elektronika gépészmérnököknek -...

Puklus Zoltn

ELEKTRONIKA GPSZMRNKKNEK

Kszlt a HEFOP 3.3.1-P.-2004-09-0102/1.0 plyzat tmogatsval.

Szerz: dr. Puklus Zoltn egyetemi docens

Lektor: dr. Tar Jzsef okleveles fizikus a mszaki tudomny kandidtusa

Puklus Zoltn, 2007

Elektronika gpszmrnkknek A dokumentum hasznlata

A dokumentum hasznlata | Tartalomjegyzk | Irodalomjegyzk Vissza 3


A dokumentum hasznlata

Mozgs a dokumentumban A dokumentumban val mozgshoz a Windows s az Adobe Reader meg-szokott elemeit s mdszereit hasznlhatjuk.

Minden lap tetejn s aljn egy navigcis sor tallhat, itt a megfelel hivatkozsra kattintva ugorhatunk a hasznlati tmutatra, a tartalomjegy-zkre, valamint a trgymutatra. A s a nyilakkal az elz s a kvet-kez oldalra lphetnk t, mg a Vissza mez az utoljra megnzett oldalra visz vissza bennnket.

Pozcionls a knyvjelzablak segtsgvel A bal oldali knyvjelz ablakban tartalomjegyzkfa tallhat, amelynek bejegyzseire kattintva az adott fejezet/alfejezet els oldalra jutunk. Az aktulis pozcinkat a tartalomjegyzkfban kiemelt bejegyzs mutatja.

A tartalomjegyzk hasznlata

Ugrs megadott helyre a tartalomjegyzk segtsgvel Kattintsunk a tartalomjegyzk megfelel pontjra, ezzel az adott fejezet els oldalra jutunk.

Keress a szvegben A dokumentumban val keresshez hasznljuk megszokott mdon a Szerkeszts men Keress parancst. Az Adobe Reader az adott pozci-tl kezdve keres a szvegben.

Elektronika gpszmrnkknek Tartalomjegyzk



Tartalomjegyzk

Bevezets............................................................................................ 7

1. A flvezetk..................................................................................... 9 1.1. A flvezetk kristlyszerkezete .................................................................. 9 1.2. A pn tmenet .............................................................................................. 12

2. A dida.......................................................................................... 15 2.1. A dida jelleggrbje s mkdse ......................................................... 15 2.2. Klnleges rtegdidk............................................................................. 18

3. A tranzisztor ................................................................................. 21 3.1. ltalnos jellemzk.................................................................................... 21 3.2. A tranzisztor mkdse ............................................................................ 21 3.3. A tranzisztor jelleggrbi .......................................................................... 23 3.4. Munkapont bellts .................................................................................. 24 3.5. A tranzisztor kisjel mkdse ................................................................ 27 3.6. Alapkapcsolsok vizsglata az ersts fggvnyben.......................... 30

4. A FET trvezrls tranzisztor.................................................. 34 4.1. A zrrteges trvezrls tranzisztor (FET vagy JFET

Junction FET) ............................................................................................ 34

5. A MOSFET .................................................................................. 37

6. Erstk (ltalnossgok)............................................................ 42 6.1. ltalnos fogalmak s meghatrozsok .................................................. 42

7. A negatv visszacsatols ............................................................... 46 7.1. A negatv visszacsatols elnyei s htrnyai ......................................... 46 7.2. Alapsszefggsek a NV szmtsakor................................................... 46

8. A teljestmny vgfokozat ............................................................ 49 8.1. Az A osztly erst ................................................................................ 49 8.2. A B osztly erst................................................................................... 51 8.3. Az AB osztly erst.............................................................................. 54 8.4. A D osztly erstk................................................................................ 56




9. A differencil erst .................................................................... 58

10. A mveleti erst (ME) ............................................................. 60 10.1. A gyakorlati mveleti erst (ME)....................................................... 64 10.2. Jelkondicionl ramkrk .................................................................... 71

11. Fotoflvezetk ............................................................................. 76 11.1. Fotoellenllsok ....................................................................................... 76 11.2. Fotodidk s fotoelemek ...................................................................... 76 11.3. Fototranzisztorok .................................................................................... 78 11.4. A fnyemittl dida (LED) .................................................................. 78 11.5. Optocsatolk............................................................................................ 80

12. Az ramgenertor........................................................................ 82

13. A kimeneti port ........................................................................... 83 13.1. A TTL integrlt ramkrk.................................................................... 83

14. A digitlis technika alapjai ......................................................... 88 14.1. Kapuramkrk s igazsgtblzataik ........................................... 92 14.2. Flip-flopok ................................................................................................ 93 14.3. Bevezets az interfszek technikjba .................................................. 97

15. Az 555 tpus idzt..................................................................102 15.1. 555 astabil kapcsolsban .......................................................................102 15.2. 555 monostabil kapcsolsban ..............................................................104

16. Lineris tpegysgek .................................................................105 16.1. A feszltsgstabiliztor kapcsols........................................................105 16.2. A feszltsgktszerez kapcsols ........................................................107

17. A kapcsolzem tpegysgek alapjai......................................108 17.1. A feszltsgcskkent (buck) konverter ............................................109 17.2. A feszltsgnvel (boost) konverter.................................................112 17.3. A polaritsvlt (buck-boost) konverter ............................................114 17.4. A modern konverterek..........................................................................117

18. A frekvenciavltk...................................................................... 121 18.1. A modern energetikai szemllet a teljestmnyelektronikban........123 18.2. Vezrelt egyenirnyt ...........................................................................133 18.3. DC motor szablyozsa ........................................................................137




18.4. DCAC talaktk .................................................................................143 18.5. Az impulzusszlessg modulci (PWM modulci).......................157 18.6. Modern aszinkron motoros hajts s energia visszatplls............172

Irodalomjegyzk ...................................................................................................175

Elektronika gpszmrnkknek Bevezets



Bevezets

Az Elektronika gpszmrnkknek jegyzet megrsakor az volt a clki-tzs, hogy viszonylag rviden bemutassuk az elektroniknak azt az gt, amellyel egy gpszmrnk tallkozik/tallkozhat munkja sorn. Azok-nak a gpszmrnk hallgatknak igyekeztnk elektronikai alapismerete-ket bemutatni, akik gpek, berendezsek tervezsvel, zemeltetsvel, karbantartsval fognak foglalkozni. A napjainkban bevezetsre kerl BSc tpus oktats azon clkitzst is figyelembe vettk, hogy napraksz informcit nyjtson egy gpsz zemmrnknek, s ugyanakkor olyan alapot is nyjtson, amelyre ptkezni lehet a magasabb szint MSc kpzs-ben is.

Tudjuk, hogy egy gpszmrnknek nem feladat egy gp vagy gpcso-port elektronikus rsznek a megtervezse, de nagyjbl tudnia kell, hogy gpszeti cljainak az elrse rdekben milyen paramter-tartomnyban mkdtethet elektromos/elektronikus eszkzk llnak a rendelkezsre, legalbb nagy vonalakban ismernie kell azok mkdsi elvt, az ltaluk nyjtott szolltatsok lehetsgeit s korltjait.

Nzeteink szerint a egy gpszmrnk hallgat nem elgedhet meg az-zal, hogy az ltala tervezett, ptett, zemeltett gpben, berendezsben az elektrotechnikai s elektronikus megoldsok egy fekete dobozba vannak zrva, t ez nem rdekelheti. Frappns plda, hogy egy modern benzin- vagy dzelmotoros szemlygpkocsi, amely a gpszmrnki tevkenysg egyik cscsa, rnak ma mar tbb mint 25-30%-t a beptett elektronikus berendezsek rai adjk.

A fentiekbl tn levonhat az a trekvs, hogy e jegyzetben foglaltak ismeretben, knnyebben fog majd szt rteni egymssal az ugyanazt a gpet tervez, pt, zemeltet gpsz s villamosmrnk s esetleg az informatikus szakember is.

A jegyzet, igaz nem ugyanolyan terjedelemben, hrom rszre bonthat. Ezek a rszek: az analg elektronika, a kapcsolzem mkds elektro-nika valamint a modern motorvezrlseknek a bemutatsa.

Az analg elektronikai rsz a pn tmenet bemutatsval kezddik. En-nek a rsznek a bemutatst, fontosnak tartottuk, hogy bemutassuk, hogy mely ismereteken is indult el az 1940-es vek kzepn az a folyamat, amely az elektronikus forradalomba torkollott. Fontos ez a rsz azrt is, mert szmos mreszkz elsdleges szkelje igen gyenge jelet szolgltat,

Elektronika gpszmrnkknek Bevezets



analg mdszerekkel ersthet arra a szintre, amelyen mr digitlis md-szerekkel feldolgozhat. Ebben a rszben kapott helyet, a napjaink szm-tgpeinek processzornak ptkvnek a CMOS cellk bemutatsra is. Itt kapott helyet az ipari elektronika egyik alapelemnek, az interfszek bemutatsa, azaz, hogyan jut el a jel a szmtgpbl, e szmtgppel ltrehozott elektronikus jel a vezrelt eszkzkig.

A msodik rsz a digitlis elektronikai elemek s a kapcsolzem mkdst bemutat tpegysgekre koncentrldik. Ennek a rsznek a ltjogosultsgt az adja, hogy ezek az ramkrk, kapcsolsi smk adjk, magyarzzk a modern hajtstechnika alapjait.

A harmadik rsz a mai szemllet elektronikus hajtstechnikt igyek-szik bemutatni. Ma mra hajtstechnika a villamos gpet ellt energia msodpercenknti tbb ezerszeres szaggatsbl ll. gy teljesen j megvi-lgtsban kell szemlljk a villamos gpet, pldul az vszzados aszink-ron motor krdiagramja helyett ma mr csak e gp a karakterisztikiban gondolkodunk. Itt olyan modern szemlletet prblunk megismertetni a hallgatkkal, amelyre a modern hajtstechnika pl. Az utols fejezet n-hny pldn keresztl arra a mai kvetelmnyrendszerre is rmutat, hogy egy terveznek a klasszikus mdszereket ki kell egsztenie a modern h-lzat- s rendszer-szimulcis programok ismeretvel s hasznlatval. A mai villamos szellemi alkots a kvetkezket jelenti: elmleti tervezs, hlzat-szimulci, rendszer-szimulci, pts, leszts, tesztels, jrater-vezs. Ilyen programok segtsgvel mutatjuk be, azokat az j kihvsokat amelyekkel mr ma is szembe is kel nzni, hogyan rontjk az villamos energia minsgt az, j hajtstechnikai megoldsok s milyen kiutat keres erre a kihvsra a mai mrnktrsadalom.

Elektronika gpszmrnkknek A flvezetk



1. A flvezetk

Mai korunk elektronikai eszkzeinek mkdse a flvezetkben lejtszd folyamatokra vezethet vissza.

Egy ramkr tervezshez, megptshez nem szksges a flvezet elemek belsejben lejtszd fizikai folyamatok nagyon pontos s rszletes modellezse.

1.1. A flvezetk kristlyszerkezete A mai didk, tranzisztorok, integrlt ramkrk alapanyaga az n. flve-zet, amelynek villamos vezetkpessge a vezetk (fmek) s a szigetelk kztt van.

A legelterjedtebb flvezetk csoportjai:

kmiai elemek (germnium Ge, szilcium Si) kmiai vegyletek (szulfidok, oxidok, szelenidek stb.) intermetallikus tvzetek (indium-foszfid, gallium-arzenid, szilcium-

karbid stb.)

Anyag Fajlagos ellenllsa[m]

Osztlyozs

Ezst Alumnium

106 105

Vezet

Germnium (tiszta) Szilcium (tiszta)

5060 (5060) 103

Flvezet

Csillm Polietiln

10121013 10151016

Szigetel

1.1. tblzat

A flvezet atomoknak ngy vegyrtk- vagy valencia elektronjuk van. A vegyrtkelektronok, amelyek a flvezet atom kls elektronhjban ke-ring elektronok, egy flvezetatomot 4 szomszdos flvezet atommal kapcsolnak ssze kovalens ktssel.

