Održavanje Brodskih Elektroničkih Sustava

Održavanje Brodskih Elektroničkih Sustava Sadržaj predavanja: 1. Upoznavanje s osnovnim sklopovima tranzistorskih pojačala 2. Upoznavanje s osnovnim sklopovima operacijskih pojačala 3. Analogni sklopovi posebne namjene

Klasifikacija Tranzistora Low Frequency - za audio niskofrekventne primjene (ispod 100kHz) High Frequency za visokofrekventne primjene (iznad 100 khz) Switching tranzistori za switching aplikacije Low-noise primarna namjena im je za pojačanje signala male amplitude (zbog niskog nivoa šuma) High-voltage - tranzistori za visokonaponske aplikacije Driver - tranzistori osrednje snage te za razmjerno niskonaponske aplikacije koji prethode sklopovima snage Small-signal tranzistori za pojačanje signala niskog naponskog nivoa te se koriste u pojačalima te radio prijemnicima. Power tranzistori koji mogu podnijeti visoke nivoe napona i struje

Tranzistor -BC107 NPN Silicon Epitaxial Transistor -BJT (Bipolar Junction Transistor) koristi dvije vrste nosioca naboja elektrone i šupljine -FET (Field Effect Transistor) koristi samo jednu vrstu nosilaca naboja -BJT se sastoji od dva poluvodička P-N spoja između P i N tipa poluvodiča -BJT tranzistori dolaze u formi NPN ili PNP spoja -osnovna funkcija im je pojačanje struje -koriste se kao pojačala ili kao sklopke -složeni tranzistorski sklopovi koriste se u digitalnoj logici kao I, ILI, NI vrata te kao memorijske jedinice za pohranu bita memorije -moderni integrirani krugovi (IC) su složeni tranzistorski sklopovi koji se sastoje od milijuna tranzistora integriranih na silikonskom čipu NPN PNP NPN PNP

Bipolarni NPN Tranzistor-Konfiguracija Napona na Tranzistoru V BE -napon baza-emitter je pozitivan na bazi i negativan na emiteru V CE -napon kolektor-emiter je pozitivan na kolektoru I negativan na emiteru V CE > V BE zbog toga je V CB > 0

Bipolarni NPN Tranzistor Spoj zajedničkog emitera (ZE) -Napon napajanje V CC se spaja preko otpora tereta R L na kolektor -Otpor tereta R L služi za limitiranje maximalne struje kroz tranzistor -Otpor baze R B služi za limitiranje maximalne struje baze

NPN Tranzistor (ZE)-ulazna karakteristika - Na slici se nalazi ulazna karakteristika tranzistora u spoju zajedničkog emitera - Na ulaznoj karakteristici se vidi da dok napon V BE ne dosegne 0.6V kroz bazu teče vrlo mala struja

NPN Tranzistor (ZE)-izlazna karakteristika Saturacija (uvjetno rečeno kratki spoj-struja slobodno teče iz kolektora u emiter) - Na slici se nalazi izlazna karakteristika tranzistora u spoju zajedničkog emitera - Koljeno na izlaznoj karakteristici se nalazi otprilike za napon V CE =2V - Za V CE >2V krivulje su dosta ravne i struja kolektora se ne mijenja bitno sa naponom V CE - Režim rada tranzistora prikazan na slici naziva se i aktivna regija tranzistora - Napon V CE se ne može beskonačno povećavati, nakon određene vrijednosti napona V CE dolazi do izgaranja tranzistora (breakdown voltage) Aktivno područje (struja kolektora ovisi o struji baze)

NPN Tranzistor (ZE)-prijenosna karakteristika - Na slici se nalazi prijenosna karakteristika tranzistora u spoju zajedničkog emitera - Krivulja na slici predstavlja ovisnost struje kolektora I C o struji baze I B za mali signalni tranzistor - Nagib krivulje je jednak strujnom pojačanju tranzistora β β = I C I B - Tipične vrijednosti strujnog pojačanja β su 100 150 (BC108 125)

Tranzistor kao Sklopka-Primjer VCC 5V 12V X1 LED CMOS Mikrokontroler ima 3.3V izlaz te treba paliti i gasiti LED diodu. V2 0 V 3.3 V 0.5 s 1 s I B Rb I C I E Q1 RL BC107BP Parametri: - Na ulaz tranzistora dolazi 3.3 V signal (izlaz modernih CMOS digitalni ICa) - Kad LED dioda svijetli idealno kroz nju teče struja od oko 15mA (I C =15mA) - Raspon struje I C treba biti 10mA < I C < 20mA - Kad LED dioda svijetli na LED diodi je pad napona oko 1.8V (crveni LED) ili 3.3V (plavi LED) Modern IC (ARM) 3.3V CMOS output (lower power consuption)

