Mr. Nándor Burány
OSNOVI ELEKTRONIKE -skripta-
Viša tehnièka škola, Subotica, 2001.
1
1. ELEKTRONSKE ELEKTRONSKE KOMPONENTE ............................ .......................................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ .......................... ............ 5
1.1. PASIVNE KOMPONETE KOMPONETE ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ....................... ......... 6 1.1.1. Otpornici Otpornici........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................ .. 6 1.1.2. Kondenzator Kondenzatorii ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ....................... ......... 9 1.1.3. Kalemovi Kalemovi ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .............. 11 1.1.4. Transformatori ................................................................................................................................................ 14 1.1.5. Hemijski izvori elektriè ne ......................................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ................. ... 15 ne energije ........................... 1.1.6. Hladnjaci Hladnjaci ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .......................... ............ 17 1.1.7. Prekidaè i ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .............. 17 1.1.8. Elementi za spajanje ....................................................................................................................................... 18 1.1.9. Osiguraè i ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .......................... ............ 19 1.1.10. Senzori Senzori ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .............. 20 1.1.11. Provodnici i kablovi ...................................................................................................................................... 21 1.1.12. Kutija ureð aja ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 22 aja .......................... 1.2. AKTIVNE KOMPONENTE KOMPONENTE .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 23 1.2.1. Diode ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 23 1.2.2. Bipolarni tranzistori ....................................................................................................................................... 26 1.2.3. Spojni fetovi (jfet, fet) ..................................................................................................................................... 31 1.2.4. Mosfetovi Mosfetovi ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .......................... ............ 33 1.2.5. Tiristori Tiristori ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ................. ... 36 1.2.6. IGBT ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 40 1.2.7. Optoelektronske komponente .......................................................................................................................... 42 2. OSNOVNA ELEKTRONSKA ELEKTRONSKA KOLA ............... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 44
2.1. PASIVNA KOLA ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ..................... ....... 45 2.1.1. RC niskopropusnik .......................................................................................................................................... 45 2.1.2. RC visokopropusnik ........................................................................................................................................ 47 2.1.3. Razdelnici napona .......................................................................................................................................... 48 2.1.4. RC propusnik opsega ...................................................................................................................................... 50 2.1.5. LC filtri ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ................. ... 50 2.1.6. Wien-ov Wien-ov most ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ..................... ....... 51 2.1.7. Redno RLC rezonantno kolo ........................................................................................................................... 52 2.1.8. Paralelno RLC rezonantno kolo ..................................................................................................................... 53 2.2. LOGIÈKA KOLA........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ..................... ....... 54 2.2.1. Op š te .......................................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ................. ... 54 te karakteristike logi è kih kih kola ............................ 2.2.2. Logiè ka .......................................... ............................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ................. ... 55 ka kola sa diodama ............................ 2.2.3. Logiè ki .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 57 ki invertor sa tranzistorom ............................ 2.2.4. DTL i TTL kola .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 58 2.2.5. ECL logiè ka .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .............. 59 ka kola ............................ 2 2.2.6. I L logiè ka ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 60 ka kola .......................... 2.2.7. MOS logiè ka ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .............. 61 ka kola ........................... 2.3. POJAÈAVAÈKA KOLA ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ........................ .......... 64 2.3.1. Modelovanje pojaè ava .......................................... ............................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ................. ... 65 avaè a ............................ 2.3.2. Pojaè ava ......................................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ................. ... 66 avaè i sa povratnom spregom ........................... 2.3.2. Operacioni pojaè ava ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ..................... ....... 68 avaè i ........................... 2.3.4. Kola sa operacionim pojaè ava .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .............. 69 avaè ima ima............................ 2.3.5. Pojaè ava ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .............. 74 avaè sa sa zajedni è kim kim emitorom ........................... 2.3.6. Stepen sa zajedniè kim .......................................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ................. ... 78 kim kolektorom ............................ 2.3.7. Stepen sa zajedniè kom .......................................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ........................ .......... 79 kom bazom ............................ 2.3.8. Diferencijalni pojaè ava ......................................... ............................ ............................ ............................ .............. 80 avaè sa sa bipolarnim tranzistorima ........................... 2.3.9. Strujni izvori, aktivna optereãenja, strujna ogledala ............................ .......................................... ........................... ........................... ............................ ................. ... 82 2.3.10. Unutra š nja ........................................ ............................ ........................ .......... 85 nja struktura i realni parametri operacionih poja è ava avaè a .......................... 2.4. NELINEARNA ELEKTRONSKA KOLA .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................ .......................... ............ 89 2.4.1. Kola za za š titu .......................... ............ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .......................... ............ 89 è titu i ograni enje enje 2.4.2. Modulatori i demodulatori.............................................................................................................................. 91 2.4.3. Usmeraè i ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .............. 94 2
1. ELEKTRONSKE ELEKTRONSKE KOMPONENTE ............................ .......................................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ .......................... ............ 5
1.1. PASIVNE KOMPONETE KOMPONETE ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ....................... ......... 6 1.1.1. Otpornici Otpornici........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................ .. 6 1.1.2. Kondenzator Kondenzatorii ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ....................... ......... 9 1.1.3. Kalemovi Kalemovi ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .............. 11 1.1.4. Transformatori ................................................................................................................................................ 14 1.1.5. Hemijski izvori elektriè ne ......................................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ................. ... 15 ne energije ........................... 1.1.6. Hladnjaci Hladnjaci ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .......................... ............ 17 1.1.7. Prekidaè i ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .............. 17 1.1.8. Elementi za spajanje ....................................................................................................................................... 18 1.1.9. Osiguraè i ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .......................... ............ 19 1.1.10. Senzori Senzori ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .............. 20 1.1.11. Provodnici i kablovi ...................................................................................................................................... 21 1.1.12. Kutija ureð aja ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 22 aja .......................... 1.2. AKTIVNE KOMPONENTE KOMPONENTE .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 23 1.2.1. Diode ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 23 1.2.2. Bipolarni tranzistori ....................................................................................................................................... 26 1.2.3. Spojni fetovi (jfet, fet) ..................................................................................................................................... 31 1.2.4. Mosfetovi Mosfetovi ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .......................... ............ 33 1.2.5. Tiristori Tiristori ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ................. ... 36 1.2.6. IGBT ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 40 1.2.7. Optoelektronske komponente .......................................................................................................................... 42 2. OSNOVNA ELEKTRONSKA ELEKTRONSKA KOLA ............... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 44
2.1. PASIVNA KOLA ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ..................... ....... 45 2.1.1. RC niskopropusnik .......................................................................................................................................... 45 2.1.2. RC visokopropusnik ........................................................................................................................................ 47 2.1.3. Razdelnici napona .......................................................................................................................................... 48 2.1.4. RC propusnik opsega ...................................................................................................................................... 50 2.1.5. LC filtri ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ................. ... 50 2.1.6. Wien-ov Wien-ov most ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ..................... ....... 51 2.1.7. Redno RLC rezonantno kolo ........................................................................................................................... 52 2.1.8. Paralelno RLC rezonantno kolo ..................................................................................................................... 53 2.2. LOGIÈKA KOLA........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ..................... ....... 54 2.2.1. Op š te .......................................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ................. ... 54 te karakteristike logi è kih kih kola ............................ 2.2.2. Logiè ka .......................................... ............................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ................. ... 55 ka kola sa diodama ............................ 2.2.3. Logiè ki .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 57 ki invertor sa tranzistorom ............................ 2.2.4. DTL i TTL kola .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 58 2.2.5. ECL logiè ka .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .............. 59 ka kola ............................ 2 2.2.6. I L logiè ka ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 60 ka kola .......................... 2.2.7. MOS logiè ka ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .............. 61 ka kola ........................... 2.3. POJAÈAVAÈKA KOLA ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ........................ .......... 64 2.3.1. Modelovanje pojaè ava .......................................... ............................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ................. ... 65 avaè a ............................ 2.3.2. Pojaè ava ......................................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ................. ... 66 avaè i sa povratnom spregom ........................... 2.3.2. Operacioni pojaè ava ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ..................... ....... 68 avaè i ........................... 2.3.4. Kola sa operacionim pojaè ava .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .............. 69 avaè ima ima............................ 2.3.5. Pojaè ava ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .............. 74 avaè sa sa zajedni è kim kim emitorom ........................... 2.3.6. Stepen sa zajedniè kim .......................................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ................. ... 78 kim kolektorom ............................ 2.3.7. Stepen sa zajedniè kom .......................................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ........................ .......... 79 kom bazom ............................ 2.3.8. Diferencijalni pojaè ava ......................................... ............................ ............................ ............................ .............. 80 avaè sa sa bipolarnim tranzistorima ........................... 2.3.9. Strujni izvori, aktivna optereãenja, strujna ogledala ............................ .......................................... ........................... ........................... ............................ ................. ... 82 2.3.10. Unutra š nja ........................................ ............................ ........................ .......... 85 nja struktura i realni parametri operacionih poja è ava avaè a .......................... 2.4. NELINEARNA ELEKTRONSKA KOLA .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................ .......................... ............ 89 2.4.1. Kola za za š titu .......................... ............ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .......................... ............ 89 è titu i ograni enje enje 2.4.2. Modulatori i demodulatori.............................................................................................................................. 91 2.4.3. Usmeraè i ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .............. 94 2
2.4.4. Umno ž ava .......................................... ............................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ........................ .......... 99 avaè i napona ............................ 2.4.5. Nelinearni pojaè ava .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................... ..... 100 avaè i ............................
3
PREDGOVOR Ova skripta je namenjena studentima Vi še tehnièke škole u Subotici i obuhvata predavanja koja se drže iz predmeta Osnovi elektronike. Namera autora je bila da sakupi sva saznanja koja su potrebna za savladavanje drugih predmeta vezanih za elektroniku kao i za kasniji in ženjerski rad. Ko god preduzme sli èan poduhvat, suoèiãe se sa preobimnošãu materijala. Istorija elektronike je stara svega sto godina, ipak se nagomilala ogromna koli èina nauènih i tehnièkih dostignu ãa. U toku brzog razvoja iznalažene su nove komponente koje su omoguãile nove primene, meðutim èesto i stare komponente i principi su ostajale u opticaju. Sa aspekta studenata ovi problemi se manifestuju u suo èavanju sa puno novih pojmova. Sa sigurnošãu se može tvrditi da je broj novih pojmova u elektronici višestruk u odnosu na neke druge predmete. Situaciju dalje ote žava to što te nove pojmove treba upoznati zajedno sa njihovim meðusobnim vezama. Te meðuzavisnosti predstavljaju drugu otežavajuãu okolnost za autora. Teško je rasporediti gradivo u neki logi èan red tako da nema potrebe za stalnim pozivanjem na kasnija poglavlja. U izlaganju elektronike, izuzev zadnjih dvadeset godina, vladao je istorijski redosled. Elektronske komponete i kola su prou èavana po onom redu kako su pronalažena. Poèev od osamdesetih godina pojavio se niz svetskih ud ž benika koji istorijski redosled više ne smatraju obavezujuãim. Opšte prihva ãenog novog principa ureðivanja meðutim nema. Neki autori rasporeðuju gradivo po važnosti: tako se digitalna elektronika opisuje pre linearnih kola. Drugi autori slièan raspored objašnjavaju sa pedagoškim aspektima: lak še je shvatanje prekidaèkog rada elektronskih komponenti nego razumevanje obrade analognih signala. Ova skripta uzima u obzir nove tendencije, sa druge strane prilago ðava se vremenskim ograni èenjima nastave na Višoj školi. Izlažu se samo saznanja važna za svakodnevnu praksu i to u sažetoj formi. Pošto osnovu èine elektroske komponete, prva tema je upoznavanje sa njima (1. deo). Povezivanjem nekoliko komponenti se dobijaju elementarna kola (2. deo). I najslo ženije primene se baziraju na tim elementarnim kolima. Ambicija tre ãeg dela je da daje pregled o svim danas korišãenim elektronskim kolima, funkcionalnim blokovima. Daje se samo kratak opis funkcionisanja. Eventualna teorijska pozadina se mo že naãi u èetvrtom delu i u navedenoj literaturi. Svugde su izbegavani slo ženi proraèuni pošto je to danas zadatak raèunara i simulacijskih softvera. Želim da studenti uspešno koriste ovu skriptu i da postanu stru ènjaci koji žive od svog znanja. Autor.
4
1. ELEKTRONSKE KOMPONENTE
Kao i bilo koja druga oblast tehnike, i elektronika je bazirana na osnovnim, za nju specifi ènim komponentama. Radi boljeg pregleda te komponente se dele na pasivne i aktivne. Atribut aktivan se odoma ãio jer su aktivne komponente sposobne za pojaèanje i prekidanje signala, dok pasivne komponente imaju drugu primenu (slabljenje, filtracija, ograni èenje, podešavanje itd.). Praksa ponegde odstupa od navedenog principa. Ranije su se pod aktivnim komponentama podrazumevale elektronske cevi, dok danas tu ubrajamo sve poluprovodni èke komponente, èak i da nemaju efekat poja èanja ili prekidanja. Ima i suprotnih primera. Drugi slièni udž benici se obièno ne bave i pasivnim komponetama. Pošto program Više tehnièke škole ne predviða drugi predmet u tu svr hu, smatralo se va žnim da se izlože elementarna saznanja iz oblasti pasivnih komponenti. U in ženjerskoj praksi proraèun, izbor, nabavka i ugradnja pasivnih komponeti se ne mo že smatrati za drugorazredni zadatak. U obavljanju tog zadatka želi da pomogne prva glava. Druga glava je posve ãena poluprovodnièkim komponentama. Opšte je prihvaãeno da savremeni ud ž benici elektronike se ne bave elektronskim cevima. Primena elektronskih cevi nije u potpunosti prestala ali je toliko su žena da u ovakvoj uvodnoj literaturi nije opravdano njihovo navoðenje. Kod drugih autora opis poluprovodnièkih komponeti je mnogo detaljniji, sa dubljom teoretskom osnovom. Praksa pokazuje da studenti nakon diplomiranja nemaju puno koristi od toga. Simbolièki reèeno, ako nekoga želimo nauèiti da šije, naglasak ne treba staviti na hemijski sastav igle. U skladu sa ovim pricipima daje se kratak opis poluprovodni èkih komponeti, kod svih je naglasak na istim prakti ènim aspektima (grafièki simbol, struktura, karakteristike, modeli, tipovi, kuãišta). Smatra se da je to dovoljno za savladavanje kasnijih delova gradiva.