A kovalens kts, amelyet elektronpr-kpzsnek is neveznek, abban ll, hogy kt szomszdos atom egymssal kapcsold egyenrtk elektron-jai egytt keringenek. Az atomok ebben a szablyos elrendezsben kiala-




ktjk az atomrcsot, amelyet kristlyrcsnak is neveznek. Az elektronikai eszkzket (tranzisztor, dida, kapcsolelem, integrlt ramkr stb.) egy nagytisztasg flvezet kristlybl alaktjk ki, amit egykristlynak is ne-veznek. Az egykristly alatt egy 70-200 mm tmrj szilciumhenger rten-d, ezt vkony lapokra vgva lesz a flvezet eszkz alapanyaga.

A villamos vezetkpessg meghatrozza a flvezetk sajtossgait. Mivel a flvezet vezetkpessgt elssorban annak tisztasgi foka hat-rozza meg (a gyakorlatban legfeljebb 1010 sajt atomra juthat egy szennye-z atom), az egykristly ellltsa nagyon bonyolult technolgiai folyamat.

A tiszta (intrinsic) flvezetben mind a ngy vegyrtkelektron abszo-lt zr fok (0 K = 273,15 C) hmrskleten kttt, teht gy viselke-dik, mint egy szigetel. Nagyobb hmrskleten az elektronok a hmoz-gs kvetkeztben (esetleg fny- s magsugrzs hatsra is) akkora ener-gira tesznek szert, hogy egyesek kilpnek a kovalens ktsbl, szabad elektronokk vlnak. A kilp elektronok helyn egy n. lyuk (elektronhi-ny) keletkezik. Ezt a jelensget, mivel egy tltshordoz-pr keletkezik (az elektron negatv, a lyuk pozitv) prkpzdsnek nevezik. E prkp-zdssel ellenttben ll a rekombincijuk, azaz egyeslsk. E kt folya-mat a flvezetben egyenslyi llapotban van.

A szennyezett flvezet A flvezet vezetkpessge (a szabad tltshordozk srsge) a kristlyt szennyez anyagok hozzadsval (doppingols) cskkenthet, ill. nvelhe-t. A szennyez anyag atomja bepl a kristlyrcsba, helyettestvn a fl-vezet atomot. A szennyezs mrtke igen kismrtk: minden 105108 sajt atomra jut egy szennyez atom. A szennyez atom 3 vegyrtk (trivalens szennyezds) vagy 5 vegyrtk (pentavalens szennyezds).

trivalens (3 vegyrtk) szennyezds

P tpus szennyezs

pentavalens (5 vegyrtk) szennyezds

N tpus szennyezs br B alumnium Al gallium Ga indium In

foszfor P arzn As antimon Sb bismut Bi

Ha a szennyezsre 5 vegyrtk anyagokat hasznlunk (foszfor P, arzn As, antimon Sb, bismut Bi) n-tpus flvezett hozunk ltre, hisz e szeny-




nyez atom egyik vegyrtkelektronja nem szksges, hogy a szomszdos flvezet atomokkal a stabil kovalens ktsben rszt vegyen. Ezrt ez az elektron nagyon alacsony szint energiakzlssel leszakthat a szennyez atomrl, amely pozitv ionn vlik. Ezt a tpus szennyez atomot donor-nak nevezzk.

Ha a szennyezsre 3 vegyrtk anyagokat hasznlunk (br B, alum-nium Al, gallium Ga, indium In) p-tpus flvezett hozunk ltre, hisz e szennyez atom csak 3 szomszdos atommal tud kovalens ktst alkotni, mivel csak 3 vegyrtkelektronja van. Szksg lenne egy negyedik elekt-ronra is. Ezt az elektronhinyt lyuknak nevezik. A krnyez atomok akrmelyik vegyrtkelektronja, egy kevs energiakzlssel tugorhat s betltheti e lyukat. Az elektron helyn egy msik lyuk keletkezik. A szeny-nyez atomot ebben az esetben akceptor atomnak nevezik, s mivel a lyukak pozitv tbbsgi tltshordozk, a flvezett p-tpus flvezetnek. Az akceptor atom egy elektron befogadsval negatv ionn vlik, amely-nek negatv tltst a flvezet kristlyon bell ellenslyozza a szban forg elektron helyn keletkezett lyuk.

Akr p-tpus, akr n-tpus a flvezet, villamos feszltsgre kapcso-ls nlkl semleges, hisz a szabad tltshordozk rendszertelen, zegzugos mozgsa ellenslyozza egymst.

1.1. bra. Az n s a p tpus flvezet

A tltshordozk mozgsa feszltsg hatsra Ha a flvezetre egyenfeszltsget kapcsolunk, akkor a kristlyban lteslt villamos trerssg hatsra a szabad tltshordozk emltett zegzugos mozgsa irnytott mozgss alakul: az elektronok a tr irnyval ellentte-




sen, a lyukak pedig a tr irnyba mozdulnak el. Az gy keletkezett ramot drift-ramnak nevezik. A flvezet hmrsklete kihatssal van a tlts-hordoz srsgre s mozgkonysgra, ezrt a flvezet fajlagos vezet-kpessge fgg a hmrsklettl. A flvezet elemek zemi hmrskleti-tartomnyt a katalgusok kzlik s ezek betartsa rendkvl fontos az ramkrk megfelel mkdsnek a biztostsra. Ez a tartomny germ-nium esetn: 55+(75100) C, s szilciumnl 55+(150200) C.

1.2. A pn tmenet Ha metallurgiai eszkzkkel ltrehozunk egy flvezet elemet gy, hogy egyms mell egy p-tpus s egy n-tpus flvezet kerl, akkor kialakul a pn tmenet. Az tmenetben lejtszd nhny fizikai folyamatot tisztz-zuk a kvetkezkben.

Az tmenet a tltshordozk ugrsszer vltozst idzi el s ezrt az tmeneten keresztl megindul egy diffzis elektron- illetve lyukram.

Az elektronram az n oldal fell a p oldal irnyba alakul ki, mg a lyukram ezzel ellenttes irnyba. A folyamat eredmnyeknt a pn tmenet kt oldaln semlegestetlen akceptor ionok s donor ionok halmozdnak fel. Az ionok ltal ltrehozott villamos ertr olyan irny, hogy akad-lyozza az elektronok s lyukak diffzis ramlst. Ez az ionok ltal kiala-kul villamos ertr teht a tbbsgi tltshordozk szempontjbl so-rompknt hat, a kisebbsgi tltshordozk mozgst viszont nem akad-lyozza, hanem segti, ltestvn egy driftramot, amely ellenttes a tbbsgi tltshordozk diffzis ramval. A villamos ertr addig nvekszik, amg kialakul egy egyenslyi llapot, vagyis a diffzis ram addig cskken, amg kiegyenlti a driftramot. Az ramok megsznnek s a pn tmenet kt oldaln, a tbbsgi tltshordozkban szegny rteget, ahol csak az akcep-tor s donor ionok negatv ill. pozitv tltse van jelen, kirtett rtegnek, trtltsi tartomnynak, vagy zrrtegnek szoktk nevezni. A zrrteg kt oldaln teht egy + illetve tltsek halmozdnak fel,ez a poten-cilgt +0,6 (+0,7) V Si flvezet esetben illetve 0,20,3V Ge alap fl-vezetkben. Ahhoz, hogy a pn tmenet kls hatsra ramot vezessen az ramot megindt feszltsgnek (potencilklnbsgnek), az emltett r-tknl magasabbnak kell lennie.

Az elmondottak a pn tmenetben lezajld olyan folyamatokat mutat-tk be, amelynl nem kapcsoltunk kls feszltsget egy pn tmenetet tartalmaz flvezetre.




1.2. bra. Potencilgt kialakulsa egy metallurgiai pn tmenetnl

Felvetdik a krds, hogy mi lesz a hatsa a fentebb bemutatott kirtett rteg kialakulsnak. Mint ahogy az 1.2. brbl lthat, a p-tpus flve-zetben pozitv tltsek halmozdnak fel, mg az n-tpus flvezet rteg-ben negatv tltsek, amelyek tlts koncentrciban lecskkent rtegek.

Az 1.3. bra mutatja be egy pn tmenetre jellemz potencil-klnbsg (feszltsg) kialakulst (Si alap flvezet esetn 0,6-0,7 V, Ge alap fl-vezetnl 0,2-0,3 V).

Feszltsg kapcsolsa a pn tmenetre Ha a V feszltsgforrs pozitv sarka a kristly p szennyezs-, a negatv sarka az n szennyezs oldalhoz csatlakozik (1.4. bra), akkor ez elektro-nokat szllt az n-tpus rtegbe, s elektronokat von el (egyrtelm a lyu-kak szlltsval) a p-tpus rtegbl. A V feszltsg gy megnveli a tl-tshordoz-srsget a pn tmenet kt oldaln, emiatt lecskken a ki-egyenltetlen trtlts nagysga s ezltal a ltrehozott trerssg is.

A trerssg lecskkense kvetkeztben nvekszik a tbbsgi tlts-hordozk diffzis rama. Az ilyen polarits feszltsg rkapcsolsakor a pn tmenet tbbsgi tltshordozk ltal vitt ramot tart fenn. Az ram mint ahogy mondani szoktk teresztirnyban, nyitirnyban vagy ve-zetirnyban folyik a pn tmeneten t.




1.3. bra. Tltseloszts egy pn tmenet krnykn

Ahhoz, hogy ez az ram szmottev legyen, a V feszltsgforrs feszlt-sgnek nagyobbnak kell lennie 0,60,7 V-nl szilcium, illetve 0,3 V-nl germnium alap flvezet esetn. Ezt a feszltsget nevezzk kapocsfe-szltsgnek.

1.4. bra. A kirtett rteg nagysga a pn tmenet klnbz polarits

feszltsgnl (mg nincs vezets)

Abban az esetben, ha a V feszltsg polaritst megfordtjuk, akkor ez a feszltsg a tbbsgi tltshordozkat a pn tmenet oldaltl a csatlakoz-si pontok fel tereli. Emiatt a pn tmenet krnykn megn a donor s akceptor ionok ltal ltrehozott trtlts. Kiszlesedik a trtltsi tarto-mny, s megn az ertr. Az gy kialakul nagy trerssg a tbbsgi tltshordozk ramt teljesen megsznteti s csak a kisebbsgi tltshor-dozk tlpst (driftramt) teszi lehetv. Ez a zrirny ignybevtel (elfeszts).

Elektronika gpszmrnkknek A dida



2. A dida

A dida lnyegben egy pn tmenet. Ma a didk dnt tbbsge egy egykristlyban kialaktott pn tmenet. Ezt tvzses, vagy diffzis tech-nolgival lltjk el.

A kapcsolsi rajzokban a (norml) dida egyezmnyes (jelkpi) jell-sre tbb jel is elterjedt (2.1. bra). Abban azonban megegyeznek, hogy a nyl az tereszt irnyba mutat, vagyis a p-tpus rteg fell az n-tpus rteg fel. A p-tpus rteg csatlakozjt andnak (A), mg az n-tpus rteg csatlakozsi pontjt katdnak (K) nevezzk. A kapcsolsi rajzokban ezek jellst ltalban elhagyjk.

2.1. bra. A dida kapcsolsi rajzjele

2.1. A dida jelleggrbje s mkdse A dida rama s feszltsge kztti sszefggst a kvetkez exponenci-lis egyenlet fejezi ki, amelynek grafikus brzolst a 2.2. brn lthatjuk.

= 10 T

D

VV

D eII

ahol ID a didn tfoly ram, I0 a zrirny teltsi ram, VD a didn mrhet feszltsg, paramter ( = 12) a flvezet anyaga s szennyezettsge hatrozza meg, VT = 26 mV (szobahmrskleten).

