał VX - napięcie względem wspoacutelnego punktu odniesienia 0 (masy)
VX = UX0 (często używa się ozn UX)
Pojęcia podstawowe
bull Prąd
Prąd elektryczny - uporządkowany ruch ładunkoacutewNatężenie prądu I - ilość ładunku dQ przepływająca przez przewodnik w jednostce czasu dt
Jednostka [A] = [C] [s]
Kierunek przepływu prądu oznacza się strzałką na przewodzie umownie przyjmuje się że prąd jest dodatni gdy strzałka jest skierowana od punktu bardziej dodatniego do punktu bardziej ujemnego
Rzeczywisty kierunek przepływu elektronoacutew jest przeciwny
Onaczenie idealnego źroacutedła prądu na schemacie
Dla podtrzymania stałej roacuteżnicy potencjałoacutew konieczne jest istnienie zewnętrznych sił powodujących rozdział ładunkoacutew elektrycznych czyli źroacutedeł prądu
Prąd elektryczny może płynąć tylko wzdłuż drogi zamkniętej ktoacutera nazywa się obwodem elektrycznym
Pojęcia podstawowe
IdQ
dt=
I
E I
U1=IR1
U2=IR2
U3=IR3
R1
R2
R3
bull Rezystancja i prawo Ohma
Wspoacutełczynnik proporcjonalności Rmiędzy napięciem i natężeniem nazywany jest oporem lub rezystancją
Prawo Ohma
R = U I
Jednostka [ ΩΩΩΩ ] = [ V ] [ A ]
bull Pierwsze prawo Kirchhoffa
Dla dowolnego węzła sieci elektrycznej
bull Drugie prawo Kirchhoffa
Dla obwodu zamkniętego
Pojęcia podstawowe
IR Eiisum =
I iisum = 0
bull Twierdzenie TheveninaDowolny dwuzaciskowy układ składający się z kombinacji źroacutedeł napięcia i rezystoroacutew można zastąpićpołączeniem szeregowym pojedynczego rezystora RT i pojedynczego źroacutedła napięciowego UT
UT = UROZWARCIA
RT = UROZWARCIA IZWARCIA
bull Moc
Moc P - praca wykonana w jednostce czasu
P = UI
Jednostka [W] = [J] [s] = ([J] [C]) ([C] [s])
[W] = [V][A]
Korzystając z prawa Ohma można otrzymać zależności ktoacutere przydadzą się np przy określaniu mocy rezystoroacutew P = I2 RP = U2R
Dla napięć i prądoacutew zmiennych P = U I wyraża moc chwilową
Pojęcia podstawowe
bull Sygnały
Sygnał sinusoidalny
U = Umsinωωωωt gdzie
Um - amplituda ωωωω=2ππππf ndash pulsacja [rads] t ndash czas [s] f ndash częstotliwość [Hz]
Przebieg sinusoidalny opisują dwa parametry amplituda Um i pulsacja ωωωω
Inne parametry (substytuty amplitudy)
wartość międzyszczytowa
Upp = 2 Um
wartość skuteczna dla dowolnego sygnału
Usk = 0707 Um
PrzykładWartość skuteczna napięcia w sieci elektrycznej wynosi 230V (przebieg sinusoidalny o częstotliwości 50Hz) Stąd amplituda tego napięcia jest roacutewna 325V a wartość międzyszczytowa 650V
Pojęcia podstawowe
dttUT
UT
SK int=0
2 )(1
bull Sygnały
Sygnał prostokątny
Podobnie jak sygnał sinusoidalny można opisać dwoma parametrami - amplitudą i pulsacją - z tą roacuteżnicą że wartość skuteczna dla fali prostokątnej jest roacutewna jej amplitudzie
Sygnał prostokątny
ndash zbocze narastające ndash poziom wysoki ndash zbocze opadającendash poziom niski
Rzeczywisty kształt sygnału prostokątnego jest daleki od ideału gdyż zbocza nie są prostopadłe
Najczęściej czas narastania czy opadania zboczy mieści się w granicach od kilku nanosekund (ns) do kilku mikrosekund (micros) i mierzy się go jako czas narastania od 01 do 09 napięcia sygnału
Pojęcia podstawowe
bull Sygnały
Sygnał piłokształtny to sygnał o przebiegu liniowym (napięcie rośnie lub opada ze stałąprędkością) powtarzany okresowo
ImpulsyNajczęściej nie są to sygnały okresowe
Opisać je można poprzez podanie amplitudy i szerokości impulsuW technice cyfrowej występują często impulsy powtarzające się okresowo wtedy do opisu takiego sygnału
należy dodać częstotliwość oraz wspoacutełczynnik wypełnienia (stosunek szerokości impulsu do okresu powtarzania)Impulsy dzielimy na dodatnie i ujemne
Skoki i szpilki są sygnałami ktoacutere zwykle nie mają praktycznego zastosowania w układach elektronicznych nadająsię za to znakomicie do ich analizowania i opisu
Pojęcia podstawowe
bull Logarytmiczny stosunek napięć
Stosunek amplitud dwoacutech sygnałoacutew można wyrazić w decybelach zgodnie ze wzorem
ku[dB]=20log10(U2U1)
gdzie U2 i U1 to amplitudy poroacutewnywanych sygnałoacutew
ku ku [dB]
01 -20dB
0707 -3dB
1 0dB
141 3dB
10 20dB
100 40dB
1000 60dB
Pojęcia podstawowe
bull RezystoryRezystory to elementy dwukońcoacutewkowe o właściwościach dających się opisać prawem Ohma
a) metalizowany b) drutowyc) węglowy d) drabinka rezystorowae) grubowarstwowy
Najważniejsze parametry rezystoroacutew
- rezystancja znamionowa - podawana zwykle w Ω kΩ lub MΩ- tolerancja rezystancji (dokładność) - podawana w procentach- moc znamionowa - moc ktoacuterą może rezystor rozproszyć- wspoacutełczynnik temperaturowy rezystancji TWR- napięcie znamionowe
Elementy bierne RLC
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie rezystoroacutew
Z prawa Ohma (R=UI) wynikają następujące właściwości rezystoroacutew
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych szeregowo wynosi
R=R1+R2
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle wynosi
Dla dowolnej liczby rezystoroacutew
Z praktycznego punktu widzenia warto zauważyć że wypadkowa rezystancja dwoacutech rezystoroacutew roacuteżniących sięznacznie od siebie jest w przybliżeniu roacutewna dla połączenia szeregowego tych rezystoroacutew rezystancji o większej wartości a dla połączenia roacutewnoległego tych rezystoroacutew rezystancji o mniejszej wartości
Warto roacutewnież zauważyć że rezystancja wypadkowa n rezystoroacutew o takiej samej rezystancji R1 połączonych roacutewnolegle wynosi R=R1n
Elementy bierne RLC
Dzielnik napięcia
Napięcie wyjściowe Uwy można obliczyć następująco
przez oba rezystory płynie taki sam prąd I (o ile wyjście nie jest obciążone jakąś rezystancją)
czyli
napięcie na R2 czyli wyjściowe jest roacutewne
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Zgodnie z twierdzeniem Thevenina
napięcie na rozwartych zaciskach wyjściowych dzielnika (punkty A i B)
jest roacutewne
U = UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
prąd zwarcia dla dzielnika wynosi
Izw = Uwe R1
Z powyższych zależności można wyliczyć rezystancję zastępczą dla układu Thevenina RT = UT Izw
RT = (R1 R2) (R1+ R2)Widać stąd że rezystancja RT jest wypadkową rezystancją połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew R1 i R2
Układ zastępczy Thevenina dla dzielnika składa się więc ze źroacutedła napięcia UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
połączonego szeregowo z rezystancją RT = (R1 R2) (R1+ R2)
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Jeżeli do dzielnika podłączymy obciążenie w postaci rezystora Robc to znowu otrzymamy dzielnik napięcia składający się z rezystoroacutew RT i Robc oraz źroacutedła napięcia UT
Napięcie na obciążeniu Robc będzie roacutewne Uobc = UT [Robc (RT+ Robc)]
Jak widać z powyższego wzoru aby obciążenie nie zmieniło w znaczący sposoacuteb napięcia wyjściowego dzielnika musi być spełniona zależność
Robc gtgt RT
woacutewczas można przyjąć że Uobc = ~ UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
Przyjęto że aby powyższe roacutewnanie było spełnione musi być spełniony warunek minimalny Robc = 10RT = 10(R1 R2) (R1+ R2)
czyli rezystancja obciążenia musi być przynajmniej 10 razy większa od wypadkowej rezystancji połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew dzielnika napięciowego
Warunek ten zapewnia że zmiana napięcia wyjściowego dzielnika pod wpływem obciążenia będzie mniejsza od 10 (warunek często stosowany w praktyce)
Elementy bierne RLC
Elementy bierne RLC
Potencjometr - rezystor o zmiennej rezystancji element o trzech końcoacutewkach
Potencjometr pełni funkcję regulowanego dzielnika napięcia
Położenie suwaka dzieli rezystancję potencjometru na dwie części R1 i R2
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Kondensator - element dwukońcoacutewkowy o właściwościach
dających się opisać roacutewnaniem
Q=CU
gdzie Q -ładunek [C] U -napięcie na okładkach (końcoacutewkach)
kondensatora [V] C -pojemność kondensatora [F]
Kondensatory są zbudowane z dwoacutech przewodzących
elektrod (okładek) przedzielonych dielektrykiem (izolatorem)
Kondensator jest elementem ktoacutery posiada zdolność
gromadzenia ładunku
Kondensator o pojemności C i napięciu U zawiera ładunek Q
na jednej okładce i przeciwnie spolaryzowany ładunek -Q
na drugiej okładce
Przykłady konstrukcji kondensatoroacutew stałych a) zwijkowego b) wielowarstwowego
c) płytkowego d) rurkowego
e) SMD do montażu powierzchniowego
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Superkondensator - rodzaj kondensatora elektrolitycznego
ktoacutery z uwagi na sposoacuteb konstrukcji wykazuje niezwykle
dużą pojemność elektryczną w poroacutewnaniu do klasycznych kondesatoroacutew elektrolitycznych
Największą zaletą superkondensatoroacutew jest bardzo kroacutetki czas ładownia w poroacutewnaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np akumulatorami)
Zastosowania superkondensatoroacutew
roacutewnolegle źroacutedło zasilania z innymi źroacutedłami energii (np ogniwami paliwowymi) w celu
kroacutetkotrwałego dostarczania mocy szczytowej co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiaroacutew
całego układu (rozwiązania testowane m in w prototypach samochodoacutew hybrydowych
i wspomaganiu zasilania robotoacutew)
awaryjne źroacutedło zasilania
(stosowane min do wyjść
i zjeżdżalni ewakuacyjnych
w samolotach Airbus)
źroacutedło zasilania ciągłego
w urządzeniach o niewielkiej
mocy (pamięć komputerowa
elektryczne szczoteczki do zęboacutew)
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Prąd płynący przez kondensator jest wprost proporcjonalny do szybkości zmian napięcia
Jeśli na kondensatorze o pojemności 1F napięcie zmienia z prędkością 1Vs
to przepływa przez niego prąd o natężeniu 1A
Najważniejsze parametry kondensatoroacutew
- pojemność ndash [microF] [nF] lub [pF]- tolerancja pojemności (dokładność) ndash []- napięcie znamionowe ndash [V]
- stratność (upływność)
- temperaturowy wspoacutełczynnik zmian
pojemności
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie kondensatoroacutew
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych szeregowo wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych roacutewnolegle wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych szeregowo
C=C1+C2
Ogoacutelnie
Elementy bierne RLC
a) elektrolityczny b) tantalowyc) poliestrowy d) ceramicznye) styrofleksowy
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0 zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to
kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z roacutewnaniem
Gdzie RC stałą czasową τ [Ω][F] = [s]
Elementy bierne RLC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
bull Prąd
Prąd elektryczny - uporządkowany ruch ładunkoacutewNatężenie prądu I - ilość ładunku dQ przepływająca przez przewodnik w jednostce czasu dt
Jednostka [A] = [C] [s]
Kierunek przepływu prądu oznacza się strzałką na przewodzie umownie przyjmuje się że prąd jest dodatni gdy strzałka jest skierowana od punktu bardziej dodatniego do punktu bardziej ujemnego
Rzeczywisty kierunek przepływu elektronoacutew jest przeciwny
Onaczenie idealnego źroacutedła prądu na schemacie
Dla podtrzymania stałej roacuteżnicy potencjałoacutew konieczne jest istnienie zewnętrznych sił powodujących rozdział ładunkoacutew elektrycznych czyli źroacutedeł prądu
Prąd elektryczny może płynąć tylko wzdłuż drogi zamkniętej ktoacutera nazywa się obwodem elektrycznym
Pojęcia podstawowe
IdQ
dt=
I
E I
U1=IR1
U2=IR2
U3=IR3
R1
R2
R3
bull Rezystancja i prawo Ohma
Wspoacutełczynnik proporcjonalności Rmiędzy napięciem i natężeniem nazywany jest oporem lub rezystancją
Prawo Ohma
R = U I
Jednostka [ ΩΩΩΩ ] = [ V ] [ A ]
bull Pierwsze prawo Kirchhoffa
Dla dowolnego węzła sieci elektrycznej
bull Drugie prawo Kirchhoffa
Dla obwodu zamkniętego
Pojęcia podstawowe
IR Eiisum =
I iisum = 0
bull Twierdzenie TheveninaDowolny dwuzaciskowy układ składający się z kombinacji źroacutedeł napięcia i rezystoroacutew można zastąpićpołączeniem szeregowym pojedynczego rezystora RT i pojedynczego źroacutedła napięciowego UT
UT = UROZWARCIA
RT = UROZWARCIA IZWARCIA
bull Moc
Moc P - praca wykonana w jednostce czasu
P = UI
Jednostka [W] = [J] [s] = ([J] [C]) ([C] [s])
[W] = [V][A]
Korzystając z prawa Ohma można otrzymać zależności ktoacutere przydadzą się np przy określaniu mocy rezystoroacutew P = I2 RP = U2R
Dla napięć i prądoacutew zmiennych P = U I wyraża moc chwilową
Pojęcia podstawowe
bull Sygnały
Sygnał sinusoidalny
U = Umsinωωωωt gdzie
Um - amplituda ωωωω=2ππππf ndash pulsacja [rads] t ndash czas [s] f ndash częstotliwość [Hz]
Przebieg sinusoidalny opisują dwa parametry amplituda Um i pulsacja ωωωω
Inne parametry (substytuty amplitudy)
wartość międzyszczytowa
Upp = 2 Um
wartość skuteczna dla dowolnego sygnału
Usk = 0707 Um
PrzykładWartość skuteczna napięcia w sieci elektrycznej wynosi 230V (przebieg sinusoidalny o częstotliwości 50Hz) Stąd amplituda tego napięcia jest roacutewna 325V a wartość międzyszczytowa 650V
Pojęcia podstawowe
dttUT
UT
SK int=0
2 )(1
bull Sygnały
Sygnał prostokątny
Podobnie jak sygnał sinusoidalny można opisać dwoma parametrami - amplitudą i pulsacją - z tą roacuteżnicą że wartość skuteczna dla fali prostokątnej jest roacutewna jej amplitudzie
Sygnał prostokątny
ndash zbocze narastające ndash poziom wysoki ndash zbocze opadającendash poziom niski
Rzeczywisty kształt sygnału prostokątnego jest daleki od ideału gdyż zbocza nie są prostopadłe
Najczęściej czas narastania czy opadania zboczy mieści się w granicach od kilku nanosekund (ns) do kilku mikrosekund (micros) i mierzy się go jako czas narastania od 01 do 09 napięcia sygnału
Pojęcia podstawowe
bull Sygnały
Sygnał piłokształtny to sygnał o przebiegu liniowym (napięcie rośnie lub opada ze stałąprędkością) powtarzany okresowo
ImpulsyNajczęściej nie są to sygnały okresowe
Opisać je można poprzez podanie amplitudy i szerokości impulsuW technice cyfrowej występują często impulsy powtarzające się okresowo wtedy do opisu takiego sygnału
należy dodać częstotliwość oraz wspoacutełczynnik wypełnienia (stosunek szerokości impulsu do okresu powtarzania)Impulsy dzielimy na dodatnie i ujemne
Skoki i szpilki są sygnałami ktoacutere zwykle nie mają praktycznego zastosowania w układach elektronicznych nadająsię za to znakomicie do ich analizowania i opisu
Pojęcia podstawowe
bull Logarytmiczny stosunek napięć
Stosunek amplitud dwoacutech sygnałoacutew można wyrazić w decybelach zgodnie ze wzorem
ku[dB]=20log10(U2U1)
gdzie U2 i U1 to amplitudy poroacutewnywanych sygnałoacutew
ku ku [dB]
01 -20dB
0707 -3dB
1 0dB
141 3dB
10 20dB
100 40dB
1000 60dB
Pojęcia podstawowe
bull RezystoryRezystory to elementy dwukońcoacutewkowe o właściwościach dających się opisać prawem Ohma
a) metalizowany b) drutowyc) węglowy d) drabinka rezystorowae) grubowarstwowy
Najważniejsze parametry rezystoroacutew
- rezystancja znamionowa - podawana zwykle w Ω kΩ lub MΩ- tolerancja rezystancji (dokładność) - podawana w procentach- moc znamionowa - moc ktoacuterą może rezystor rozproszyć- wspoacutełczynnik temperaturowy rezystancji TWR- napięcie znamionowe
Elementy bierne RLC
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie rezystoroacutew
Z prawa Ohma (R=UI) wynikają następujące właściwości rezystoroacutew
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych szeregowo wynosi
R=R1+R2
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle wynosi
Dla dowolnej liczby rezystoroacutew
Z praktycznego punktu widzenia warto zauważyć że wypadkowa rezystancja dwoacutech rezystoroacutew roacuteżniących sięznacznie od siebie jest w przybliżeniu roacutewna dla połączenia szeregowego tych rezystoroacutew rezystancji o większej wartości a dla połączenia roacutewnoległego tych rezystoroacutew rezystancji o mniejszej wartości
Warto roacutewnież zauważyć że rezystancja wypadkowa n rezystoroacutew o takiej samej rezystancji R1 połączonych roacutewnolegle wynosi R=R1n
Elementy bierne RLC
Dzielnik napięcia
Napięcie wyjściowe Uwy można obliczyć następująco
przez oba rezystory płynie taki sam prąd I (o ile wyjście nie jest obciążone jakąś rezystancją)
czyli
napięcie na R2 czyli wyjściowe jest roacutewne
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Zgodnie z twierdzeniem Thevenina
napięcie na rozwartych zaciskach wyjściowych dzielnika (punkty A i B)
jest roacutewne
U = UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
prąd zwarcia dla dzielnika wynosi
Izw = Uwe R1
Z powyższych zależności można wyliczyć rezystancję zastępczą dla układu Thevenina RT = UT Izw
RT = (R1 R2) (R1+ R2)Widać stąd że rezystancja RT jest wypadkową rezystancją połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew R1 i R2
Układ zastępczy Thevenina dla dzielnika składa się więc ze źroacutedła napięcia UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
połączonego szeregowo z rezystancją RT = (R1 R2) (R1+ R2)
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Jeżeli do dzielnika podłączymy obciążenie w postaci rezystora Robc to znowu otrzymamy dzielnik napięcia składający się z rezystoroacutew RT i Robc oraz źroacutedła napięcia UT
Napięcie na obciążeniu Robc będzie roacutewne Uobc = UT [Robc (RT+ Robc)]
Jak widać z powyższego wzoru aby obciążenie nie zmieniło w znaczący sposoacuteb napięcia wyjściowego dzielnika musi być spełniona zależność
Robc gtgt RT
woacutewczas można przyjąć że Uobc = ~ UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
Przyjęto że aby powyższe roacutewnanie było spełnione musi być spełniony warunek minimalny Robc = 10RT = 10(R1 R2) (R1+ R2)
czyli rezystancja obciążenia musi być przynajmniej 10 razy większa od wypadkowej rezystancji połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew dzielnika napięciowego
Warunek ten zapewnia że zmiana napięcia wyjściowego dzielnika pod wpływem obciążenia będzie mniejsza od 10 (warunek często stosowany w praktyce)
Elementy bierne RLC
Elementy bierne RLC
Potencjometr - rezystor o zmiennej rezystancji element o trzech końcoacutewkach
Potencjometr pełni funkcję regulowanego dzielnika napięcia
Położenie suwaka dzieli rezystancję potencjometru na dwie części R1 i R2
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Kondensator - element dwukońcoacutewkowy o właściwościach
dających się opisać roacutewnaniem
Q=CU
gdzie Q -ładunek [C] U -napięcie na okładkach (końcoacutewkach)
kondensatora [V] C -pojemność kondensatora [F]
Kondensatory są zbudowane z dwoacutech przewodzących
elektrod (okładek) przedzielonych dielektrykiem (izolatorem)
Kondensator jest elementem ktoacutery posiada zdolność
gromadzenia ładunku
Kondensator o pojemności C i napięciu U zawiera ładunek Q
na jednej okładce i przeciwnie spolaryzowany ładunek -Q
na drugiej okładce
Przykłady konstrukcji kondensatoroacutew stałych a) zwijkowego b) wielowarstwowego
c) płytkowego d) rurkowego
e) SMD do montażu powierzchniowego
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Superkondensator - rodzaj kondensatora elektrolitycznego
ktoacutery z uwagi na sposoacuteb konstrukcji wykazuje niezwykle
dużą pojemność elektryczną w poroacutewnaniu do klasycznych kondesatoroacutew elektrolitycznych
Największą zaletą superkondensatoroacutew jest bardzo kroacutetki czas ładownia w poroacutewnaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np akumulatorami)
Zastosowania superkondensatoroacutew
roacutewnolegle źroacutedło zasilania z innymi źroacutedłami energii (np ogniwami paliwowymi) w celu
kroacutetkotrwałego dostarczania mocy szczytowej co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiaroacutew
całego układu (rozwiązania testowane m in w prototypach samochodoacutew hybrydowych
