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