Mivel a dida rama s feszltsge nagysgrendileg ms nyitirnyban mint zrirnyban, mind inkbb elterjedben van, hogy a jellsben is megklnbztetjk ezeket.

A nyitirny feszltsget s ramot az F, mg a zrirnyakat az R indexbetvel nevestjk (F, mint forward az angol nyitirnybl s R, mint reverse az angol zrirnybl). A 2.3. bra segtsgvel meghatrozhatjuk a dida modelljt.

A zrirny jelleggrbe nagy feszltsg esetn igen kis feszltsgvl-tozsra igen nagy ramnvekedst mutat. A karakterisztiknak ez az a pontja, amely megadja a didra kapcsolhat maximlis zrirny fe-szltsget (VRRM).




2.2. bra. A dida jelleggrbje

2.3. bra. Jellegzetes feszltsg s ramok a dida jelleggrbjn

Ez az n. zrkarakterisztika letrse s kt okra vezethet vissza: Lavinaletrs: a trtltsi tartomnyban a nvekv zrirny feszltsg

hatsra n a trerssg is, amely a zrramot szolgltat kisebbsgi tl-tshordozkat annyira felgyorstja, hogy tkzskor vegyrtkelektronokat szaktanak ki a kovalens ktsbl. Ezek az j tltshordozk hasonlan jabb elektronokat szaktanak ki, teht a tltshordozk szma lavinasze-ren megn.




Zener-letrs (Zener-effektus) vagy tremisszi: a nvekv zrfeszltsg ltal kialakult nagy trerssg tkzs nlkl elektronokat kpes kitpni a kova-lens ktsbl. Ha tovbb n a zrfeszltsg, a kitpett elektronok szma ersen megn, teht n a zrirny ram is.

Megadhatjuk a dida (nyitirny) modelljt, melyet fleg a teljest-mnyelektronikai szmtsokban hasznlunk (2.4. bra).

2.4. bra. A dida nyitirny feszltsgesse

Itt jegyezzk meg, hogy a nyitirny karakterisztika, amelyet matemati-kailag exponencilisnak adtunk meg, nagy ramoknl kzel lineriss vlik, mert a kristlyrszek ellenllsa miatt ltrejv feszltsgess mr szmot-tev lesz.

A hmrsklet nvekedsnek hatsa van a nyit- s zrirny m-kdsre (karakterisztikra), amint a 2.5. bra is mutatja.

2.5. bra. Nyit s zrirny feszltsgessek

a hmrsklet fggvnyben




2.2. Klnleges rtegdidk 2.2.1. A Zener-dida A Zener-dida ltalban a Zener-effektuson alapul zrirny letrst hasznostja. A letrsi tartomnyban a zrirny karakterisztika nagy meredeksgt hasznlja ki, amikor is a didn tfoly zrirny ram nagy vltozsa hatsra a didn es feszltsg csak nagyon kis mrtkben vltozik (2.6. bra).

2.6. bra. A Zener-dida jelleggrbje

A Zener-didk letrsi feszltsgt (VZ) a szennyezs mrtktl s az alkalmazott technolgitl fggen nhny volttl szz volt nagysgrendig (3,3200 V) lehet belltani. E didkat klnbz dissziplhat teljest-mnnyel gyrtjk (0,110 W), mely egy fontos katalgus adat is.

A kapcsolsi rajzokban a Zener-dida egyezmnyes (jelkpi) jellsre tbb jel is elterjedt (2.7. bra).

2.7. bra. A Zener dida klnbz kapcsolsi rajzai

Meghatrozhatjuk a Zener-dida impedancijt:

Z

ZZ I

VZ

=




Mivel a Zener-dida zrirny ramt limitlni kell, a didval sorban mindig megtallhat a dida ramt korltoz ellenlls, az Rb.

A Zener-dida adatlapjnak legkarakterisztikusabb s taln legfonto-sabb kt adata a Zener-feszltsg (VZ), illetve a didn dissziplhat telje-stmny (PZ, PD). Ha ezeket az adatokat ismerjk s tudjuk, hogy milyen maximlis feszltsgbl (Emax) kell a didnak a stabil VZ feszltsget szolgltatnia, akkor kiszmthat az Rb soros ellenlls (2.8. bra).

2.8. bra. A Zener-dids feszltsgstabiliztor alapkapcsolsa

A Zener-didk leggyakoribb alkalmazsi terlete a referenciafeszltsg ellltsa, a feszltsg- s ramstabiliztor kapcsolsokban val alkalmazs.

2.2.2. A vltoz kapacits dida (varaktor vagy varicap) A trtltstartomny tltshordozkban szegny rteg s gy is tekinthe-t, mint egy kondenztor dielektrikuma. Egy kondenztor kapacitsa for-dtott arnyban ll a fegyverzetek kztti tvolsggal. Ezt a tvolsgot a zrirny feszltsg vltoztatsval befolysolhatjuk.

Mivel a feszltsggel vltoztathat kapacits rtke pF nagysgrendbe esik, a varicap didt csak viszonylag magas frekvencin (500 KHz-nl nagyobb) mkd kapcsolsokban alkalmazzuk.

A 2.9. brn egy alkalmazsi pldt is bemutatunk. Egy vevkszlk bemenetre f1f0f2 frekvencij jelek rkeznek. Ha azt akarjuk, hogy csak az f0 frekvencij jeleket engedje t az ramkr, akkor a P potencio-mterrel gy lltjuk be az R1 ellenllson a feszltsget, hogy az L-CT pr-huzamos rezgkrt erre a frekvencira hangoljuk. CT a varicap dida ka-pacitsa az R1 ellenllson mrhet feszltsgen. gy az L-CT nagy impe-dancit mutat ezen f0 frekvencij jelekre, mg az ennl nagyobb vagy ki-sebb frekvencij jelek rvidre zrdnak a rezgkrn keresztl. Teht a




rezgkr nem kpez rvidzrat az f0 frekvencij jeleknek, ezek teht to-vbb jutnak s megjelennek a kapcsols kimenetn.

2.9. bra. A varicap dida kapacits-vltozsa

a feszltsg fggvnyben s egy jellegzetes kapcsolsi rajz

A fotodidkkal s a fnyemittl didkkal (LED) a fotoflvezetket trgyal, 11. fejezetben foglalkozunk.

Elektronika gpszmrnkknek A tranzisztor



3. A tranzisztor

3.1. ltalnos jellemzk A bipolris tranzisztor hrom egymsra ptett flvezet rtegbl ll npn vagy pnp kialaktsban. A tranzisztor kt pn tmenetet, teht kt zrrteget tartalmaz s attl fggen, hogy ezek hogyan kvetik egymst, npn s pnp tranzisztorokat klnbztetnk meg (3.1. bra). Flvezet alapanyagknt ma fleg a szilciumot alkalmazzk. Germnium tranziszto-rokat ma mr csak klnleges clokra (pl. igen nagy frekvencis alkalmaz-sokban) hasznlnak.

A hrom rteget emitternek (E), bzisnak (B) s kollektornak (C) ne-vezik. Az emitter a tltseket kibocst rteg, a kollektor feladata a tlts-hordozk sszegyjtse, mg a bzis a tltshordozk emisszijnak a vezrlse. Az egyes rtegek klnbz mrtkben adalkoltak. A tranzisz-tor emittere s kollektora jval szennyezettebb, mint a bzis. A bzis rendkvl vkony (nm nagysgrend).

3.1. bra. Az npn s pnp tranzisztor cella s jeleik

Ha egy pn tmenet nyitirnyban van elfesztve, a p szennyezettsg rszben meghatrozhatunk a szennyezettsgek ismeretben egy n. szabad rekombincis thosszt, azaz azt az elmleti tlag-tvolsgot, amelyet egy elektron megtesz attl a kovalens ktstl, ahonnan kiszabadult mindad-dig, amg tallkozik egy lyukkal, s megint belp egy msik kovalens kts keretbe. E megllapts segt megrteni a tranzisztor mkdst.

3.2. A tranzisztor mkdse 3.2.1. Az npn tranzisztor A 3.2. bra alapjn knnyen megrthetjk az npn tranzisztor mkdst. Mint ltjuk, kt pn tmenet van s ha figyelembe vesszk a kt feszltsg-forrst (VCC s VB) akkor megllapthatjuk, hogy a bzis-emitter tmenet nyitirnyban, mg a kollektor-bzis tmenet zrirnyban van elfesztve.




A bzis-emitter tmenet tulajdonkppen egy dida, amely a VB feszltsg hatsra (+0,7 V) kinyit s megindul egy bzisram, amit termszetesen korltozni kell. Mg egyszer megjegyezzk, hogy a bzisrteg adalkossga sokkal kisebb, mint az emitter s vastagsga nhny nm, amely kisebb, mint az emltett szabad rekombincis thossz.

Ha a VCC feszltsget is rkapcsoljuk a tranzisztorra, akkor a kvetke-z jelensggel llunk szemben. A bzis-emitter pozitv feszltsg ltrehoz egy bzisramot, az elektronok nagy sebessgre felgyorsulva az emitterbl belpnek a bzisba, de nagy tbbsgk nem tall elg lehetsget, hogy bepljn egy lyukba s ezrt tsodrdnak a kollektorba, ahol pozitv kollektorfeszltsg hat rjuk. A kollektor-bzis hatrrteg gy a bzisbl nagy sebessggel rkez elektronoknak nem jelent akadlyt. A bzisban lv kevs lyuk miatti kevsszm rekombinci miatt, csak igen kis b-zisram folyik. A bzisram igen kis vltozsa igen nagy kollektorram vltozst okoz.

Ha nincs bzisram (IB = 0), akkor termszetesen nincs kollektorram sem, mert a kollektor-bzis tmenet zrirny elfesztst kap.

3.2. bra. Az npn tranzisztor feszltsg s ramviszonyai

Kimondhatjuk azt, hogy a tranzisztor ramvezrelt, amelyet egy adott b-zisfeszltsgen kell biztostanunk, teht a tranzisztor vezrlteljestmnyt ignyel. Az emltett ramok mellett a sajtvezets (prkpzds) kvetkez-tben hmrskletfgg ICB0 visszram is jelentkezik. Az ICB0 ramot csak igen preczis szmtsoknl vesszk figyelembe.

Termszetesen a pnp tranzisztoroknak is hasonl a mkdse, ahol a feszltsg-polaritsok fordtottak s a vezetsben elektronok helyett lyu-kak vesznek rszt.




Jelljk -val a kollektor ltal sszegyjttt ram s az emitterram IE h-nyadost:

E

C

II

=

ekkor 0CBEC III +=

s ( ) 01 CBEB III = ahol ICB0 a zrirnyban elfesztett kollektor-bzis tmenet maradkra-ma. A mai tranzisztorokra jellemz, hogy ICB0




A bemeneti karakterisztika (jelleggrbe) az IB bzisram vltozst adja meg a VBE bzis-emitter feszltsg fggvnyben, lland kollektor-emitter feszltsg mellett. Ez egy jellegzetes dida karakterisztika.

A kimeneti karakterisztika az IC kollektorram vltozst mutatja a VCE kollektor-emitter feszltsg fggvnyben lland bzisramoknl.

3.3.1. A tranzisztor mkdsi tartomnyai 1 Teltsi tartomny. Ebben az esetben a tranzisztor teljesen nyitva van (teltsbe vezreltk), a VCE kicsi (0,20,3 V) s a kollektorramot a VCC tpfeszltsg s az RC kollektor-ellenlls hnyadosa hatrozza meg. Tel-tsbe akkor kerl egy tranzisztor, ha bzisrama valamivel meghaladja a katalgusban megadott IB(sat) rtket. Ha a bzisramot tlzott mrtkben megnveljk, a tranzisztor krosodhat.