5
1.1. PASIVNE KOMPONETE
Kao što je objašnjeno u prethodnom uvodu, u pasivne komponete se danas ubrajaju sve komponente koje nisu na bazi poluprovodnika. Njihovu va žnost najbolje potvrðuje èinjenica da sveobuhvatni trgova èki katalozi elektronskih komponenti posveãuju veãi prostor njima nego poluprovodni èkim komponentama. Pasivne komponente se redovno mogu opisati sa malim brojem parametara. Nasuprot tome njihovom prora èunu i izboru treba posvetiti adekvatnu pa žnju jer pouzdanost i primenjivost nekog ure ðaja u velikoj meri zavisi od njih. U daljem tekstu daje se kratak opis pojedinih pasivnih komponeti, uklju èujuãi grafièki simbol, parametre, oblasti primene.
1.1.1. Otpornici Za otpornike se mogu smatrati sve komponente kod kojih postoji jednozna èna veza izmeðu napona na komponenti i struje koja prolazi kroz nju bez obzira na vremenski oblik napona i struje. Znaèi, za svaki otpornik postoji veza v=f(i) koja u se ve ãini sluèajeva uprošãava na linearan oblik v=Ri, gde je v napon, R je otpornost otpornika, i struja. Razne otpornike iz svakodnevne prakse delimo u tri grupe: a) Obiènim otpornicima se smatraju oni linearni otpornici kod kojih je otpornost R fabrièki fiksirana. Ativni deo otpornika se pravi od tankog sloja grafita ili metala, eventualno od otporne žice. Aktivni materijal se nanosi na kerami èku podlogu, naprave se izvodi a slobodne povr šine se zaštiãuju farbanjem. Glavne karakteristike otpornika su otpornost, nazivna snaga i tolerancija. Otpornost mo že da se bira iz širokog opsega; dobra je praksa ako se možemo zadr žati unutar granica 10! -1M ! ali se dešava da umesto iz navedenih pet dekada biramo otpornike iz sedam dekada. Unutar jedne dekade proizvo ðaèi odreðuju otpornosti po geometrijskim nizovima.Ovakvi nizovi su niz E6, E12, E24 itd. Broj u nazivu niza se odnosi na broj vrednosti unutar jedne dekade. Narednu vrednost u nizu ra èunamo množeãi prethodnu vrednost sa (10)1/n (gde je n broj koji figuri še u nazivu niza), uz zaokruživanje na 2-3 cifre. Spomenuti nizovi sadr že sledeãe vrednosti: niz E6 : 1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8. niz E12: 1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,2. niz E24: 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,7; 3,0; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 4,7; 5,1; 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1. Elektri èna snaga dovedena u otpornik se pretvara u toplotu što dovodi do zagrevanja. Nazivna snaga je ona elektri èna snaga koja još ne uzrokuje prekomerno zagrevanje otpornika. Jaèe zagrevanje dovodi do naglog smanjenja radnog veka otpornika. Decenijama su otpornici nazivne snage od ¼W su bili najpopularniji. Danas, radi smanjenja dimenzija sve èešãe se koriste otpornici snage od !W i manji. Tolerancija otpornika odre ðuje oèekivano odstupanje otpornosti od nazivne vrednosti. Kao kod svakog serijskog proizvoda, mogu ãa su manja ili veãa odstupanja u vrednostima parametara. Tolerancija se zadaje u procentima, zna èenje tih procenata je moguãe odstupanje u oba smera. Otpornost i tolerancija se obi èno obeležava na otpornicima uz pomoã kombinacije boja, retko se koriste natpisi (izuzetak èine otpornici veãe snage i otpornici predviðeni za povr šinsku montažu). Vrednost otpornosti se oèitava tako da se cifre koje odgovaraju za prve dve ili tri boje, napišu jedan pored drugog i dobijeni broj se pomnoži sa onolikim stepenom broja deset koliki odgovara narednoj boji. Zadnja cifra odre ðuje toleranciju. Znaèenje pojedinih boja pri odreðivanju otpornosti i tolerancije dato je u Tabeli 1.1.
6
Tabela 1.1. Znaè enje boja pri obele ž avanju otpornika.
boja crna braon crvena narandžasta žuta zelena plava ljubièasta siva bela zlato srebro
mno žilac 1 10 100 1000 10 000 100 000 1000 000 0,1 0,01
cifra 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -
tolerancija 1% 2% ±5% ±10%
b) Obièni otpornici se konstruišu tako da ispoljavaju minimalnu zavisnost od temperature. Za razliku od njih postoje otpornici èija otpornost se znaèajno menja sa temperaturom. U njih spadaju NTC otpornici kod kojih sa porastom temperature otpornost opada i PTC otpornici kod kojih je suprotna tendencija (slika 1.1).
RNTC
RPTC
0 100 200 300 400 T[K]
0 100 200 300 400 T[K]
Slika 1.1. Temperaturna zavisnost (a) NTC i (b) PTC otpornika. (a)
(b)
Postoje dve oblasti primene NTC otpornika: merenje temperature i ograni èenje udarnih struja pri ukljuèivanju ureðaja. Pri ukljuèivanju NTC otpornik je hladan, otpornost mu je velika zato uspešno limitira struju i na taj naèin zaštiãuje ulazno kolo ureðaja i mrežni osiguraè. U toku rada otpornik se greje, opada mu otpornost i time se smanjuju gubici i ograni èava dalje zagrevanje. Osnovni podaci za takve otpornike, pored dimenzija su: otpornost (u hladnom stanju) i najve ãa efektivna vrednost struje na kojoj se jo š mogu primeniti. Dobar deo PTC otpornika se tako ðe koristi za merenje temperature; u novije vreme su razvijeni PTC otpornici za za štitu od preoptereãenja. Ove poslednje redno vezuju sa potrošaèem. U hladnom stanju otpornost im je mala i omogu ãavaju normalno funkcionisanje ureðaja. Pri preoptere ãenju otpornost im naglo poraste i time praktièki prekidaju dalje napajanje potrošaèa. Èim se ohlade, otpornost im padne i ponovo uklju èuju potrošaè. Važniji podaci za ove otpornike su nazivna otpornost, nazivna struja i struja iskop èavanja. Kod varistora zavisnost v=f(i) je nelinearna ali va ži simetrièno ponašanje za pozitivne i negativne napone. Slika 1.2. prikazuje tipi ènu karakteristiku varistora. Suština te krive je da do
7
nazivnog napona varistor ne propu šta znaèajnu struju, a preko izvesnog praga struja naglo poraste. Varistori se obi èno vezuju paralelno na ulaz potrošaèa i ostvaruju zaštitu potrošaèa od prenapona.
I
V
Slika 1.2. Nelinearna strujnonaponska karakteristika uobi è ajena kod varistora.
Glavni podaci za varistore su nazivni (radni) napon, probojni napon i opteretljivost (kratkotrajno ili u ustaljenom re žimu). c) Potenciometri su takvi otpornici kod kojih, pored krajnjih izvoda, postoji i jedan klizni kontakt (kliza è). Aktivni materijal je i u ovom sluèaju tanak sloj grafita, metala ili je otporna žica. Klizaè se može pomerati po aktivnom sloju po želji. Na ovaj naèin se ostvaruje promenljiva otpornost ili promeljiva razdela napona. Pomeranje kliza èa se ostvaruje okretanjem osovine ili pravolinijskim pomeranjem odre ðene ruèke. Promena otpornosti je obi èno srazmerna sa velièinom pomeraja klizaèa (linearni potenciometri) ali mo že postojati i logaritamska zavisnost (logaritamski potenciometri). U sluèaju da se pomeranje kliza èa vr ši sa alatom, govorimo o trimer potenciometrima. Najvažniji podaci za potenciometre su otpornost, maksimalna snaga i maksimalni ugao o okretanja. Veãina potenciometara se može okretati nešto manje od punog kruga (na pr. 330 ). Postoje meðutim i potenciometri sa više okretaja, kod njih osovina se može okretati na pr. za tri ili deset krugova. Potenciometri sa vi še okretaja su skupi i koriste se samo u slu èaju posebno preciznih podešavanja. Na slici 1.3. su prikazane uobi èajene grafièke oznake za razne otpornike.
Slika 1.3. Grafiè ke oznake raznih otpornika: a) obi è an otpornik, b) temperaturno zavisan otpornik (NTC, PTC), c) varistor, d) potenciometar, e) trimer potenciometar.
T
(a)
(b)
V
(c)
(d)
(e)
Mehanièka izvedba veãine otpornika je aksijalna: telo otpornika je valjkasto, izvodi se prikljuèuju duž osovine valjka. Otpornici predviðeni za povr šinsku montažu su u obliku paralelopipeda. Sa dve bo ène strane postavljaju se metalne kapice koje èine izvode. NTC i PTC otpornici kao i varistori su radijalne izvedbe: telo otpornika je u obliku diska, žice koje èine izvode postavljaju se paralelno sa jedne strane. Pojedine mehani èke izvedbe su prikazane na slici 1.4. 8
(a)
(b)
(c)
Slika 1.4. Mehaniè ke izvedbe otpornika: a) izvedba za povr š insku monta ž u, b) aksijalna izvedba, c) radijalna izvedba.
1.1.2. Kondenzatori Kondenzatori su elektronske komponente koje u svom unutra šnjem elektriènom polju mogu da akumulišu znaèajnu energiju. Energija se akumuliše u izolacionom sloju (dielektrik) izmeðu dve metalne povr šine kada na te metale povr šine nanesemo elektricitet suprotnog polariteta. Pri tome se pojavljuje potencijalna razlika izme ðu metalnih povr šina što se može izmeriti na izvodima koji se prikljuèuju na te metalne povr šine. Obièno važi linearna veza izmeðu kolièine naelektrisanja (Q) i napona ( V ): Q=CV, gde je C (jedinica je Farad) koeficijent srazmernosti koji se zove kapacitet kondenzatora. Akumulisana energija se mo že izraèunati po formuli: W !
CV 2
2
......................................................................................................................(1.1.)
Kapacitet kondenzatora se obi èno pror aèunava po formuli za ploèaste kondenzatore: C !
" 0 " r S d
......................................................................................................................(1.2.)
gde je: å0 - dielektri èna konstanta vakuuma, år - relativna dielektri èna konstanta primenjenog izolatora, S - velièina metalnih povr šina, d – razmak izme ðu metalnih povr šina (što se poklapa sa debljinom izolacionog sloja). Glavni cilj pri konstrukciji kondenzatora je postizanje što veãeg kapaciteta odnosno akumulacione sposobnosti u što manjoj zapremini. Zato je poželjno da se koristi što tanji sloj dielektrika. Smanjenje mera ograni èava mehanièka èvrstoãa dielektrika i opasnost od proboja. Po konstrukciji razlikujemo èetiri vrste kondenzatora: elektrolitski kondenzatori, blok kondenzatori, kerami èki kondenzatori i promenljivi kondenzatori. a) Elektrolitski kondenzatori imaju èetvoroslojnu strukturu. Velika povr šina se postiže primenom tanke metalne folije (aluminijum, tantal, zlato). Povr šina jedne folije (anoda) se oksidi še. 9
Taj tanak oksidni sloj igra ulogu izolatora (dielektrik). Druga metalna folija ne nale že direktno na oksidni sloj veã se izmeðu postavlja sloj papira natopljen dobro provodn im elektrolitom. Opisana struktura ispoljava usmera èko dejstvo pošto elektroni iz anode preko oksidnog sloja mogu da pre ðu u elektrolit meðutim joni elektrolita ne mogu proãi preko oksidnog sloja do anode. Zbog usmeraèkog efekta elektrolitske kondenzatore možemo optereãivati samo naponom jednoga smera, zato se za njih ponekad koristi naziv polarizovani kondenzatori. U manjim serijama proizvode se i elektrolitski kondenzatori bipolarnog tipa tako što se oksidišu povr šine kod obe folije. Glavni nedostatak je što se na ovaj naèin postiže upola manji kapacitet. Zahvaljuju ãi vrlo maloj debljini oksidnog sloja (opseg 1nm-10nm ), kod elektrolitskih kondenzatora mogu se posti ãi veliki kapaciteti u maloj zapremini. Radni vek im je relativno kratak zbog isušivanja elektrolita. Sa porastom temperature isušivanje se ubrzava, pri porastu za 7-10K radni vek se prepolovi. Osnovi podaci kod elektrolitskih kondenzatora su: kapacitet, nazivni napon, ekvivalentna redna otpornost ( ESR, uzima u obzir gubitke), maksimalna radna temperatura, tolerancija i oèekivani radni vek. Brojne vrednosti kapaciteta se redovno biraju iz niza E6 (videti kod otpornika pod ta èkom 1.1.1). Toleancija je redovno ±20% ili još gora. Kapacitet aluminijumskih elektrolitskih kondenzatora redovno spada u opseg od 1 ì F do 100mF . Po naponu razlikujemo niskonaponske ( 6,3V-100V ) i visokonaponske ( 100V-400V ) elektrolitske kondenzatore. Savremeni elektrolitski kondenzatori se redovno prave u radijalnoj izvedbi, telo kondenzatora je valjkastog oblika. Ranije je aksijalna izvedba bila uobi èajena, takoðe sa valjkastim telom. Za manje kapacitete i napone prave elektrolitske kondenzatore i za povr šinsku montažu. Navedene mehanièke izvedbe su prikazane kod otpornika (slika 1.4). Tantalski elektrolitski kondenzatori se redovno prave u suvoj izvedbi tako da se kod njih ne manifestuje isu šivanje. Na žalost primenjena tehnologija ne omoguãava realizaciju kondenzatora velikog kapaciteta. Obi èno se koriste u profesionalnim ureðajima za filtraciju i odvajanje jednosmerne komponente. Zlatni kondenzatori su vrlo velikog kapaciteta (red veli èine 1F ), ali radni napon im je svega nekoliko Volti. Ekvivalentna redna otpornost (ESR) im je velika. Koriste ih za besprekidno napajanje potro šaèa sa malom potrošnjom (na pr. memorije). b) Blok kondenzatori se dobijaju motanjem. Ranije su namotavali naizmeni èno postavljene trake metala i izolatora. Danas se koriste metalizovane plasti ène folije. Nakon prikljuèivanja izvoda aktivni deo kondenzatora se ubacuje u plasti èno kuãište i zalije veštaèkom smolom. Glavni podaci za blok kondenzatore su kapacitet, nazivni napon, tolerancija i faktor gubitaka (tgä). Kapacitet im obi èno spada u opseg od 100pF do 10 ì F , vrednosti se uzimaju iz niza E6 ili E12. Radni napon mo že biti od 50V do nekoliko kV . Tolerancija je znatno bolja nego kod elektrolitskih kondenzatora (±10%, ±5%). Faktor gubitaka na odre ðenoj frekvenciji je odnos snage gubitaka i reaktivne snage kondenzatora: tg# !