i wspomaganiu zasilania robotoacutew)
awaryjne źroacutedło zasilania
(stosowane min do wyjść
i zjeżdżalni ewakuacyjnych
w samolotach Airbus)
źroacutedło zasilania ciągłego
w urządzeniach o niewielkiej
mocy (pamięć komputerowa
elektryczne szczoteczki do zęboacutew)
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Prąd płynący przez kondensator jest wprost proporcjonalny do szybkości zmian napięcia
Jeśli na kondensatorze o pojemności 1F napięcie zmienia z prędkością 1Vs
to przepływa przez niego prąd o natężeniu 1A
Najważniejsze parametry kondensatoroacutew
- pojemność ndash [microF] [nF] lub [pF]- tolerancja pojemności (dokładność) ndash []- napięcie znamionowe ndash [V]
- stratność (upływność)
- temperaturowy wspoacutełczynnik zmian
pojemności
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie kondensatoroacutew
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych szeregowo wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych roacutewnolegle wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych szeregowo
C=C1+C2
Ogoacutelnie
Elementy bierne RLC
a) elektrolityczny b) tantalowyc) poliestrowy d) ceramicznye) styrofleksowy
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0 zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to
kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z roacutewnaniem
Gdzie RC stałą czasową τ [Ω][F] = [s]
Elementy bierne RLC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
bull Rezystancja i prawo Ohma
Wspoacutełczynnik proporcjonalności Rmiędzy napięciem i natężeniem nazywany jest oporem lub rezystancją
Prawo Ohma
R = U I
Jednostka [ ΩΩΩΩ ] = [ V ] [ A ]
bull Pierwsze prawo Kirchhoffa
Dla dowolnego węzła sieci elektrycznej
bull Drugie prawo Kirchhoffa
Dla obwodu zamkniętego
Pojęcia podstawowe
IR Eiisum =
I iisum = 0
bull Twierdzenie TheveninaDowolny dwuzaciskowy układ składający się z kombinacji źroacutedeł napięcia i rezystoroacutew można zastąpićpołączeniem szeregowym pojedynczego rezystora RT i pojedynczego źroacutedła napięciowego UT
UT = UROZWARCIA
RT = UROZWARCIA IZWARCIA
bull Moc
Moc P - praca wykonana w jednostce czasu
P = UI
Jednostka [W] = [J] [s] = ([J] [C]) ([C] [s])
[W] = [V][A]
Korzystając z prawa Ohma można otrzymać zależności ktoacutere przydadzą się np przy określaniu mocy rezystoroacutew P = I2 RP = U2R
Dla napięć i prądoacutew zmiennych P = U I wyraża moc chwilową
Pojęcia podstawowe
bull Sygnały
Sygnał sinusoidalny
U = Umsinωωωωt gdzie
Um - amplituda ωωωω=2ππππf ndash pulsacja [rads] t ndash czas [s] f ndash częstotliwość [Hz]
Przebieg sinusoidalny opisują dwa parametry amplituda Um i pulsacja ωωωω
Inne parametry (substytuty amplitudy)
wartość międzyszczytowa
Upp = 2 Um
wartość skuteczna dla dowolnego sygnału
Usk = 0707 Um
PrzykładWartość skuteczna napięcia w sieci elektrycznej wynosi 230V (przebieg sinusoidalny o częstotliwości 50Hz) Stąd amplituda tego napięcia jest roacutewna 325V a wartość międzyszczytowa 650V
Pojęcia podstawowe
dttUT
UT
SK int=0
2 )(1
bull Sygnały
Sygnał prostokątny
Podobnie jak sygnał sinusoidalny można opisać dwoma parametrami - amplitudą i pulsacją - z tą roacuteżnicą że wartość skuteczna dla fali prostokątnej jest roacutewna jej amplitudzie
Sygnał prostokątny
ndash zbocze narastające ndash poziom wysoki ndash zbocze opadającendash poziom niski
Rzeczywisty kształt sygnału prostokątnego jest daleki od ideału gdyż zbocza nie są prostopadłe
Najczęściej czas narastania czy opadania zboczy mieści się w granicach od kilku nanosekund (ns) do kilku mikrosekund (micros) i mierzy się go jako czas narastania od 01 do 09 napięcia sygnału
Pojęcia podstawowe
bull Sygnały
Sygnał piłokształtny to sygnał o przebiegu liniowym (napięcie rośnie lub opada ze stałąprędkością) powtarzany okresowo
ImpulsyNajczęściej nie są to sygnały okresowe
Opisać je można poprzez podanie amplitudy i szerokości impulsuW technice cyfrowej występują często impulsy powtarzające się okresowo wtedy do opisu takiego sygnału
należy dodać częstotliwość oraz wspoacutełczynnik wypełnienia (stosunek szerokości impulsu do okresu powtarzania)Impulsy dzielimy na dodatnie i ujemne
Skoki i szpilki są sygnałami ktoacutere zwykle nie mają praktycznego zastosowania w układach elektronicznych nadająsię za to znakomicie do ich analizowania i opisu
Pojęcia podstawowe
bull Logarytmiczny stosunek napięć
Stosunek amplitud dwoacutech sygnałoacutew można wyrazić w decybelach zgodnie ze wzorem
ku[dB]=20log10(U2U1)
gdzie U2 i U1 to amplitudy poroacutewnywanych sygnałoacutew
ku ku [dB]
01 -20dB
0707 -3dB
1 0dB
141 3dB
10 20dB
100 40dB
1000 60dB
Pojęcia podstawowe
bull RezystoryRezystory to elementy dwukońcoacutewkowe o właściwościach dających się opisać prawem Ohma
a) metalizowany b) drutowyc) węglowy d) drabinka rezystorowae) grubowarstwowy
Najważniejsze parametry rezystoroacutew
- rezystancja znamionowa - podawana zwykle w Ω kΩ lub MΩ- tolerancja rezystancji (dokładność) - podawana w procentach- moc znamionowa - moc ktoacuterą może rezystor rozproszyć- wspoacutełczynnik temperaturowy rezystancji TWR- napięcie znamionowe
Elementy bierne RLC
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie rezystoroacutew
Z prawa Ohma (R=UI) wynikają następujące właściwości rezystoroacutew
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych szeregowo wynosi
R=R1+R2
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle wynosi
Dla dowolnej liczby rezystoroacutew
Z praktycznego punktu widzenia warto zauważyć że wypadkowa rezystancja dwoacutech rezystoroacutew roacuteżniących sięznacznie od siebie jest w przybliżeniu roacutewna dla połączenia szeregowego tych rezystoroacutew rezystancji o większej wartości a dla połączenia roacutewnoległego tych rezystoroacutew rezystancji o mniejszej wartości
Warto roacutewnież zauważyć że rezystancja wypadkowa n rezystoroacutew o takiej samej rezystancji R1 połączonych roacutewnolegle wynosi R=R1n
Elementy bierne RLC
Dzielnik napięcia
Napięcie wyjściowe Uwy można obliczyć następująco
przez oba rezystory płynie taki sam prąd I (o ile wyjście nie jest obciążone jakąś rezystancją)
czyli
napięcie na R2 czyli wyjściowe jest roacutewne
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Zgodnie z twierdzeniem Thevenina
napięcie na rozwartych zaciskach wyjściowych dzielnika (punkty A i B)
jest roacutewne
U = UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
prąd zwarcia dla dzielnika wynosi
Izw = Uwe R1
Z powyższych zależności można wyliczyć rezystancję zastępczą dla układu Thevenina RT = UT Izw
RT = (R1 R2) (R1+ R2)Widać stąd że rezystancja RT jest wypadkową rezystancją połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew R1 i R2
Układ zastępczy Thevenina dla dzielnika składa się więc ze źroacutedła napięcia UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
połączonego szeregowo z rezystancją RT = (R1 R2) (R1+ R2)
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Jeżeli do dzielnika podłączymy obciążenie w postaci rezystora Robc to znowu otrzymamy dzielnik napięcia składający się z rezystoroacutew RT i Robc oraz źroacutedła napięcia UT
Napięcie na obciążeniu Robc będzie roacutewne Uobc = UT [Robc (RT+ Robc)]
Jak widać z powyższego wzoru aby obciążenie nie zmieniło w znaczący sposoacuteb napięcia wyjściowego dzielnika musi być spełniona zależność
Robc gtgt RT
woacutewczas można przyjąć że Uobc = ~ UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
Przyjęto że aby powyższe roacutewnanie było spełnione musi być spełniony warunek minimalny Robc = 10RT = 10(R1 R2) (R1+ R2)
czyli rezystancja obciążenia musi być przynajmniej 10 razy większa od wypadkowej rezystancji połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew dzielnika napięciowego
Warunek ten zapewnia że zmiana napięcia wyjściowego dzielnika pod wpływem obciążenia będzie mniejsza od 10 (warunek często stosowany w praktyce)
Elementy bierne RLC
Elementy bierne RLC
Potencjometr - rezystor o zmiennej rezystancji element o trzech końcoacutewkach
Potencjometr pełni funkcję regulowanego dzielnika napięcia
Położenie suwaka dzieli rezystancję potencjometru na dwie części R1 i R2
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Kondensator - element dwukońcoacutewkowy o właściwościach
dających się opisać roacutewnaniem
Q=CU
gdzie Q -ładunek [C] U -napięcie na okładkach (końcoacutewkach)
kondensatora [V] C -pojemność kondensatora [F]
Kondensatory są zbudowane z dwoacutech przewodzących
elektrod (okładek) przedzielonych dielektrykiem (izolatorem)
Kondensator jest elementem ktoacutery posiada zdolność
gromadzenia ładunku
Kondensator o pojemności C i napięciu U zawiera ładunek Q
na jednej okładce i przeciwnie spolaryzowany ładunek -Q
na drugiej okładce
Przykłady konstrukcji kondensatoroacutew stałych a) zwijkowego b) wielowarstwowego
c) płytkowego d) rurkowego
e) SMD do montażu powierzchniowego
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Superkondensator - rodzaj kondensatora elektrolitycznego
ktoacutery z uwagi na sposoacuteb konstrukcji wykazuje niezwykle
dużą pojemność elektryczną w poroacutewnaniu do klasycznych kondesatoroacutew elektrolitycznych
Największą zaletą superkondensatoroacutew jest bardzo kroacutetki czas ładownia w poroacutewnaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np akumulatorami)
Zastosowania superkondensatoroacutew
roacutewnolegle źroacutedło zasilania z innymi źroacutedłami energii (np ogniwami paliwowymi) w celu
kroacutetkotrwałego dostarczania mocy szczytowej co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiaroacutew
całego układu (rozwiązania testowane m in w prototypach samochodoacutew hybrydowych
i wspomaganiu zasilania robotoacutew)
awaryjne źroacutedło zasilania
(stosowane min do wyjść
i zjeżdżalni ewakuacyjnych
w samolotach Airbus)
źroacutedło zasilania ciągłego
w urządzeniach o niewielkiej
mocy (pamięć komputerowa
elektryczne szczoteczki do zęboacutew)
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Prąd płynący przez kondensator jest wprost proporcjonalny do szybkości zmian napięcia
Jeśli na kondensatorze o pojemności 1F napięcie zmienia z prędkością 1Vs
to przepływa przez niego prąd o natężeniu 1A
Najważniejsze parametry kondensatoroacutew
- pojemność ndash [microF] [nF] lub [pF]- tolerancja pojemności (dokładność) ndash []- napięcie znamionowe ndash [V]
- stratność (upływność)
- temperaturowy wspoacutełczynnik zmian
pojemności
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie kondensatoroacutew
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych szeregowo wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych roacutewnolegle wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych szeregowo
C=C1+C2
Ogoacutelnie
Elementy bierne RLC
a) elektrolityczny b) tantalowyc) poliestrowy d) ceramicznye) styrofleksowy
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0 zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to
kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z roacutewnaniem
Gdzie RC stałą czasową τ [Ω][F] = [s]
Elementy bierne RLC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
bull Twierdzenie TheveninaDowolny dwuzaciskowy układ składający się z kombinacji źroacutedeł napięcia i rezystoroacutew można zastąpićpołączeniem szeregowym pojedynczego rezystora RT i pojedynczego źroacutedła napięciowego UT
UT = UROZWARCIA
RT = UROZWARCIA IZWARCIA
bull Moc
Moc P - praca wykonana w jednostce czasu
P = UI
Jednostka [W] = [J] [s] = ([J] [C]) ([C] [s])
[W] = [V][A]
Korzystając z prawa Ohma można otrzymać zależności ktoacutere przydadzą się np przy określaniu mocy rezystoroacutew P = I2 RP = U2R
Dla napięć i prądoacutew zmiennych P = U I wyraża moc chwilową
Pojęcia podstawowe
bull Sygnały
Sygnał sinusoidalny
U = Umsinωωωωt gdzie
Um - amplituda ωωωω=2ππππf ndash pulsacja [rads] t ndash czas [s] f ndash częstotliwość [Hz]
Przebieg sinusoidalny opisują dwa parametry amplituda Um i pulsacja ωωωω
Inne parametry (substytuty amplitudy)
wartość międzyszczytowa
Upp = 2 Um
wartość skuteczna dla dowolnego sygnału
Usk = 0707 Um
PrzykładWartość skuteczna napięcia w sieci elektrycznej wynosi 230V (przebieg sinusoidalny o częstotliwości 50Hz) Stąd amplituda tego napięcia jest roacutewna 325V a wartość międzyszczytowa 650V
Pojęcia podstawowe
dttUT
UT
SK int=0
2 )(1
bull Sygnały
Sygnał prostokątny
Podobnie jak sygnał sinusoidalny można opisać dwoma parametrami - amplitudą i pulsacją - z tą roacuteżnicą że wartość skuteczna dla fali prostokątnej jest roacutewna jej amplitudzie
Sygnał prostokątny
ndash zbocze narastające ndash poziom wysoki ndash zbocze opadającendash poziom niski
Rzeczywisty kształt sygnału prostokątnego jest daleki od ideału gdyż zbocza nie są prostopadłe
Najczęściej czas narastania czy opadania zboczy mieści się w granicach od kilku nanosekund (ns) do kilku mikrosekund (micros) i mierzy się go jako czas narastania od 01 do 09 napięcia sygnału
Pojęcia podstawowe
bull Sygnały
Sygnał piłokształtny to sygnał o przebiegu liniowym (napięcie rośnie lub opada ze stałąprędkością) powtarzany okresowo
ImpulsyNajczęściej nie są to sygnały okresowe
Opisać je można poprzez podanie amplitudy i szerokości impulsuW technice cyfrowej występują często impulsy powtarzające się okresowo wtedy do opisu takiego sygnału
należy dodać częstotliwość oraz wspoacutełczynnik wypełnienia (stosunek szerokości impulsu do okresu powtarzania)Impulsy dzielimy na dodatnie i ujemne
Skoki i szpilki są sygnałami ktoacutere zwykle nie mają praktycznego zastosowania w układach elektronicznych nadająsię za to znakomicie do ich analizowania i opisu
Pojęcia podstawowe
bull Logarytmiczny stosunek napięć
Stosunek amplitud dwoacutech sygnałoacutew można wyrazić w decybelach zgodnie ze wzorem
ku[dB]=20log10(U2U1)
gdzie U2 i U1 to amplitudy poroacutewnywanych sygnałoacutew
ku ku [dB]
01 -20dB
0707 -3dB
1 0dB
141 3dB
10 20dB
100 40dB
1000 60dB
Pojęcia podstawowe
bull RezystoryRezystory to elementy dwukońcoacutewkowe o właściwościach dających się opisać prawem Ohma
a) metalizowany b) drutowyc) węglowy d) drabinka rezystorowae) grubowarstwowy
Najważniejsze parametry rezystoroacutew
- rezystancja znamionowa - podawana zwykle w Ω kΩ lub MΩ- tolerancja rezystancji (dokładność) - podawana w procentach- moc znamionowa - moc ktoacuterą może rezystor rozproszyć- wspoacutełczynnik temperaturowy rezystancji TWR- napięcie znamionowe
Elementy bierne RLC
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie rezystoroacutew
Z prawa Ohma (R=UI) wynikają następujące właściwości rezystoroacutew
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych szeregowo wynosi
R=R1+R2
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle wynosi
Dla dowolnej liczby rezystoroacutew
Z praktycznego punktu widzenia warto zauważyć że wypadkowa rezystancja dwoacutech rezystoroacutew roacuteżniących sięznacznie od siebie jest w przybliżeniu roacutewna dla połączenia szeregowego tych rezystoroacutew rezystancji o większej wartości a dla połączenia roacutewnoległego tych rezystoroacutew rezystancji o mniejszej wartości
Warto roacutewnież zauważyć że rezystancja wypadkowa n rezystoroacutew o takiej samej rezystancji R1 połączonych roacutewnolegle wynosi R=R1n
Elementy bierne RLC
Dzielnik napięcia
Napięcie wyjściowe Uwy można obliczyć następująco
przez oba rezystory płynie taki sam prąd I (o ile wyjście nie jest obciążone jakąś rezystancją)
czyli
napięcie na R2 czyli wyjściowe jest roacutewne
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Zgodnie z twierdzeniem Thevenina
napięcie na rozwartych zaciskach wyjściowych dzielnika (punkty A i B)
jest roacutewne
U = UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
prąd zwarcia dla dzielnika wynosi
Izw = Uwe R1
Z powyższych zależności można wyliczyć rezystancję zastępczą dla układu Thevenina RT = UT Izw
RT = (R1 R2) (R1+ R2)Widać stąd że rezystancja RT jest wypadkową rezystancją połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew R1 i R2
Układ zastępczy Thevenina dla dzielnika składa się więc ze źroacutedła napięcia UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
połączonego szeregowo z rezystancją RT = (R1 R2) (R1+ R2)
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Jeżeli do dzielnika podłączymy obciążenie w postaci rezystora Robc to znowu otrzymamy dzielnik napięcia składający się z rezystoroacutew RT i Robc oraz źroacutedła napięcia UT
Napięcie na obciążeniu Robc będzie roacutewne Uobc = UT [Robc (RT+ Robc)]
Jak widać z powyższego wzoru aby obciążenie nie zmieniło w znaczący sposoacuteb napięcia wyjściowego dzielnika musi być spełniona zależność
Robc gtgt RT
woacutewczas można przyjąć że Uobc = ~ UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
Przyjęto że aby powyższe roacutewnanie było spełnione musi być spełniony warunek minimalny Robc = 10RT = 10(R1 R2) (R1+ R2)
czyli rezystancja obciążenia musi być przynajmniej 10 razy większa od wypadkowej rezystancji połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew dzielnika napięciowego
Warunek ten zapewnia że zmiana napięcia wyjściowego dzielnika pod wpływem obciążenia będzie mniejsza od 10 (warunek często stosowany w praktyce)
Elementy bierne RLC
Elementy bierne RLC
Potencjometr - rezystor o zmiennej rezystancji element o trzech końcoacutewkach
Potencjometr pełni funkcję regulowanego dzielnika napięcia
Położenie suwaka dzieli rezystancję potencjometru na dwie części R1 i R2
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Kondensator - element dwukońcoacutewkowy o właściwościach
dających się opisać roacutewnaniem
Q=CU
gdzie Q -ładunek [C] U -napięcie na okładkach (końcoacutewkach)
kondensatora [V] C -pojemność kondensatora [F]
Kondensatory są zbudowane z dwoacutech przewodzących
elektrod (okładek) przedzielonych dielektrykiem (izolatorem)
Kondensator jest elementem ktoacutery posiada zdolność
gromadzenia ładunku
Kondensator o pojemności C i napięciu U zawiera ładunek Q
na jednej okładce i przeciwnie spolaryzowany ładunek -Q
na drugiej okładce
Przykłady konstrukcji kondensatoroacutew stałych a) zwijkowego b) wielowarstwowego
c) płytkowego d) rurkowego
e) SMD do montażu powierzchniowego
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Superkondensator - rodzaj kondensatora elektrolitycznego
ktoacutery z uwagi na sposoacuteb konstrukcji wykazuje niezwykle
dużą pojemność elektryczną w poroacutewnaniu do klasycznych kondesatoroacutew elektrolitycznych
Największą zaletą superkondensatoroacutew jest bardzo kroacutetki czas ładownia w poroacutewnaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np akumulatorami)
Zastosowania superkondensatoroacutew
roacutewnolegle źroacutedło zasilania z innymi źroacutedłami energii (np ogniwami paliwowymi) w celu
kroacutetkotrwałego dostarczania mocy szczytowej co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiaroacutew
całego układu (rozwiązania testowane m in w prototypach samochodoacutew hybrydowych
i wspomaganiu zasilania robotoacutew)
awaryjne źroacutedło zasilania
(stosowane min do wyjść
i zjeżdżalni ewakuacyjnych
w samolotach Airbus)
źroacutedło zasilania ciągłego
w urządzeniach o niewielkiej
mocy (pamięć komputerowa
elektryczne szczoteczki do zęboacutew)
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Prąd płynący przez kondensator jest wprost proporcjonalny do szybkości zmian napięcia
Jeśli na kondensatorze o pojemności 1F napięcie zmienia z prędkością 1Vs
to przepływa przez niego prąd o natężeniu 1A
Najważniejsze parametry kondensatoroacutew