2 Aktv tartomny. A tranzisztor erstknt mkdik. A tranzisztor egy nem lineris elem, de az aktv tartomnyban lv munkapont krl (n. kisjel mkdsben) linerisan mkdik. A kisjel az a jelszint, amikor egy nemlineris elem mkdst lineris egyenletekkel lehet megkzelt-leg lerni. Ilyenkor a kisjel amplitdja sokkal kisebb, mint a munkapont feszltsge. A munkapontrl a ksbbiekben sz lesz.

3 Lezrt tartomny. Ilyenkor az emitterram nulla, mert nulla a b-zisram is. Ebben az llapotban a tranzisztor egy nyitott kapcsolhoz ha-sonlthat. Kapcsolzemben a tranzisztorra vltakozva a teltsi s lezrt llapot mkds a jellemz.

3.4. Munkapont bellts Ahhoz, hogy a tranzisztor betltse erstsi feladatt, mindig alkalmaz-nunk kell egy munkaellenllst, amely a 3.4. a., s 3.4. c., brn lthat RC (kollektor)ellenlls.

Az ersts rtknek meghatrozshoz, megtervezshez be kell, hogy vezessk a munkaegyenes s munkapont fogalmt.

gy a 3.4. a., mint a 3.4. c., brn az IB bzisram hatsra egy IC kollektorram (IC = IB) alakul ki, amely ltrehoz egy VCE feszltsget a tranzisztor kollektora s emittere kztt.

==1B

C

II




3.4. bra. A tranzisztor be s kimeneti jelleggrbi

Ttelezzk fel a kvetkezket:

A 3.4. a., bra alapjn, VCC = 10 V, RC = 1 k. IC = 1 mA, VCE = VCC RC IC = 10 V 1 k 1 mA = 9V IC = 2 mA, VCE = VCC RC IC = 10 V 1 k 2 mA = 8V IC = 5 mA, VCE = VCC RC IC = 10 V 1 k 5 mA = 5V

A legnagyobb kollektorram a kapcsolsban:

IC(sat) VCC/RC = 10 V/1 k = 10 mA

A tranzisztoron mrhet legnagyobb feszltsg

(IC = 0 A), VCEmax = VCC = 10 V

Kimondhatjuk, a tranzisztor IC rama s a tranzisztoron mrhet VCE feszltsg csak olyan rtkeket vehet fel, amely rajta van a kimeneti karak-terisztika n. munkaegyenesn, azon az egyenesen, amely a fggleges tengelyt az VCC/RC pontban metszi (mely megfelel a teljesen nyitott tran-zisztoron mrhet idelis zr rtk feszltsgnek), ami az illet kapcso-ls maximlis kollektorramnak felel meg s a teljesen lezrt tranziszto-ron mrhet VCC tpfeszltsg hatrozza meg.

Ha azt szeretnnk, hogy tranzisztorunk munkapontja, pl. a Q pontban legyen, akkor az ennek a pontnak szksges IB bzisramot kell a tranzisz-tornak biztostani. gy a megfelel IB bzisramot be kell lltani. Ismerve a tranzisztor -jt, a kollektorram belltsra tbb mdszer is alkalmazhat.

A fenti pldban megadott kollektorramot (1, 2 vagy 5 mA), az IB b-zisrammal llthatjuk be, ha ismerjk a tranzisztor ramerstsi tnye-zjt.




.

3.5. bra. A tranzisztor munkapontjnak a belltsa

Az IB bzisram ellltsra a 3.5. bra kt megoldst is mutat. A 3.5.a., bra kapcsolsban az RB bzisellenllssal, mg a 3.5.c., bra kapcsols-ban az R1, R2 bzisoszt ellenllsok segtsgvel llthatjuk be az IB-t.

3.4.1. Munkapont belltsa az RB bzisellenllssal A 3.5.a., bra segt az albbi egyenletek felrsban. A VCC tpfeszltsg biztostja az IB(Q) bzisramot, ha a kimeneti karakterisztika Q pontjra szeretnnk a munkapontot belltani.

C

BI

I =B

BECCB R

VVI

=

C

BECCB I

VVR

=

lltsunk be 5 mA-es kollektorramot, ha 3.5.a., brhoz a kvetkez r-tkek taroznak:

VCC = 10 V, RC = 1 k, = 100, IC = 5 mA, VBE = 0,7 V IB = 5 mA/100 = 50 A RB = (VCC VBE)/IC = 100 (10 V 0,7 V)/5 mA = 186 k VCE = VCC RC IC = 5 V

Mi trtnik, ha a tranzisztor -ja melegeds miatt, pl. = 150 rtkre vltozik?

IB = (VCC VBE)/RB = (10 V 0,7 V)/186 k = 50 A IC = IB = 150 50 A = 7,5 mA VCE = VCC RC IC = 2,5 V




3.4.2. Munkapont belltsa bzisoszt ellenllsokkal A 3.5.c., bra segt a bzisoszt ellenllsok meghatrozsban. A mdszer a kvetkez: ezt a megoldst akkor szoktuk alkalmazni, ha hasznlunk emitter ellenllst (RE). Az RE hasznlatnak elnye egyrtelmen a mun-kapont stabilizlsa, hiszen ha valamilyen okbl megn az emitter ram, akkor az nagyobb feszltsgesst okoz az RE ellenllson. Ha ellenben a bzis potencilja lland, akkor a feszltsg nvekeds a VBE feszltsg cskkenst eredmnyezi, azaz a tranzisztor erstst cskkenti, s vissza-lltja az eredeti emitter ramot.

Az RE ellenlls mretezse Gyakorlati tancs, hogy az RE ellenllsra, a munkapontban a VCC tpfe-szltsg kb. 10%-a jusson.

3.6. bra. A tranzisztor munkapontjnak belltsa

Az R1 s R2 ellenllsok mretezse A 3.5.c., brt tanulmnyozva felrhatjuk: I1 = I2 + IB

A kvetkez adatokkal szoks dolgozni: I1 =10 IB, teht I2 =9 IB Ha ismerjk a kvnt bzisramot, akkor ebbl a tranzisztor ismert -ja

segtsgvel meghatrozzuk az IC-t (IC = IB). Mivel IC IE kvetkezik, hogy RE = VE/IE.

(VE = 0,1 VCC) s VR2 = VBE + VE = 0,7 V+ VE

3.5. A tranzisztor kisjel mkdse Ha a tranzisztor IB munkaponti bzisramhoz hozzadunk (rltetnk) egy kis rtk vltakoz ramot s ezt alkalmazzuk, mint bemen jelet, akkor ennek az ramnak (jelnek) az erstse a clunk. Ebben az esetben, a




kis vltozsokat akarjuk ersteni. Erre mondjuk, hogy a tranzisztort kisjel mkdsbe vezreljk.

Tlsgosan nehzkes lenne a be- s kimeneti karakterisztikn grafiku-san kiszmtani, meghatrozni az erstst (br lehetsges).

A kisjel mkdskor felttelezzk, hogy a karakterisztikk grbi egyenesekkel helyettesthetek s gy egy egyenletrendszert alkalmazha-tunk a kisjel mkds lersra. A tranzisztornl a bemeneti jelnek az ib bzisramot, illetve vbe feszltsget, mg kimeneti jelnek az ic kollektor-ramot, valamint a vce feszltsget tekintjk. n. h (hibrid) paramtereket alkalmazunk az egyenletrendszer felrsakor

cebbe vhihv 1211 +=

cebc vhihi 2221 += A h paramterek fizikai jelentse, mrtkegysge s szoksos rtkeik a kvetkezk:

h11 bemeneti ellenlls [], szoksos rtke 5005000 h12 kimeneti visszahats [], szoksos rtke n 103 h21 ramerstsi tnyez [], szoksos rtke 505005000 h22 kimeneti vezetkpessg [S = 1/], szoksos rtke n 104 S

A tranzisztor h paramtereinek a meghatrozsi feltteleit a 3.8 bra segtsgvel llapthatjuk meg. A h11 s a h21 megllaptsnl a kollektor- emitter feszltsget vettk konstansnak (llandnak), mg a h12 s a h22 paramtereknl az ib bzisram az lland. Mind a ngy esetben a karakte-risztikk (relatv) lineris szakaszain vgeztk el a szmtsainkat.

E paramterek mg munkapont s mrskletfggk is. A katalgusok a kis feszltsg s ram (nhny 10 V C-E feszltsg s nhny 10 mA IC ram, 25C krnyezeti hmrsklet) tranzisztoroknl ltalban az 5V-1mA rtkprt adjk meg, mint a munkapontra jellemz h rtkek.

3.7. bra. A tranzisztor kisjel h helyettest kpe




Grbe s tblzatsereggel egsztik ki az adatokat, amelyekbl ms mun-kapontra s esetleg ms krnyezeti hmrskletre is ki lehet olvasnia meg-felel h rtket.

3.8. bra. A h paramterek meghatrozsnak felttelei

3.5.1. A tranzisztor erstse Ha iB = IB0 + iB1, s iB1 = 10 sin( t) [A] akkor az elz pldbl: iB = IB0 + iB1 = 20 A +/-10 A

111 BCCCCCCCCE IRVIRVV ==

222 BCCCCCCCCE IRVIRVV ==

BCCE IRV =

11hvi BEB =

11hvI BEB

=




11hvRV BECCE

=

A feszltsgersts:

11

21

11 hhR

hR

vV

A CCBE

CEV ==

=

Az ramersts:

21hAi == A teljestmnyersts

Vip AAA =

3.6. Alapkapcsolsok vizsglata az ersts fggvnyben

A kisjel mkdskor (vltakoz feszltsg erstsnek a vizsglatakor) a kapcsols tpfeszltsg elltst gy kell tekintennk, mint egy rvidzrat (mintha a tpfeszltsg forrst sok-sok klnbz rtk kondenztor alkotn).

3.6.1. Kapcsols az RB bzis ellenllssal A tranzisztor adatai a kvetkezk: h11 = 1,5 k, h21 = 70, h22 = 25 S, h12 = 0

3.9. bra. Ersts szmolsa a h paramterek segtsgvel I.

Felrhat,

11hv

i sb =




s a h22 s RC eredje legyen RII.

C

C

C RhRh

RR22

22111 +

=+=

sC

Cb

C

CllC vh

hhR

Rih

hRR

Riv11

21

2221

220 11 +

=+

==

186257,41

7,45,1

701 2211

210 =+

=+

=Sk

kkhR

Rhh

vv

C

C

s Ha h22=0, akkor visszakapjuk az elz fejezet AV feszltsgerstsnek kplett.

A kapcsols Ri bemeneti ellenllsa: Ri = RB h11, mg az R0 kimeneti ellenllsa R0 = RII.

3.6.2. Emitterkvet Ha a terhel-ellenlls az emitterre kapcsoldik, emitterkvet kapcsols-rl beszlnk. Hogy egyszerstsk szmtsainkat, a kisjel mkdsnl eltekintnk a h11 s h22 paramterektl.

3.10. bra. Ersts szmolsa a h paramterek segtsgvel II.

Az ramerstsre felrhatjuk:

( )21

210 11

hi

ihii

ii

Ab

b

b

e

si +=

+===

A bemeneti ellenlls:

( ) ( )Rhhi

Rihihiv

Rb

bb

b

bni 2111

2111 11

++=++

==




De mivel (h11 + R)




A feszltsgersts:

( )[ ] bECb

ib

CCv iRhh

RihRiRi

A2111

21

1++==

3.11. bra. Ersts szmols a h paramterek segtsgvel III.

De ERhh )1( 2111 +

s

1)1( 2111

21 ++ hh

h

E

CV R

RA

Elektronika gpszmrnkknek A FET trvezrls tranzisztor



4. A FET trvezrls tranzisztor

Br mr 1952-ben megvalstottk, tmeges gyrtsra csak 1962 utnra rett meg. A FET = Field Effect Transistor elve, hogy egy flvezet csa-torna keresztmetszett elektromos trrel befolysoljuk s ltrehozunk egy feszltsggel vezrelt elektronikus eszkzt.