P Q
......................................................................................................................(1.3.)
Gubici blok kondenzatora pri modelovanju se uzimaju u obzir pomo ãu rednog ili paralelnog otpornika ( RS , RP). Na vrlo visokim frekvencijama dolazi do izra žaja i redna induktivnost kondenzatora ( LS ). Primenu kondenzatora limitira rezonantna u èestanost koja je odr eðena formulom:
10
$ r !
1 LS C
.................................................................................................................(1.4.)
Dati kondenzator se samo ispod te u èestanosti ponaša kao kondenzator a iznad je induktivnog karaktera. Blok kondenzatori se redovno proizvode u radijalnoj izvedbi, telo kondenzatora je u obliku paralelopipeda (slika 1.4). Ranije je aksijalna izvedba bila uobi èajena. Zahvaljuju ãi stabilnom ponašanju blok kondenzatora se koriste u preciznim vremenskim i filtarskim kolima. Jedna posebna oblast primene blok kondenzatora je filtracija mre žnih smetnji. Najvažniji parametar tih kondenzatora, pored kapaciteta i napona je rezonantna u šestanost pošto se efekat filtriranja ostvaruje samo ispod rezonantne u èestanosti. Kondenzatore za filtraciju smetnji delimo na dve klase: postoje takozvani X kondenzatori koji se povezuju izme ðu linija za napajanje i postoje Y kondenzatori koji se vezuju od linija za napajanje prema uzemljenju. Konstrukcija tih kondenzatora je sli èna ali se Y kondenzatori prave sa znatno debljim slojem izolatora (dielektrika) po što pri njihovom proboju vod za uzemljenje može da doðe pod napon i može da ugrozi korisnika. c) Kerami èki kondenzatori se formiraju od dvostrano metalizirane keramièke ploèice. Kapacitet koji se mo že postiãi na ovaj naèin je relativno mali: od 1pF do 100nF sa tim da ve ãe vrednosti se posti žu sa višeslojnom strukturom. Lako se dobijaju visokonaponski keramièki kondenzatori. Rezonantna u èestanost im je vrlo visoka zato se uspešno koriste za filtraciju i sprezanje signala visoke u èestanosti. Vrednosti kapaciteta se redovno biraju iz niza E6 . Tolerancija je relativno loša (±20%), zavisnost od temperature je izra žena. Mehanièka izvedba je redovno radijalna telo kondenzatora je u obliku diska, eventualno pravougaone plo èe (videti sliku 1.4). d) Promenljivi (pode šljivi) kondenzatori se redovno koriste za podešavanje rezonantnih kola i filtara. Promena kapaciteta se posti že promenom meðusobnog položaja dve ploèe ili dva sistema ploèa. Red velièine kapaciteta je od 1pF do100pF sa tim da kod istog kondenzatora odnos maksimalnog i minimalnog kapaciteta redovno nije ve ãi od deset. Ako je kondenzator predvi ðen za podešavanje u toku rada, govorimo o obrtnom kondenzatoru, jednostruko (fabri èko) podešavanje se vr ši sa trimer kondenzatorom. Obrtni kondenzatori se prave sa odgovaraju ãom osovinom i dugmetom za ruèno podešavanje, a trimer kondenzatori se name štaju uz pomoã alata. Grafièke oznake za razne tipove kondenzatora su navedene na slici 1.5. Slika 1.5. Grafiè ke oznake za razne tipove kondenzatora: a) op š ta oznaka, b) polarizovani (elektrolitski) kondenzator, c) obrtni kondenzator, d) trimer kondenzator.
+ (a)
(b)
(c)
(d)
1.1.3. Kalemovi Kalemovi su elektronske komponente koje mogu da akumuli šu znaèajnu energiju u svom magnetnom polju. Magnetno polje se formira pod uticajem elektri ène struje koja prolazi kroz provodnike. Mera magnetnog polja je magnetni fluks ( Ö). Kod linearnog elementa va ži:
11
" ! LI ......................................................................................................................(1.5.) gde je: L – induktivnost kalema, I – struja kalema. Kolièina akumulisane energije se prora èunava po formuli: W !
2
LI
2
......................................................................................................................(1.6.)
Kalemovi se redovno prave od bakarne žice sa lak izolacijom. U zavisnosti od toga da li se u magnetnom polju kalema nalazi neki feromagnetni materijal, razlikujemo dve grupe kalemova: a) Kalemovi sa vazdu šnim jezgrom su ili samodr žeãi ili se prave na dr žaèu od nemagnetnog materijala (papir, plastika). Za njih zaista va ži linearna veza Ö=LI , na žalost na ovaj naèin se mogu postiãi samo kalemovi male induktivnosti. Ovakvih kalemova obi èno nema u prodaji, korisnik treba da ih pravi sam. Kod solenoidnog oblika namotaja induktivnost se mo že proraèunati uz pomoã sledeãe empirijske formule: L
!
(% ND ) 2 l $ 0,45 D
#7
10 . ..........................................................................................................(1.7.)
gde je: N – broj navojaka, D – unutrašnji promer, l – dužina kalema. Zadata formula va ži za relativno duga èke kalemove (l>0,3 D). Za kratke (pljosnate) kalemove mo že se primeniti modifikovana formula: L
!
(% ND) 2
#7
2
D (l $ 0,45 D # 0,01 ) l
10 ........................................................................................(1.8.)
Kalemovi sa vazdu šnim jezgrom se najvi še koriste u radiotehnici ali mogu da se naðu i u energetskim kolima zato što se kod njih ne javlja zasiãenje. b) Primenom feromagnetnog materijala smanjuje se rasipanje polja, fluks se skoncentri še u malu zapreminu gde je indukcija (B) znatno pove ãana, poveãava se i akumulaciona sposobnost kalema. Važno je spomenuti da nije poželjno da jezgro bude potpuno zatvoreno, potreban je izvestan vazdušni zazor. Uloga jezgra je da skoncentriše fluks ali akumulacija energije se dobrim delom odigrava u vazdu šnom zazoru. Primena jezgra dovodi i do izvesnih mana: javljaju se dodatni gubici usled histerezisa što je karakteristi èno za magnetne materijale; u sluèaju da je jezgro ujedno i dobar provodnik, pojavljuju se i vrtlo žne struje što isto dovodi do gubitaka.
12
Znaèajne probleme može da stvara i zasiãenje što je uzrokovano time da se magnetni materijali ne mogu magnetisati preko izvesne mere. Ulaskom u zasi ãenje induktivnost kalema naglo opada, kalem ne mo že da obavlja svoju funkciju. Na industrijskim frekvencijama ( 50Hz-400Hz ) za realizaciju jezgra se primenjuju limovi od legiranog èeliènog lima radi smanjenja vrtložnih gubitaka. Jezgro od punog gvožða se može koristiti samo na jako niskim frekvencijama odnosno pri jednosmernoj struji. Na višim frekvencijama se koriste feritna jezgra odgovaraju ãeg sastava. Feriti su oksidi gvožða koji sa jedne strane poseduju magnetne osobine gvožða, sa druge strane ne provode elektri ènu struju, pa se u njima ne mogu se formirati vrtložne struje. Jezgra kalemova se prave i od gvozdenog praha sa dodatkom lepila. Takva jezgra toroidnog oblika se pona šaju kao da imaju vazdušni zazor rasporeðen po obodu. I kalemove sa jezgrom redovno prora èunava i pravi korisnik. Na raspolaganju je veliki izbor èeliènih i feritnih jezgara. Induktivnost kalema sa jezgrom se mo že proraèunati po formuli: L ! N A L 2
! N 2 & 0
Ae l0
.....................................................................................................(1.9.)
gde je: N - broj navojaka, A L - faktor induktivnosti, ì0 - permeabilnost vakuuma [ 4ð 10-7 H/m], Ae - površina preseka jezgra, l0 - visina vazdu šnog procepa. Velièina procepa se odreðuje tako da ni pri vr šnoj vrednosti struje jezgro ne doðe u zasiãenje: l0
!
& 0 NI m Bm
, ....................................................................................................................(1.10.)
gde je: I m - vršna vrednost struje, Bm – najveãa dozvoljena magnetna indukcija. Drugo ogranièenje pri projektovanju kalema pored zasiãenja je zagrevanje. Zagrevan je se javlja zbog gubitaka u provodnicima i u jezgru. Prora èun gubitaka je relativno složen zadatak. Realna slika o zagrevanju se èesto može stvoriti samo uz merenje na realizovanom kalemu. Pri korišãenju kalema na malim signalima glavna stvar nije zagrevanje veã faktor dobrote koji je dat formulom: Q
!
$ L RS
...........................................................................................................................(1.11.)
gde je RS ekvivalentna redna otpornost kalema koja uzima u obzir gubitke u kalemu. Slièno kao kod kondenzatora, i kod kalemova postoji rezonantna uèestanost iznad koje kalem se više ponaša kao kondenzator zbog parazitnog kapaciteta izmeðu susednih navojaka i slojeva. Na jedno isto jezgro mo že se namestiti i više od jednog namotaja, pri tome treba uzeti u obzir da se polja koja poti èu od pojedinih namotaja, algebarski sabiraju. Strujno kompenzovani kalemovi, kod kojih se na jednom zatvorenom jezgru nalaze dva istovetna namotaja, vrlo su va žni 13
za primenu. Po jedan od tih namotaja se povezuje na red u linije za napajanje odre ðenog ureðaja. Pri povezivanju treba voditi brigu da se poni šte polja koja su rezultat radnih struja a struje smetnji treba da se priguše u što veãoj meri. Kalemovi sa jezgrom se uglavnom koriste za filtraciju, usrednjavanje i ka šnjenje signala, a postoje i radiotehni èke primene. Grafièki simboli za kalemove su prikazani na slici 1.6.
Slika 1.6. Grafiè ki simboli za kalemove: a) op š ta oznaka, b) kalem sa feromagnetnim jezgrom, c) kalem promenljive induktivnosti, d) magnetno spregnuti kalemovi sa oznaè avanjem poè etaka motanja. (a)
(b)
(c)
(d)
1.1.4. Transformatori Skoro bez izuzetaka transformatori se prave sa jezgrom od feromagnetnog materijala. Na jezgru se redovno nalaze dva ili vi še namotaja. Zahvaljujuãi zajednièkom magnetnom polju koje obuvata namotaje, mogu se preneti signali odnosno energija iz jednog namotaja u drugi. Jezgra se realizuju od istih materijala kao jezgra kalemova (ta èka 1.1.3) s tim da je ovde jezgro obièno zatvoreno. Vrlo retko, na primer kod indukcionog grejanja se koriste transformatori sa vazdušnim jezgrom (bez feromagnetnog materijala). Namotaji se prave od bakarne žice sa lak izolacijom, reðe od lima ili cevi. Osnovi podaci za odre ðeni transformator su nazivna snaga, radna frekvencija, prenosni odnos i koeficijent sprege. Snaga je ograni èena zasiãenjem i zagrevanjem. Radna uèestanost uglavnom zavisi od materijala jezgra ali na vi šim frekvencijama bitan faktor je i raspored namotaja. Prenosni odnos je odnos napona i struja na odgovaraju ãim namotajima što približno odgovara odnosu broja zavojaka u tim namotajima. U slu èaju dva namotaja na primer važi:
N 1 N 2
!
V 1 V 2
!