- pojemność ndash [microF] [nF] lub [pF]- tolerancja pojemności (dokładność) ndash []- napięcie znamionowe ndash [V]
- stratność (upływność)
- temperaturowy wspoacutełczynnik zmian
pojemności
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie kondensatoroacutew
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych szeregowo wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych roacutewnolegle wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych szeregowo
C=C1+C2
Ogoacutelnie
Elementy bierne RLC
a) elektrolityczny b) tantalowyc) poliestrowy d) ceramicznye) styrofleksowy
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0 zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to
kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z roacutewnaniem
Gdzie RC stałą czasową τ [Ω][F] = [s]
Elementy bierne RLC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
bull Sygnały
Sygnał sinusoidalny
U = Umsinωωωωt gdzie
Um - amplituda ωωωω=2ππππf ndash pulsacja [rads] t ndash czas [s] f ndash częstotliwość [Hz]
Przebieg sinusoidalny opisują dwa parametry amplituda Um i pulsacja ωωωω
Inne parametry (substytuty amplitudy)
wartość międzyszczytowa
Upp = 2 Um
wartość skuteczna dla dowolnego sygnału
Usk = 0707 Um
PrzykładWartość skuteczna napięcia w sieci elektrycznej wynosi 230V (przebieg sinusoidalny o częstotliwości 50Hz) Stąd amplituda tego napięcia jest roacutewna 325V a wartość międzyszczytowa 650V
Pojęcia podstawowe
dttUT
UT
SK int=0
2 )(1
bull Sygnały
Sygnał prostokątny
Podobnie jak sygnał sinusoidalny można opisać dwoma parametrami - amplitudą i pulsacją - z tą roacuteżnicą że wartość skuteczna dla fali prostokątnej jest roacutewna jej amplitudzie
Sygnał prostokątny
ndash zbocze narastające ndash poziom wysoki ndash zbocze opadającendash poziom niski
Rzeczywisty kształt sygnału prostokątnego jest daleki od ideału gdyż zbocza nie są prostopadłe
Najczęściej czas narastania czy opadania zboczy mieści się w granicach od kilku nanosekund (ns) do kilku mikrosekund (micros) i mierzy się go jako czas narastania od 01 do 09 napięcia sygnału
Pojęcia podstawowe
bull Sygnały
Sygnał piłokształtny to sygnał o przebiegu liniowym (napięcie rośnie lub opada ze stałąprędkością) powtarzany okresowo
ImpulsyNajczęściej nie są to sygnały okresowe
Opisać je można poprzez podanie amplitudy i szerokości impulsuW technice cyfrowej występują często impulsy powtarzające się okresowo wtedy do opisu takiego sygnału
należy dodać częstotliwość oraz wspoacutełczynnik wypełnienia (stosunek szerokości impulsu do okresu powtarzania)Impulsy dzielimy na dodatnie i ujemne
Skoki i szpilki są sygnałami ktoacutere zwykle nie mają praktycznego zastosowania w układach elektronicznych nadająsię za to znakomicie do ich analizowania i opisu
Pojęcia podstawowe
bull Logarytmiczny stosunek napięć
Stosunek amplitud dwoacutech sygnałoacutew można wyrazić w decybelach zgodnie ze wzorem
ku[dB]=20log10(U2U1)
gdzie U2 i U1 to amplitudy poroacutewnywanych sygnałoacutew
ku ku [dB]
01 -20dB
0707 -3dB
1 0dB
141 3dB
10 20dB
100 40dB
1000 60dB
Pojęcia podstawowe
bull RezystoryRezystory to elementy dwukońcoacutewkowe o właściwościach dających się opisać prawem Ohma
a) metalizowany b) drutowyc) węglowy d) drabinka rezystorowae) grubowarstwowy
Najważniejsze parametry rezystoroacutew
- rezystancja znamionowa - podawana zwykle w Ω kΩ lub MΩ- tolerancja rezystancji (dokładność) - podawana w procentach- moc znamionowa - moc ktoacuterą może rezystor rozproszyć- wspoacutełczynnik temperaturowy rezystancji TWR- napięcie znamionowe
Elementy bierne RLC
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie rezystoroacutew
Z prawa Ohma (R=UI) wynikają następujące właściwości rezystoroacutew
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych szeregowo wynosi
R=R1+R2
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle wynosi
Dla dowolnej liczby rezystoroacutew
Z praktycznego punktu widzenia warto zauważyć że wypadkowa rezystancja dwoacutech rezystoroacutew roacuteżniących sięznacznie od siebie jest w przybliżeniu roacutewna dla połączenia szeregowego tych rezystoroacutew rezystancji o większej wartości a dla połączenia roacutewnoległego tych rezystoroacutew rezystancji o mniejszej wartości
Warto roacutewnież zauważyć że rezystancja wypadkowa n rezystoroacutew o takiej samej rezystancji R1 połączonych roacutewnolegle wynosi R=R1n
Elementy bierne RLC
Dzielnik napięcia
Napięcie wyjściowe Uwy można obliczyć następująco
przez oba rezystory płynie taki sam prąd I (o ile wyjście nie jest obciążone jakąś rezystancją)
czyli
napięcie na R2 czyli wyjściowe jest roacutewne
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Zgodnie z twierdzeniem Thevenina
napięcie na rozwartych zaciskach wyjściowych dzielnika (punkty A i B)
jest roacutewne
U = UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
prąd zwarcia dla dzielnika wynosi
Izw = Uwe R1
Z powyższych zależności można wyliczyć rezystancję zastępczą dla układu Thevenina RT = UT Izw
RT = (R1 R2) (R1+ R2)Widać stąd że rezystancja RT jest wypadkową rezystancją połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew R1 i R2
Układ zastępczy Thevenina dla dzielnika składa się więc ze źroacutedła napięcia UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
połączonego szeregowo z rezystancją RT = (R1 R2) (R1+ R2)
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Jeżeli do dzielnika podłączymy obciążenie w postaci rezystora Robc to znowu otrzymamy dzielnik napięcia składający się z rezystoroacutew RT i Robc oraz źroacutedła napięcia UT
Napięcie na obciążeniu Robc będzie roacutewne Uobc = UT [Robc (RT+ Robc)]
Jak widać z powyższego wzoru aby obciążenie nie zmieniło w znaczący sposoacuteb napięcia wyjściowego dzielnika musi być spełniona zależność
Robc gtgt RT
woacutewczas można przyjąć że Uobc = ~ UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
Przyjęto że aby powyższe roacutewnanie było spełnione musi być spełniony warunek minimalny Robc = 10RT = 10(R1 R2) (R1+ R2)
czyli rezystancja obciążenia musi być przynajmniej 10 razy większa od wypadkowej rezystancji połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew dzielnika napięciowego
Warunek ten zapewnia że zmiana napięcia wyjściowego dzielnika pod wpływem obciążenia będzie mniejsza od 10 (warunek często stosowany w praktyce)
Elementy bierne RLC
Elementy bierne RLC
Potencjometr - rezystor o zmiennej rezystancji element o trzech końcoacutewkach
Potencjometr pełni funkcję regulowanego dzielnika napięcia
Położenie suwaka dzieli rezystancję potencjometru na dwie części R1 i R2
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Kondensator - element dwukońcoacutewkowy o właściwościach
dających się opisać roacutewnaniem
Q=CU
gdzie Q -ładunek [C] U -napięcie na okładkach (końcoacutewkach)
kondensatora [V] C -pojemność kondensatora [F]
Kondensatory są zbudowane z dwoacutech przewodzących
elektrod (okładek) przedzielonych dielektrykiem (izolatorem)
Kondensator jest elementem ktoacutery posiada zdolność
gromadzenia ładunku
Kondensator o pojemności C i napięciu U zawiera ładunek Q
na jednej okładce i przeciwnie spolaryzowany ładunek -Q
na drugiej okładce
Przykłady konstrukcji kondensatoroacutew stałych a) zwijkowego b) wielowarstwowego
c) płytkowego d) rurkowego
e) SMD do montażu powierzchniowego
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Superkondensator - rodzaj kondensatora elektrolitycznego
ktoacutery z uwagi na sposoacuteb konstrukcji wykazuje niezwykle
dużą pojemność elektryczną w poroacutewnaniu do klasycznych kondesatoroacutew elektrolitycznych
Największą zaletą superkondensatoroacutew jest bardzo kroacutetki czas ładownia w poroacutewnaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np akumulatorami)
Zastosowania superkondensatoroacutew
roacutewnolegle źroacutedło zasilania z innymi źroacutedłami energii (np ogniwami paliwowymi) w celu
kroacutetkotrwałego dostarczania mocy szczytowej co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiaroacutew
całego układu (rozwiązania testowane m in w prototypach samochodoacutew hybrydowych
i wspomaganiu zasilania robotoacutew)
awaryjne źroacutedło zasilania
(stosowane min do wyjść
i zjeżdżalni ewakuacyjnych
w samolotach Airbus)
źroacutedło zasilania ciągłego
w urządzeniach o niewielkiej
mocy (pamięć komputerowa
elektryczne szczoteczki do zęboacutew)
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Prąd płynący przez kondensator jest wprost proporcjonalny do szybkości zmian napięcia
Jeśli na kondensatorze o pojemności 1F napięcie zmienia z prędkością 1Vs
to przepływa przez niego prąd o natężeniu 1A
Najważniejsze parametry kondensatoroacutew
- pojemność ndash [microF] [nF] lub [pF]- tolerancja pojemności (dokładność) ndash []- napięcie znamionowe ndash [V]
- stratność (upływność)
- temperaturowy wspoacutełczynnik zmian
pojemności
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie kondensatoroacutew
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych szeregowo wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych roacutewnolegle wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych szeregowo
C=C1+C2
Ogoacutelnie
Elementy bierne RLC
a) elektrolityczny b) tantalowyc) poliestrowy d) ceramicznye) styrofleksowy
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0 zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to
kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z roacutewnaniem
Gdzie RC stałą czasową τ [Ω][F] = [s]
Elementy bierne RLC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
bull Sygnały
Sygnał prostokątny
Podobnie jak sygnał sinusoidalny można opisać dwoma parametrami - amplitudą i pulsacją - z tą roacuteżnicą że wartość skuteczna dla fali prostokątnej jest roacutewna jej amplitudzie
Sygnał prostokątny
ndash zbocze narastające ndash poziom wysoki ndash zbocze opadającendash poziom niski
Rzeczywisty kształt sygnału prostokątnego jest daleki od ideału gdyż zbocza nie są prostopadłe
Najczęściej czas narastania czy opadania zboczy mieści się w granicach od kilku nanosekund (ns) do kilku mikrosekund (micros) i mierzy się go jako czas narastania od 01 do 09 napięcia sygnału
Pojęcia podstawowe
bull Sygnały
Sygnał piłokształtny to sygnał o przebiegu liniowym (napięcie rośnie lub opada ze stałąprędkością) powtarzany okresowo
ImpulsyNajczęściej nie są to sygnały okresowe
Opisać je można poprzez podanie amplitudy i szerokości impulsuW technice cyfrowej występują często impulsy powtarzające się okresowo wtedy do opisu takiego sygnału
należy dodać częstotliwość oraz wspoacutełczynnik wypełnienia (stosunek szerokości impulsu do okresu powtarzania)Impulsy dzielimy na dodatnie i ujemne
Skoki i szpilki są sygnałami ktoacutere zwykle nie mają praktycznego zastosowania w układach elektronicznych nadająsię za to znakomicie do ich analizowania i opisu
Pojęcia podstawowe
bull Logarytmiczny stosunek napięć
Stosunek amplitud dwoacutech sygnałoacutew można wyrazić w decybelach zgodnie ze wzorem
ku[dB]=20log10(U2U1)
gdzie U2 i U1 to amplitudy poroacutewnywanych sygnałoacutew
ku ku [dB]
01 -20dB
0707 -3dB
1 0dB
141 3dB
10 20dB
100 40dB
1000 60dB
Pojęcia podstawowe
bull RezystoryRezystory to elementy dwukońcoacutewkowe o właściwościach dających się opisać prawem Ohma
a) metalizowany b) drutowyc) węglowy d) drabinka rezystorowae) grubowarstwowy
Najważniejsze parametry rezystoroacutew
- rezystancja znamionowa - podawana zwykle w Ω kΩ lub MΩ- tolerancja rezystancji (dokładność) - podawana w procentach- moc znamionowa - moc ktoacuterą może rezystor rozproszyć- wspoacutełczynnik temperaturowy rezystancji TWR- napięcie znamionowe
Elementy bierne RLC
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie rezystoroacutew
Z prawa Ohma (R=UI) wynikają następujące właściwości rezystoroacutew
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych szeregowo wynosi
R=R1+R2
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle wynosi
Dla dowolnej liczby rezystoroacutew
Z praktycznego punktu widzenia warto zauważyć że wypadkowa rezystancja dwoacutech rezystoroacutew roacuteżniących sięznacznie od siebie jest w przybliżeniu roacutewna dla połączenia szeregowego tych rezystoroacutew rezystancji o większej wartości a dla połączenia roacutewnoległego tych rezystoroacutew rezystancji o mniejszej wartości
Warto roacutewnież zauważyć że rezystancja wypadkowa n rezystoroacutew o takiej samej rezystancji R1 połączonych roacutewnolegle wynosi R=R1n
Elementy bierne RLC
Dzielnik napięcia
Napięcie wyjściowe Uwy można obliczyć następująco
przez oba rezystory płynie taki sam prąd I (o ile wyjście nie jest obciążone jakąś rezystancją)
czyli
napięcie na R2 czyli wyjściowe jest roacutewne
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Zgodnie z twierdzeniem Thevenina
napięcie na rozwartych zaciskach wyjściowych dzielnika (punkty A i B)
jest roacutewne
U = UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
prąd zwarcia dla dzielnika wynosi
Izw = Uwe R1
Z powyższych zależności można wyliczyć rezystancję zastępczą dla układu Thevenina RT = UT Izw
RT = (R1 R2) (R1+ R2)Widać stąd że rezystancja RT jest wypadkową rezystancją połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew R1 i R2
Układ zastępczy Thevenina dla dzielnika składa się więc ze źroacutedła napięcia UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
połączonego szeregowo z rezystancją RT = (R1 R2) (R1+ R2)
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Jeżeli do dzielnika podłączymy obciążenie w postaci rezystora Robc to znowu otrzymamy dzielnik napięcia składający się z rezystoroacutew RT i Robc oraz źroacutedła napięcia UT
Napięcie na obciążeniu Robc będzie roacutewne Uobc = UT [Robc (RT+ Robc)]
Jak widać z powyższego wzoru aby obciążenie nie zmieniło w znaczący sposoacuteb napięcia wyjściowego dzielnika musi być spełniona zależność
Robc gtgt RT
woacutewczas można przyjąć że Uobc = ~ UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
Przyjęto że aby powyższe roacutewnanie było spełnione musi być spełniony warunek minimalny Robc = 10RT = 10(R1 R2) (R1+ R2)
czyli rezystancja obciążenia musi być przynajmniej 10 razy większa od wypadkowej rezystancji połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew dzielnika napięciowego
Warunek ten zapewnia że zmiana napięcia wyjściowego dzielnika pod wpływem obciążenia będzie mniejsza od 10 (warunek często stosowany w praktyce)
Elementy bierne RLC
Elementy bierne RLC
Potencjometr - rezystor o zmiennej rezystancji element o trzech końcoacutewkach
Potencjometr pełni funkcję regulowanego dzielnika napięcia
Położenie suwaka dzieli rezystancję potencjometru na dwie części R1 i R2
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Kondensator - element dwukońcoacutewkowy o właściwościach
dających się opisać roacutewnaniem
Q=CU
gdzie Q -ładunek [C] U -napięcie na okładkach (końcoacutewkach)
kondensatora [V] C -pojemność kondensatora [F]
Kondensatory są zbudowane z dwoacutech przewodzących
elektrod (okładek) przedzielonych dielektrykiem (izolatorem)
Kondensator jest elementem ktoacutery posiada zdolność
gromadzenia ładunku
Kondensator o pojemności C i napięciu U zawiera ładunek Q
na jednej okładce i przeciwnie spolaryzowany ładunek -Q
na drugiej okładce
Przykłady konstrukcji kondensatoroacutew stałych a) zwijkowego b) wielowarstwowego
c) płytkowego d) rurkowego
e) SMD do montażu powierzchniowego
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Superkondensator - rodzaj kondensatora elektrolitycznego
ktoacutery z uwagi na sposoacuteb konstrukcji wykazuje niezwykle
dużą pojemność elektryczną w poroacutewnaniu do klasycznych kondesatoroacutew elektrolitycznych
Największą zaletą superkondensatoroacutew jest bardzo kroacutetki czas ładownia w poroacutewnaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np akumulatorami)
Zastosowania superkondensatoroacutew
roacutewnolegle źroacutedło zasilania z innymi źroacutedłami energii (np ogniwami paliwowymi) w celu
kroacutetkotrwałego dostarczania mocy szczytowej co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiaroacutew
całego układu (rozwiązania testowane m in w prototypach samochodoacutew hybrydowych
i wspomaganiu zasilania robotoacutew)
awaryjne źroacutedło zasilania
(stosowane min do wyjść
i zjeżdżalni ewakuacyjnych
w samolotach Airbus)
źroacutedło zasilania ciągłego
w urządzeniach o niewielkiej
mocy (pamięć komputerowa
elektryczne szczoteczki do zęboacutew)
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Prąd płynący przez kondensator jest wprost proporcjonalny do szybkości zmian napięcia
Jeśli na kondensatorze o pojemności 1F napięcie zmienia z prędkością 1Vs
to przepływa przez niego prąd o natężeniu 1A
Najważniejsze parametry kondensatoroacutew
- pojemność ndash [microF] [nF] lub [pF]- tolerancja pojemności (dokładność) ndash []- napięcie znamionowe ndash [V]
- stratność (upływność)
- temperaturowy wspoacutełczynnik zmian
pojemności
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie kondensatoroacutew
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych szeregowo wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych roacutewnolegle wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych szeregowo
C=C1+C2
Ogoacutelnie
Elementy bierne RLC
a) elektrolityczny b) tantalowyc) poliestrowy d) ceramicznye) styrofleksowy
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0 zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to
kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z roacutewnaniem
Gdzie RC stałą czasową τ [Ω][F] = [s]
Elementy bierne RLC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
bull Sygnały
Sygnał piłokształtny to sygnał o przebiegu liniowym (napięcie rośnie lub opada ze stałąprędkością) powtarzany okresowo
ImpulsyNajczęściej nie są to sygnały okresowe
Opisać je można poprzez podanie amplitudy i szerokości impulsuW technice cyfrowej występują często impulsy powtarzające się okresowo wtedy do opisu takiego sygnału
należy dodać częstotliwość oraz wspoacutełczynnik wypełnienia (stosunek szerokości impulsu do okresu powtarzania)Impulsy dzielimy na dodatnie i ujemne
Skoki i szpilki są sygnałami ktoacutere zwykle nie mają praktycznego zastosowania w układach elektronicznych nadająsię za to znakomicie do ich analizowania i opisu
Pojęcia podstawowe
bull Logarytmiczny stosunek napięć
Stosunek amplitud dwoacutech sygnałoacutew można wyrazić w decybelach zgodnie ze wzorem
ku[dB]=20log10(U2U1)
gdzie U2 i U1 to amplitudy poroacutewnywanych sygnałoacutew
ku ku [dB]
01 -20dB
0707 -3dB
1 0dB
141 3dB
10 20dB
100 40dB
1000 60dB
Pojęcia podstawowe
bull RezystoryRezystory to elementy dwukońcoacutewkowe o właściwościach dających się opisać prawem Ohma
a) metalizowany b) drutowyc) węglowy d) drabinka rezystorowae) grubowarstwowy
Najważniejsze parametry rezystoroacutew
- rezystancja znamionowa - podawana zwykle w Ω kΩ lub MΩ- tolerancja rezystancji (dokładność) - podawana w procentach- moc znamionowa - moc ktoacuterą może rezystor rozproszyć- wspoacutełczynnik temperaturowy rezystancji TWR- napięcie znamionowe
Elementy bierne RLC
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie rezystoroacutew
Z prawa Ohma (R=UI) wynikają następujące właściwości rezystoroacutew
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych szeregowo wynosi
R=R1+R2
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle wynosi
Dla dowolnej liczby rezystoroacutew