A FET elnyei:

mivel csak egy tpus (tbbsgi) tltshordozk vesznek rszt a veze-tsben, ezrt unipolris tranzisztoroknak is nevezik ket

nagyon nagy bemeneti ellenllssal (bemeneti impedancia) rendelkez-nek (tbb M) sszehasonltva a bipolris tranzisztorok nhny k-os bemeneti ellenllsval

mivel a vezetsben nincs szerepe a pn tmenetnek a tranzisztor sajt zaja sokkal kisebb, mint a bipolris tranzisztornl

a kialaktott technolgia teljesen kompatibilis az IC technolgiban alkalmazott nagy srsg elhelyezssel, gy ma sok IC e technolgira pl

a FET sokkal kevsb reagl a krnyezeti hmrskletvltozsokra

A csatorna vezrlsi mdjtl fggen a FET-ek lehetnek zrrteges FET-ek (JFET), mg a msik megvalsts a szigetelt kapus FET (ms nven MOSFET).

4.1. A zrrteges trvezrls tranzisztor (FET vagy JFET Junction FET)

A zrrteges FET-nl a source (forrs) S s a drain (lefoly, nyel) D kztti csatorna ramt a gate (kapu) G-nl ltrejtt pn tmenetnek zrirny VGS vezrlfeszltsge szablyozza (4.1. bra). A zrrteg vastagsga ellentttelesen befolysolja a csatorna keresztmetszett, teht az ramt is. A gate nagy bemeneti impedancija, a pn tmenet zrirny elfesztsbl szrmazik, gy azt mondhatjuk, hogy a FET feszltsgvez-relt, hiszen az itt ltrehozott pn tmenet inverz rama 10-12 nA (pA) nagysgrend, teht elhanyagolhat.

A FET jelleggrbit a 4.2. brn lthatjuk.




4.1. bra. rtelmezsi bra a FET mkdsnek magyarzathoz

A FET tipikus katalgusadatai:

IDSS, a FET szaturcis drain rama (VGS = 0) VP, lezr feszltsg

A kimeneti jelleggrbn az lland ram kezdpontja:

PGSDS VVV =

4.2. bra. A FET jelleggrbi

a) Kimeneti jelleggrbe, b) Transzfer jelleggrbe

A FET-en tfoly ID ramot a VGS feszltsg fggvnyben, azaz az tvi-teli (transzfer) jelleggrbt elgg pontosan lerja az albbi egyenlet:

2

1

=

P

GSDSSD V

VII




4.3. bra. A FET erstse 4.4. bra. A FET kisjel

helyettest kpe

A meredeksg:

.llVVI

g dsgs

dm ==

A FET-et, mint egy vezrelt ellenllst is meghatrozhatjuk a rezisztv tartomnyban.

4.5. bra. A FET jellegzetes jelleggrbi

a) a kimeneti, b) a vezrelt ellenllsos, c) az tmeneti ellenllsos

Elektronika gpszmrnkknek A MOSFET



5. A MOSFET

A szigetelt kapus FET-et MOSFET (Metal Oxyde Semiconductor Field Effect-Transistor) tranzisztornak nevezzk. A vezrlelektrda a gate (kapu) egy szigetel rteggel, rendszerint SiO2-al (szilcium-dioxid SiO2, szilcium-nitrid Si3N4 vagy akr alumnium-oxid Al2O3 vagy egyb) el van szigetelve a flvezet csatorntl. A gate elektrda s a flvezet rteg egy lemezkondenztorknt foghat fel, amelyben a dielektrikum a szigetel.

Nzzk meg, hogyan mkdik egy n csatorns n. nvekmnyes MOSFET: ha a drain (nyel)-re s source (forrs)-ra feszltsget kapcso-lunk s a gate (kapu) elektrdra nincs semmilyen feszltsg kapcsolva, akkor nem indul meg az ram a kt elektrda kztt, mert a kt n zsebet elvlaszt p rteg zrrtegknt hat.

Ha az emltett gate elektrdra pozitv feszltsget kapcsolunk, akkor a lemezkondenztor oda vonzza a p szubsztrtban mg meglv elektrono-kat s gy kialakul egy n. invertl (inverzis) rteg, azaz egy vezetsi csa-torna a drain s source kivezetsek kztt. Ez az invertl (inverzis) r-teg egy bizonyos V0 feszltsgnl alakul ki, ez a nvekmnyes MOSFET kszbfeszltsge.

Ha mr a gyrtsi folyamatban ellltottuk az emltett invertl rteget s e rteget egy a gate-re kapcsolt feszltsggel lebontjuk, akkor kirtses MOSFET tranzisztorrl beszlhetnk. Ekkor a V0 feszltsget, amelynl a vezets megsznik, lezr feszltsgnek nevezzk.

5.1. bra. Az n csatorns MOS s a p csatorns MOS tranzisztor cellk

Termszetesen gyrtanak p csatorns MOSFET-et is, ez is lehet nvek-mnyes vagy kirtses, csak ebben az esetben a vezets a tranzisztoron bell a lyukakra hrul.




Az ilyen integrlt ramkrkre kifejlesztett MOS tranzisztor felletig-nye kb. 0,006 mm2 volt. Termszetesen ez az igen kicsi mret tranzisztor csak igen kis ramok kapcsolsra kpes. Egy-egy MOSFET tranzisztort az elemei tranzisztor cellk ezrei alkotjk.

Az integrlt ramkrkre, processzorokra kifejlesztett CMOS tranzisz-tor felletignye az 1990-es vek kb. 6000 m2-rl 2005-re 1-1,5 m2-re cskkent. Termszetesen ez az igen kicsi mret tranzisztor csak igen kis ramok kapcsolsra kpes. Ezt ezrt tranzisztor cellnak nevezhetnnk s ilyen cellaszint felhasznlsa e technolginak a modern integrlt ram-krk, a mikroprocesszoros rendszerek, a szmtgpek processzorai. Ma egy processzorban 106108 CMOS elem is tallhat. CMOS (Comple-menter MOS). Egy cella 3 V drain-source feszltgre mretezett, amely gy 100 A ram kapcsolsra szolglhat. A cellk kapcsolsai olyan jellel trtnhet, amelynek le- s felfutsi lei 1 ns-100 ps idtartamak. Egy-egy p vagy n zseb mrete (mlysge) m nagysgrend. Ezen parnyi tranzisz-torokbl plnek fel a mai processzorok.

Az 5.2. bra a komplementer MOS tranzisztorok CMOS tranziszto-rok kialaktst mutatja be.

5.2. bra. CMOS tranzisztor nhny megvalstsnak

a sematikus brzolsa

A MOSFET tranzisztorok jelleggrbit mutatjuk be az 5.3. brn.




5.3. bra. A MOSFET jelleggrbi

A MOSFET jelleggrbit a kvetkez egyenletekkel rhatjuk le:

a rezisztv tartomnyban, ha

VDS < VGS V0

ID = VDS (VGS V0 VDS/2)

a lezrsi tartomnyban, ha

VDS > VGS V0

ID = (VGS V0)/2,

ahol anyagjellemz s V0 a kszbfeszltsg. Az n csatorns MOSFET-ek nagyfrekvencis tulajdonsgai jobbak,

mint a p csatornsok, ami azzal magyarzhat, hogy az elektronokbl ll invertlt rteget, a szabad elektronok nagyobb mozgkonysga miatt keve-sebb id alatt lehet ltrehozni, mint lyukakbl.

Az 5.4. brban sszefoglaltuk a MOSFET tranzisztorok ramkri je-llseit s jelleggrbit.

A SiO2 szigetel rteg rendkvl vkony s ezrt mg a sztatikus elekt-romossg is tnkreteheti a flvezett.

A teljestmny MOSFET A fentebb bemutatott tranzisztorcsald laterlis kialakts, amely alatt azt rtjk, hogy az ramvezets a tranzisztor felletn megy vgbe. Teljest-




mnyelektronikai alkalmazsokban ez egyltaln nem elnys, mert a na-gyobb ramok, nagyobb htsi lehetsget ignyelnek. A htborda csak a szubsztrtra kerlhet, amely szubsztrt egy hszigetel rtegknt foghat fel. A teljestmnyelektronikban nagy ramokat kell kapcsolnia a tranzisz-tornak. A teljestmnyelektronikai MOSFET-ek, tbb ezer egyedi tranzisz-torbl (cellbl) plnek fel, amelyeket mr a kialaktskor prhuzamosan ptenek fel. Kialakult a vertiklis kialakts, amelynl az ram tja fgg-leges, illetve tmegy a tranzisztoron. gy lehetsg addik arra, hogy a drainre szerelhet legyen a htborda s ez teljes mrtkben megfelel a htsi feladatra.

5.4. bra. Klnbz MOSFET tranzisztor tpusok

Az 5.5. brn az rok V alak, az n. V rkos MOSFET kialaktst mutat-juk be.




5.5. bra. Teljestmnyelektronikai MOSFET tranzisztor cellk

A jobb oldali bra az utbbi idben kifejlesztett, nvesztett szubsztrtot alkalmaz n. CoolMOS tranzisztorok felptst szemllteti. E CoolMOS tpus tranzisztor, az igen kicsi tmeneti ellenllsval tnik ki. A Cool-MOS rvidits az Infineon Technology cg kerskedelmi mrkaneve.

E teljestmnyelektronikai MOSFET tranzisztoroknl az n s p zsebek igen kicsi mretei miatt a source elektrdt csak gy tudjk kialaktani, hogy az elektrda gy a p, mint az n zsebet is rinti. Ez azt jelenti, hogy a source s drain elektrda kztt kialakul egy aktv pn tmenet, a teljest-mny MOSFET tranzisztorokra jellemz inverz dida. Ezt a didt nem szoktuk a tranzisztorral egytt brzolni, de jelenltt mindig figyelembe vesszk.

A teljestmny MOSFET-eket ltalban kapcsolzem mkdsben alkalmazzuk.

Elektronika gpszmrnkknek Erstk (ltalnossgok)



6. Erstk (ltalnossgok)

6.1. ltalnos fogalmak s meghatrozsok 6.1.1. A feszltsg-, ram- s teljestmnyersts Egy erstt gy is trgyalhatunk, mint egy ngyplust. E ngyplus be-menett jellemzi a bemeneti Vi feszltsg s a bemeneti Ii ram, mg a kimenetet a V0 kimeneti feszltsg s I0 kimeneti ram, amely az RL terhe-lsen mrhet. Az esetek dnt tbbsgben a ngyplus elnevezs csak hrom kivezetst jelent, ltalban van egy kzs pontja a bemenetnek s a kimenetnek (6.1. bra).

6.1. bra. A ngyplus

gy egy erstnek meghatrozhatjuk

a feszltsgerstst:

iV V

VA 0=

az ramerstst:

ii I

IA 0=

s a teljestmnyerstst:

iViii

p AAIVIV

PP

A === 000

6.1.2. Bemeneti s kimeneti ellenlls A bemeneti kivezetsek egy impedancit kpviselnek a jelforrs fel. Ezt az impedancit, az esetek dnt tbbsgben ltalban ellenllsknt hat-rozzuk meg, s bemeneti ellenllsnak hvjuk (Ri). Azt mondhatjuk, hogy a




bemeneti Ri ellenlls s a bemeneti Vi feszltsg hatrozza meg a beme-neti ramot.

i

ii R

VI =

Nehezebb feladat a kimeneti R0 ellenlls meghatrozsa.

Ha lineris mkdst feltteleznk, akkor a kimenetet egy E feszlt-sgforrs s egy bels R0 ellenlls alkothatja (Thevenin helyettest kp), de megadhat Norton helyettest kppel is (6.2. bra).

6.2. bra. A bemeneti ellenlls s a kimeneti ellenlls Thevenin,

illetve Norton helyettestsben

Az R0 behatrolja a maximlis kimen ramot (ha RL = 0):

0(max)0 R

EI =

Ha a Norton helyettest kpet alkalmazzuk, akkor egy I bels ramforrs-sal kell szmolnunk, amellyel prhuzamosan kapcsoljuk az R0 kimen el-lenllst.