I 2 I 1
, ................................................................................................................(1.12.)
gde je: N 1 , N 2 - brojevi zavojaka, V 1 , V 2 – naponi na odgovaraju ãim namotajima, I 1, I 2 – struje kroz odgovaraju ãe namotaje. Koeficijent sprege ima veze sa rasipanjem magnetnog fluksa transformatora. Ako bi sav fluks prolazio kroz oba namotaja, koeficijent sprege bi bio jedini èni odnosno 100% . U svakom realnom sluèaju postoji rasipanje polja, što smanjuje koeficijent sprege ispod jediniène vrednosti. Posledica toga je promena prenosnog odnosa pri optere ãenju transformatora Transformatore sa koeficijentom sprege blizu 100% se koriste u jedinicama za napajanje i pojaèavaèima. Transformatori sa lošijom spregom su predviðeni za punjaèe akumulatora, za aparate za zavarivanje i za indukciono zagrevanje. Glavna primena transformatora je prenos signala odnosno energije sa visokim stepenom iskori šãenja, bez galvanske sprege. U toku prenosa nivoi signala se mogu proizvoljno menjati što omoguãava prilagoðenje impedanse. Jednu posebnu vrstu transformatora èine autotransformatori i regulacioni transformatori. Kod njih ulazni napon se priklju èuje izmeðu dve taèke jednog jedinstvenog namotaja, a izlaz se 14
datog skida sa druge dve ta èke. Izostavljanjem drugog namotaja nazivna snaga transformatora kod datog jezgra se može poveãati. Nedostatak je što u ovom sluèaju postoji galvanska sprega izmeðu ulaza i izlaza. Regulacioni transformator je specijalan autotransformator kod koga priklju èna taèka izlaza se može pomerati pomoãu jednog klizaèa i time se može kontinualno pode šavati izlazni napon. Jedan deo transformatora se mo že naãi kao gotova komponenta (na primer mrežni transformatori) dok druge mora korisnik da prora èunava i da mota na odgovarajuãe èelièno ili feritno jezgro. Grafièke oznake za razne tipove tipove transformatora su prikazane na slici 1.7.
ke oznake za Slika 1.7. Grafiè ke transformatore: a) transformator bez feromagnetnog feromagnetnog jezgra, b) transformator sa jezgrom, c) autotranformator, d) regulacioni transformator.
(a)
(b)
(c)
(d)
1.1.5. Hemijski izvori elektri ène energije Veãina elektronskih ureðaja se napaja iz gradske mreže ali kod prenosnih ureðaja i ureðaja za besprekidno napajanje mora postojati alternativni izvor energije. Takvi alternativni izvori mogu biti hemijski izvori kod kojih se energija èuva u vidu hemijskih jedinjenja. Hemijskim putem u datoj zapremini se mo že akumulisati za nekoliko redova velièine više energije nego u elektriènom polju kod kondenzatora. Nasuprot tome brzina vra ãanja energije iz hemijskih izvora je za redove velièina manja. Hemijski izvori se sastoje iz odgovaraju ãih ploèa izmeðu kojih se nalazi elektrolit. Aktivni materijali za èuvanje energije se nalaze na povr šinama ploèa. Hemijske izvore delimo u dve grupe: akumulatori i suve ãelije. Akumulatori su ponovo punjivi nakon iskori šãenja sadr žane energije dok suve ãelije nisu ponovo punjive. Prema primenjenim materijalima razlikujemo olovne akumulatore, nikel-kadmijumove (NiCd) akumulatore, NiMH akumulatore, Li-ion akumulatore itd. Vrsta materijala dobrim delom odreðuje radni vek akumulatora i kolièinu energije koja se može akumulisati u datoj zapremini (gustina energije). jedne ãelije Osnovni tehni èki podaci za akumulatore su nazivni napon i kapacitet. Napon jedne obièno nije dovoljan (1V-2V ) zato se vi še ãelija redno vezuje i do bijaju akumulatorske baterije. Kod akumulatora pod kapacitetom se podrazumeva ukupna koli èina naelektrisanja ("idt ) koja se mo že dobiti iz akumulatora u toku pra žnjenja. Stvarni k apacitet apacitet mo že znatno da odstupa od nazivnog kapaciteta: sa porastom struje pra žnjenja dolazi do pada kapaciteta. Radni vek akumulatora se mo že zadati u godinama (u sluèaju stand-by stand-by režima) ili preko oèekivanog broja punjenja i pražnjenja. Broj ciklusa može da se menja od nekoliko stotina do nekoliko hiljada u zavisnosti od materijala i od tehnologije. Zna èajan uticaj ima i vremenski tok punjenja i pra žnjenja. Ranije su akumulatori proizvedeni sa te ènim elektrolitom, u novije vreme sve više ima akumulatora sa gel elektrolitom. Prednost ovih drugih je da se mogu okretati i ugraditi u bilo kom položaju, elektrolit neãe iscuriti. 15
Po oblasti primene razlikujemo „stand by” akumulatore, startne akumulatore i akumulatore za elektriènu vuèu. Kod „stand by” primena primena najvažnije je malo samopražnjenje i dugaèak radni vek. Startni akumulatori moraju da podnesu velike struje pra žnjenja bez ošteãenja. Akumulatori za elektri ènu vuèu se prazne sa umerenim strujama ali moraju biti optimizirani na veliki broj ciklusa punjenja i pra žnjenja. Punjenje akumulatora zahteva izvesnu stru ènost i odgovarajuãi punjaè. Olovni akumulatori se pune sa takozvanom IV ili ili IVV metodom. metodom. Su ština IV metode metode je da se na po èetku punjenja akumulator napaja konstantnom strujom a kad napon punjenja posti že odgovarajuãi nivo, dalje se održava konstantan konstantan napon uz opadajuãu struju. Kod IVV metode metode po èetak scenarije punjenja je slièan kao kod IV metode, metode, stim da je u nivoa, prelazi se poèetku podešen viši naponski prag a kad struja u toku punjenja padne ispod nekog nivoa, prelazi na niži napon korišãen kod IV metode. metode. Uslo žnjavanje postupka punjenja je opravdano zbog skraãivanja ukupnog vremena punjenja. Na slici 1.8 prikazani su karakteristièni dijagrami za navedene dve metode.
I
I V
0
2
4
6
8
10
V
12
t[h] 14
t[h] 0
2
(a)
4
6
(b)
Slika 1.8. Krive punjenja olovnih akumulatorai: a) IV metoda, b) IVV metoda.
Kod NiCd i NiMH akumulatora se tako ðe može primeniti konstantna struja za punjenje, postoji meðutim izvesna nesigurnost u odreðivanju kraja procesa punjenja. Ranije su predlagali punjenje do prora èunatog vremena pri èemu se podrazumevalo da je akumulator bio potpuno prazan na poèetku punjen ja. Danas se primenjuje primenjuje metoda dv/dt što polazi od toga da na kraju punjenja prestaju povoljni hemijski procesi i time stane i dalji porast napona akumulatora. Kad se ispuni # 0, punjaè treba automatski da se iskljuèi. uslov dv/dt # Suve ãelije, kao što je reèeno, ne mogu se puniti. Najvažniji tehnièki podaci za njih su nazivni napon, kapacitet (daje se samo u detaljnijim opisima) i dimenzije. Jedan deo njih se optimizuje na kratkotrajna ali velika optere ãenja. To su takozvani „heavy duty” tipovi koji se koriste u prenosnim radio prijemnicima, magnetofonima itd. Nasuprot tome kod „long life” tipova najvažniji je dugaèak radni vek (nekoliko godina) pri maloj potrošnji. Ovi se primenjuju u èasovnicima, daljinskim upravljaèima televizora itd. hemijskih izvora su date na slici 1.9. Grafièke oznake hemijskih Slika 1.9. a) Akumulator ili suva ãelija od ena od vi š š e jedne ãelije, b) baterija izrað ena suvih ãelija ili od vi š e akumulatorskih ãelija.
(a)
16
(b)
1.1.6. Hladnjaci Hladnjaci su elektromehani èke komponente. Uloga im je da saèuvaju druge komponente velike snage od pregrevanja. Preuzetu toplotu izbacuju u okolinu (obi èno u okolni vazduh). Redovno se prave od aluminijuma uz odgovaraju ãe oblikovanje da se dobije velika povr šina (rebrasti profili). d imenzije. Toplotna otpornost se Za hladnjake najva žniji podaci su toplotna otpornost i dimenzije. raèuna po formuli: RT
!
%T P
..........................................................................................................................(1.13.)
gde je: ÄT ÄT – priraštaj temperature hladnjaka, hladnjaka, – prira P – snaga snaga predata hladnjaku. Hladnjak se mora tako dimenzionisati da temperatura elementa koji se hladi ne poraste iznad dozvoljene vrednosti. Treba polaziti od najvi še moguãe temperature okoline i treba uzeti u obzir i unutra šnje priraštaje temperature komponente koja se hladi. Po potrebi efekat hlaðenja se može medijuma kroz hladnjak. pojaèati dogradnjom ventilatora ili cirkulacijom teènog medijuma U veãini sluèajeva komponenta koja se hladi ne sme da bude u galvanskoj vezi sa hladnjakom. Ranije za izolaciju je kori šãen liskun pošto je liskun dobar elektrièni izolator a ujedno i dobar provodnik toplote. Zbog loših mehanièkih osobina osobina (krtost) danas se umesto liskuna koristi silikonska guma. Zahvaljuju ãi svojoj elastiènosti, silikonska guma veã pod laganim pritiskom ispunjava neravnine na hlaðenja kontaktnim povr šinama hladnjaka i elementa koji se hladi. Takoðe je prednost da se efekat hla ne kvari ni nakon velikog broja ciklusa grejanja i hla ðenja, isto se ne mo že reãi u vezi liskuna. Ako je mogu ãe, hladnjak treba postaviti van kutije ureðaja (može da se koristi kao jedan zid aja. Alternativno re šenje je da se obezbedi kutije), inaèe se može oèekivati pregrevanje celog ureðaja. kanal za prolaz vazduha za hla ðenje kroz kutiju (praveãi odgovarajuãe rupe). Hladnjaci se obi èno ne obeležavaju na elektriènim šemama.
1.1.7. Prekidaèi potrebi (povezivanje ili razdvajanje Uloga prekida èa je modifikacija elektriènih kola po potrebi (povezivanje izvesnih taèaka). Upravljanje sa njima može biti mehanièko (pritiskom, povlaèenjem...), elektromagnetom (sopstvenom ili spoljnom strujom), pod uticajem temperature (reagovanje na sopstveno grejanje ili spoljno grejanje), ili elektronsko (solid state releji). Osnovni podaci kod prekida èa su broj polova i broj položaja, opteretljivost i parametri upravljanja. Pol je pokretni deo prekida èa koji može da spaja odreðene izvode prekidaèa. Kod prostijih prekida èa postoji samo jedan pola pola ali za istovremeno obavljanje slo ženijih funkcija prekidanja prave se vi šepolni prekidaèi. Broj položaja definiše u koliko razlièitih položaja se može dovesti pol. U veãini sluèajeva nakon prebacivanja prekida èi ostaju u novom položaju, inaèe je reè o tasteru. U vezi opteretljivosti navode se izvesni naponi i struje. Što se tièe napona, važno je koliki napon može da izdr ži prekidaè u toku iskljuèivanja i u iskljuèenom stanju. U vezi struje potrebno je znati termi èku struju (vrednost koju prekidaè može da toleriše u ukljuèenom stanju) i struju prekidanja (struja koja mo že da postoji pre iskljuèivanja odnosno u toku iskljuèivanja). 17
Bitno je znati da i u pogledu napona i u pogledu struje va že bitno drugaèiji podaci pri naizmeni ènoj i pri jednosmernoj struji za isti prekida è. Mnogo je lak še prekinuti naizmeniènu struju jer elektrièni luk koji se javlja izmeðu kontakata u toku prekidanja, prirodno se gasi pri prolascima naizmeni ène struje kroz nulu što nije sluèaj kod jednosmerne struje. Iz ovog razloga naizmenièna opteretljivost prekida èa je uvek daleko veãa od jednosmerne. Mehanièki prekidaèi se mogu aktivrati prebacivanjem, potiskivanjem, povlaèenjem, okretanjem itd. Kod elektromagnetnih prekida èa (releji, kontaktori, zaštitni prekidaèi) treba zadati struju, napon i otpornost namotaja koji vr ši upravljanje. Treba znati da li se upravljanje vr ši jednosmernom ili naizmeni ènom strujom. Namotaji elektromagnetnih prekida èa koji se upravljaju naizmeniènom strujom su manji od onih za jednosmernu struju. U toku aktiviranja krene velika struja kroz namotaj zbog male impedanse namotaja. U toku uklju èivanja zatvori se jezgro namotaja, poraste impedansa i pobudna struja padne na malu vrednost (koju prekida è može da izdr ži trajno). Pri upravljanju jednosmernom strujom vrednost struje se ne menja u toku uklju èivanja, namotaj se dimenzioni še tako da može trajno da izdr ži veliku struju koja je potrebna za ukljuèivanje. Kod svakog elektromagnetnog prekida èa postoji izvestan histerezis u upravljanju: potreban je znatno veãi signal za aktiviranje nego što je potrebno za odr žavanje stanja. U ovom pogledu problemi se obi èno pojavljuju pri iskljuèivanju: ako upravljaèki signal ne padne baš na nultu vrednost, prekida è može (greškom) da ostane u ukljuèenom stanju. Kod elektronskih prekida èa struju ne prenose mehanièki kontakti veã se otvara/zatvara izvestan poluprovodni èki kanal. Pošto i tu ima potrebe za galvanskim odvajanjem kanala od upravlja èkog signala, obièno se koristi optièka sprega. S obzirom da postoji velik broj razli èitih vrsta prekida èa, koristi se i veliki broj grafièkih oznaka. Nekoliko od njih je prikazano na slici 1.10.