Z praktycznego punktu widzenia warto zauważyć że wypadkowa rezystancja dwoacutech rezystoroacutew roacuteżniących sięznacznie od siebie jest w przybliżeniu roacutewna dla połączenia szeregowego tych rezystoroacutew rezystancji o większej wartości a dla połączenia roacutewnoległego tych rezystoroacutew rezystancji o mniejszej wartości
Warto roacutewnież zauważyć że rezystancja wypadkowa n rezystoroacutew o takiej samej rezystancji R1 połączonych roacutewnolegle wynosi R=R1n
Elementy bierne RLC
Dzielnik napięcia
Napięcie wyjściowe Uwy można obliczyć następująco
przez oba rezystory płynie taki sam prąd I (o ile wyjście nie jest obciążone jakąś rezystancją)
czyli
napięcie na R2 czyli wyjściowe jest roacutewne
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Zgodnie z twierdzeniem Thevenina
napięcie na rozwartych zaciskach wyjściowych dzielnika (punkty A i B)
jest roacutewne
U = UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
prąd zwarcia dla dzielnika wynosi
Izw = Uwe R1
Z powyższych zależności można wyliczyć rezystancję zastępczą dla układu Thevenina RT = UT Izw
RT = (R1 R2) (R1+ R2)Widać stąd że rezystancja RT jest wypadkową rezystancją połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew R1 i R2
Układ zastępczy Thevenina dla dzielnika składa się więc ze źroacutedła napięcia UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
połączonego szeregowo z rezystancją RT = (R1 R2) (R1+ R2)
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Jeżeli do dzielnika podłączymy obciążenie w postaci rezystora Robc to znowu otrzymamy dzielnik napięcia składający się z rezystoroacutew RT i Robc oraz źroacutedła napięcia UT
Napięcie na obciążeniu Robc będzie roacutewne Uobc = UT [Robc (RT+ Robc)]
Jak widać z powyższego wzoru aby obciążenie nie zmieniło w znaczący sposoacuteb napięcia wyjściowego dzielnika musi być spełniona zależność
Robc gtgt RT
woacutewczas można przyjąć że Uobc = ~ UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
Przyjęto że aby powyższe roacutewnanie było spełnione musi być spełniony warunek minimalny Robc = 10RT = 10(R1 R2) (R1+ R2)
czyli rezystancja obciążenia musi być przynajmniej 10 razy większa od wypadkowej rezystancji połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew dzielnika napięciowego
Warunek ten zapewnia że zmiana napięcia wyjściowego dzielnika pod wpływem obciążenia będzie mniejsza od 10 (warunek często stosowany w praktyce)
Elementy bierne RLC
Elementy bierne RLC
Potencjometr - rezystor o zmiennej rezystancji element o trzech końcoacutewkach
Potencjometr pełni funkcję regulowanego dzielnika napięcia
Położenie suwaka dzieli rezystancję potencjometru na dwie części R1 i R2
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Kondensator - element dwukońcoacutewkowy o właściwościach
dających się opisać roacutewnaniem
Q=CU
gdzie Q -ładunek [C] U -napięcie na okładkach (końcoacutewkach)
kondensatora [V] C -pojemność kondensatora [F]
Kondensatory są zbudowane z dwoacutech przewodzących
elektrod (okładek) przedzielonych dielektrykiem (izolatorem)
Kondensator jest elementem ktoacutery posiada zdolność
gromadzenia ładunku
Kondensator o pojemności C i napięciu U zawiera ładunek Q
na jednej okładce i przeciwnie spolaryzowany ładunek -Q
na drugiej okładce
Przykłady konstrukcji kondensatoroacutew stałych a) zwijkowego b) wielowarstwowego
c) płytkowego d) rurkowego
e) SMD do montażu powierzchniowego
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Superkondensator - rodzaj kondensatora elektrolitycznego
ktoacutery z uwagi na sposoacuteb konstrukcji wykazuje niezwykle
dużą pojemność elektryczną w poroacutewnaniu do klasycznych kondesatoroacutew elektrolitycznych
Największą zaletą superkondensatoroacutew jest bardzo kroacutetki czas ładownia w poroacutewnaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np akumulatorami)
Zastosowania superkondensatoroacutew
roacutewnolegle źroacutedło zasilania z innymi źroacutedłami energii (np ogniwami paliwowymi) w celu
kroacutetkotrwałego dostarczania mocy szczytowej co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiaroacutew
całego układu (rozwiązania testowane m in w prototypach samochodoacutew hybrydowych
i wspomaganiu zasilania robotoacutew)
awaryjne źroacutedło zasilania
(stosowane min do wyjść
i zjeżdżalni ewakuacyjnych
w samolotach Airbus)
źroacutedło zasilania ciągłego
w urządzeniach o niewielkiej
mocy (pamięć komputerowa
elektryczne szczoteczki do zęboacutew)
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Prąd płynący przez kondensator jest wprost proporcjonalny do szybkości zmian napięcia
Jeśli na kondensatorze o pojemności 1F napięcie zmienia z prędkością 1Vs
to przepływa przez niego prąd o natężeniu 1A
Najważniejsze parametry kondensatoroacutew
- pojemność ndash [microF] [nF] lub [pF]- tolerancja pojemności (dokładność) ndash []- napięcie znamionowe ndash [V]
- stratność (upływność)
- temperaturowy wspoacutełczynnik zmian
pojemności
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie kondensatoroacutew
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych szeregowo wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych roacutewnolegle wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych szeregowo
C=C1+C2
Ogoacutelnie
Elementy bierne RLC
a) elektrolityczny b) tantalowyc) poliestrowy d) ceramicznye) styrofleksowy
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0 zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to
kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z roacutewnaniem
Gdzie RC stałą czasową τ [Ω][F] = [s]
Elementy bierne RLC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
bull Logarytmiczny stosunek napięć
Stosunek amplitud dwoacutech sygnałoacutew można wyrazić w decybelach zgodnie ze wzorem
ku[dB]=20log10(U2U1)
gdzie U2 i U1 to amplitudy poroacutewnywanych sygnałoacutew
ku ku [dB]
01 -20dB
0707 -3dB
1 0dB
141 3dB
10 20dB
100 40dB
1000 60dB
Pojęcia podstawowe
bull RezystoryRezystory to elementy dwukońcoacutewkowe o właściwościach dających się opisać prawem Ohma
a) metalizowany b) drutowyc) węglowy d) drabinka rezystorowae) grubowarstwowy
Najważniejsze parametry rezystoroacutew
- rezystancja znamionowa - podawana zwykle w Ω kΩ lub MΩ- tolerancja rezystancji (dokładność) - podawana w procentach- moc znamionowa - moc ktoacuterą może rezystor rozproszyć- wspoacutełczynnik temperaturowy rezystancji TWR- napięcie znamionowe
Elementy bierne RLC
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie rezystoroacutew
Z prawa Ohma (R=UI) wynikają następujące właściwości rezystoroacutew
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych szeregowo wynosi
R=R1+R2
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle wynosi
Dla dowolnej liczby rezystoroacutew
Z praktycznego punktu widzenia warto zauważyć że wypadkowa rezystancja dwoacutech rezystoroacutew roacuteżniących sięznacznie od siebie jest w przybliżeniu roacutewna dla połączenia szeregowego tych rezystoroacutew rezystancji o większej wartości a dla połączenia roacutewnoległego tych rezystoroacutew rezystancji o mniejszej wartości
Warto roacutewnież zauważyć że rezystancja wypadkowa n rezystoroacutew o takiej samej rezystancji R1 połączonych roacutewnolegle wynosi R=R1n
Elementy bierne RLC
Dzielnik napięcia
Napięcie wyjściowe Uwy można obliczyć następująco
przez oba rezystory płynie taki sam prąd I (o ile wyjście nie jest obciążone jakąś rezystancją)
czyli
napięcie na R2 czyli wyjściowe jest roacutewne
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Zgodnie z twierdzeniem Thevenina
napięcie na rozwartych zaciskach wyjściowych dzielnika (punkty A i B)
jest roacutewne
U = UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
prąd zwarcia dla dzielnika wynosi
Izw = Uwe R1
Z powyższych zależności można wyliczyć rezystancję zastępczą dla układu Thevenina RT = UT Izw
RT = (R1 R2) (R1+ R2)Widać stąd że rezystancja RT jest wypadkową rezystancją połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew R1 i R2
Układ zastępczy Thevenina dla dzielnika składa się więc ze źroacutedła napięcia UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
połączonego szeregowo z rezystancją RT = (R1 R2) (R1+ R2)
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Jeżeli do dzielnika podłączymy obciążenie w postaci rezystora Robc to znowu otrzymamy dzielnik napięcia składający się z rezystoroacutew RT i Robc oraz źroacutedła napięcia UT
Napięcie na obciążeniu Robc będzie roacutewne Uobc = UT [Robc (RT+ Robc)]
Jak widać z powyższego wzoru aby obciążenie nie zmieniło w znaczący sposoacuteb napięcia wyjściowego dzielnika musi być spełniona zależność
Robc gtgt RT
woacutewczas można przyjąć że Uobc = ~ UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
Przyjęto że aby powyższe roacutewnanie było spełnione musi być spełniony warunek minimalny Robc = 10RT = 10(R1 R2) (R1+ R2)
czyli rezystancja obciążenia musi być przynajmniej 10 razy większa od wypadkowej rezystancji połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew dzielnika napięciowego
Warunek ten zapewnia że zmiana napięcia wyjściowego dzielnika pod wpływem obciążenia będzie mniejsza od 10 (warunek często stosowany w praktyce)
Elementy bierne RLC
Elementy bierne RLC
Potencjometr - rezystor o zmiennej rezystancji element o trzech końcoacutewkach
Potencjometr pełni funkcję regulowanego dzielnika napięcia
Położenie suwaka dzieli rezystancję potencjometru na dwie części R1 i R2
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Kondensator - element dwukońcoacutewkowy o właściwościach
dających się opisać roacutewnaniem
Q=CU
gdzie Q -ładunek [C] U -napięcie na okładkach (końcoacutewkach)
kondensatora [V] C -pojemność kondensatora [F]
Kondensatory są zbudowane z dwoacutech przewodzących
elektrod (okładek) przedzielonych dielektrykiem (izolatorem)
Kondensator jest elementem ktoacutery posiada zdolność
gromadzenia ładunku
Kondensator o pojemności C i napięciu U zawiera ładunek Q
na jednej okładce i przeciwnie spolaryzowany ładunek -Q
na drugiej okładce
Przykłady konstrukcji kondensatoroacutew stałych a) zwijkowego b) wielowarstwowego
c) płytkowego d) rurkowego
e) SMD do montażu powierzchniowego
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Superkondensator - rodzaj kondensatora elektrolitycznego
ktoacutery z uwagi na sposoacuteb konstrukcji wykazuje niezwykle
dużą pojemność elektryczną w poroacutewnaniu do klasycznych kondesatoroacutew elektrolitycznych
Największą zaletą superkondensatoroacutew jest bardzo kroacutetki czas ładownia w poroacutewnaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np akumulatorami)
Zastosowania superkondensatoroacutew
roacutewnolegle źroacutedło zasilania z innymi źroacutedłami energii (np ogniwami paliwowymi) w celu
kroacutetkotrwałego dostarczania mocy szczytowej co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiaroacutew
całego układu (rozwiązania testowane m in w prototypach samochodoacutew hybrydowych
i wspomaganiu zasilania robotoacutew)
awaryjne źroacutedło zasilania
(stosowane min do wyjść
i zjeżdżalni ewakuacyjnych
w samolotach Airbus)
źroacutedło zasilania ciągłego
w urządzeniach o niewielkiej
mocy (pamięć komputerowa
elektryczne szczoteczki do zęboacutew)
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Prąd płynący przez kondensator jest wprost proporcjonalny do szybkości zmian napięcia
Jeśli na kondensatorze o pojemności 1F napięcie zmienia z prędkością 1Vs
to przepływa przez niego prąd o natężeniu 1A
Najważniejsze parametry kondensatoroacutew
- pojemność ndash [microF] [nF] lub [pF]- tolerancja pojemności (dokładność) ndash []- napięcie znamionowe ndash [V]
- stratność (upływność)
- temperaturowy wspoacutełczynnik zmian
pojemności
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie kondensatoroacutew
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych szeregowo wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych roacutewnolegle wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych szeregowo
C=C1+C2
Ogoacutelnie
Elementy bierne RLC
a) elektrolityczny b) tantalowyc) poliestrowy d) ceramicznye) styrofleksowy
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0 zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to
kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z roacutewnaniem
Gdzie RC stałą czasową τ [Ω][F] = [s]
Elementy bierne RLC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
bull RezystoryRezystory to elementy dwukońcoacutewkowe o właściwościach dających się opisać prawem Ohma
a) metalizowany b) drutowyc) węglowy d) drabinka rezystorowae) grubowarstwowy
Najważniejsze parametry rezystoroacutew
- rezystancja znamionowa - podawana zwykle w Ω kΩ lub MΩ- tolerancja rezystancji (dokładność) - podawana w procentach- moc znamionowa - moc ktoacuterą może rezystor rozproszyć- wspoacutełczynnik temperaturowy rezystancji TWR- napięcie znamionowe
Elementy bierne RLC
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie rezystoroacutew
Z prawa Ohma (R=UI) wynikają następujące właściwości rezystoroacutew
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych szeregowo wynosi
R=R1+R2
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle wynosi
Dla dowolnej liczby rezystoroacutew
Z praktycznego punktu widzenia warto zauważyć że wypadkowa rezystancja dwoacutech rezystoroacutew roacuteżniących sięznacznie od siebie jest w przybliżeniu roacutewna dla połączenia szeregowego tych rezystoroacutew rezystancji o większej wartości a dla połączenia roacutewnoległego tych rezystoroacutew rezystancji o mniejszej wartości
Warto roacutewnież zauważyć że rezystancja wypadkowa n rezystoroacutew o takiej samej rezystancji R1 połączonych roacutewnolegle wynosi R=R1n
Elementy bierne RLC
Dzielnik napięcia
Napięcie wyjściowe Uwy można obliczyć następująco
przez oba rezystory płynie taki sam prąd I (o ile wyjście nie jest obciążone jakąś rezystancją)
czyli
napięcie na R2 czyli wyjściowe jest roacutewne
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Zgodnie z twierdzeniem Thevenina
napięcie na rozwartych zaciskach wyjściowych dzielnika (punkty A i B)
jest roacutewne
U = UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
prąd zwarcia dla dzielnika wynosi
Izw = Uwe R1
Z powyższych zależności można wyliczyć rezystancję zastępczą dla układu Thevenina RT = UT Izw
RT = (R1 R2) (R1+ R2)Widać stąd że rezystancja RT jest wypadkową rezystancją połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew R1 i R2
Układ zastępczy Thevenina dla dzielnika składa się więc ze źroacutedła napięcia UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
połączonego szeregowo z rezystancją RT = (R1 R2) (R1+ R2)
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Jeżeli do dzielnika podłączymy obciążenie w postaci rezystora Robc to znowu otrzymamy dzielnik napięcia składający się z rezystoroacutew RT i Robc oraz źroacutedła napięcia UT
Napięcie na obciążeniu Robc będzie roacutewne Uobc = UT [Robc (RT+ Robc)]
Jak widać z powyższego wzoru aby obciążenie nie zmieniło w znaczący sposoacuteb napięcia wyjściowego dzielnika musi być spełniona zależność
Robc gtgt RT
woacutewczas można przyjąć że Uobc = ~ UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
Przyjęto że aby powyższe roacutewnanie było spełnione musi być spełniony warunek minimalny Robc = 10RT = 10(R1 R2) (R1+ R2)
czyli rezystancja obciążenia musi być przynajmniej 10 razy większa od wypadkowej rezystancji połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew dzielnika napięciowego
Warunek ten zapewnia że zmiana napięcia wyjściowego dzielnika pod wpływem obciążenia będzie mniejsza od 10 (warunek często stosowany w praktyce)
Elementy bierne RLC
Elementy bierne RLC
Potencjometr - rezystor o zmiennej rezystancji element o trzech końcoacutewkach
Potencjometr pełni funkcję regulowanego dzielnika napięcia
Położenie suwaka dzieli rezystancję potencjometru na dwie części R1 i R2
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Kondensator - element dwukońcoacutewkowy o właściwościach
dających się opisać roacutewnaniem
Q=CU
gdzie Q -ładunek [C] U -napięcie na okładkach (końcoacutewkach)
kondensatora [V] C -pojemność kondensatora [F]
Kondensatory są zbudowane z dwoacutech przewodzących
elektrod (okładek) przedzielonych dielektrykiem (izolatorem)
Kondensator jest elementem ktoacutery posiada zdolność
gromadzenia ładunku
Kondensator o pojemności C i napięciu U zawiera ładunek Q
na jednej okładce i przeciwnie spolaryzowany ładunek -Q
na drugiej okładce
Przykłady konstrukcji kondensatoroacutew stałych a) zwijkowego b) wielowarstwowego
c) płytkowego d) rurkowego
e) SMD do montażu powierzchniowego
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Superkondensator - rodzaj kondensatora elektrolitycznego
ktoacutery z uwagi na sposoacuteb konstrukcji wykazuje niezwykle
dużą pojemność elektryczną w poroacutewnaniu do klasycznych kondesatoroacutew elektrolitycznych
Największą zaletą superkondensatoroacutew jest bardzo kroacutetki czas ładownia w poroacutewnaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np akumulatorami)
Zastosowania superkondensatoroacutew
roacutewnolegle źroacutedło zasilania z innymi źroacutedłami energii (np ogniwami paliwowymi) w celu
kroacutetkotrwałego dostarczania mocy szczytowej co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiaroacutew
całego układu (rozwiązania testowane m in w prototypach samochodoacutew hybrydowych
i wspomaganiu zasilania robotoacutew)
awaryjne źroacutedło zasilania
(stosowane min do wyjść
i zjeżdżalni ewakuacyjnych
w samolotach Airbus)
źroacutedło zasilania ciągłego
w urządzeniach o niewielkiej
mocy (pamięć komputerowa
elektryczne szczoteczki do zęboacutew)
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Prąd płynący przez kondensator jest wprost proporcjonalny do szybkości zmian napięcia
Jeśli na kondensatorze o pojemności 1F napięcie zmienia z prędkością 1Vs
to przepływa przez niego prąd o natężeniu 1A
Najważniejsze parametry kondensatoroacutew
- pojemność ndash [microF] [nF] lub [pF]- tolerancja pojemności (dokładność) ndash []- napięcie znamionowe ndash [V]
- stratność (upływność)
- temperaturowy wspoacutełczynnik zmian
pojemności
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie kondensatoroacutew
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych szeregowo wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych roacutewnolegle wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych szeregowo
C=C1+C2
Ogoacutelnie
Elementy bierne RLC
a) elektrolityczny b) tantalowyc) poliestrowy d) ceramicznye) styrofleksowy
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0 zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to
kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z roacutewnaniem
Gdzie RC stałą czasową τ [Ω][F] = [s]
Elementy bierne RLC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie rezystoroacutew
Z prawa Ohma (R=UI) wynikają następujące właściwości rezystoroacutew
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych szeregowo wynosi
R=R1+R2
rezystancja zastępcza dwoacutech rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle wynosi
Dla dowolnej liczby rezystoroacutew
Z praktycznego punktu widzenia warto zauważyć że wypadkowa rezystancja dwoacutech rezystoroacutew roacuteżniących sięznacznie od siebie jest w przybliżeniu roacutewna dla połączenia szeregowego tych rezystoroacutew rezystancji o większej wartości a dla połączenia roacutewnoległego tych rezystoroacutew rezystancji o mniejszej wartości
Warto roacutewnież zauważyć że rezystancja wypadkowa n rezystoroacutew o takiej samej rezystancji R1 połączonych roacutewnolegle wynosi R=R1n