A V0 kimeneti feszltsg akkor lesz maximlis, ha a RL = . Ekkor:

V0(max) = I R0

Az erst akkor adja le a maximlis teljestmnyt az RL terhelsen, ha RL = R0. Felrhatjuk, hogy P0 = I02 RL s akkor

0

2

0

2

0(max)0 42 R

ERREP =

=

Ha teht az erst-ramkr tervezse sorn cskkenteni tudjuk az R0 kimeneti ellenllst, akkor ezzel az erst ltal szolgltatott kimeneti telje-stmny P0(max) nvelhet.

A tranzisztoros erstk fejezetben pldk tallhatk a be s kimeneti ellenllsok szmtsra.




6.1.3. A decibel Egy erst jellemzje az erstsi tnyez, amely szmszeren egyenl a kimen s bemen jel feszltsgnek, ramnak vagy teljestmnynek az arnyval, illetve annak logaritmusval.

Mivel a hallsrzkenysget egy logaritmikus egyenlet rja le, ezrt be-vezettk az ersts szmtsnl a decibel fogalmt. Az alap mrtkegysg a bel knyelmetlenl nagy volt s helyette a decibelt (bel/10) dB-t hasznljuk.

A meghatrozs szerint az ersts dB-ben =10 log10(P0/Pi)

6.3. bra. Az ersts dB-ben = 10 log10(P0/Pi)

Ha teljestmnycskkentst, csillaptst, akarunk jellemezni (P0 < Pi) akkor az eredmny negatv.

Sokszor sokkal egyszerbb, ha a teljestmny mrsnl feszltsget mrnk.

Az ersts dB-ben =10 log10(P0/Pi)

iPP

dB 010log10)( =

ii

L

RVRV

dB 22

010log10)( =

i

L

i RR

VV

dB 100

10 log10log20)( =

6.4. bra. Ersts dB-ben = 20 log10(V0/Vi) 10 log10(RL/Ri)




Az esetek nagy tbbsgben a rezisztiv sszetev elhanyagolhat s gy

iPP

dB 010log10)( =

ii

L

RVRV

dB 22

010log10)( =

i

L

i RR

VV

dB 100

10 log10log20)( =

[ ]01020 log dBVi

VAV

=

s

[ ]01020 log dBii

IAI

=

Megjegyzsek: I. Ha tbb erst (csillapt) fokozatbl ll egy sszetett erst, akkor a teljes ersts rtkt az egyes fokozatok erstsnek dB-ben mrt ssze-ge adja.

II. A telekommunikcis technikban ma is hasznlatos a teljestmny, illetve a feszltsg mrse (arnyba lltsa) dB-ben, ekkor dB(m), illetve dB(V) mrtkegysgben mrnk.

a) Ha az 1 mW teljestmnyt standard (viszonytsi) teljestmnynek vesz-szk, akkor

1 mW = 0 dB(m)

s pl. 200 mW = 10 log10(200/1) + 26 dB(m)

0,2 mW = 10 log10(0,2/1) = 10 log105 = 7 dB(m)

b) A 600 -os standard lezrsi ellenllson akkor disszipldik 1 mW teljestmny, ha azon 0,775 V feszltsget mrnk s ezt a feszltsgszin-tet gy hatrozzuk meg, mint 0 dB(V).

Ekkor, pl.

5 V = 20 log10(5/0,775) = + 16,2 dB(V)

Elektronika gpszmrnkknek A negatv visszacsatols



7. A negatv visszacsatols

A visszacsatols valamely rendszer kimen teljestmnynek vagy a telje-stmny egy rsznek visszavezetse a bemenetre.

A bemen s a visszacsatolt jel fzisviszonytl fggen ltezik pozitv visszacsatols ahol a kt jel azonos fzis s negatv visszacsatols ahol a kt jel ellenttes fzis.

Pozitv visszacsatolssal az erstkbl rezgkrket vagy billenkr-ket hozhatunk ltre. Ha az erstnl negatv visszacsatolst alkalmazunk, akkor az erst jellemzit megvltoztathatjuk.

7.1. A negatv visszacsatols elnyei s htrnyai A negatv visszacsatols elnyei: az ramkrk jellemzi bizonyos mrtk fggetlensget lveznek az

t alkot flvezetk tulajdonsgaitl, az ramkrk jellemzi bizonyos mrtk fggetlensget lveznek a

tpfeszltsg- a hmrskletvltozsoktl, az ramkrk bemeneti s kimeneti ellenllst bizonyos fokig befo-

lysolhatjuk a negatv visszacsatols alkalmazsval, az ersts szlesebb frekvenciatartomnyt fog t,

A negatv visszacsatols htrnyai: negatv visszacsatolst csak az ersts mrtknek a cskkentsvel

lehet ltrehozni, bizonyos nem jl megtervezett NV nrezgsi tulajdonsgot is mu-

tathat.

7.2. Alapsszefggsek a NV szmtsakor Adott egy A erstsi tnyezj nylthurk erst. A kimeneti jel S0, teht A-szor nagyobb, mint az Si bemeneti jel, azaz S0 = A Si.

A kimeneti S0 jel B rszt (Sf) visszavezetjk a bemenetre gy, hogy azt kivonjuk az eredeti Ss erstend jelbl Si = Ss Sf. Milyen tulajdonsgai lesznek egy ilyen negatv (kivons volt!) visszacsatolsnak az ersts eg-szre vonatkoztatva?




7.1. bra. A negatv visszacsatols

Felrhatjuk, hogy ( )00 BSSAASS si ==

ahonnan

BAA

SS

As

f +==

10

.

Mivel B A > 1, NV alkalmazsval az ersts romlik! Vgezzk el Af differencilst A fggvnyben:

( ) ( )22 11

1)1(

ABABBABA

dAdAf

+=

++

=

De

AA

ABf=

+11

Ahonnan

AdA

BAAdA

f

f

+=

11

A fenti kplet megmutatja, hogy mennyire vltozik meg a visszacsatolt erst erstsi tnyezje, ha az alaperst erstsi tnyezje megvltozik.

Legyen A = 10 s B = 0,1

5101,01

101

=+

=+

=BA

AAf

teht az ersts 10-rl 5-re cskkent.




Van egy erstnk, amelynl A = 1000 200 (teht az erstse 20%-al vltozhat). Milyen visszacsatolst kell alkalmazni, hogy a 40%-os vltozs kb. 4%-ra mrskldjn?

Felrhatjuk a 20%-os vltozsra, hogy

2,0=A

dA

mg a 2%-osra

02,0=f

f

AdA

Tudjuk, hogy

AdA

BAAdA

f

f

+=

11

Behelyettestve

2,010001

102,0+

=B

ahonnan B = 0,009. Vgezzk el a prbt,

1001000009,01

10001)1000(

=+

=+

=BA

AAf

Ha az A = 1000-rl A = 1200-ra vltozik, akkor

7,1011200009,01

12001)1200(

=+

=+

=BA

AAf (+1,7%),

ill., ha az A = 1000-rl A = 800-ra vltozik, akkor

697=8000090+1

800=

+1=800 ,,BA

AA )(f

(2,4%)

Ami azt mutatja, hogy a 40% vltozs, 4,1%-ra mrskldtt. A kpletbl arra kvetkeztethetnnk, hogy a vltozott 102 (vagy 98)

legyen. A klnbsg onnan ered, hogy mg a differencils definci sze-rint csak igen kis rtk vltozsokra rvnyes, mi egy viszonylag nagy (20%-os) vltozssal szmoltunk.

Elektronika gpszmrnkknek A teljestmny vgfokozat



8. A teljestmny vgfokozat

Az erstk egyik rsznek feladata a hangersts. Ilyen esetben a kime-neti terhelst egy hangszr szolgltatja. E fejezet clja megvizsglni eze-ket a kapcsolsokat.

8.1. Az A osztly erst A 8.1. brn egy A osztly erstt s a tranzisztor kimeneti karakteriszti-kjt mutatjuk be, ahov a munkaegyenest is berajzoltuk.

8.1. bra. Az A osztly erst

Az erstfokozat nullponti kimeneti feszltsge ebben az esetben VQ = VCC/2. A vltakoz ram kimeneti teljestmny a P0, az RL terhel-ellenllson mrhet. A tovbbiakban a teljesen nyitott tranzisztoron mrhet szaturcis feszltsget (VCE(sat)), elhanyagolhatan kicsinek, azaz nullnak tekintjk. Ha teljes kivezrlsben gondolkodunk, akkor ebben az esetben a tranzisztoron a VCE feszltsg 0 s 20 V kztt fog vltozni. Ugyangy vltozik a kimeneti feszltsg is:

V0cs-cs = VCC = 20 V




A terhelsen mrhet ram (cscstl cscsig):

AR

VI

L

CCcscs 2,00 ==

Az RL terhelsen mrhet P0(max) kimeneti maximlis teljestmny szmt-snl az effektv kimeneti feszltsget s effektv kimeneti ram rtkt kell figyelembe vennnk:

L

CC

L

CCCC

RV

RVV

P822

122

2

(max)0 ==

A VCC feszltsg tpfeszltsg forrs Ps teljestmnyt szolgltat a kapcso-lsnak:

Ps = VCC Ic(kz) = VCC Ic(Q)

L

CC

L

CCCCs R

VR

VVP

221 2

==

Megjegyezzk, hogy a kapcsols ezt a Ps teljestmnyt akkor is ignyli a tpforrsbl, ha a kimeneti teljestmny a P0 = 0.

Az erst hatsfokt az -t kiszmthatjuk a kvetkezkppen:

00(max)0 100=

sPP

Akkor lesz maximlis a hatsfok, ha az erst teljesen ki van vezrelve, teht a fentebb szmolt P0(max)-ot vesszk figyelembe:

00

00

2

2

00(max)0

(max) 2510028

100 ===LCC

LCC

s RVRV

PP

Erstnknl P0(max) = 0,5 W s Ps =2 W. Htrnya az A osztly erstnek, hogy az RL terhelsen akkor is

disszipldik (egyenram) teljestmny, amikor a kimen vltakoz ra-m teljestmny nulla rtk.

Keressk meg, hogy mekkora teljestmny disszipldik a tranzisztoron!

PD = Ps P0 Pdc

ahol Pdc az RL terhelsen disszipld egyenram teljestmny. Ez lland, s rtke




L

CCL

L

CCLQC R

VR

RV

RI42

222

)( =

=

Akkor lesz maximlis a tranzisztor ignybevtele PD(max), ha P0 = 0.

L

CC

L

CC

L

CCdcsD R

VR

VR

VPPP

442

222

(max) ===

A kapcsols hatsfokt a ktszeresre lehet emelni, ha a terhelst egy transzformtoron szekunder tekercsre ktjk, amelynek a primer tekercse a tranzisztor kollektorhoz kapcsoldik.

8.2. A B osztly erst A 8.2. brn megrajzolt kapcsolsban a bemeneti vs jel pozitv flperidu-sban a T1 tranzisztor, mg a negatv flperidusban a T2 tranzisztor vezet. Ezt az erstt B osztly erstnek nevezik. A T1 s T2 tranzisztorok komplementer tranzisztorok az egyik npn, mg a msik pnp tpus.

Ha vs pozitv, a T1 vezet, mg a T2 zrt llapotba kerl. A kialakul iC1 ram tja VCC1 T1 RL VCC1, teht v0 negatv lesz.

Ha vs negatv, akkor csak a T2 vezet (iC2) a kvetkez tvonalon VCC2 RL T2 VCC2 s v0 pozitv lesz.

8.2. bra. A B osztly erst

A 8.2. brn kvethet, hogy mindegyik tranzisztor B osztlyban zemel, csak az erstend jel ms-ms flperidusban. Ezt a kapcsolst push-pull kapcsolsnak is nevezik.