1.1.8. Elementi za spajanje Pod elementima za spajanje se podrazumevaju razli èiti elektronski elementi èija uloga je da omoguãavaju elektrièno sprezanje i rasprezanje izme ðu odreðenih delova ureðaja. Tu ubrajamo redne stezaljke, konektore, utika èe itd. Redne stezaljke su metalni kontakti sa vijkom zaliveni u plasti èni nosaè. Kod nekih postoje izvodi za lemljenje, kod nekih ne. Njihova uloga je da unutra šnje ožièenje ureðaja uèine lak šim i pouzdanijim. Konektori se sastoje iz metalnih vrhova ili èaura koji su zaliveni u plastièni nosaè. Tako formirane komponente se leme u štampanu ploèu ili se montiraju na kabel. Sastavljanjem dela sa vrhovima i dela sa èaurama možemo meðusobno spajati štampane ploèe, kabel sa štampanom ploèom, itd. Utikaèi omoguãavaju spajanje odreðenih taèaka jedno po jedno. I ovi se sastoje od metalnih vrhova i èaura ali su znatno masivnije izvedbe. Obièno se koriste za povezivanje instrumenata u merno kolo. Osnovni podaci u vezi elemenata za spajanje su broj kontakata (vrhovi ili èaure), dimenzije i opteretljivost u pogledu napona i struje. Struja je limitirana zagrevanjem usled prelazne otpornosti kontakata a napon je odre ðen probo jnim naponom plastiènog nosaèa.
18
(a)
(b)
(c)
(d)
Slika 1.10. Grafi è ki simboli za prekidaè e: a) jednopolni prekidaè , samo radni kontakt, b) jednopolni dvopolo ž ajni (naizmeniè ni prekidaè , c) elektromagnetni prekidaè (osiguraè ), d) solid state relej.
Razni grafi èki simboli koji se koriste za elemente za spajanje prikazani su na slici 1.11.
1 2 3 4 5
Slika 1.11. Grafi è ki simboli elemenata za spajanje: a) konektor, b) redna stezaljka, c) utika è .
(a)
1 2 3 4 5
(b)
(c)
1.1.9. Osiguraèi U vanrednim situacijama (preoptere ãenje, kratak spoj) u elektronskim ureðajima se pojavljuju prevelike struje. Te prekostruje mogu da stvaraju zna èajne probleme za ureðaj i okolinu, može da nastupi i požar. Protiv prekostruja ure ðaj se može zaštititi primenom osiguraèa. Zaštita se ostvaruje na taj naèin što osiguraè u kritiènom momentu odvoji potrošaè od izvora energije. Treba odmah naglasiti da osiguraèi ne mogu da se koriste za taèno ogranièenje struje odnosno snage jer postoje velike tolerancije me ðu krivama okidanja pojedinih osiguraèa. Takoðe je važno napomenuti da je okidanje osigura èa relativno spor proces sem ako je prekostruja vi šestruka od nazivne (kratak spoj). Iz sporosti okidanja sledi da se osigura èi ne mogu koristiti za zaštitu poluprovodnièkih komponenti ali uspe šno štite štampane veze, ožièenja, prekidaèe, konektore i druge elektromehani èke komponente Na osnovu principa rada razlikujemo topljive, elektromagnetne i termi èke osiguraèe. Aktivni deo kod topljivih osigura èa je jedna tanka nit koja se usled prekostruje pregreje i istopi i time prekine strujni krug u kome se nalazi. Vreme reagovanja (topljenja) se mo že fabrièki podešavati zato razlikujemo brze, obiène i spore osiguraèe koji se redom obeležavaju slovima F, M i T. Brzi osigura èi pružaju bolju zaštitu ali kod potrošaèa kod kojih se regularno pojavljuju prekostruje nakon uklju èivanja (motor , transformator, prekida èko napajanje) neophodno je koristiti spore osigura èe. Što se tièe mehanièke izvedbe topljivih osiguraèa, postoje staklene, porculanske i ploèaste izvedbe. Kod staklenih osigura èa nit se namesti duž osovine jedne staklene cevèice èi ji krajevi se zatvaraju metalnim kapicama. Sli ène konstrukcije su i osiguraèi predviðeni za povr šinsku montažu stim da se koristi kerami èko telo i dimenzije su znatno mamje. Stakleni osiguraèi se ili montiraju na 19
elasti ène metalne nosaèe u štapanoj ploèi ili se postavljaju u plasti èna kuãišta montirana na zid kutije. Telo porculanskih osigura èa je vretenastog oblika, aktivni deo se nalazi duž osovine, krajevi su zatvoreni sa metalnim kapicama. Obi èno se primenjuju u energetici jer se na ovaj naèin mogu proizvesti osigura èi za veliki napon i veliku struju. Ploèaste osiguraèe najviše primenjuju u industriji automobila. Dve ploèice koje ujedno èine izvode povezuju sa tankom provodnom trakom, a zatim se sve to zalije u plasti èno kuãište. Ovako dobijeni osigura èi su relatino sporog okidanja, pogodni su za niske napone i velike struje. Elektromagnetni osigura èi su u stvari prekidaèi koji se iskljuèuju sopstvenom strujom. Vrlo su popularni jer nakon aktiviranja mogu se ponovo vratiti u radni polo žaj (ništa ne pregor i) i ujedno mogu da slu že i kao prekidaèi za ukljuèivanje/iskljuèivanje ureðaja (mada ne mogu da podnesu toliki broj prekidanja kao pravi prekida èi). Termièkih osiguraèa ima dve vrste: topljive i bimetalne izvedbe. Topljivi termièki osiguraèi sadrže speci jalnu leguru koja se topi na taènoj temperaturi i time se prekine strujni krug. Ugraðuju se u namotaje transformatora i motora, name štaju se pored grejaèa i na taj naèin pružaju zaštitu od pregrevanja. Aktivni deo bimetalnih termi èkih osiguraèa èini jedno parèe lima presovano od dve vrste metala. Usled razli èitog termièkog koeficijenta širenja, pri promeni temperature, dolazi do deformacije lima. Na odre ðenoj temperaturi deformacija bude tog nivoa da se prekinu kontakti vezani na lim i time se prekine strujni krug. Lim mo že da se greje usled struje kroz njega (u sluèaju zaštite motora) ili od okoline (zaštita grejaèa). Za razliku od drugih osigura èa termièki osiguraèi iskljuèuju pri dosta taènoj vrednosti struje odnosno temperature. Kod bimetalnih osigura èa redovno postoji i mogu ãnost podešavanja praga iskljuèivanja. Pored dimenzija osnovni tehni èki podaci za osiguraèe su nazivna vrednost struje i napona (kod termi èkih osiguraèa i temperatura). Nazivnu struju osiguraèi mogu da izdr že trajno, reagovanje se dešava iznad te struje. Vreme reagovanja zavisi od velièine prekostruje što se daje u vidu dijagrama Nazivni napon predstavlja maksimalnu vrednost napona koju osigura è može da trpi u toku prekidanja strujnog kola. U slu èaju pogrešnog dimenzionisanja može da se desi da pri prekidu niti struja nastavi da te èe kroz nastali elektrièni luk. Tako nastaju veliki gubici što dovodi do razaranja tela osiguraèa i razorno dejstvo može da se proširi i na okolinu. I kod osiguraèa važi primedba koja je data kod prekidaèa: mnogo lak še se prekida naizmeni èni strujni krug pošto se u tom sluèaju luk prirodno gasi pri prolascima naizmeniène struje kroz nulu. Osigura èi konstruisani za veliki jednosmerni napon su z ato nesrazmerno veliki. Grafièki simboli za razne tipove osiguraèa su dati na slici 1.12. Slika 1.12. Grafi è ki simboli osigura è a: a) topljivi osiguraè , b) elektromagnetni osigura è , c) bimetalni osi ura è .
(a)
(b)
(c)
1.1.10. Senzori Senzori su komponente koje primaju i pretvaraju neelektri ène signale sredine u kojoj se nalaze. Veli èina koju treba detektovati i pretvarati može biti temperatura, pomeraj (translacija, rotacija, istezanje), pritisak, svetlost ili drugo elektromagnetno zra èenje, magnetno polje itd. 20
Temperatura je verovatno naj èešãe merena neelektrièna velièina zato je razvijeno puno tipova senzora. Tu spadaju neki NTC i PTC otpornici (videti ta èku 1.1.1) i termoparovi. Termoparovi se sastoje od dve žice razlièitog hemijskog sastava. Po jedan kraj od tih žica se spoji zavarivanjem a izme ðu slobodnih krajeva se može meriti napon koji je srazmeran razlici temperature izme ðu spojenih i slobodnih krajeva. Obrada signala termopara zahteva veliku pažnju jer dobijeni napon je vrlo male vrednost. Za postizanje i odr žavanje jedne temperature mogu se primeniti i bimetalni sklopovi. Detekcija pomeraja mo že da se ostvari kontinualnim i diskretnim (digitalnim) senzorima. Potenciometri daju kontinualan signal (promena otpornosti). Sli èna je situacija i kod nekih induktivnih senzora. Kod njih pri pomeranju senzorskog kalema ili pri pomeranju nekog metalnog dela u blizini senzorskog kalema dolazi do promene neke elektri ène velièine (napon, frekvencija) u strujnom kolu kalema. Po potrebi izlaz induktivnog senzora mo že da se digitalizuje (ukljuèivanje/ iskljuèivanje u odreðenoj poziciji). Merne trake se formiraju od tankih metalnih traka koji se èvrsto zalepe na odreðenu metalnu površinu . Pri elastiènoj deformaciji metalnog dela pod uticajem sile dolazi do promene otpornosti trake. Velièina promene je izuzetno mala zato obrada dobijenih signala zahteva primenu preciznih kola. Glavna oblast primene mernih traka su elektronske vage. Enkoderi su senzori pomeraja sa digitalnim izlazom. Svetlosni mlaz opipava linije odnosno tamne i svetle povr šine sa optièkog diska i dobijeni rezultat se pretvara u brojni kod. Glavna oblast primene su delovi za pozicioniranje kod alatnih ma šina i mašinski merni instrumenti sa digitalnim prikazivanjem rezultata. Senzori svetlosti se redovno prave na bazi poluprovodnika. Upadaju ãa svetlost modifikuje broj slobodnih nosilaca ili uti èe na unutrašnje elektrièno polje što spolja gledano prouzrokuje promenu otpornosti, struje odnosno napona. Koriste se mnogi razli èiti senzori svetlosti u alarmnoj tehnici, ali ima i drugih primena, na primer uklju èivanje/iskluèivanje javne rasvete, zaštita rukovaoca kod opasnih ma šina itd. Pod uticajem magnetnog polja rade reed-prekida èi i Hall-ove sonde. Reed-prekida èi su metalni kontakti od feromagnetnog materijala zatopljeni u staklenu cev èicu. U prisusutvu magnetnog polja kontakti se privuku i zatvaraju spolja šnji strujni krug. Magnetno polje redovno potièe od stalnog magneta. Uz pomoã tih senzora rade digitalni mera èi brzine na biciklama, neki granièni prekidaèi, detektori rotacije itd. Kod Hall-ovih senzoa propu šta se struja kroz jednu poluprovodnièku ploèicu. U prisusutvu magnetnog polja pojavljuje se napon izme ðu dve ivice ploèice. Na tom principu mogu se meriti magnetna polja elektri ènih mašina, ali se može ostvariti i beskontaktno merenje struje. Grafièki simboli nekih senzora su dati na slici 1.13.
Slika 1.13. Grafiè ki simboli za razliè ite senzorske komponente: a) termopar, b) detektor polo ž aja sa potenciometrom, c) reed prekidaè .
(a)
(b)
(c)
1.1.11. Provodnici i kablovi Za unutrašnje ožièenje, motanje i spoljno povezivanje ureðaja koriste se razni provodnici i kablovi. Provodni deo se skoro isklju èivo pravi od bakra, eventualno se povr šina pocinkuje (Zn) ili posrebri (Ag). Kao izolacioni materijal koristi se lak, PVC, polietilen, guma i ponekad svila i papir. 21
Žice sa lak izolacijom se uglavnom koriste za namotaje elektri ènih mašina. Lak je dobar elektri èni izolator, podnosi dosta visoke temperature, na žalost mehanièki je jako osetljiv pošto se koristi vrlo tanak sloj laka. Ipak za namotavanje su ove žice najbolje jer omoguãavaju racionalno korišãenje prostora za motanje (izolacioni sloj zauzima samo mali deo preseka), takoðe preko njih se ostvaruje efikasan prenos toplote iz unutra šnjosti elektriènih mašina. PVC izolacija je jeftina, elasti èna i veliki joj je probojni napon. Nedostatak je što se PVC o o veã na 70 C omek ša a oko 0 C je veã jako krut, lomljiv. Takoðe je nedostatak što su joj veliki dielektri èni gubici na visokim frekvencijama, zato se ne može koristiti u radiotehnici. Gubici polietilena su znatno manji, zato se na primer izolacija antenskih kablova pravi od polietilena. Prednost gumene izolacije je što izdr žava visoke temperaturu i ne gubi elastiènost u širokom temperaturnom podru è ju. Osnovni tehni èki podaci u vezi kablova su broj žila (provodnika), presek provodnika, sastav i konstrukcija izolacionog sistema. Provodnici se mogu praviti od pune žice i od licni. Licnasti kablovi se mnogo lak še savijaju i oblikuju i teže se lome. Presek kabla može biti okrugao ili pljosnat (trakasti kablovi). Za prenos osetljivih signala koriste se širmovani kablovi. Kod tih kablova ispod spoljne izolacije nalazi se metalni pla št koji prigušuje razne smetnje.