Elementy bierne RLC
Dzielnik napięcia
Napięcie wyjściowe Uwy można obliczyć następująco
przez oba rezystory płynie taki sam prąd I (o ile wyjście nie jest obciążone jakąś rezystancją)
czyli
napięcie na R2 czyli wyjściowe jest roacutewne
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Zgodnie z twierdzeniem Thevenina
napięcie na rozwartych zaciskach wyjściowych dzielnika (punkty A i B)
jest roacutewne
U = UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
prąd zwarcia dla dzielnika wynosi
Izw = Uwe R1
Z powyższych zależności można wyliczyć rezystancję zastępczą dla układu Thevenina RT = UT Izw
RT = (R1 R2) (R1+ R2)Widać stąd że rezystancja RT jest wypadkową rezystancją połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew R1 i R2
Układ zastępczy Thevenina dla dzielnika składa się więc ze źroacutedła napięcia UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
połączonego szeregowo z rezystancją RT = (R1 R2) (R1+ R2)
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Jeżeli do dzielnika podłączymy obciążenie w postaci rezystora Robc to znowu otrzymamy dzielnik napięcia składający się z rezystoroacutew RT i Robc oraz źroacutedła napięcia UT
Napięcie na obciążeniu Robc będzie roacutewne Uobc = UT [Robc (RT+ Robc)]
Jak widać z powyższego wzoru aby obciążenie nie zmieniło w znaczący sposoacuteb napięcia wyjściowego dzielnika musi być spełniona zależność
Robc gtgt RT
woacutewczas można przyjąć że Uobc = ~ UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
Przyjęto że aby powyższe roacutewnanie było spełnione musi być spełniony warunek minimalny Robc = 10RT = 10(R1 R2) (R1+ R2)
czyli rezystancja obciążenia musi być przynajmniej 10 razy większa od wypadkowej rezystancji połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew dzielnika napięciowego
Warunek ten zapewnia że zmiana napięcia wyjściowego dzielnika pod wpływem obciążenia będzie mniejsza od 10 (warunek często stosowany w praktyce)
Elementy bierne RLC
Elementy bierne RLC
Potencjometr - rezystor o zmiennej rezystancji element o trzech końcoacutewkach
Potencjometr pełni funkcję regulowanego dzielnika napięcia
Położenie suwaka dzieli rezystancję potencjometru na dwie części R1 i R2
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Kondensator - element dwukońcoacutewkowy o właściwościach
dających się opisać roacutewnaniem
Q=CU
gdzie Q -ładunek [C] U -napięcie na okładkach (końcoacutewkach)
kondensatora [V] C -pojemność kondensatora [F]
Kondensatory są zbudowane z dwoacutech przewodzących
elektrod (okładek) przedzielonych dielektrykiem (izolatorem)
Kondensator jest elementem ktoacutery posiada zdolność
gromadzenia ładunku
Kondensator o pojemności C i napięciu U zawiera ładunek Q
na jednej okładce i przeciwnie spolaryzowany ładunek -Q
na drugiej okładce
Przykłady konstrukcji kondensatoroacutew stałych a) zwijkowego b) wielowarstwowego
c) płytkowego d) rurkowego
e) SMD do montażu powierzchniowego
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Superkondensator - rodzaj kondensatora elektrolitycznego
ktoacutery z uwagi na sposoacuteb konstrukcji wykazuje niezwykle
dużą pojemność elektryczną w poroacutewnaniu do klasycznych kondesatoroacutew elektrolitycznych
Największą zaletą superkondensatoroacutew jest bardzo kroacutetki czas ładownia w poroacutewnaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np akumulatorami)
Zastosowania superkondensatoroacutew
roacutewnolegle źroacutedło zasilania z innymi źroacutedłami energii (np ogniwami paliwowymi) w celu
kroacutetkotrwałego dostarczania mocy szczytowej co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiaroacutew
całego układu (rozwiązania testowane m in w prototypach samochodoacutew hybrydowych
i wspomaganiu zasilania robotoacutew)
awaryjne źroacutedło zasilania
(stosowane min do wyjść
i zjeżdżalni ewakuacyjnych
w samolotach Airbus)
źroacutedło zasilania ciągłego
w urządzeniach o niewielkiej
mocy (pamięć komputerowa
elektryczne szczoteczki do zęboacutew)
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Prąd płynący przez kondensator jest wprost proporcjonalny do szybkości zmian napięcia
Jeśli na kondensatorze o pojemności 1F napięcie zmienia z prędkością 1Vs
to przepływa przez niego prąd o natężeniu 1A
Najważniejsze parametry kondensatoroacutew
- pojemność ndash [microF] [nF] lub [pF]- tolerancja pojemności (dokładność) ndash []- napięcie znamionowe ndash [V]
- stratność (upływność)
- temperaturowy wspoacutełczynnik zmian
pojemności
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie kondensatoroacutew
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych szeregowo wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych roacutewnolegle wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych szeregowo
C=C1+C2
Ogoacutelnie
Elementy bierne RLC
a) elektrolityczny b) tantalowyc) poliestrowy d) ceramicznye) styrofleksowy
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0 zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to
kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z roacutewnaniem
Gdzie RC stałą czasową τ [Ω][F] = [s]
Elementy bierne RLC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Dzielnik napięcia
Napięcie wyjściowe Uwy można obliczyć następująco
przez oba rezystory płynie taki sam prąd I (o ile wyjście nie jest obciążone jakąś rezystancją)
czyli
napięcie na R2 czyli wyjściowe jest roacutewne
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Zgodnie z twierdzeniem Thevenina
napięcie na rozwartych zaciskach wyjściowych dzielnika (punkty A i B)
jest roacutewne
U = UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
prąd zwarcia dla dzielnika wynosi
Izw = Uwe R1
Z powyższych zależności można wyliczyć rezystancję zastępczą dla układu Thevenina RT = UT Izw
RT = (R1 R2) (R1+ R2)Widać stąd że rezystancja RT jest wypadkową rezystancją połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew R1 i R2
Układ zastępczy Thevenina dla dzielnika składa się więc ze źroacutedła napięcia UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
połączonego szeregowo z rezystancją RT = (R1 R2) (R1+ R2)
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Jeżeli do dzielnika podłączymy obciążenie w postaci rezystora Robc to znowu otrzymamy dzielnik napięcia składający się z rezystoroacutew RT i Robc oraz źroacutedła napięcia UT
Napięcie na obciążeniu Robc będzie roacutewne Uobc = UT [Robc (RT+ Robc)]
Jak widać z powyższego wzoru aby obciążenie nie zmieniło w znaczący sposoacuteb napięcia wyjściowego dzielnika musi być spełniona zależność
Robc gtgt RT
woacutewczas można przyjąć że Uobc = ~ UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
Przyjęto że aby powyższe roacutewnanie było spełnione musi być spełniony warunek minimalny Robc = 10RT = 10(R1 R2) (R1+ R2)
czyli rezystancja obciążenia musi być przynajmniej 10 razy większa od wypadkowej rezystancji połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew dzielnika napięciowego
Warunek ten zapewnia że zmiana napięcia wyjściowego dzielnika pod wpływem obciążenia będzie mniejsza od 10 (warunek często stosowany w praktyce)
Elementy bierne RLC
Elementy bierne RLC
Potencjometr - rezystor o zmiennej rezystancji element o trzech końcoacutewkach
Potencjometr pełni funkcję regulowanego dzielnika napięcia
Położenie suwaka dzieli rezystancję potencjometru na dwie części R1 i R2
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Kondensator - element dwukońcoacutewkowy o właściwościach
dających się opisać roacutewnaniem
Q=CU
gdzie Q -ładunek [C] U -napięcie na okładkach (końcoacutewkach)
kondensatora [V] C -pojemność kondensatora [F]
Kondensatory są zbudowane z dwoacutech przewodzących
elektrod (okładek) przedzielonych dielektrykiem (izolatorem)
Kondensator jest elementem ktoacutery posiada zdolność
gromadzenia ładunku
Kondensator o pojemności C i napięciu U zawiera ładunek Q
na jednej okładce i przeciwnie spolaryzowany ładunek -Q
na drugiej okładce
Przykłady konstrukcji kondensatoroacutew stałych a) zwijkowego b) wielowarstwowego
c) płytkowego d) rurkowego
e) SMD do montażu powierzchniowego
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Superkondensator - rodzaj kondensatora elektrolitycznego
ktoacutery z uwagi na sposoacuteb konstrukcji wykazuje niezwykle
dużą pojemność elektryczną w poroacutewnaniu do klasycznych kondesatoroacutew elektrolitycznych
Największą zaletą superkondensatoroacutew jest bardzo kroacutetki czas ładownia w poroacutewnaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np akumulatorami)
Zastosowania superkondensatoroacutew
roacutewnolegle źroacutedło zasilania z innymi źroacutedłami energii (np ogniwami paliwowymi) w celu
kroacutetkotrwałego dostarczania mocy szczytowej co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiaroacutew
całego układu (rozwiązania testowane m in w prototypach samochodoacutew hybrydowych
i wspomaganiu zasilania robotoacutew)
awaryjne źroacutedło zasilania
(stosowane min do wyjść
i zjeżdżalni ewakuacyjnych
w samolotach Airbus)
źroacutedło zasilania ciągłego
w urządzeniach o niewielkiej
mocy (pamięć komputerowa
elektryczne szczoteczki do zęboacutew)
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Prąd płynący przez kondensator jest wprost proporcjonalny do szybkości zmian napięcia
Jeśli na kondensatorze o pojemności 1F napięcie zmienia z prędkością 1Vs
to przepływa przez niego prąd o natężeniu 1A
Najważniejsze parametry kondensatoroacutew
- pojemność ndash [microF] [nF] lub [pF]- tolerancja pojemności (dokładność) ndash []- napięcie znamionowe ndash [V]
- stratność (upływność)
- temperaturowy wspoacutełczynnik zmian
pojemności
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie kondensatoroacutew
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych szeregowo wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych roacutewnolegle wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych szeregowo
C=C1+C2
Ogoacutelnie
Elementy bierne RLC
a) elektrolityczny b) tantalowyc) poliestrowy d) ceramicznye) styrofleksowy
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0 zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to
kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z roacutewnaniem
Gdzie RC stałą czasową τ [Ω][F] = [s]
Elementy bierne RLC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Obciążanie dzielnika napięcia
Zgodnie z twierdzeniem Thevenina
napięcie na rozwartych zaciskach wyjściowych dzielnika (punkty A i B)
jest roacutewne
U = UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
prąd zwarcia dla dzielnika wynosi
Izw = Uwe R1
Z powyższych zależności można wyliczyć rezystancję zastępczą dla układu Thevenina RT = UT Izw
RT = (R1 R2) (R1+ R2)Widać stąd że rezystancja RT jest wypadkową rezystancją połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew R1 i R2
Układ zastępczy Thevenina dla dzielnika składa się więc ze źroacutedła napięcia UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
połączonego szeregowo z rezystancją RT = (R1 R2) (R1+ R2)
Elementy bierne RLC
Obciążanie dzielnika napięcia
Jeżeli do dzielnika podłączymy obciążenie w postaci rezystora Robc to znowu otrzymamy dzielnik napięcia składający się z rezystoroacutew RT i Robc oraz źroacutedła napięcia UT
Napięcie na obciążeniu Robc będzie roacutewne Uobc = UT [Robc (RT+ Robc)]
Jak widać z powyższego wzoru aby obciążenie nie zmieniło w znaczący sposoacuteb napięcia wyjściowego dzielnika musi być spełniona zależność
Robc gtgt RT
woacutewczas można przyjąć że Uobc = ~ UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
Przyjęto że aby powyższe roacutewnanie było spełnione musi być spełniony warunek minimalny Robc = 10RT = 10(R1 R2) (R1+ R2)
czyli rezystancja obciążenia musi być przynajmniej 10 razy większa od wypadkowej rezystancji połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew dzielnika napięciowego
Warunek ten zapewnia że zmiana napięcia wyjściowego dzielnika pod wpływem obciążenia będzie mniejsza od 10 (warunek często stosowany w praktyce)
Elementy bierne RLC
Elementy bierne RLC
Potencjometr - rezystor o zmiennej rezystancji element o trzech końcoacutewkach
Potencjometr pełni funkcję regulowanego dzielnika napięcia
Położenie suwaka dzieli rezystancję potencjometru na dwie części R1 i R2
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Kondensator - element dwukońcoacutewkowy o właściwościach
dających się opisać roacutewnaniem
Q=CU
gdzie Q -ładunek [C] U -napięcie na okładkach (końcoacutewkach)
kondensatora [V] C -pojemność kondensatora [F]
Kondensatory są zbudowane z dwoacutech przewodzących
elektrod (okładek) przedzielonych dielektrykiem (izolatorem)
Kondensator jest elementem ktoacutery posiada zdolność
gromadzenia ładunku
Kondensator o pojemności C i napięciu U zawiera ładunek Q
na jednej okładce i przeciwnie spolaryzowany ładunek -Q
na drugiej okładce
Przykłady konstrukcji kondensatoroacutew stałych a) zwijkowego b) wielowarstwowego
c) płytkowego d) rurkowego
e) SMD do montażu powierzchniowego
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Superkondensator - rodzaj kondensatora elektrolitycznego
ktoacutery z uwagi na sposoacuteb konstrukcji wykazuje niezwykle
dużą pojemność elektryczną w poroacutewnaniu do klasycznych kondesatoroacutew elektrolitycznych
Największą zaletą superkondensatoroacutew jest bardzo kroacutetki czas ładownia w poroacutewnaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np akumulatorami)
Zastosowania superkondensatoroacutew
roacutewnolegle źroacutedło zasilania z innymi źroacutedłami energii (np ogniwami paliwowymi) w celu
kroacutetkotrwałego dostarczania mocy szczytowej co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiaroacutew
całego układu (rozwiązania testowane m in w prototypach samochodoacutew hybrydowych
i wspomaganiu zasilania robotoacutew)
awaryjne źroacutedło zasilania
(stosowane min do wyjść
i zjeżdżalni ewakuacyjnych
w samolotach Airbus)
źroacutedło zasilania ciągłego
w urządzeniach o niewielkiej
mocy (pamięć komputerowa
elektryczne szczoteczki do zęboacutew)
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Prąd płynący przez kondensator jest wprost proporcjonalny do szybkości zmian napięcia
Jeśli na kondensatorze o pojemności 1F napięcie zmienia z prędkością 1Vs
to przepływa przez niego prąd o natężeniu 1A
Najważniejsze parametry kondensatoroacutew
- pojemność ndash [microF] [nF] lub [pF]- tolerancja pojemności (dokładność) ndash []- napięcie znamionowe ndash [V]
- stratność (upływność)
- temperaturowy wspoacutełczynnik zmian
pojemności
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie kondensatoroacutew
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych szeregowo wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych roacutewnolegle wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych szeregowo
C=C1+C2
Ogoacutelnie
Elementy bierne RLC
a) elektrolityczny b) tantalowyc) poliestrowy d) ceramicznye) styrofleksowy
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0 zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to
kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z roacutewnaniem
Gdzie RC stałą czasową τ [Ω][F] = [s]
Elementy bierne RLC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Obciążanie dzielnika napięcia
Jeżeli do dzielnika podłączymy obciążenie w postaci rezystora Robc to znowu otrzymamy dzielnik napięcia składający się z rezystoroacutew RT i Robc oraz źroacutedła napięcia UT
Napięcie na obciążeniu Robc będzie roacutewne Uobc = UT [Robc (RT+ Robc)]
Jak widać z powyższego wzoru aby obciążenie nie zmieniło w znaczący sposoacuteb napięcia wyjściowego dzielnika musi być spełniona zależność
Robc gtgt RT
woacutewczas można przyjąć że Uobc = ~ UT = Uwe [R2 (R1 + R2)]
Przyjęto że aby powyższe roacutewnanie było spełnione musi być spełniony warunek minimalny Robc = 10RT = 10(R1 R2) (R1+ R2)
czyli rezystancja obciążenia musi być przynajmniej 10 razy większa od wypadkowej rezystancji połączonych roacutewnolegle rezystoroacutew dzielnika napięciowego
Warunek ten zapewnia że zmiana napięcia wyjściowego dzielnika pod wpływem obciążenia będzie mniejsza od 10 (warunek często stosowany w praktyce)
Elementy bierne RLC
Elementy bierne RLC
Potencjometr - rezystor o zmiennej rezystancji element o trzech końcoacutewkach
Potencjometr pełni funkcję regulowanego dzielnika napięcia
Położenie suwaka dzieli rezystancję potencjometru na dwie części R1 i R2
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Kondensator - element dwukońcoacutewkowy o właściwościach
dających się opisać roacutewnaniem
Q=CU
gdzie Q -ładunek [C] U -napięcie na okładkach (końcoacutewkach)
kondensatora [V] C -pojemność kondensatora [F]
Kondensatory są zbudowane z dwoacutech przewodzących
elektrod (okładek) przedzielonych dielektrykiem (izolatorem)
Kondensator jest elementem ktoacutery posiada zdolność
gromadzenia ładunku
Kondensator o pojemności C i napięciu U zawiera ładunek Q
na jednej okładce i przeciwnie spolaryzowany ładunek -Q
na drugiej okładce
Przykłady konstrukcji kondensatoroacutew stałych a) zwijkowego b) wielowarstwowego
c) płytkowego d) rurkowego
e) SMD do montażu powierzchniowego
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Superkondensator - rodzaj kondensatora elektrolitycznego
ktoacutery z uwagi na sposoacuteb konstrukcji wykazuje niezwykle
dużą pojemność elektryczną w poroacutewnaniu do klasycznych kondesatoroacutew elektrolitycznych
Największą zaletą superkondensatoroacutew jest bardzo kroacutetki czas ładownia w poroacutewnaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np akumulatorami)
Zastosowania superkondensatoroacutew
roacutewnolegle źroacutedło zasilania z innymi źroacutedłami energii (np ogniwami paliwowymi) w celu
kroacutetkotrwałego dostarczania mocy szczytowej co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiaroacutew
całego układu (rozwiązania testowane m in w prototypach samochodoacutew hybrydowych
i wspomaganiu zasilania robotoacutew)
awaryjne źroacutedło zasilania
(stosowane min do wyjść
i zjeżdżalni ewakuacyjnych
w samolotach Airbus)
źroacutedło zasilania ciągłego
w urządzeniach o niewielkiej
mocy (pamięć komputerowa
elektryczne szczoteczki do zęboacutew)
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Prąd płynący przez kondensator jest wprost proporcjonalny do szybkości zmian napięcia
Jeśli na kondensatorze o pojemności 1F napięcie zmienia z prędkością 1Vs
to przepływa przez niego prąd o natężeniu 1A
Najważniejsze parametry kondensatoroacutew
- pojemność ndash [microF] [nF] lub [pF]- tolerancja pojemności (dokładność) ndash []- napięcie znamionowe ndash [V]
- stratność (upływność)
- temperaturowy wspoacutełczynnik zmian
pojemności
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie kondensatoroacutew
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych szeregowo wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych roacutewnolegle wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych szeregowo
C=C1+C2
Ogoacutelnie
Elementy bierne RLC
a) elektrolityczny b) tantalowyc) poliestrowy d) ceramicznye) styrofleksowy
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0 zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to
kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z roacutewnaniem
Gdzie RC stałą czasową τ [Ω][F] = [s]
Elementy bierne RLC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Elementy bierne RLC
Potencjometr - rezystor o zmiennej rezystancji element o trzech końcoacutewkach