A P0 kimeneti teljestmny A T1 munkaegyenesn a P mkdsi pont a vs nulla rtknl kezddik, s ahogy a jelfeszltsg rtke n, gy fog nvekedni a T1 tranzisztor kollek-tor rama is (iC1). Ha vCE1 AC komponensnek maximuma Vp, akkor az iC1 maximlis rtke:

L

pp R

VI =

A T2 a szinuszosan vltoz bemeneti jelre ugyanolyan mdon reagl. Te-ht ha szinuszosan vltoz jelet erstnk, akkor felrhatjuk:

L

ppp

RVIV

P222

2

0 ==

Ha a tpfeszltsgek rtkei VCC s idelis tranzisztorokkal dolgoznnk, akkor a kivezrls maximlis rtke Vp = VCC, s ekkor felrhatjuk, hogy

L

CC

RV

P2

2

(max)0 =

A push-pull kapcsols hatsfoka Ltszik, hogy a B osztly erst hatsfoka nagyobb, mint az A osztly, hiszen, ha nincs bemen jel, akkor nincs ram.

Ha szinuszos jelekben gondolkodunk, akkor a tranzisztorokon tmen ram tlagrtke:

L

pav R

VI

2

=

Az sszteljestmny, amelyet a DC ramforrs kell, hogy biztostson:

L

pCCavCCs R

VVIVP

2

==

Ez a teljestmny akkor maximlis, ha Vp = VCC. A hatsfok:

( )( ) 00

00

20 100

4100

2)2(

===CC

p

LpCC

Lp

s VV

RVVRV

PP




Ennek a hatsfoknak akkor van maximuma, ha Vp = VCC.

00

00

(max) 781004

==

8.3. bra. A B osztly erst

A tranzisztoron dissziplt teljestmny Az A osztly erstnl akkor volt maximlis a tranzisztor terhelse, ami-kor a kimeneti P0 teljestmny nulla rtk volt. A B osztlyban nem folyik ram a tranzisztorokon, amikor P0 = 0, teht a PD sem akkor maximlis, amikor P0 minimlis.

De felrhat, hogy

PD = Ps P0

Azaz

L

p

L

pCCsD R

VRV

VPPP2

22

0 == Ennek az rtknek Vp fggvnyben megkeressk a maximumt (derivl-juk s megoldjuk a derivls utn kaphat egyenletet)!

02 ==L

p

L

CC

p

D

RV

RV

dVdP




Ahonnan,

CCp VV 2

=

L

CC

L

CCD R

VR

VP

2422 2

2

2

(max) =

L

CC

L

CCD R

VR

VP

22

2(max) 2.02

=

gy mindkt tranzisztorra sszesen megadhat PD(max) = 0,4 P0(max), azaz egy tranzisztoron dissziplt teljestmny:

PD(max) = 0,2 P0(max)

8.3. Az AB osztly erst A fentebb trgyalt erst jelformit ersen idealizlt formban vettk figyelembe. A B osztly erst bemenett alkot kt tranzisztornl, a tranzisztorok nyitirny feszltsgkszbe miatt egy n. tvltsi torz-tst szenved a bzisram jelalakja.

E nemkvnatos jelensget megszntethetjk, ha mindkt tranzisztor munkaponti belltst korrigljuk egy-egy didval, esetleg tranzisztorral. Ha ezt a korrekcit vgrehajtjuk, akkor az erstnk AB osztly lesz.

A fentebb vzolt erstrl elmondhatjuk, hogy nem elnys kialakt-s, hiszen ketts tpfeszltsget ignyel (8.4. bra).

Az 8.4. brn bemutatjuk a modern teljestmnyerstt, ahol a fen-tebb vzolt negatvumokat korrigljuk.

Vizsgljuk meg nagyvonalakban a kapcsolst! A bemenetet az ismert bzisoszts ellenllsokkal (R1, R2) belltott munkapont T1 erst foko-zat alkotja. Ez termszetesen mg munkapont stabilizlssal is el van ltva (RE, CE). A kt vgerst tranzisztor prt (T11, T22) nagy ramersts Darlington-tranzisztorok alkotjk. A fentebb emltett tvltsi torzts kikszblst, ill. ers cskkentst a T1 tranzisztor kollektorkrben lv D1 s D2 didk hajtjk vgre a rajtuk rhet 0,7 V-os feszltsgess-sel Az RL terhel-ellenlls (ami lehet, pl. egy 8 -os hangszr), egyen-ram levlasztst a kt kimeneti tranzisztoron a C kondenztor biztost-ja. A j mkds felttele, hogy XC




cin. vs = 0 llapotban a C kondenztor s a fld kztt a fl tpfeszltsg (jelen esetben 20 V) mrhet.

8.4. bra. Az AB osztly erst

Integrlt teljestmnyerstk Ma a kereskedelem a klnbz gyrtk nagy vlasztkt knlja 2 W s 100 W kztt. Ezek ltalban AB osztly erstk, nagy teljestmny-erstssel, j hatsfokkal s alacsony harmonikus torztssal. Megtallha-tak mr az automatikus hvdelemmel elltott tpusok is. Ajnlanak szimmetrikus s nem szimmetrikus ramellts kialaktsokat is. Elnyk mg az integrlt teljestmnyerstknek, hogy kevs jrulkos alkatrszt ignyelnek (8.5. bra).

8.5. bra. Az integrlt hangerstk




8.4. A D osztly erstk Ismerve a flvezetk paramtereit, mr nagyon rgen krvonalazdott az elv, miszerint nagyon j, elmletileg 100%-os hatsfokkal br hangerst pthet. A felismers abbl addott, hogy a hagyomnyos erst telje-stmny-flvezeti minden esetben ignyelnek valamekkora nyugalmi ra-mot a munkapontba-lltsukhoz, illetve mkds kzben is van rajtuk n. maradk feszltsg, mely a rajta tfoly rammal mr vesztesgi teljest-mnyt okoz. Eszerint, ha egy teljestmny-flvezett nem lltunk munka-pontba, hanem kapcsolzemben hasznljuk, a nyugalmi ram problmja mr nagyrszt orvosolva ltszik. Tovbb, ha flvezetink bekapcsolt lla-potban nagyon kis, kikapcsolt llapotban pedig nagyon nagy ellenllssal brnak, akkor elrtk, hogy rajtuk minden idpillanatban zrus legyen vagy az ram, vagy a feszltsg rtke. gy e kett szorzata folyamatosan nulla marad, teht nem dissziplnak teljestmnyt. Ez persze csak elmletileg igaz, de mg mindig nagyon j hatsfok lehet a rendszernk. Annak az oka pedig, hogy nem tallkozhattunk mr e felismers pillanatban D osz-tly erstkkel, abban rejlik, hogy a megfelel teljestmny-flvezet appartus mg nem llt rendelkezsnkre.

8.6. bra. A D osztly erst

Azonban ezen erstk elnys tulajdonsgai ltalban csak kapcsolze-m tpegysggel mutatkoznak meg igazn. gy mr igen jnak mondhat




hatsfokkal brnak, tovbb mg egy jelents elnyt mutatnak fel a ha-gyomnyos erstkkel szemben. Az elvet gyakorlati megvalsts kvette, (20042005) hzi mozi erstben, modern audis berendezsekben, mi-szerint a kapcsolzem vgfokozat teljestmny-MOSFET-einek tpfe-szltsgnek vltoztatsval a nulltl egszen a maximlis teljestmnyig vltoztathat a kimeneti teljestmny, ezzel egytt a hanger. Ilyen mdon elkerlhet a kisebb hangern fellp relatv jel-zaj viszony cskkens.

A bemeneti szint- s impedancia-illeszt fokozatrl a jel egy PWM-modultora (angolul Pulse With Modultor, magyrul ISZM impulzus szlessg modultor) jut, mely a meghajt-fokozat mkdshez szks-ges PWM-jelet lltja el. A legltalnosabb felptsben azt az talaktsi elvet hasznljuk fel, hogy a bemen jelet egy precz hromszg-jellel (melynek frekvencija lesz a mintavtelezsi frekvencia) hasonltjuk ssze egy kompartor segtsgvel (8.7. bra). Ahoz, hogy a ersts minl hs-gesebben kvesse az audio jelet (ez az audi frekvencija lesz az alapjel frekvencija, modern eszkzknl 2020000 Hz), a modull hromszg-jelnek a frekvencija a mai elvrsok szerint legalbb 21-szer magasabb (2120 KHz=410 KHz) kell legyen. 2000 utn kerltek gyrtsra teljest-mny FET tranzisztorok melyek mkdsi frekvencija meghaladja az 1 MHz-et.

8.7. bra. Az ISZM (PWM) jelek ellltsa

Elektronika gpszmrnkknek A differencil erst



9. A differencil erst

Az eddig bemutatott erstk nem alkalmasak egyenfeszltsg erstsre, fleg amiatt, hogy a tranzisztorok VBE feszltsge kb. 2 mV-tal cskken 1 C hmrsklet-emelkedsre. Ennek az n. feszltsg-drift-nek a hatsa hasonl a bemenjel vltozsval. Differencil erst (9.1. bra) alkalma-zsval kikszblhetjk a feszltsg-drift-ek hatst. Az ramkr a be-men jelek klnbsgt, a Vid = Vi1 Vi2 feszltsget ersti.

9.1. bra. A differencil erst

Ha a tranzisztorok jelleggrbi azonosak (prba vannak vlogatva s eset-leg kzs tokozsban is vannak), akkor a kimenjelre a feszltsg-drift-nek nincs hatsa. A differencil erst kt bemen feszltsgt kt ssze-tevre bonthatjuk fel.

Az egyik komponens a bemen feszltsgek klnbsge Vid = Vi1 Vi2, ez a szimmetrikus jel.

A msik az n. kzsjel, a bemeneti feszltsgek szmtani kzpar-nyosa:

221 ii

ikVV

V+

=

A differencil erst a szimmetrikus bemenjelet nagyon ersti, a kzs bemenjeleket alig ersti. Ezt a tulajdonsgt kzs feszltsgelnyoms-nak nevezik. Az RE ellenlls nvelsvel cskken a kzs feszltsgers-ts, mg a szimmetrikus feszltsgersts azonos marad, teht n a kzs

Elektronika gpszmrnkknek A differencil erst



feszltsg-elnyoms. Ha ramgenertort hasznlunk az RE ellenlls helyett (az ramgenertor dinamikus ellenllsa igen nagy) az emltett tulajdonsg hatst nveljk.

Ha bipolris tranzisztorok helyett trvezrls tranzisztorokat (FET) alkalmazunk, akkor nagyon megnvelhetjk a differencil erst bemene-ti ellenllst.

A differencil erst tbbfle zemmdban mkdhet. Ezek a kvet-kezk:

Egy bemenet kapcsols: ekkor az egyik bemenetet fldeljk. Attl fggen, hogy melyik bemenet kerl a fldre, az egyezmnyesen meg-llaptott jellsek rtelmben lehet invertl vagy nem-invertl a kapcsols.

Differencil bemenet kapcsols: a kt bemen jel ellenttes polarit-s. A kimeneti jel a kt kln-kln mkd erst eredmnyeinek klnbsge lesz.

Kzs md bemenet: ebben az esetben a kt bemenetre ugyanolyan polarits feszltsg kerl, amely azonos frekvencij s ugyanolyan fzisban is van. A kimenet csak akkor lesz zr, ha a kt jel teljesen megegyezik. Az ramkr segtsgvel megllapthat, ha valamelyik jel zajos vagy nem kvnt feszltsg sszetevket tartalmaz.