1.1.12. Kutija ure ðaja U veãini sluèajeva elektronski ureðaji se ugraðuju u kutiju koja sa jedne strane pridr žava, fiksira odreðene blokove i komponente, sa druge strane pruža zaštitu od mehanièkih ošteãenja, prašine, hemikalija i stranih polja. Kutija se može napraviti od metala ili od plastike. Prednost plastike je što obezbeðuje besplatnu izolaciju što èini suvišnim druge metode za štite od opasnog napona dodira. Mana je što veãina plastiènih materijala se omek ša pri porastu temperature, loše odvode toplotu nastalu u kutiji i postoji opasnost od po žara. Metalne kutije ( èelik ili aluminijum) bolje podnose mehanièka optere ãenja i povišene temperature. Kod njih obavezna je primena za štitnog uzemljenja. Pri unutrašnjoj montaži mora se paziti da se delovi ure ðaja pod opasnim naponom ne smeste blizu metalnih delova kutije. Pri montaži delovi ureðaja se mogu fiksirati direktno na zidove kutije ili na neki ram ili šine. Poželjno je dr žati se pravila da spolja treba da su pristupaèni samo oni vijci koji slu že za otvaranje kutije. Kod velikoserijskih proizvoda proizvo ðaèi konstruišu svoju kutiju ili im to neko drugi iskonstrui še. Kod pojedinaènih i maloserijskih proizvoda na raspolaganju je veliki izbor gotovih tipskih kutija. U slu èaju skromnijih zahteva, uz pomoã odgovarajuãih alata za seèenje i savijanje lima kutija se mo že napraviti i u kuãnoj režiji.
22
1.2. AKTIVNE KOMPONENTE
Nastajanje i razvoj elektronike su omogu ãili aktivni elementi. Prvo su se pojavile elektronske cevi i vladali su u elektronici u prvoj polovini XX veka. Njihovo kori šãenje su ograni èavali veliki gabariti i znaèajna potrošnja. U meðuvremenu je uloženo puno truda u razvoj poluprovodnièkih sklopova ali komponenta koja je mogla vr šiti kontrolisano prekidanje i pojaèanje je iznaðena tek posle drugog svetskog rata (1946). Ta komponeta je bila bipolarni tranzistor, ona je u primeni sve do danas. Nakon tog pronalaska usledila je serija drugih pronalazaka iz kojih su proiza šli tiristori i razne varijante tranzistora sa efektom polja. Pored diskretnih elemenata ubrzo se razvijala i integrisana tehnika (po èev od 1958. godine), gde se na jednoj poluprovodni èkoj ploèici može napraviti i povezati veãi broj aktivnih i pasivnih komponenti. Zahvaljuju ãi integrisanoj tehnici, postignuta je znaèajna minijaturizacija što je omoguãila razvoj i primenu novih, složenih kola. U ovom delu ãe se napraviti kratak pregled važnijih diskretnih elemenata.
1.2.1. Diode Poluprovodni èke diode su svoj naziv nasledili od elektroskih cevi sliène namene, sa dve elektrode. Diode ne mogu da vr še pojaèanje signala (struja, napon) ali u ogranièenom smislu mogu da vrše prekidanje. Taènije reèeno, grana elektriènog kola koja sadr ži diodu postaje jednosmerna. Mnoge primene su upravo bazirane na tom svojstvu (usmera èi, limiteri napona, demodulatori). U idealnom slu èaju karakteristika diode se sastoji iz dve poluprave (slika 1.14). Od dva moguãa smera dioda u jednom smeru (direktni smer) propušta struju, pri tome ispoljava zanemarljivi pad napona. U drugom smeru (inverzni smer) ne mo že da potekne znaèajna struja, bez obzira na primenjeni napon. I
Slika 1.14. Strujnonaponska karakteristika idealne diode.
V
Poluprovodni èka dioda je dvoslojne strukture (slika 1.15) koja se formira tako da se u jedan deo poluprovodni èke ploèice (P sloj) dodaju primesni atomi èiji je broj valentnih elektrona manji od broja valentnih elektrona polaznog poluprovodnika dok se u drugi deo (N sloj) dodaju atomi sa veãim brojem valentnih elektrona. U P sloju na mestu valentnih elektrona postoji manjak elektrona što odgovara pozitivnom naelektrisanju (šupljina), isto može da se pomera pod uticajem elektriènog polja i može da uèestvuje u provoðenju elektriène struje. U N delu postoje slobodni elektroni koji takoðe mogu da provode struju. 23
A P
Slika 1.15. Struktura poluprovodniè ke diode.
N K
Povezivanjem diode u spoljno kolo struja mo že da potekne od P sloja prema N sloju a u suprotnom smeru ne mo že da doðe do proticanja struje. To se objašnjava time što elektrièno polje usmereno od P dela prema N delu mo že da prebaci šupljine u N oblast i elektrone u P oblast, a pri suprotnom smeru elektri ènog polja ne postoje nosioci koji bi prelazila preko graniène oblasti (PN spoj). Postojeãi nosioci naelektrisanja pod uticajem spoljnog polja ãe se u ovom sluèaju udaljiti od graniène oblasti. Time se objašnjava usmeraèko dejstvo diode. Nakon dopiranja primesnim atomima na poluprovodni èku ploèicu se prikljuèe izvodi (na P deo se prikljuèuje anoda – A, na N deo katoda – K) i ugrade je u odgovaraju ãe kuãište. Strujno-naponska karakteristika poluprovodni èke diode je eksponencijalna, može se opisati sledeãom formulom: I ! I S (e
V
qV
' V T
' kT
# 1) ! I S (e
# 1) .........................................................................................(1.14.)
gde je: I S – struja zasiãenja, ç – faktor koji zavisi od primenjenog poluprovodnika (konstanta), V T – termi èki napon, q – naelektrisanje elektrona, k – Boltzmanova konstanta, T – apsolutna temperatura. Stvarna karakteristika je prikazana na slici 1.16. Obi èno se smatra da je ova karakteristika dobra aproksimacija idealne karakteristike sa slike 1.14. U inverznom smeru struja je zaista zanemarljiva ( I=-I S( 0) , meðutim u direktnom smeru neophodno je uzeti u obzir konaèan prag otvaranja odnosno pad napona (obi èno spada u opseg od 0,5V do 1V ). U sluèaju velikog inverznog napona kod stvarne diode se pojavljuje proboj (slika 1.16). Pri približnoj analizi elektronskih kola sa diodama koriste se modeli dati na slici 1.17. U direktnom smeru pad napona se uzima u obzir sa naponskim generatorom konstantnog napona ( V D), nezavisno od vrednosti struje, dok u inverznom smeru prosto prekidamo granu koja sadr ži diodu. Smer polarizacije diode (direktan ili inverzan) treba odrediti iz preostalog dela kola. Na visokim frekvencijama odnosno u prekida èkom režimu treba uzeti u obzir parazitne kapacitete poluprovodni èkih slojeva i konaèno vreme ukljuèivanja/iskljuèivanja. Pored osnovne varijante poluprovodni èke diode razvijeno je i nekoliko posebnih vrsta. To su: Zener-ova dioda, tunel dioda, varikap dioda i Schottky-jeva dioda. Grafi èki simboli za razne diode su dati na slici 1.18. Zener-ova dioda je predvi ðena da trajno radi u probojnoj oblasti, naravno inverznu struju odnosno snagu gubitaka (proizvod napona i struje) treba ograni èiti. Pošto je probojni napon relativno stabilne vrednosti, Zener-ove diode su pogodne za formiranje izvora referentnog napona ali mogu da se koriste i za ograni èenje napona (zaštita od prenapona). 24
I
V
~~
Slika 1.16. Stavrna karakteristika poluprovodniè ke diode.
Slika 1.17. Pribli ž ni mre ž ni modeli za diode: a) u provodnom stanju, b) u zakoè enom stanju.
+ A I D
VD =const. K
(a)
A I =0 D
K
(b)
Karakteristika tunel diode nije monotono rastu ãa, veã sadrži jedan segment sa negativnom diferencijalnom otporno šãu. Zahvaljujuãi negativnoj otpornosti sa tunel diodom se mogu konstruisati oscilatori, modulatori itd. za visoke u šestanosti. Slika 1.18. Grafi è ki simboli za razne diode: a) obi è na dioda, b) Zener-ova dioda, c) tunel dioda, d) varikap dioda, e) Schottky jeva dioda. Kod svih oznaka gornji kraj je anoda.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Kod varikap dioda iskori šãava se pojava da kapacitet slojeva poluprovodnika zavisi od primenjenog inverznog napona. Varikap diode se koriste za pode šavanje ureðaja, za nameštanje frekvencije. Umesto dva sloja poluprovodnika Schottky-jeve diode se sastoje od sloja metala spojenog sa slojem poluprovodnika. Ovom konstrukcijom mo že se otprilike prepoloviti pad napona na diodi, što kod primena za velike struje donosi zna èajnu uštedu. U drugim sluèajevima ista osobina omoguãava efikasniju limitaciju napona nego što je moguãe sa diodom sa PN spojem. Nedostatak strukture metal-poluprovodnik je što se ne mogu realizovati komponente sa velikim inverznim probojnim naponom. Osnovni tehni èki podaci za diode su: - Radna struja (srednja vrednost - I FAV , ili efektivna vrednost - I FRMS ) je ona vrednost struje koju dioda mo že trajno da izdrži pri izvesnoj temperaturi kuãišta. 25
- Dioda se kratkotrajno mo že opteretiti sa vr šnom strujom koja je obièno za red velièine veãa od radne struje. Detaljniji katalozi posebno daju ponavljajuãu ( I FRM ) i jednostruku vr šnu vrednost struje ( I FSM ). - Probojni napon ( V BR) je najveãi napon do koje dioda može da se primenjuje. - Pri naglom prelasku iz direktnog smera u inverzni, kroz diodu mo že u kratkom vremenu da proðe znaèajna struja dok se ne isprazne svi nosioci naelektrisanja iz okoline PN spoja. To kratko vreme je vreme oporavka diode ( t rr ). Po ovom kriterijumu diode delimo na obi ène, brze i ultrabrze. U zavisnosti od struje, napona i oblasti primene poluprovodni èke diode se ugraðuju u razna kuãišta, od koji je nekoliko prikazano na slici 1.19.
(a)
(b)
(c)
(d)
Slika 1.19. Razni oblici ku ãi š ta za diode: a) k uãi š te za povr š insku monta ž u SOD123, b) aksijalno ku ãi š te DO-41, c) plastiè no kuãi š te TO-220AC, d) metalno ku ãi š te DO-4 sa navojem.
1.2.2. Bipolarni tranzistori Bipolarni tranzistor je istorijski gledano prva poluprovodni èka komponenta koja primenom kontrolnog signala u pomo ãnom strujnom kolu može postepeno ili skokovito da menja struju u glavnom strujnom kolu. Sam naziv tranzistor je engleska kovanica (transfer+resistor) što upuãuje na kontrolabilnu otpornost. Atribut bipolarni (koji se èesto i izostavlja) je u upotrebi jer obe vrste nosioca naelektrisanja (elektroni i šupljine) igraju znaèajnu ulogu u radu bipolarnog tranzistora. Po strukturi bipolarni tranzistor je troslojna komponenta, druga èije reèeno sadr ži dva PN spoja kod kojih je jedan od slojeva (baza – B) zajedni èka. Spoljašnji slojevi èine emitor (E) i kolektor (C). Po što je baza tanka, izmeðu navedenih PN spojeva postoji meðusobni uticaj, struja jednog PN spoja modifikuje struju drugog PN spoja. Slojevi poluprovodnika P i N tipa se mogu pore ðati na dva naèina u strukturi tranzistora: tako postoji NPN i PNP tranzistor. Dva mogu ãa rešenja sa svojim grafièkim simbolima su pr ikazana na slic 1.20. Karakteristike NPN tranzistora su redovno bolje zato se èešãe koriste u praksi. Postoje meðutim elektronska kola koja su rešiva samo PNP tranzistorima ili primenjuju obe vrste tranzistora.
26
C
C
N
Slika 1.20. a) Struktura i simbol NPN tranzistora, b) struktura i simbol PNP tranzistora. Tu su izvodi oznaè eni odgovarajuãim slovima, to kasnije ne ãe se praktikovati.
B
P B
P
N
N
P E
E
C
C
&
&
(a)
'
(b)
'
Tipièan naèin polarizacije NPN tr anzistora je dat na slici 1.21. Po navedenoj šemi spoj kolekto-baza (CB) je inverzno polarizovan odakle bi sledilo da ne provodi struju odnosno da u glavnom strujnom kolu nema struje. To ãe i važiti sve dok ne pokrenemo struju u pomoãnom strujnom kolu. Pri pozitivnoj polarizaciji spoja BE krene pomo ãna struja, dovode se nosioci naelektrisanja u blizinu spoja kolektor-baza što dovodi do nastanka glavne struje.
Slika 1.21 Uobi è ajeni naè in polarizacije NPN tranzistora: I – u pomoãnom strujnom kolu, II - u glavnom strujnom kolu.