Potencjometr pełni funkcję regulowanego dzielnika napięcia
Położenie suwaka dzieli rezystancję potencjometru na dwie części R1 i R2
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Kondensator - element dwukońcoacutewkowy o właściwościach
dających się opisać roacutewnaniem
Q=CU
gdzie Q -ładunek [C] U -napięcie na okładkach (końcoacutewkach)
kondensatora [V] C -pojemność kondensatora [F]
Kondensatory są zbudowane z dwoacutech przewodzących
elektrod (okładek) przedzielonych dielektrykiem (izolatorem)
Kondensator jest elementem ktoacutery posiada zdolność
gromadzenia ładunku
Kondensator o pojemności C i napięciu U zawiera ładunek Q
na jednej okładce i przeciwnie spolaryzowany ładunek -Q
na drugiej okładce
Przykłady konstrukcji kondensatoroacutew stałych a) zwijkowego b) wielowarstwowego
c) płytkowego d) rurkowego
e) SMD do montażu powierzchniowego
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Superkondensator - rodzaj kondensatora elektrolitycznego
ktoacutery z uwagi na sposoacuteb konstrukcji wykazuje niezwykle
dużą pojemność elektryczną w poroacutewnaniu do klasycznych kondesatoroacutew elektrolitycznych
Największą zaletą superkondensatoroacutew jest bardzo kroacutetki czas ładownia w poroacutewnaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np akumulatorami)
Zastosowania superkondensatoroacutew
roacutewnolegle źroacutedło zasilania z innymi źroacutedłami energii (np ogniwami paliwowymi) w celu
kroacutetkotrwałego dostarczania mocy szczytowej co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiaroacutew
całego układu (rozwiązania testowane m in w prototypach samochodoacutew hybrydowych
i wspomaganiu zasilania robotoacutew)
awaryjne źroacutedło zasilania
(stosowane min do wyjść
i zjeżdżalni ewakuacyjnych
w samolotach Airbus)
źroacutedło zasilania ciągłego
w urządzeniach o niewielkiej
mocy (pamięć komputerowa
elektryczne szczoteczki do zęboacutew)
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Prąd płynący przez kondensator jest wprost proporcjonalny do szybkości zmian napięcia
Jeśli na kondensatorze o pojemności 1F napięcie zmienia z prędkością 1Vs
to przepływa przez niego prąd o natężeniu 1A
Najważniejsze parametry kondensatoroacutew
- pojemność ndash [microF] [nF] lub [pF]- tolerancja pojemności (dokładność) ndash []- napięcie znamionowe ndash [V]
- stratność (upływność)
- temperaturowy wspoacutełczynnik zmian
pojemności
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie kondensatoroacutew
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych szeregowo wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych roacutewnolegle wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych szeregowo
C=C1+C2
Ogoacutelnie
Elementy bierne RLC
a) elektrolityczny b) tantalowyc) poliestrowy d) ceramicznye) styrofleksowy
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0 zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to
kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z roacutewnaniem
Gdzie RC stałą czasową τ [Ω][F] = [s]
Elementy bierne RLC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Kondensator - element dwukońcoacutewkowy o właściwościach
dających się opisać roacutewnaniem
Q=CU
gdzie Q -ładunek [C] U -napięcie na okładkach (końcoacutewkach)
kondensatora [V] C -pojemność kondensatora [F]
Kondensatory są zbudowane z dwoacutech przewodzących
elektrod (okładek) przedzielonych dielektrykiem (izolatorem)
Kondensator jest elementem ktoacutery posiada zdolność
gromadzenia ładunku
Kondensator o pojemności C i napięciu U zawiera ładunek Q
na jednej okładce i przeciwnie spolaryzowany ładunek -Q
na drugiej okładce
Przykłady konstrukcji kondensatoroacutew stałych a) zwijkowego b) wielowarstwowego
c) płytkowego d) rurkowego
e) SMD do montażu powierzchniowego
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Superkondensator - rodzaj kondensatora elektrolitycznego
ktoacutery z uwagi na sposoacuteb konstrukcji wykazuje niezwykle
dużą pojemność elektryczną w poroacutewnaniu do klasycznych kondesatoroacutew elektrolitycznych
Największą zaletą superkondensatoroacutew jest bardzo kroacutetki czas ładownia w poroacutewnaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np akumulatorami)
Zastosowania superkondensatoroacutew
roacutewnolegle źroacutedło zasilania z innymi źroacutedłami energii (np ogniwami paliwowymi) w celu
kroacutetkotrwałego dostarczania mocy szczytowej co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiaroacutew
całego układu (rozwiązania testowane m in w prototypach samochodoacutew hybrydowych
i wspomaganiu zasilania robotoacutew)
awaryjne źroacutedło zasilania
(stosowane min do wyjść
i zjeżdżalni ewakuacyjnych
w samolotach Airbus)
źroacutedło zasilania ciągłego
w urządzeniach o niewielkiej
mocy (pamięć komputerowa
elektryczne szczoteczki do zęboacutew)
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Prąd płynący przez kondensator jest wprost proporcjonalny do szybkości zmian napięcia
Jeśli na kondensatorze o pojemności 1F napięcie zmienia z prędkością 1Vs
to przepływa przez niego prąd o natężeniu 1A
Najważniejsze parametry kondensatoroacutew
- pojemność ndash [microF] [nF] lub [pF]- tolerancja pojemności (dokładność) ndash []- napięcie znamionowe ndash [V]
- stratność (upływność)
- temperaturowy wspoacutełczynnik zmian
pojemności
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie kondensatoroacutew
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych szeregowo wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych roacutewnolegle wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych szeregowo
C=C1+C2
Ogoacutelnie
Elementy bierne RLC
a) elektrolityczny b) tantalowyc) poliestrowy d) ceramicznye) styrofleksowy
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0 zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to
kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z roacutewnaniem
Gdzie RC stałą czasową τ [Ω][F] = [s]
Elementy bierne RLC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Kondensator - element dwukońcoacutewkowy o właściwościach
dających się opisać roacutewnaniem
Q=CU
gdzie Q -ładunek [C] U -napięcie na okładkach (końcoacutewkach)
kondensatora [V] C -pojemność kondensatora [F]
Kondensatory są zbudowane z dwoacutech przewodzących
elektrod (okładek) przedzielonych dielektrykiem (izolatorem)
Kondensator jest elementem ktoacutery posiada zdolność
gromadzenia ładunku
Kondensator o pojemności C i napięciu U zawiera ładunek Q
na jednej okładce i przeciwnie spolaryzowany ładunek -Q
na drugiej okładce
Przykłady konstrukcji kondensatoroacutew stałych a) zwijkowego b) wielowarstwowego
c) płytkowego d) rurkowego
e) SMD do montażu powierzchniowego
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Superkondensator - rodzaj kondensatora elektrolitycznego
ktoacutery z uwagi na sposoacuteb konstrukcji wykazuje niezwykle
dużą pojemność elektryczną w poroacutewnaniu do klasycznych kondesatoroacutew elektrolitycznych
Największą zaletą superkondensatoroacutew jest bardzo kroacutetki czas ładownia w poroacutewnaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np akumulatorami)
Zastosowania superkondensatoroacutew
roacutewnolegle źroacutedło zasilania z innymi źroacutedłami energii (np ogniwami paliwowymi) w celu
kroacutetkotrwałego dostarczania mocy szczytowej co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiaroacutew
całego układu (rozwiązania testowane m in w prototypach samochodoacutew hybrydowych
i wspomaganiu zasilania robotoacutew)
awaryjne źroacutedło zasilania
(stosowane min do wyjść
i zjeżdżalni ewakuacyjnych
w samolotach Airbus)
źroacutedło zasilania ciągłego
w urządzeniach o niewielkiej
mocy (pamięć komputerowa
elektryczne szczoteczki do zęboacutew)
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Prąd płynący przez kondensator jest wprost proporcjonalny do szybkości zmian napięcia
Jeśli na kondensatorze o pojemności 1F napięcie zmienia z prędkością 1Vs
to przepływa przez niego prąd o natężeniu 1A
Najważniejsze parametry kondensatoroacutew
- pojemność ndash [microF] [nF] lub [pF]- tolerancja pojemności (dokładność) ndash []- napięcie znamionowe ndash [V]
- stratność (upływność)
- temperaturowy wspoacutełczynnik zmian
pojemności
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie kondensatoroacutew
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych szeregowo wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych roacutewnolegle wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych szeregowo
C=C1+C2
Ogoacutelnie
Elementy bierne RLC
a) elektrolityczny b) tantalowyc) poliestrowy d) ceramicznye) styrofleksowy
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0 zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to
kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z roacutewnaniem
Gdzie RC stałą czasową τ [Ω][F] = [s]
Elementy bierne RLC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory Superkondensator - rodzaj kondensatora elektrolitycznego
ktoacutery z uwagi na sposoacuteb konstrukcji wykazuje niezwykle
dużą pojemność elektryczną w poroacutewnaniu do klasycznych kondesatoroacutew elektrolitycznych
Największą zaletą superkondensatoroacutew jest bardzo kroacutetki czas ładownia w poroacutewnaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np akumulatorami)
Zastosowania superkondensatoroacutew
roacutewnolegle źroacutedło zasilania z innymi źroacutedłami energii (np ogniwami paliwowymi) w celu
kroacutetkotrwałego dostarczania mocy szczytowej co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiaroacutew
całego układu (rozwiązania testowane m in w prototypach samochodoacutew hybrydowych
i wspomaganiu zasilania robotoacutew)
awaryjne źroacutedło zasilania
(stosowane min do wyjść
i zjeżdżalni ewakuacyjnych
w samolotach Airbus)
źroacutedło zasilania ciągłego
w urządzeniach o niewielkiej
mocy (pamięć komputerowa
elektryczne szczoteczki do zęboacutew)
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Prąd płynący przez kondensator jest wprost proporcjonalny do szybkości zmian napięcia
Jeśli na kondensatorze o pojemności 1F napięcie zmienia z prędkością 1Vs
to przepływa przez niego prąd o natężeniu 1A
Najważniejsze parametry kondensatoroacutew
- pojemność ndash [microF] [nF] lub [pF]- tolerancja pojemności (dokładność) ndash []- napięcie znamionowe ndash [V]
- stratność (upływność)
- temperaturowy wspoacutełczynnik zmian
pojemności
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie kondensatoroacutew
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych szeregowo wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych roacutewnolegle wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych szeregowo
C=C1+C2
Ogoacutelnie
Elementy bierne RLC
a) elektrolityczny b) tantalowyc) poliestrowy d) ceramicznye) styrofleksowy
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0 zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to
kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z roacutewnaniem
Gdzie RC stałą czasową τ [Ω][F] = [s]
Elementy bierne RLC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Elementy bierne RLC
bull Kondensatory
Prąd płynący przez kondensator jest wprost proporcjonalny do szybkości zmian napięcia
Jeśli na kondensatorze o pojemności 1F napięcie zmienia z prędkością 1Vs
to przepływa przez niego prąd o natężeniu 1A
Najważniejsze parametry kondensatoroacutew
- pojemność ndash [microF] [nF] lub [pF]- tolerancja pojemności (dokładność) ndash []- napięcie znamionowe ndash [V]
- stratność (upływność)
- temperaturowy wspoacutełczynnik zmian
pojemności
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie kondensatoroacutew
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych szeregowo wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych roacutewnolegle wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych szeregowo
C=C1+C2
Ogoacutelnie
Elementy bierne RLC
a) elektrolityczny b) tantalowyc) poliestrowy d) ceramicznye) styrofleksowy
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0 zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to
kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z roacutewnaniem
Gdzie RC stałą czasową τ [Ω][F] = [s]
Elementy bierne RLC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Szeregowe i roacutewnoległe łączenie kondensatoroacutew
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych szeregowo wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych roacutewnolegle
Dla dwoacutech kondensatoroacutew połączonych roacutewnolegle wzoacuter na pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzoacuter na rezystancję zastępczą rezystoroacutew połączonych szeregowo
C=C1+C2
Ogoacutelnie
Elementy bierne RLC
a) elektrolityczny b) tantalowyc) poliestrowy d) ceramicznye) styrofleksowy
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0 zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to
kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z roacutewnaniem
Gdzie RC stałą czasową τ [Ω][F] = [s]
Elementy bierne RLC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0 zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to
kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z roacutewnaniem
Gdzie RC stałą czasową τ [Ω][F] = [s]
Elementy bierne RLC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Ładowanie kondensatora w układzie RC
Kondensator C będzie ładowany prądem I ze źroacutedła o napięciu UWE według roacutewnań
ktoacutere prowadzą do rozwiązania
Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1
Kondensator charakteryzuje się tym że (dla sygnałoacutew sinusoidalnych) napięcie jest opoacuteźnione w fazie względem prądu o kąt 90 stopni (inaczej prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni)
Elementy bierne RLC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
bull Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym
a) na rdzeniu toroidalnym b) na rdzeniu walcowym
Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej microH i mH)
Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki
Elementy bierne RLC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
bull TransformatorTransformator - urządzenie składające się z dwoacutech silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtoacuternego) nawiniętych na wspoacutelnym rdzeniu
Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1 to zmieniać się będzie tak samo strumień magnetyczny w rdzeniu co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtoacuternym
Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym a amplitudę wprost proporcjonalną do przekładni transformatora
gdzie n - przekładnia transformatora n1 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu pierwotnym
n2 - liczba zwojoacutew w uzwojeniu wtoacuternym
Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtoacuternym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do prądu I1 płynącego
w uzwojeniu pierwotnym
Godna uwagi jest jeszcze jedna właściwość transformatoroacutew jest to transformacja impedancji według poniższego wzoru
gdzie Z1 Z2 ndash impedancje odpowiednio po stronie pierwotnej i wtoacuternej transformatora
Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie
Elementy bierne RLC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe
Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje
- zmieniają napięcie sieciowe (230V 50Hz) na niższe- izolują układ elektroniczny od części sieciowej
Elementy bierne RLC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
bull Diody
Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK gt 0 to będzie ona spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody
W przypadku gdy napięcie UAK lt 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie
(w rzeczywistości płynie tzw prąd wsteczny ktoacutery jest o kilka rzędoacutew mniejszy od prądu przewodzenia)
Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw napięcie przebicia
wtedy popłynie prąd poroacutewnywalny z prądem w kierunku
przewodzenia co zwykle powoduje uszkodzenie diody
(za wyjątkiem diody Zenera)
Diody
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Charakterystyka diody
Gdzie ID - prąd przewodzenia diody
IFmax ndash maksymalny prąd przewodzenia diody
IF ndash prąd przewodzenia
UF ndash napięcie przewodzenia (określane przy IF = 01 IFmax)
URmax ndash napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 02V do 04V
Dla diody krzemowej Si - od 05V do 08V
Teoretyczna charakterystyka diody
Gdzie IS - teoretyczny prąd wstecznym - wspoacutełczynnik korekcyjny (1 do 2)UT - potencjał elektrokinetyczny
Diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi
Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej
- dioda krzemowa IS=10 pA mUT=30 mV IFmax=100 mA- dioda germanowa IS=100 nA mUT=30 mV IFmax=100 mA
Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=01IFmax Dla diody germanowej napięcie przewodzenia jest roacutewne 035V a dla diody krzemowej 062V
Diody
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Przełączanie diody
Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm
Typowe wartości czasu tm są roacutewne od ok 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu micros (diody dużej mocy)
Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm ltlt T
(T ndash okres sygnału szybkozmiennego)
Dioda Schottkyego
Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości
W diodzie Schottkyego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-poacutełprzewodnik ktoacutere też ma właściwości prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku)
Ładunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps
Diody Schottkyego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=03V) niż diody krzemowe
Diody
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Dioda Zenera
Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n ktoacutera w przypadku zwykłych diod jest zgubna
- przekroczenie maksymalnego napięcia wstecznego przy ktoacuterym prąd bardzo szybko wzrasta
Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ
Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym że dużym zmianom prądu diody ∆∆∆∆ID towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia ∆∆∆∆UAK - przyjmuje się że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest roacutewne napięciu Zenera UZ
Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 15V do 200V przy czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja)
Diody
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Dioda jako prostownik
Prostownik jest układem ktoacutery zamienia prąd przemienny (płynący w dwoacutech kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku)
Prostownik jednopołoacutewkowy
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Prostownik dwupołoacutewkowy
Dla dodatniej połoacutewki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do obciążenia RL dalej poprzez diodę D3 do źroacutedła Ug
Dla połoacutewki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL a następnie poprzez diodę D2 z powrotem do źroacutedła Ug
Poziome odcinki pomiędzy połoacutewkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach
Warto zauważyć że w układzie mostkowym dla obu kierunkoacutew sygnału wejściowego z wejściem sąpołączone szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia napięcie Ug musi byćwiększe od podwojonego napięcia przewodzenia diody (Uggt206V)
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy
w układzie mostkowym