Tranzistor kao Sklopka Odabir radne točke (Q-Point) Q-Point (radna točka) V CC 1.8V R L I CQ =15mA I C Q-Point je DC radna točka tranzistora. Otpor R L se proračunava iz linije tereta: R L = V 1.8V CC = 12V 1.8V I C 20mA =510 500 Struja baze I B u radnoj točki Q je: Load Line (linija tereta) 5 V 10.2 V I B =80 A U CEQ =7.2V U CE

Tranzistor kao Sklopka Odabir radne točke Iz poznate struje baze I B može se odrediti otpor baze R B putem relacije: 3.3V = I B R B + 0.6V Pošto smo iz radne točke Q odredili struju baze I B =80 A otpor baze R B je: R B = 3.3V 0.6V I B = 33 k Intenzitet svijetla kroz diodu se može podesiti pomoću PWM tehnike (Pulse Width Modulation) Intezitet svijetla kroz diodu ovisi srednjem nivou signala na ulazu.

Simulacija Tranzistora kao Sklopke Simulacija u programskom paketu Altium Tranzijentna Analiza

Radna Točka Tranzistora Linija tereta u aktivnom području Spoj zajedničkog emitera

Radna Točka Tranzistora - Jednadžbe Ako je ulazni napon v i takav da V BE >=0.6V onda je transistor uključen. Struja kroz bazu I B se dobije iz izraza: (1) I B = vi V BE R B Ako je tranzistor u aktivnom području, možemo računati da je V BE 0.6V. Kada je tranzistor uključen, još uvijek ne znamo da li je u aktivnom području ili je u saturaciji. Kirchoffov zakon nam pak daje: (2) V CC = I C R C + V CE Povećanjem struje baze, povećava se napon kolektor-emiter (V CE ) te se smanjuje struja I C kroz kolektor. Struja kroz kolektor u saturaciji može se naći iz izraza: (3) I C sat = V CC V CE R C Kod saturacije, V CE <V BE te je napon kolektor emiter V CE 0.2V Radnu točku odabiremo pomoću otpora R B koji posledično diktira struju baze I B

Radna točka tranzistora tranzistor kao pojačalo signala male amplitude Struja baze I B varira amplitudom izraženoj u mikroamperima ( A) Struja kolektora IC varira amplitudom izraženom u miliamperima (ma) U suštini imamo: I C = β I B Ulazni signal male amplitude varira oko Q-točke. Bitno je da se Q-točka odabere tako da s obzirom na ulazni signal tranzistor uvijek bude u aktivnom području. Tranzistorska pojačala se nikada ne projektiraju na način da ovise samo o strujnom pojačanju β.

Tranzistor kao Pojačalo Osnovni Sklop -Najprije se selektira Q točka neovisno o ulaznom signalu v i -Drugi Kirchhoffov zakon za napone u petlji baza-emiter nam daje izraz: I B I C 1 V CC = I B R B + V BE I B = V CC V BE R B -U aktivnom području struja kolektora I C ovisi o pojačanju β te o struji baze I B kao: (2) I C = βi B = β V CC V BE R B - Drugi Kirchhoffov za petlju kolektor emitter nam daje: Osnovni krug tranzistorskog pojačala u spoju zajedničkog emitera (3) V CC = I C R C + V CE I C = V CC V CE R C - Desna strana jednadžbe (3) je linija tereta ovog tranzistorskog pojačala. - Pojačanje i dalje ovisi o strujnom pojačanju β!

Tranzistor kao Pojačalo Stabilizacija Radne Točke Stabilizacija radne točke je način kako ukloniti ovisnost o strujnom pojačanju (parametar β) I 1 I 2 Stabilizirani krug tranzistorskog pojačala u spoju zajedničkog emitera Kondenzator C služi da ukloni eventualne DC komponente sa ulaznog signala v i. Pod pretpostavkom da ulazni signal v i može biti pozitivan i negativan, za ulazni napon v i =0 postavljamo izlazni napon V 0 : V 0 = V CC 2 (otprilike na polovici raspona 0<V 0 <V CC ). Ako je napon V 0 =V CC /2 onda je napon na otporniku R C također jednak V CC /2.