Q
$ VEE
(
((
VCC
$ RE
RC
Postepenom promenom struje u pomo ãnom strujnom kolu struja u glavnom strujnom kolu se takoðe menja postepeno (to je takozvani linearni ili poja èavaèki režim), a skokovita promena dovodi do uklju èivanja/iskljuèivanja glavne struje (prekidaèki režim). U oba sluèaja snaga signala primenjenog u pomo ãnom strujnom kolu je za redove velièina manja od snage regulisane u glavnom strujnom kolu. Osnovni problem oko matemati èkog opisivanja tranzistora je da treba dati vezu izmeðu tri napona (V BE , V CB , V CE ) i tri struje ( I C , I E , I B). Olak šavajuãa okolnost je da su samo po dva napona i dve struje me ðusobno nezavisne, treãa se uvek može izraziti kao zbir ili razlika prve dve. Od raznih matemati èkih modela za opisivanje tranzistora zlatnu sredinu (u pogledu složenosti i taènosti) èine Ebers-Moll-ove jedna èine. Za NPN tranzistor te jednaèine su sledeãe:
I E
! I SE (e
V BE
V BC
' V T
' V T
# 1) # ) R I SC (e
# 1) ..............................................................................(1.15.) 27
I C
! # I SC (e
V BC
V BE
' V T
' V T
# 1) $ ) F I SE (e
# 1) ............................................................................(1.16.)
gde je: I SE – struja zasi ãenja spoja BE, I SC - struja zasiãenja spoja BC, )F - faktor strujnog poja èanja od emitora prema kolektoru, )R – faktor strujnog poja èanja od kolektora prema emitoru. Odgovaraju ãim promenama predznaka jednaèine (1.15) i (1.16) se mogu primeniti i na PNP tranzistor. Prvi èlanovi na desnim stranama jedna èina daju struje odgovarajuãeg PN spoja za sluèaj da ne postoji me ðusobni uticaj PN spojeva, dok drugi èlanovi upravo potièu od meðusobnog uticaja (tranzistorski efekat). Pri grafièkom prikazivanju navedenih jednaèina ne može se govoriti o krivama nego o familijama krivih. Oblik krivih zavisi od toga, izme ðu kojih promenljivih se prikazuje veza, ali i od toga koji izvod se smatra za ulaz, izlaz i referentnu ta èku. Slika 1.22 prikazuje tipiènu familiju ulaznih karakteristika a na slici 1.23 su izlazne karakteristike. U oba slu èaja emitor je uzet za zajedni èku taèku u pomoãnom i glavnom strujnom kolu. U ovakvom sluèaju govorimo o vezi tranzistora sa zajedni èkom bazom. Na slièan naèin se može formirati i veza sa zajednièkim kolektorom i zajedni èkom bazom. IB[uA]
VCE=0V VCE=0,2V
100
VCE=5V
80 60
Slika 1.22. Ulazne karakteristike NPN tranzistora (za jedan tipiè an tranzistor za male signale).
40 20 -5
V&'[V]
**
+,-
.,+
IC[mA] IB=40uA 4 IB=30uA
3
Slika 1.23. Izlazne karakteristike NPN tranzistora (za jedan tipiè an tranzistor za male signale).
IB=20uA
2
IB=10uA
1
IB=0uA
0
0
28
2
4
6
8
10 12
VCE[V]
Iz složenosti tranzistora proizilazi da se u toku eksploatacije mogu razlikovati razlièiti radni režimi. Za potrebe pojaèanja tranzistor se dovodi u aktivni režim. Preduslov za aktivni režim je direktna polarizacija spoja BE i inverzna polarizacija spoja BC. U aktivnom re žimu važi približno linearna veza izme ðu struje kolektora i struje baze:
I C
! * I B ........................................................................................................................(1.17.)
gde je: â – faktor strujnog poja èanja od baze prema kolektoru. Napon V BE je pribli žno konstantne vrednosti u celom aktivnom režimu. Po tome u aktivnom režimu za približni proraèun tranzistorskih kola možemo koristiti mrežne modele prikazane na slici 1.24 (modeli za velike i male signale). Pri upotrebi tranzistora na visokim frekvencijama potrebno je uzeti u obzir i parazitne kapacitete izme ðu slojeva poluprovodnika što je na slici 1.24.b naznaèeno isprekidanom linijom.
Slika 1.24. Mre ž ni modeli bipolarnog tranzistora: a) za velike signale i b) za male signale (hibridni- % ili Giacoletto-ov model.
C1
IB B
+ VBE=const.
C
B
/ IB
C r0
gmVbe C0
E
E
E
E
(a)
(b)
Granice aktivnog re žima èine zasiãenje i zakoèenje. Inverznom polarizacijom spoja BE (pretpostavimo da je spoj BC ve ã ranije bio inverzno polarizovan zbog aktivnog režima) pomoãna struja padne na nulu i govorimo o zako èenju. U ovakvom sluèaju celo modelovanje se svodi na odstranjivanje tranzistora iz kola po što su mu sve struje približno nulte vrednosti. Tranzistor ulazi u zasi ãenje ako mu se oba PN spoja direktno polarišu. U takvom sluèaju se može smatrati da su padovi napona na PN spojevima približno konstantne vrednosti a struje su I B. Odgovarajuãi mrežni odreðene spoljašnjim elementima. Jedino mora važiti nejednakost I C< â model je dat na slici 1.25. Slika 1.25. Mre ž ni model tranzistora u slu è aju zasiãenja. Referentni smerovi su odabrani za NPN tranzistor.
B
E
+
+
VBEsat =const.
C VCEsat =const. E
Ako se tranzistor naizmeni èno nalazi u zasiãenju i zakoèenju i èini brze prelaze preko aktivnog režima, govorimo o prekidaèkom režimu. U prekidaèkom režimu rade tranzistori u digitalnoj tehnici i u energetskoj elektronici. Inverzni aktivni re žim nastupa ako, u odnosu na aktivni režim, emitor i kolektor zamene mesta. Ovakva kombinacija se retko primenjuje. Granice oblasti sigurnog rada daju se preko takozvanog SOAR dijagrama (safe operating area – oblast sigurnog rada) (videti sliku 1.26). Pored osa I C i V CE navedena oblast je ome ðena 29
maksimalnom strujom kolektora ( I CM ), probojnim naponom BV CE (eventualno BV CB), maksimalnom snagom gubitaka i sekundarnim probojem. Smisao maksimalnih struja i napona je sli èan kao kod dioda. Snaga gubitaka je limitirana pregrevanjem poluprovodni èke ploèice. Hlaðenjem kuãišta tranzistora dozvoljena snaga gubitaka se može poveãati. Sekundarni proboj je slo žena pojava koja u prekidaèkom režimu dovodi do stradanja tranzistora. Su ština je u tome da u momentu iskljuèivanja nastaje velika gustina struje u baznoj oblasti koja je daleko od izvoda baze odnosno pri uklju èivanju struja se skoncentriše oko baznog prikljuèka. U oba sluèaja tranzistor gubi kontrolu i od lokalnog pregrevanja propadne (pukne ili se istopi poluprovodni èka ploèica).
IC ICM
Slika 1.26. Granice oblasti sigurnog rada bipolarnog tranzistora (SOAR): I – maksimalna struja, II – maksimalni napon, III – maksimalna snaga, IV – sekundarni proboj.
I
III
IV II BVCE
V
CE
U zavisnosti od snage za koju su predvi ðene, bipolarni tranzistori se ugraðuju u razlièita kuãišta. Nekoliko izvedbi je prikazano na slici 1.27.
(a)
(b)
(e)
(c)
(f)
(d)
(g)
Slika 1.27. Tranzistorska ku ãi š ta: a) kuãi š te SOT -23 za povr š insku monta ž u, b) izvedba TO-92, c) izvedba TO-126, d) izvedba TO-220, e) izvedba TO-247, f) izvedba TO-3, g) tranzistorski modul velike snage. 30
1.2.3. Spojni fetovi (jfet, fet) Ideja o kontroli poluprovodni èkog kanala popreènim elektriènim poljem je daleko starija od bipolarnog tranzistora (Lilinfeld, 1925), me ðutim na realizaciju je trebalo puno èekati. Tehnološka dostignu ãa vezana za razvoj bipolarnog tranzistora su omoguãila realizaciju takvih poluprovodnièkih kanala koja su pokazala zadovoljavajuãu osetljivost, odnosno bila su pogodna za upravljanje. Od tranzistora sa efektom polja prvo su se pojavili spojni fetovi (jfet). Naziv (junction field effect transistor – tranzistor sa efektom polja na bazi PN spoja) ukazuje na èinjenicu da, sa jedne strane, upravlja èki signal je izolovan od kanala pomoãu PN spoja, odnosno sa druge strane napon polarizacije PN spoja modifikuje provodnost kanala. Struktura jfeta je prikazana na slici 1.28. Polaznu poluprovodni èku ploèicu N tipa dopiraju atomima P tipa sa obe strane, tako se formiraju PN spojevi sa obe strane kanala. Tako se pravi N kanalni jfet. Polaze ãi od ploèice P tipa, sa N tipom dopiranja, dobija se P tip jfeta. Odgovarajuãe grafièke oznake su takoðe prikazane na slici 1.28. Izvodi kanala imaju sledeãe nazive: drejn (drainD i sors (source-S). Upravlja èka elektroda sa nazivom gejt (gate-G) se formira tako što se dva boèna izvoda sa poluprovodni èke ploèice spoje. G
Slika 1.28. Struktura i grafiè ki simbol za a) N kanalni i b) P kanalni jfet. Na grafiè kim oznakama dati su slovni simboli za pojedine izvode, š to se pri normalnoj upotrebi ne praktikuje.
G
P S
N D
N
S
P
N G
S
G D
S
G
(a)
D
P
D
G
(b)
Princip rada jfeta je relativo prost. Bez polarizacije PN spojeva ( V GS =0) kanal provodi relativno dobro. Pri inverznoj polarizaciji isprazne se nosioci naelektrisanja iz dela kanala u okolini PN spoja i time se smanjuje provodnost kanala. Kontrola kanala mo že da bude postepena (pojaèavaèki režim) ili skokovita (prekidaèki režim). Kod jfetova se ne primenjuje direktna polarizacija. To prili èno uprošãava modelovanje jer se uvek može uzeti da je struja upravlja èke elektrode (gejt) uvek jednak nuli. Ponekad tranzistori sa efektom polja se zovu i unipolarni tranzistori jer, u zavisnosti od tipa, struju provode ili samo elektroni ili samo šupljine. Matemati èki opis jfeta daje formula:
I D
7 = V GS : V DS ! I DSS 52;; # 188 56 < V P 9 V P
= V : # ;; DS 88 < V P 9
2
4 2 ............................................................................(1.18.) 23
gde je: 31
I DSS – struja zasi ãenja, V P – napon stiskanja kanala. Duga jednaèina nije ni potrebna jer važi I G=0, I S =I D. Zadata jednaèina važi u takozvanoj triodnoj oblasti, granice te oblasti su definisane nejedna èinom: 0
I D
= V : V > 2 I DSS ;; GS # 188 DS .........................................................................................(1.19.) < V P 9 V P
koja definiše jfet kao kontrolisanu otpornost na bazi poluprovodnika:
R DS
!
V P
= V : 2 I DSS ;; GS # 188 < V P 9
. ..................................................................................................(1.20.)
Zato se ovaj grani èni region triodne oblasti zove omska oblast Poveãanjem napona V DS iznad granice V DS =V GS -V P, suprotno jedna èini 1.18 neãe doãi do daljeg poveãanja struje I D veã se struja zaustavi na vrednosti: 2
I D
= V : ! I DSS ;;1 # GS 88 .....................................................................................................(1.21.) < V P 9
Ta oblast se zove oblast zasi ãenja jfeta. Konaèno, ako napon V GS padne ispod V p, važi I D=0, jfet se zakoèi. Sa izvesnim promenama predznaka navedene jedna èine se mogu primeniti i kod P kanalnog jfeta. Pošto je struja ge jta jednaka nuli kod jfeta, dovoljno je crtati familiju prenosnih i izlaznih karakteristika. Na slici 1.29 je nacrtana samo jedna prenosna karakteristika (za N kanalni jfet) koja važi u oblasti zasiãenja. Kod izlaznih karakteristika (slika 1.30) naznaèena je i granièna kriva koja razdvaja triodnu oblast od oblasti zasi ãenja.
ID IDSS
Slika 1.29. Prenosna karakteristika jfeta (za N kanalni jfet).
VGS Vp
32
Pri formiranju mre žnog modela za jfet kanal se zamenjuje sa kontrolisanim strujnim izvorom èiju struju raèunamo po formuli 1.18 ili 1.21. (slika 1.31.a). Kod malih signala navedene jednaèine se mogu linearizovati, tako dolazimo do modela na slici 1.31.b. Na visokim frekvencijama moraju se uzeti u obzir i parazitni kapaciteti prikazani isprekidanim linijama.
I D[mA]
VGS=0V
4
Slika 1.30. Izlazne karakteristike jfeta (za tipiè nu N kanalnu kom onentu .
3
VGS=-1V
2
VGS=-2V
1
VGS=-3V
0
VGS=Vp 0
G
Slika 1.31. Mre ž ni modeli jfeta: a) za velike signale, b) za male signale.