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Prostownik w zasilaczu sieciowym
Prostownik jednopołoacutewkowy i dwupołoacutewkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia ∆U
Aby otrzymać napięcie stałe roacutewnież co do wartości należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny)
Filtrowanie polega na tym że kondensator ładuje się w czasie gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na kondensatorze a rozładowuje się w czasie gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze
Aby zapewnić małą amplitudę tętnień wartość kondensatora C dobiera się tak aby był spełniony warunek
RLCgtgt1f
gdzie f - częstotliwością tętnień (100Hz)
Diody
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność
∆∆∆∆U = (I C) ∆∆∆∆t
- dla prostownika jednopołoacutewkowego ∆∆∆∆t = T = 1f
- dla prostownika dwupołoacutewkowego ∆∆∆∆t = 05T = 05 (1f)
gdzie T - okres napięcia sieciowego (20ms) f ndash częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz)
Stąd zależności na napięcia tętnień
- dla prostownika jednopołoacutewkowego
- dla prostownika dwupołoacutewkowego
Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu sieciowym przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (f ∆∆∆∆U) = 0020 (50 1) [A(HzV)] = 00004 [(FVs)(Vs)] = 400microF
Diody
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
PRZYKŁAD
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołoacutewkowym
tak aby wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia roacutewnym 20mA
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru
C = IL (2f ∆∆∆∆U) = 0020 2(50 1) [A(HzV)] = 00002 [(FVs)(Vs)] = 200microF
Diody
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Prostownik dwupołoacutewkowy z kondensatorem filtrującym
Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym) to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połoacutewki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego roacutewnej
Uwy0 = 141 U0sk- 2 UD
gdzie UD - napięcie przewodzenia diody U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtoacuternego transformatora bez obciążenia
Zakładając napięcie tętnień 05V przy prądzie 15A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie C = 30000microF
C = Iwy(2fUtpp)
Diody
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Ogranicznik diodowy
PRZYKŁAD
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +46V
Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia)
Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 46V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie ograniczone do wartości
Uwy= 4V + 06V = 46V
Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 46V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej właśnie wartości
Dla napięć wejściowych mniejszych od 46V napięcie na wyjściu będzie roacutewne wejściowemu
Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych roacutewnolegle R2 i R3) była mała w poroacutewnaniu z rezystorem R1 gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości źroacutedła napięcia odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3)
Diody
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Tranzystory bipolarne Tranzystory są elementami aktywnymi - w odroacuteżnieniu od elementoacutew pasywnych mają możliwość
wzmacniania mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
Tranzystor jest elementem o trzech końcoacutewkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączaniasygnałoacutew
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Tranzystory bipolarne
Tranzystory
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J Bardeenrsquoa W Brattainrsquoa i W Shockleyrsquoa za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez
Johnrsquoa Bardeenrsquoa i Walterrsquoa Brattainrsquoa
w Bell Telephone Laboratories w USA
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
bull Budowa i zasada działania
Tranzystory
Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony użytkowej polega na sterowaniu wartością prądukolektora za pomocą prądu bazy
Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy wspoacutełczynnik proporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą β
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Stany pracy tranzystora
Rozroacuteżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego
stan zatkania (odcięcia) złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym
stan nasycenia złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej jak roacutewnież w układach cyfrowych
stan aktywny złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia zaś złącze CB zaporowo Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach w tym zakresie pracy tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset)
stan aktywny inwersyjny BE zaporowo CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym) Stan aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany ponieważ ze względoacutew konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje się woacutewczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym) min mniejszym wzmocnieniem prądowym
Tranzystory
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Tranzystory
Układy pracy tranzystora
wspoacutelnego emitera OE wspoacutelnej bazy OB wspoacutelnego kolektora OC
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe roacutewne jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o WSPOacuteLNYM EMITERZE
WSPOacuteLNYM KOLEKTORZE
WSPOacuteLNEJ BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże lt 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże lt 1
3 Przesunięcie fazowe między sygnałem wejściowym i wyjściowym
1800
00
00
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki
dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera
dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera
złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia a złącze kolektor-baza w kierunku zaporowym
nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości IC IB UCE UBE moc wydzielana na kolektorze ICUCE temperatura pracy
UWAGA Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia
złącza kolektor-baza gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo a płynący prąd kolektora jest wynikiem bdquodziałania tranzystorabdquo
Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu emitera IE
Tranzystory
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy to prawdziwa jest zależność
IC = hFE IB = β β β β IB
gdzie hFE - wspoacutełczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany roacutewnież betą ~ 50 do 300AA)
Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystoroacutew jaką jest sterowanie przez mały prąd wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora
Tranzystory
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Charakterystyki tranzystora
do wywołania dużych zmian prądu kolektora ∆∆∆∆IC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter ∆∆∆∆UBE
punkt w ktoacuterym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia
kolektor-emiter UCEsat
powyżej napięcia nasycenia UCEsat prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE
dla tranzystora wspoacutełczynnik korekcyjny m asymp 1 stąd wzoacuter opisujący charakterystykę przejściową ma postać
Tranzystory
Charakterystyka
przejściowa
Charakterystyka
wyjściowa
dla IC gtgt IC0
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Zmianę prądu IC wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancjąprzenoszenia w przoacuted lub transkonduktancją
aby obliczyć gm należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze Schenk]
transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora
Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany roacuteżniczkową rezystancjąwyjściową
nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC czyli
gdzie UY - wspoacutełczynnik Earlyego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiaroacutew rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystoroacutew npn i od 40 do 150V dla tranzystoroacutew pnp)
Tranzystory
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Charakterystykę wejściową można opisać roacutewnaniem (w ktoacuterym m ne 1)
Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest roacuteżniczkowa rezystancja wejściowa rbe
Aby wyliczyć jej wartość należy zroacuteżniczkować roacutewnanie opisujące charakterystykę wejściową
prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = β IB Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m ne 1 stąd β nie jest stałe i zależy od IC małosygnałowy wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Tranzystory
β ndash statyczny wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego
Charakterystyka wejściowa
ZależnośćIC od IB
Zależnośćβ od IC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Korzystając ze wzoroacutew na wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β i transkonduktancję gm można wyprowadzićwzoacuter na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń
Parametry graniczne tranzystora
Parametry graniczne ndash te wartości ktoacutere nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora
bull UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
bull UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza
bull UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter
bull ICmax - maksymalny prąd kolektora
bull IBmax - maksymalny prąd bazy
bull Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
Parametry ICmax UCE0max Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej
w skroacutecie SOA (safe operating area)
Tranzystory
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Typowe parametry tranzystoroacutewTranzystory oproacutecz parametroacutew granicznych posiadają roacutewnież kilka innych parametroacutew ktoacutere są podawane przez producentoacutew na kartach katalogowych
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Tranzystory
Tranzystor jako przełącznik
Po załączeniu włącznika W
UBE = 06 V
UR = 94 V
stąd
IB = 94mA (I B = 094mA dla R = 10kΩΩΩΩ)
Dla β = 100
IC = 940mA NIE (IC = 94mA TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga rezystancja zimnej żaroacutewki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
bull Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi byćchroniony przez roacutewnoległe dołączenie diody do obciążenia
W
1kΩΩΩΩ
+10V
zaroacutewka10V 01A
+Ucc
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Tranzystory
Wtoacuternik emiterowy (układ ze wspoacutelnym
kolektorem OC)
Wyjściem układu jest emiter tranzystora
Napięcie wyjściowe
UE = UB ndash 06V
Brak rezystora w obwodzie kolektora
Impedancja wejściowa wtoacuternika emiterowego jest znacznie większa niż impedancja wyjściowa(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
Jeśli napięcie na bazie zmienimy o ∆UB to
∆∆∆∆UE = ∆∆∆∆UB
∆∆∆∆IE = (hFE + 1) ∆∆∆∆IB
Wtoacuternik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym nie ma natomiast wzmocnienia napięciowego (kU = 1)
+Ucc
R
Uwe
R Rc
Uwy
Stabilizator napięcia z diodą Zenera i wtoacuternikiem emiterowym zwiększającym prąd wyjściowy
Przykład
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Wzmacniacze sygnałowe
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
C2
Wtoacuternik emiterowy ze sprzężeniem pojemnościowym
Przy braku rezystoroacutew R1 i R2
Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtoacuternika
Przykład projekt wtoacuternika dla sygnałoacutew w paśmie od 20 Hz do 20 kHz zasilanie Ucc = +15V prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA hFE = 100
1 Wybieramy wartość UE tak aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu bez obcinania wierzchołkoacutew
UE = 05 UCC = 75V
2 Obliczamy RE dla IEs
RE = 75V 0001A = 75kΩΩΩΩ3 Dobieramy R1 i R2 ktoacutere ustalą potencjał bazy (i emitera)
UB = UE + 06V = 81VZ dzielnika napięcia R1R2 = 085
Aby dzielnik był nieobciążony
R1 || R2 ltlt hFERE R1 || R2 asymp 01middot100 middot75kΩ = 75kΩSkąd R1 = 130kΩΩΩΩ R2 = 150kΩΩΩΩ4 Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 (2ππππf R) = 126 middot 10-7 asympasympasympasymp 015micromicromicromicroFdla f = 20Hz R = (hFERE) || (R1 || R2) = 750kΩ || 70kΩ = 64kΩ
s wejściowy
s wyjściowy
5 Obliczamy kondensator C2 (zał ROBC ge RE)
C2 = 1micromicromicromicroF dla ROBC = RE
6 Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 05micromicromicromicroF C2 = 33micromicromicromicroF
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Wzmacniacze sygnałowe ndash wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem (OE)
1 Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy UB i wartości RE
2 Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20 ndash 10kΩΩΩΩ1mA = 10V
3 Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uERE = uBRE = iC
4 Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RCRE)
5 Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
kU = uWYuWE = -RCRE
kU = -100001000 [VV] = -10 [VV]
Tranzystory
+Ucc
RER2
R1C1
RC
C2
Wzmacniacz ze wspoacutelnym emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kΩ R2 = 10kΩ
C1 = 01microF C2 = 1microF
RC = 10kΩ RE = 1kΩ
16V
10V
10V
20V
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc (RC ndash rezystancja obciążenia)
UCC= IC RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem kolektor-emiter UCE
można opisać funkcją liniową postaci
y = -ax + b
nazywa się prostą obciążenia
Tranzystory
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora obliczając położenie dwoacutech skrajnych jej punktoacutew dla IC = 0 i UCE = 0
dla IC = 0
0 = -UCERC + UCCRC
skąd punkt A jest określony
UCE = UCC IC = 0
dla UCE = 0
IC = UCCRC UCE = 0
punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy IB
punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A do B w zależności od wartości prądu bazy IB (tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
Punkty A i B nie są osiągalne
Tranzystory
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać aby zmiany sygnału sterującego IB nie powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze)
jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane goacuterne połoacutewki sinusoidy z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne) połoacutewki sinusoidy
Tranzystory
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE)
oraz określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspoacutelnego emitera
uwzględniając następujące warunki
- napięcie UBE wynosi 600mV
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały i może być pominięty
- wspoacutełczynnik wzmocnienia prądowego β = 50
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie zależy od napięcia UCE
- granicą między stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0
Tranzystory
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Rozwiązanie (1)
Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy stały prąd kolektora IC płynie od zasilania UCC przez R1 do kolektora
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć
prąd bazy
IB = UR2R2UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)R2 = (10 - 06)9400 = 0001A = 1mA
prąd kolektora
IC = β IBIC = β IB = 50 1 = 50mA
napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC R1) = 10 [V] - (50 100) [mA Ω] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzoacuter IC = β IB prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora
(złącze kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCBgt0) czy tak jest faktycznie
UCB = UCE ndash UBE = 5 [V] - 06 [V] = 44V
skąd widać że warunek jest spełniony ndash tranzystor jest w stanie aktywnym
Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Tranzystory
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Rozwiązanie (2)
Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna
Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem
wejściowym
Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze
nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak napięcia
wejściowego
Napięcie wyjściowe (na kolektorze) roacuteżni się od wejściowego amplitudą
ktoacutera jest większa i jest odwroacutecone w fazie o 180deg
- dodatniej połoacutewce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połoacutewka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie
Tranzystory
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
narastającemu napięciu wejściowemu odpowiada zwiększanie
prądu bazy IB ponad 1mA co powoduje proporcjonalne (IC = βIB)
zwiększanie prądu kolektora IC a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = ICR1) w efekcie
spadek napięcie na kolektorze UCE poniżej wartości
UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
dla większych prądoacutew bazy (w stosunku do IB) chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B co się wiąże ze zmniejszaniem
napięcia UCE a dla mniejszych prądoacutew bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE
aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida)
Tranzystory
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB = 0)
UCE = UCC = 10V
więc może się zwiększyć o 5V
minimalne napięcie jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi
UCE = 06V (bo UCE = UBE+ UCB a UCB = 0)
więc może się zmniejszyć o 44V
Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń dodatnią amplitudę roacutewną 50V oraz
ujemną amplitudę roacutewną 44V
Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy ktoacutery będzie spełniał następujący warunek
UCE = 12(UCC+ UCEs) = 12(10 [V] + 06 [V]) = 53V
Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można
zmodyfikować wartość rezystora R1
R1 = (UCC- UCE)IC = (10 - 53)50 [VmA] = 94ΩΩΩΩ
Woacutewczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie roacutewnej 47V
Tranzystory
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Tranzystory
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegoacutelnie dużym wzmocnieniu w ktoacuterym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego a kolektory obu tranzystoroacutew są połączone ze sobą Prąd emitera pierwszego tranzystora roacutewny jest więc prądowi bazy drugiego a prądy kolektoroacutew obu tranzystoroacutew sumują się
Wspoacutełczynnik wzmocnienia βDarlington układu jest iloczynem wspoacutełczynnikoacutew wzmocnienia obu tranzystoroacutew wchodzących w skład układu
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego tranzystora względem emitera drugiego ktoacutere jest sumą napięć polaryzacji obu tranzystoroacutew składowych
VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282 ktoacutery przy wzmocnieniu βDarlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora (właściwie sumie prądoacutew obu kolektoroacutew przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały) rzędu 10 A
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997) pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Tranzystory
Układ Darlingtona
Tranzystor Darlingtona
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Tranzystory unipolarne ndash FET (Field Effect Transistor) [1257]
Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośnikoacutew (elektronoacutew lub dziur)
Sterowanie transportem tych nośnikoacutew odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem za pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G)
Bramka jest odizolowana od kanału a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego ndashźroacutedłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja
Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementoacutew dyskretnych w wielu przypadkach