9.2. bra. A differencil erst

a) invertl bemenet kapcsols, b) nem-invertl bemenet kapcsols

Elektronika gpszmrnkknek A mveleti erst (ME)



10. A mveleti erst (ME)

A mveleti erst lnyegben egy nagy ersts egyenram erst, amelynek bemen ellenllsa nagyon nagy, kimen ellenllsa pedig na-gyon kicsi. Ha AV-vel jelljk a ME erst feszltsgerstst, akkor a kimeneti feszltsg:

V0 = AV (Vip Vin)

10.1. bra. A mveleti erst

Ha Vin = 0, akkor Vo = AV Vip, teht a kimeneti feszltsg azonos fzis a bemenetivel. Ezrt ezt a bevezetst (+) nem-invertl bemenetnek nevezik. Hasonlkppen, ha Vip = 0, akkor Vo = AV Vin s mivel ebben az eset-ben fzisfordts lp fel, () invertl bemenetrl beszlnk. A ME tpfe-szltsg-elltsa (VCC, VEE) ltalban szimmetrikus.

Ha az erst bemeneteit kzs feszltsggel vezreljk Vik = Vip = Vin , akkor a kimeneti feszltsg nem kellene, hogy vltozzon. Gyakorla-tilag, ilyenkor a kvetkez kifejezst adhatjuk meg:

Vo = Avk Vik

ahol Avk a kzs feszltsg ersts s sokkal kisebb, mint az AV. Ha megvizsgljuk a Vo = AV (Vip Vin) egyenletet, arra a kvetkezte-

tsre jutunk, hogy ha Vip = Vin, a kimenet Vo = 0. Ez csak idelis ME-vel teljesthet, de a valsgban mindig van egy kicsi eltrs, azaz Vo csak ak-kor lehet 0, ha Vi = VDi 0.

A bemeneti szimmetrikus feszltsg VDi rtkt amelynl Vo = 0 , bemeneti ofszet feszltsgnek nevezzk. Ez korszer ME-nl mV nagy-sgrend. Az ofszet feszltsg a ME bizonyos kivezetsre kapcsolt po-tenciomter segtsgvel nullzhat.

A ME bemeneti differencilerst munkapontjnak a belltshoz biztostani kell az IBp s IBi nyugalmi bemeneti ramait. Ezek az ramok a




bemenetekre kapcsolt hlzatok ellenllsain, feszltsget ejtenek. Ha a kt bemenet fell ltott ellenlls azonos, akkor ez a feszltsgess csak kzs bemen feszltsgknt lp fel. Ellenben ha a kt ellenlls klnb-zik, akkor jrulkos ofszet feszltsg keletkezik.

A ME AV feszltsgerstse s Avk kzs feszltsgerstse frekven-ciafgg.

Egy ME adatlapjnak fontosabb paramterei:

nyugalmi bemeneti ram IB (input bias curent): az erst bemenetn lv differencilerst bzisramainak kzparnyosa, ha a ME kimeneti feszltsge nulla

002 =+

=V

BnBpB

III

bemeneti ofszet ram IDi (input offset current): a nyugalmi bemeneti ra-mok klnbsge

0==

VBnBpDiIII

bemeneti ofszet feszltsg VDi (input offset voltage): az a bemen szimmet-rikus feszltsg, amely biztostja a ME-nek a nulla kimeneti feszltsget

0==

VinipDiVVV

bemeneti hmrskleti ram-drift DIDi (input offset current drift): a bemene-ti ofszet ram hmrskleti egytthatja

TI

DI DiDi

=

bemeneti hmrskleti feszltsg-drift DVDi (input offset voltage drift): a bemeneti ofszet feszltsg hmrskleti egytthatja

TV

DV DiDi

=

tpfeszltsgvltozs-elnyoms SVRR (supply voltage rejection ratio): a V tpfeszltsg-vltozs s az ltala ltrehozott VDV bemeneti ofszet fe-szltsgvltozs fordtott arnya




VV

SVRR DV

=

resjrsi feszltsgersts AV0 (open loop voltage gain): terheletlen kime-nettel, visszacsatols nlkl s kisfrekvencin mrt szimmetrikus be-menjel erstse

idV V

VA 00 =

Ezt sokszor dB (decibel)-ben szoktk kifejezni:

AV0 [dB] = 20 log(AV0).

egysgnyi-ersts hatrfrekvencija fh (unity gain frequency): ahol az aszim-metrikus bemenjel erstse 1-re cskken

kzs feszltsgersts-elnyomsi tnyez CMRR (common mode rejection ratio): a kisfrekvencin mrt szimmetrikus s kzs feszltsgersts hnyadosa

0

0

vk

V

AA

CMRR =

Integrlt mveleti erst tpusok Szmos gyrt, sokfajta ME-jt az egysgesen elfogadott jellssel ltjk el. Alapjelknt egy 7 jegy bet s szmkombinci segt az identifikciban.

Az eltag a gyrtra utal

MC Motorola AD Analog Devices CA RCA NE/SE Signetics uA Fairchild SG SiliconGeneral LM National TL Texas Instruments stb.




A tpusbl a szm a ME tpusa (a ME felptse, technikai adatainak tbb-sge stb.). Eszerint lehet ez a szm 702, 709, 741, 108, 155, 156, 157 stb. A tpusban foglalt bet az illet ME hmrsklet kdja, ajnlott felhaszn-lsi terlete:

C kereskedelmi (Commercial) 070 C I ipari (Industrial) 2585 C M katonai (Military) 55125 C

Az uttag a tokozsra utal

D manyag tokozs (dual-in-line) DIP J kermia DIP N,P manyag DIP (longer lead)

A ME-k feszltsgerstsnek frekvenciamenete

10.2. bra. A ME feszltsgerstsnek frekvenciamenete

Egy ME (741) legfontosabb adatai

paramter Tipikus rtk Tamb= 25

C VCC,VEE = 15 V

bemeneti ofszet feszltsg 1 mV bemeneti hmrskleti feszltsg-drift 3 V/ C nyugalmi bemeneti ram 80 nA bemeneti ofszet ramot 20 nA




paramter Tipikus rtk Tamb= 25

C VCC,VEE = 15 V

bemeneti hmrskleti ram-drift 0,1 nA/ C bemeneti ellenlls 2 M resjrsi feszltsgersts 200000 (106 dB) tpfeszltsgvltozs-elnyoms 96 dB kzs feszltsgersts-elnyomsi tnyez 90 dB egysgnyi-ersts hatrfrekvencija 1,5 MHz

Egy ME tokozsa

10.3. bra. Egy ME lehetsges tokozsi mdjai

10.1. A gyakorlati mveleti erst (ME) 10.1.1. A ME tpfeszltsge, kimeneti feszltsge A ME ltalban szimmetrikus tpfeszltsget kap (+ V s V). A kimene-ti V0 feszltsg terhels alatt (RL 0) mindig kisebb, mint a tpfeszltsg. A 10.4. bra azt mutatja, hogy a kimeneti feszltsg nylt hurokban fgg a tpfeszltsgtl, illetve a terhel RL ellenlls nagysgtl. Gyakorlatilag a terhels nagyobb kell, hogy legyen, mint 200 , de egszen 10,0 k rt-kig a kimeneti feszltsg kb. 2 V-al kisebb, mint a tpfeszltsg. Ha a ter-hels rtke nagyobb, mint 10,0 k, a mrhet kimeneti feszltsg kb. 1 V-al kisebb, mint a tpfeszltsg.




10.4. bra. A kimeneti feszltsg a tpfeszltsg s a terhels

fggvnyben

10.1.2. A visszacsatolt mveleti erst Legyen egy ME nylthurk erstse An. Mivel An rtke egy modern ME-ben a 105106 nagysgrendbe esik, nylthurk erstsben nem haszn-lunk ME-t. Nem tudnnk ugyanis pontosan kzben tartani az erstst.

A ME-t ltalban negatv visszacsatols ramkrben hasznljuk. En-nek ltalnos kapcsolsi rajza a 10.5. brn lthat. A kapcsolsi rajzon ltalban nem tntetjk fel a ME VCC s VEE feszltsgforrsait. Az esetek tbbsgben szimmetrikus betpllst (VCC = VEE) alkalmazunk.

Ha eltekintnk a ME igen kicsi, nyugalmi bemeneti ramtl, ill. ofszet feszltsgtl s a kzs erstst elhanyagoljuk, akkor a kimeneti V0 feszltsget knnyen kiszmthatjuk a bemeneti V1 s V2 feszltsgekbl, illetve az emltett An nylthurk erstsi tnyezbl.

10.5. bra. Negatv visszacsatols mveleti erst

A bemenetek potenciljt megadhatjuk:

2VVip =




121

20

21

1 VRR

RV

RRR

Vin ++

+=

A kimen feszltsg:

inVAV =0 A bemen feszltsg:

inipi VVV =

121

20

21

12 VRR

RV

RRR

VVi +

+=

A fentiekbl:

+

++

= 12

212

21

10 1

1 VR

RRV

ARRR

V

n De tudjuk, hogy

21

11RR

RAn +

ezrt nem kvetnk el nagy hibt, ha

01 nA

Ennek eredmnyeknt a fenti egyenlet a kvetkezre mdosul:

1

1

22

1

210 VR

RVR

RRV += (10.1)

A kplet azt mutatja, hogy az emltett kapcsolsban a kimeneti feszltsg csak a bemeneti feszltsgek s a kapcsolsban rsztvev ellenllsok (R1, R2) rtkeitl fgg.

Mieltt megvizsglnnk nhny jellegzetes ME-s kapcsolst, meghat-rozzuk a ME ltal feldolgozhat jel maximlis frekvencijt.




Az tfordulsi id (slew rate) A ME fontos adata, az n. tfordulsi id, amely megadja, hogy milyen gyorsan vltozik a kimeneti jel a bemeneti jel vltozsra. Ez az rtk tipi-kusan 0,54 V/s kztt van. Ez azt jelenti, hogy a kimeneti feszltsg 0,54 V-ot vltozhat minden s alatt.

Az tfordulsi id (slew rate) ismeretben megadhatjuk a Vcs-cs bemene-ti jelnek azt a maximlis mkdsi frekvencijt, amit a ME mg fel tud dolgozni:

cscsVrateslewf

=

2max 10.1.3. A visszacsatolt invertl ME ME-t nylt hurokban nem hasznlunk. A 10.6. brn a visszacsatolt inver-tl ME kapcsolsa lthat.

10.6. bra. bra: A visszacsatolt invertl ME

elvi- s a nyugalmi ramok kompenzlsval megvalstott kapcsols

Alkalmazvn a (10.1)-et, ahol V2 = 0,

11

20 VR

RV =

Ugyanerre az eredmnyre jutunk, ha elemezzk a 10.6. brt. Br V2 = 0, a ME igen nagy bemeneti ellenllsa miatt a ME invertl bemenetn (Vin)

nincs szmottev (mrhet) ram, a Vi=V0/An gyakorlatilag nulla, te-ht az I1=V1/R1 ram rtke az, amely megterheli a V1 feszltsgforrst.

Erre a pontra felrhat Kirchhoff I. trvnye alapjn:

001 =+ II1

11 R

VI =2

00 R

VI =




Azaz

11

20 VR

RV =

Ha figyelembe vesszk a nyugalmi bemeneti ram ltal az invertl beme-netre csatlakoz ellenllsokon val feszltsgesst, akkor azt mondhat-juk, hogy ez a feszltsgess a kimeneten felerstve jelenik meg. Hogy ezt elkerljk, a nem invertl bemenet s a fld kz az invertl bemenetre csatlakoz ellenllsok prhuzamos eredjt iktatjuk. Az eredmny: a nyu-galmi bemeneti ram azonos feszltsgesst okoz mindkt bemeneten, s ezltal a kimeneti feszltsg nem mdosul. Ezt nevezzk a nyugalmi ra-mok kompenzlsnak.

A visszacsatolt invertl ME, mint sszead Ha az invertl bemenetre (10.7. bra) alkalmazzuk Kirchhoff I. trv-nyt:

10.7. bra. A visszacsatolt invertl ME, mint sszead

ni

ni

ii IIIIII 111211

111 ....... ++++==

=

= ahol

i

ii R

VI

1

11 =

s

2

00 R

VI =

elektronika gépészmérnököknek -...

Documents