Tranzistor kao Pojačalo Stabilizacija Radne Točke Ako je napon na otporniku R C jednak V CC /2 onda je struja kroz otpor R C jednaka struji kroz radnu točku Q i dana je izrazom: (1) I CQ = V CC 2 R C Podrazumijevajući da je tranzistor u aktivnoj regiji, struja baze I BQ u radnoj točki Q može se naći pomoću izraza: (2) I BQ = I CQ β = V CC 2 β R C Zbog naponskog djelila /R 2 napon na bazi (V B ) je jednak: (3) V B = R 2 +R 2 V CC

Tranzistor kao Pojačalo Stabilizacija Radne Točke Koristeći Theveninov teorem možemo izraditi nadomjesnu shemu

Tranzistor kao Pojačalo Stabilizacija Radne Točke Struja baze u radnoj točki I BQ može se izraziti kao razlika struja I 1 i I 2 : (4) I BQ = I 1 I 2 Korištenjem drugog Kirchhoffovog zakona mogu se izraziti tri jednostavne jednadžbe: (5) I 2 R 2 U BE I EQ R E = 0 (6) I 2 R 2 = V B Uvrštavanjem izraza (6) u (5) dobijamo: (7) V B U BE I EQ R E = 0 Za petlju kolektora možemo napisati: (8) U CC = I 1 + V B

Tranzistor kao Pojačalo Stabilizacija Radne Točke Uvrštavanjem izraza (4) u (8) se dobije: (9) U CC = I BQ + I 2 + V B Nadalje uvrštavanjem izraza (6) u (9) dobije se: (10) U CC = I BQ + V B R 2 + V B U CC = I BQ + R 2 + 1 V B Nakon sređivanja jednadžbe (10) dobije se: (11) V B = U CC I BQ R 2 +1 Uvrštavajući izraz (11) u izraz (7) dobiva se jednadžba: (12) U CC I BQ R 2 +1 U BE I EQ R E = 0

Tranzistor kao Pojačalo Stabilizacija Radne Točke Ako podrazumijevamo da je tranzistor u aktivnom području onda zbog toga što je I E = I B + I C te I C = βi B možemo za struju emitera pisati: (13) I EQ = 1 + β I BQ Uvrštavajući izraz (13) u (12) dobije se: (14) U CC I BQ R 2 +1 U BE 1 + β I BQ R E = 0 Nakon sređivanja izraza (14) dobije se izraz za struju baze I BQ u radnoj točki Q: (15) I BQ R E 1 + β + R 2 +R 2 = U CC R 2 +R 2 U BE Iz izraza I C = βib dobijemo struju I CQ u radnoj točki Q: (16) I CQ = β(u CC R 2 +R 2 U BE ) R E 1+β + R 2 +R 2

Tranzistor kao Pojačalo Stabilizacija Radne Točke Dijeleći izraz (16) sa strujnim pojačanjem β dobije se: (17) I CQ = U CC R 2 +R 2 U BE R E 1+ 1 β + R 2 +R 2 1 β Ako uzmemo da β 1 onda slijedi: U CC R 2 +R 2 U BE (17) I CQ R E U praksi se može uzeti da je omjer i R 2 jednak: (18) R 2 +R 2 = 1 10 1 + β R E

Tranzistor kao Pojačalo Stabilizacija Radne Točke Napon kolektor emitter u radnoj točki Q se može naći iz izraza: (19) U CEQ = V CC I CQ R C I EQ R E Koristeći izraze I E = 1 + β I B te I C = βi B jednadžba (19) se može napisati kao: (20) U CEQ = V CC I CQ R C 1+β β Ako β 1 onda slijedi: (21) U CEQ V CC I CQ (R C + R E ) I CQR E Radna točka je dakle definirana jednadžbama (17) i (21). Pojačanje više ne ovisi o strujnom pojačanju β. Može se pokazati da je pojačanje tranzistorskog pojačala proporcionalno: (22) A = V O vi = R C R E

Primjer Konstrukcija Pojačala Pojačanja A=6 Parametri: Pojačanje A = -6 Ulazni signal je +/- 1V Napon V CC = 12V Rješenje: Odaberemo I CQ =10mA. Zbog izraza (1) (i.e. I CQ = V CC 2 RC ) imamo: (23) R C = 600 Zbog zahtjeva za pojačanjem A=-2 iz izraza (22) slijedi: (24) R E = R C A = 100 Ako uzmemo da je pojačanje β 100 onda iz izraza (18) imamo: (24) R 2 +R 2 = 1 10 1 + β R E = 10 k

Primjer Konstrukcija Pojačala Pojačanja A=6 Iz jednadžbe (17) i (24) može se dobiti slijedeći izraz: (25) I CQ R E U R CC 2 U +R BE = U R CC 1 R 2 U 2 +R B = 12V 10 k 0.6V = 0.6V 2 Iz gornjeg izraza može se dobiti otpor R 2 : (26) = 100 k Iz izraza (24) dobivamo I otpor R1: (27) R 2 =11.11k

Primjer Konstrukcija Pojačala Pojačanja A=6 Električna shema simulacije u programskom paketu Altium Kondenzator C 1 se odabire prema jednadžbi: C 1 = 1 2 π R P f Gdje je R P otpor dan izrazom: R P = R 2 + R 2

Primjer Konstrukcija Pojačala Pojačanja A=6