zajęły obecnie miejsce tranzystoroacutew bipolarnych
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Tranzystory unipolarne
Podział
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor)
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor) ktoacutere dzielą się na
- tranzystory MIS (Metal Insulator
Semiconduktor - metal izolator
poacutełprzewodnik) MISFET MOS (Metal Oxide Semicondauctor - metal tlenek
poacutełprzewodnik) MOSFET
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor ndash
tranzystor cienkowarstwowy)
bramka jest odizolowana od kanału cienkąwarstwą izolatora ktoacuterym jest najczęściej dwutlenek krzemu
Tranzystory
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
Jednorodny obszar poacutełprzewodnika występujący między drenem i źroacutedłem stanowi kanał przez ktoacutery płynie prąd i ktoacuterego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału
Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n a więc przez zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym
Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału - rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor ster owany napi ęciowo
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem induk owanym typu n i podło żem typu p
W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy drenem i źroacutedłem ndash nie ma kanału
Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGSgt0 to po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia zwanej napięciem progowym UP dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchniąwarstwy inwersyjnej złożonej z elektronoacutew swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposoacuteb w warstwie inwersyjnej połączenie elektryczne pomiędzy drenem a źroacutedłem
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronoacutew w indukowanym kanale czyli od napięcia UGS
Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS
Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki na skutek czego im bliżej drenu tym roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza a kanał płytszy
Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem odcięcia UGSoff lub wartość napięcia UDS zroacutewna się z poziomem napięcia UGS powstały kanał całkowicie zniknie
Dla małych warto ści napi ęcia dren- źroacutedło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy rezystor ktoacuterego rezystancj ę można regulowa ć za pomoc ą napi ęcia bramka- źroacutedło
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odci ęcia bramka- źroacutedło UGS(OFF) czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić aby przez tranzystor popłynął prąd Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS Prąd wył ączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| gt |UGS(OFF)| Rezystancja statyczna wł ączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0 Resystancja statyczna wył ączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źroacutedłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia Dopuszczalny pr ąd drenu IDmaxDopuszczalny pr ąd bramki IGmaxDopuszczalne napi ęcie dren- źroacutedło UDSmaxDopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGSnazywany konduktancj ą wzajemn ą (transkonduktancją) gm
Konduktancja drenu lub konduktancja wyj ściowa
Wspoacute łczynnikiem wzmocnienia napi ęciowego
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Tranzystory
Tranzystory
unipolarne
- parametry
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego może on pracować w trzech roacuteżnych obszarach
w obszarze odci ęcia - gdy |U GS| gt |UP| UDS -dowolne
w obszarze aktywnym - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| lt= |UDS SAT|
w obszarze nasycenia - gdy |U GS| lt |UP| i |UDS| gt |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-źroacutedło dla ktoacuterego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru nasycenia
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-źroacutedło (UGS) przy stałym napięciu dren-źroacutedło (UDS) Charakterystyka ta dla roacuteżnych typoacutew tranzystoroacutew przedstawiona została poniżej
Tranzystory
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Charakterystyka Wyj ściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źroacutedło (UDS) przy stałym napięciu bramka-źroacutedło (UGS) Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy) Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią ktoacuterej kształt przypomina parabolę W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor poacutełprzewodnikowy Prąd ID ze wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Tranzystory
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
Tranzystory polowe znajdujązastosowanie przede wszystkim woacutewczas gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja wejściowa elementu aktywnego
Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej woltomierzy i przełącznikoacutew sterowanych bezprądowo
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Schemat blokowy zasilacza
Układy zasilające
Zasilacze ndash budowa [126]
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz należe w pierwszym rzędzie określić z jakiego źroacutedła pobierana będzie energia ndash to umożliwi zdecydować czy jest potrzebny transformator a jeśli tak to jakiego rodzaju
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądoacutew wejściowych na przemienne napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości
Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat)
Oznacza to że dysponując określoną mocą na wejściu nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu Podstawowymi parametrami transformatora są moc (wyrażana w VA) i przekładnia ktoacutera definiuje stosunek napięć i prądoacutew po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtoacuternej (wyjściowej)
()
gdzie Up i Ip - przebiegi po stronie pierwotnej Uw i Iw - przebiegi po stronie wtoacuternej
Należy pamiętać że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtoacuternej wyra żone w warto ściach skutecznych
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtoacuternej należy dobierać tak aby było co najmniej roacutewne po żądanemu poziomowi napi ęcia wyj ściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień)
W przypadku wydajno ści pr ądowej zasadą jest aby maksymalna wydajno ść prądowa była przynajmniej 15 raza wi ększa od zakładanego obci ążenia (takie założenie zapobiegnie ew przegrzaniu i spaleniu transformatora
Oproacutecz tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po stronie wtoacuternej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie) Jego wartość można obliczyć ze wzoru () znając prąd obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x) Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest ważne ndash zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głoacutewnym wyłącznikiem ze względu na to iż istnieje ryzyko wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających jednocześnie dwa bieguny zasilające)
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napi ęcie zasilaj ące tj masę i pożądany poziom wyjściowy Vout to stosujemy klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym bez odczepu
W przypadku gdy istnieje potrzeba uzyskania napi ęcia dodatniego i ujemnego wzgl ędem masy (w szczegoacutelnym wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtoacuternym i odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi odpowiednio połączonymi (rys b) aby utworzyć węzeł stanowiący masę
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash wyboacuter transformatora i zabezpieczenia
Istnieje roacutewnież inny sposoacuteb uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem lub kilkoma uzwojeniami wtoacuternymi Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołoacutewkowym jednak ze względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym elementem jest filtr tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikoacutew są maksymalny pr ąd przewodzenia i maksymalne napi ęcie wsteczne W przypadku tego pierwszego istnieje zasada że mostek powinien przepuścić prąd przynajmniej 15x wi ększy od zakładanego obciążenia Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash parametry i rodzaje prostownikoacutew
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności W czasie połowy okresu napięcia wtoacuternego w ktoacuterej amplituda jest dodatnia napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru Jednak w trakcie trwania drugiej połowy kiedy amplituda jest ujemna na diodzie odkłada się napięcie roacutewne dwoacutem wartościom szczytowym napięcia wtoacuternego Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 283x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej (przeważnie stosuje się przelicznik 34x) W przypadku braku filtra tętnień stosuje się zwykłe 20 margines bezpieczeństwa tj napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 17x większe od wartości skutecznej napięcia po stronie wtoacuternej Ostatnią ważną rzeczą o ktoacuterej należy pamiętać jest występowanie pewnego spadku napięcia na prostowniku co powoduje iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten uzyskiwany przez uzwojenie wtoacuterne transformatora
Parametry typowych mostkoacutew prostowniczych
VRRM ndash maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne VRMS ndash maksymalne skuteczne napięcie wejściowe VDC ndash maksymalne stałe napięcie wsteczne I(AV) ndash maksymalny średni prąd przewodzenia VF ndash napięcie przewodzenia
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołoacutewkowego jest daleki od idealnej poziomej linii
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie zredukować tętnieniaOdpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspoacutełczynnik tętnień(zawsze poniżej 10)
gdzie bull f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołoacutewkowego i 100Hz dla jed-nopołoacutewkowego) bull Γ to zakładany wspoacutełczynnik tętnień bull RL to wartość rezystancji obciążenia RL=UOIO
Istnieje roacutewnież bardziej praktyczna reguła ktoacutera moacutewi iż na każdy 1A pr ądu obci ążenia nale ży stosowa ćkondensator o pojemno ści co najmniej 1000 microF
Ważnym krokiem jest doboacuter maksymalnego napi ęcia roboczego kondensatora Minimalny margines to 20 odchyłu od amplitudy napięcia (17x wartości skutecznej)
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień ndash filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegoacutelnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłoacutecenia w napięciu zasilającym W takich wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia ogromnej pojemności)Rozwiązaniem może być obwoacuted filtrujący RC
Zapewnia on dalszą redukcję wspoacutełczynnika tętnień jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej o wartość R1 co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu (np przedwzmacniacze akustyczne) Wartości elementoacutew dobiera się korzystając ze wzoroacutew
dla prostownika jednopołoacutewkowego
dla prostownika dwupołoacutewkowego
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash filtrowanie tętnień
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia
Seria 78xx79xx
Są to najprostsze troacutejkońcoacutewkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie cyfry w oznaczeniu (05 08 10 12 15 24)
Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem masy a 79xx do ujemnych
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoacuteceń i są standardem w aplikacjach stabilizatoroacutew ndash należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym a nie topologicznym na schemacie) Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu ndash taka sytuacja może miećmiejsce zaraz po wyłączeniu zasilania Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza bdquowstecznyrdquo prąd z końcoacutewki stabilizatora Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu stabilizatora Rola poszczegoacutelnych elementoacutew obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx
Oproacutecz zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadaj ą wbudowane układy zabezpieczaj ące przed zwarciem na wyj ściu oraz przegrzaniem
Podstawow ą wadą takich stabilizatoroacutew jest konieczność zapewnienia roacuteżnicy potencjałoacutew pomi ędzy wej ściem a wyj ściem wynosz ącą co najmniej 3V Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie działał Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 15A
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napi ęciu wyj ściowym odpowiednio dodatnim i ujemnym względem masy
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje sięza pomocą źroacutedła referencyjnego 125V(pomiędzy końcoacutewką Adjust i Output) i dzielnika napięcia złożonego z rezystoroacutew R1 i R2
Wzoacuter na VOUT dla układu LM317
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się240Ω a IADJ jest pomijalnie małe
Analogicznie dla układu LM337
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LM317337Przykłąd zastosowania stabilizatoroacutew LM317 i LM337 do układu z redukcjąwspoacutełczynnika tętnień i zastosowaniem diod zabezpieczających
Dioda D2 ndash jest to spowodowane umieszczeniem kondensatora C7 w obwodzie źroacutedła referencyjnego o wartości 125V Jej podstawową funkcją jest odprowa-dzanie prądoacutew rozładowania kondensatora C7 natomiast sam element pojemnościowy służy do redukcji zakłoacuteceńw napięciu wyjściowym Zabezpieczenia wewnętrzne są takie same jak w przypadku stabilizatoroacutew 78xx79xx - pro-tekcja termiczna i przeciwzwarciowa Roacutewnież minimalna roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem wynosi 3V
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOW układach 7879xx oraz LM317337 napięcie pomiędzy wejściem a wyjściem (tzw Dropo-ut Voltage) musi wynosić co najmniej 3V Poniżej tej wartości stabilizator w ogoacutele nie za-działa co jest podstawową wadą tych elementoacutew ndash ze względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspoacutełczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu miliwoltoacutew (np MAX8563 ndash 56mV)
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDOJest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd ktoacutery po przekroczeniu minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IORDSON) Dzięki temu nie musimy dbaćo odpowiednią wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne zastosowanie ndash zasilacze bazujące na bateriach akumulatorach itp
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatoroacutew LDO jest układ MAX667 Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących takich jak opcja wyłączenia sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 35-165V Rysunek przedstawia przykładową aplikację tego sta-bilizatora
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaRegulację napięcia wyjściowego uzyskuje siępodłączając dzielnik rezystorowy (R1 R2) SET ktoacuterego potencjał ustalony jest na poziomie 122 V Napięcie wyjścio-we wyraża się wzorem
Ze względu na niski poboacuter prądu wejścia SET (ok 10nA) wartości rezystoroacutew mogą być znaczne - typowo R1 wynosi 1MΩ Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy to napięcie wyjściowe ustali sięna poziomie 5V Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 15V W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i poboacuter prądu układu spada poniżej 1microA
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaBardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego poziomu naładowania baterii Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 122V to tranzystor FET na rys zostanie włączony i zewrze wyjście LBO do masy Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem
Podobnie jak dla wejścia SET niski prąd wejściowy LBI (ok 10nA) umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash stabilizatory scalone
Stabilizatory ci ągłe LDO ndash przykładowa aplikacjaOstatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1) Końcoacutewka ta połączona jest z otwartym kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcjądetektora spadku napięcia Dropout Voltage Gdy roacuteżnica potencjałoacutew pomiędzy wejściem a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest roacutewnoznaczne z końcem czasu życia baterii) to tranzystor PNP zaczyna przewodzić Podłączenie wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok 100kΩ do masy umożliwia monitorowanie napięcia Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca spadek Dropout Voltage (np na sku-tek rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT Jest to konieczne ponieważ w przypadku gdy ustalone VOUT zaczyna byćwiększe od VIN to stabilizator pobiera prąd dochodzący do 10mA ndash jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu Rozwiązanie z rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic możliwości
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego Gdyby doszło do przepięcia tj przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie sytuacje zdarzają się gdy np spalimy stabilizator) Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora Jednym z prostych obwodoacutew przeciwprzepięciowych jest układ z diodą Zenera i tyrystorem Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera dojdzie do załączenia (zwar-cia) tyrystora co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i prze-palonych bezpiecznikoacutew ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko wskazaćlub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego Typowy układ wskaźnika napięcia wyjściowego przedstawia rysunek
Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z rezystorem ograni-czającym prąd R1 Wartość rezystora należy dobrać tak aby przy znanym napięciu zasilają-cym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA (dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody) Odpowiedni wzoacuter opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash sygnalizacja
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych sygnalizatorem są lampki neonowe ktoacuterych napięcie pracy przekracza 67V (w zależności od typu) Schemat obwodu i sposoacuteb wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam jak w przypadku wskaźnika z diodą LED Rysunek przedstawia obwody sygnalizatoroacutew przepalonych bezpiecznikoacutew dla napięcia zmiennego i stałego Gdy bezpiecznik nie jest przepalony zwiera obwoacuted lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie świeci się Po przepaleniu bezpiecznika na jego zaciskach wystąpi roacuteżnica potencjałoacutew o czym poinformuje zastosowany wskaźnik
W obwodzie z rysunku zastosowano rezystor R3 aby zapewnić kontakt z masą w przy-padku gdy stabilizator ulegnie nietypowemu uszkodzeniu W takiej konfiguracji
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
Układy zasilające
Zasilacze ndash chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głoacutewnych przyczyn uszkodzeń elementoacutew elektronicz-nych Praktyka wskazuje że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skroacutecenie średniego czasu międzyawaryjnego (MTBF) o połowę W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy wykorzystywanych elementoacutew Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń
1 zastosowaniepoprawienie naturalnej wentylacji 2 rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatoroacutew 3 zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą
KONIEC
KONIEC