2
4
D
6
8
VDS[V]
Cgd
G Cgs
D g mVgs
ID =f(V GS ,V DS) S
S
S
S
(a)
(b)
Jfetovi imaju brojnu primenu i u analognoj i u digitalnoj tehnici i kao diskretne i kao integrisane komponente. Po što se ne proizvode komponente za veãe snage, koriste se samo nekoliko kuãišta za povr šinsku montažu i kuãište TO-92 spomenuto kod bipolarnih tranzistora. Osnovni tehni èki podaci za jfetove su probojni naponi ( BV GS , BV DS ), maksimalna struja drejna ( I DMAX ) i maksimalna snaga gubitaka ( P DMAX ). Ovi podaci odre ðuju granice oblasti sigurnog rada. Dodatni podaci su napon stiskanja kanala ( V P) i struja zasi ãenja ( I DSS ).
1.2.4. Mosfetovi Drugu grupu unipolarnih tranzistora odnosno tranzistora sa efektom polja èine mosfetovi razlièite vrste. Skraãenica MOS (metal-oxide-semiconductor) upu ãuje na troslojnu strukturu od metala, silicijum dioksida kao izolatora i poluprovodnika (slika 1.32). Al
Slika 1.32. Troslojna MOS (metal-oksid-poluprovodnik) struktura.
SiO2
Si
33
Sloj poluprovodnika (Si-silicijum) èini kanal èiju provodnost treba da modifikuje napon doveden na sloj metala (Al-aluminijum). Eventualnu galvansku spregu izme ðu sloja metala i poluprovodnika spre èava sloj oksida sa izolacionim svojstvom. Kanal može biti od N tipa ili P tipa poluprovodnika; po tome razlikujemo N kanalne i P kanalne mosfetove. Za razliku od jfetova gde je dovedni napon na gejt mogao samo da smanji provodnost kanala, ovde smo svedoci dvojakog pona šanja. Kod takozvanih mosfetova sa ugraðenim kanalom zavisno od smera polarizacije na gejtu provodi ãe struju bolje ili lošije nego bez polarizacije. Kod mosfetova sa ugra ðenim kanalom bez polarizacije nema struje kroz kanal. Grafièki simboli i prenosne karakteristike za sva èetiri moguãa tipa mosfeta su prikazane na slici 1.33. D
D
G
D
G S
G S ID
ID
VGS
(a)
G
S
ID
D
S ID
VGS
VGS
VGS
(b)
(c)
(d)
Slika 1.33. Grafiè ki simboli i prenosne karakteristike za razliè ite tipove mos fetova (smatrjuãi ulazni smer struje): a) sa ugra ð enim N kanalom, b) sa indukovanim N kanalom, c) sa ugra ð enim P kanalom, d) sa indukovanim P kanalom. Na grafiè kim oznakama su navedene i slovne oznake izvoda š to kasnije neãe biti potrebno.
Izvodi mosfetova se nazivaju na isti na èin kao kod jfetova. Prikljuèci kanala su drejn Ddrain) i sors (S-source) a upravlja èka elektroda je gejt (G-gate). Pri simetri ènoj konstrukciji drejn i sors bi mogli slobodno menjati ulogu, u stvarnosti me ðutim veãina komponenti nije simetrièna. Zadati grafi èki simboli nisu i najpopularniji. U sluèaju d nije potrebno naglasiti da li je komponenta sa ugra ðenim kanalom ili sa indukovanim kanalom, koriste se uprošãene oznake sa slike 1.34.
D
Slika 1.34. Upro š ãeni grafiè ki simboli za a) N kanalni i b) P kanalni mosfet.
G
D G
S
(a)
S
(b)
Familija izlaznih karakteristika je u svakom slu èaju slièna (slika 1.35) s tim da se razlikuje opseg za napon V GS i razlièit je smer struje I D i napona V DS kod N kanalnih i P kanalnih izvedbi. 34
I D[mA]
VGS5
4
Slika 1.35. Tipiè ne izlazne karakteristike za N kanalni mosfet (komponenta male snage).
3
VGS4
2
VGS3
1
VGS2
0
VGS1 0
2
4
6
8
VDS[V]
Za mosfetove sa ugra ðenim kanalom važi isti matematièki model kao za jfetove. Kod varijante sa indukovanim kanalom me ðutim u triodnoj oblasti koristi se jednaèina (za N tip kanala): I D
2 ! K 2?V GS # V T @V DS # V DS ........................................................................................(1.22.)
gde je: K – odgovaraju ãa konstanta, VT – prag otvaranja. Za male vrednosti V DS jednaèina 1.22 se uprošãava na oblik (Omska oblast): I D
! K A2?V GS # V T @V DS B .................................................................................................(1.23.)
U ovom sluèaju može se smatrti da je kanal ustvari naponom kontrolisana otpornost slede ãe vrednosti: R DS
!
1 2 K ?V GS
# V T @
......................................................................................................(1.24.)
Poveãanjem napona V DS iznad granice V DS =V GS -V T ulazi se u oblast zasi ãenja. Tu prestaje dalji porast struje, va ži formula: I D
! K ?V GS # V T @2 .........................................................................................................(1.25.)
Ako je V GS
parazitnih kapaciteta mosfeta (slika 1.36.b). Isti modeli su dati kod jfetova, razlika je samo u jednaèinama koje prate te modele.
G
Slika 1.36. Mre ž ni modeli mosfetova: a) za velike signale i b) za male signale.
D
Cgd
G Cgs
D g mVgs
ID =f(V GS ,V DS) S
S
S
S
(a)
(b)
Osnovni tehni èki podaci u vezi mosfetova su granice oblasti sigurnog rada ( BV GS , BV DS , I Dmax, P Dmax) i parametri modela ( V P odnosno V T, I DSS odnosno K , a za male signale gm). Kod veãine diskretnih mosfetova prag otvaranja ( V T) je standardizovan, spada u opseg od 2V do 4V , a kod jedne manje grupe (takozvani logic level tipovi) je izme ðu 1V i 2V . Mosfetovi se prave za razne snage. Za manje snage ( P Dmax<1W ) koristi se ku ãište TO-92 ili neko od kuãišta za površinsku montažu. Za veãe snage su karakteristièna plastièna kuãišta TO-220 i TO-247, metalno ku ãište TO-3 i razni moduli (videti sliku 1.27). Veliki broj mosfetova se koristi u integrisanoj tehnici za neka analogna kola ali su mnogo brojnije digitalne primene. Struktura sna žnih mosfetova odstupa od gore prikazane. Princip rada je isti, meðutim kanal potrebnog velikog preseka i male du žine ostvaruju vertikalnim rasporedom, okomito na ravan poluprovodni èke ploèice (slika 1.37). Veãina tih komponenti je sa N tipom kanala po što su im karakteristike bolje u odnosu na P tipove. Kanal N tipa se formira u uzanoj P oblasti ispod gejta, pod uticajem pozitivnog prenapona na gejtu. Elektroni koji èine glavnu struju polaze iz N oblasti ispod sorsa, prolaze kroz kanal ispod gejta i ulaze u N oblast koja je vezana na drejn. Komponente velike snage dobijaju tako što ostvare velik broj ãelija prikazanih na slici 1.37 po celoj povr šini poluprovodni èke ploèice i nak kraju ih spoje paralelno.
G
G
S N
P
SiO2
N
N
Slika 1.37. Vertikalna mosfet struktura.
D
1.2.5. Tiristori Kao prva komponenta koja je mogla da reguli še znaèajne nivoe snage pojavio se tiristor krajem 1950-tih godina. Nasuprot ogrni èenoj upravljivosti (problematièno je iskljuèivanje tiristora) sve do današnjeg dana je u širokoj upotrebi. Struktura tiristora, ekvivalentna šema za objašnjenje principa rada i grafièki simbol su prikazani na slici 1.38. U èetvoroslojnoj strukturi naizmenièno su smešteni P i N slojevi. Tiristor se
36
preko izvoda sa gornjeg i donjeg sloja (A-anoda, K-katoda) uklju èuje u glavno strujno k olo u kojoj ãe funkcionisati kao prekidaè. S unutrašnjeg P sloja pravi se izvod za upravljaèku elektrodu (G-gejt)
A
A
Slika 1.38. Struktura tiristora (a), ekvivalentna š ema (b) i grafiè ki simbol (c).
Q1
P N P N
G
A
G
Q2
K
(a)
G K
K
(b)
(c)
Bez upravlja èke struje tiristor ne provodi glavnu struju ni u k om smeru, èak i da postoji odgovaraju ãi polarizacioni napon izmeðu anode i katode. Prelazak u provodno stanje i odr žavanje tog stanja se mo že pratiti preko ekvivalentne šeme na slici 1.38. Upravljaèka struja koja se propusti od gejta prema katodi pobu ðuje NPN tranzistor (Q2), usled èega nastaje struja kolektora tog tranzistora. Struja kolektora NPN tranzistora upravlja PNP tranzistorom (Q1) pokre ãe struju kolektora tog tranzistora. Ta kolektorska struja ulazi u isti èvor kao upravljaèka struja tiristora, pa ga može zameniti. Na taj naèin nastaje samodr žeãe provodno stanje. Glavna struja može da teèe od anode prema katodi bez stalnog prisustva upravlja èke struje, dovoljno je dovesti jedan kratak impuls struje (nekoliko ìs) na gejt. Iz ekvivalentne šeme može se izvesti i matematièki model tiristora. Polazeãi od Ebers-Mollovih jednaèina za pojedine tranzistore izvodi se formula za struju anode: I A
!
) 1 I G $ I CO1 # I CO 2 .................................................................................................(1.26.) 1 # ?) 1 $ ) 2 @
gde je: á1 , á2 – faktori strujnog poja èanja za pojedine tranzistore, I CO1 , I CO2 – struje zasi ãenja pojedinih tranzistora. Pre ukljuèivanja (paljenja) faktori strujnog pojaèanja su jednaki nuli. Pod dejstvom upravlja èke struje á1 i á2 raste, kad se postigne kriti èna vrednost á1+ á2=1, dalje I A može da opstane i pri I G=0. Na osnovu ekvivalentne šeme ne može se zakljuèiti jednoznaèno da se tiristor ne može iskljuèiti prekidanjem struje gejta odnosno eventualnom promenom smera upravljaèke struje. Takvim pokušajima meðutim možemo modifikovati samo provodnost delova ploèice oko gejta, ostali delovi ostaju u provodnom (samodr žeãem) stanju. Do iskljuèivanja tiristorske strukture dolazi samo ako, zbog spoljnih razloga, struja u glavnom strujnom kolu padne na malu vrednost ( I A
I A IG IG>0 VRRM
~~
IH
~~
IG=0 VAK VDRM
Slika 1.39. Karakteristike tiristora a) za ulazno (pomoãno) strujno kolo, b) za izlazno (glavno) strujno kolo.
VGK
(a)
(b)
U iskljuèenom stanju izlazna karakteristika se uglavnom poklapa sa osom V AK (slika 1.39.b). Pri prevelikoj inverznoj polarizaciji javlja se proboj tiristora sli èno kao kod Zener -ove diode koja ãe u sluèaju velikihh struja uništiti tiristor. Bez upravlja èke struje javlja se proboj tiristora u direktnom smeru kod prenapona sli ène vrednosti kao kod invezne polarizacije. Bitna razlika u ovom slu èaju je da pod uticajem proboja tiristor prelazi u provodni režim. U provodnom (uklju èenom) stanju strujno/naponska karakteristika le ži u blizini ose I A, nezavisno od vrednosti glavne struje, pad napona na tiristoru je oko 1V (vrednost glavne struje odre ðuju spoljni elementi). Najnižu taèku dijagrama koji se odnosi na ukljuèeno stanje odreðuje struja dr žanja I H . Pri nižoj vrednosti glavne struje tiristor prelazi u isklju èeno stanje. Pri normalnoj upotrebi tiristor se ne dovodi u probojnu oblast ve ã se pali preko gejta. Pri dovoljnoj struji gejta tiristor se mo že upaliti veã pri jako niskim vrednostima napona V AK . Ako se smanji struja gejta, potreban je ve ãi napon u glavom kolu. Prema dosad re èenom radne oblasti tiristora su provodna oblast, zakoèenje i proboj. Osnovni tehnièki podaci za tiristore su probojni naponi u direktnom smeru (V DRM ) i u inverznom smeru (V RRM $V DRM ), odnosno maksimalna struja u glavom strujnom kolu (vr šna vrednost I SM i srednja vrednost I AV ). Detaljniji katalozi navode takozvano vreme oporavka tiristora ( t rr ). To je vreme potrebno za prelazak tiristora u isklju èeno stanje nakon pada glavne struje ispod struje dr žanja. Prema vrednosti vremena oporavka tiristore svrstavamo u mre žne tiristore i brze tiristore. Tiristori mogu da podnesu samo kona ène vrednosti dv AK /dt i di A /dt. Pri suviše velikoj vrednosti gradijenta napona unutar tiristora se pojave kapacitivne struje dovoljne veli èine da se tiristor samostalno uklju èi. Sa druge strane, suviše veliki gradijent struje, zbog neravnomerne raspodele glavne struje, dovodi do lokalnog pregrevanja i uni štenja tiristora. Pored osnovne varijante tiristora u tu familiju spada jo š nekoliko sliènih komponenti. Triac je dvosmerni triristor sa kojim se mo že vr šiti upravljajnje u obe poluperiode naizmeniènog napona. Grafièki simbol i karakteristika trijaka su dati na slici 1.40. Za razliku od obi ènog tiristora takozvani GTO tiristor se mo že iskljuèiti pomoãu negativnog impulsa dovedenog na gejt. Potreban je impuls velike amplitude i velikog gradijenta. Grafi èki simbol i karakteristi èni impulsi za paljenje i gašenje te komponente su prikazani na slici 1.41.
38
I12
M1
Slika 1.40. Grafi è ki simbol i karakteristika tri aka.
G
V12 M2
Slika 1.41. Grafi è ki simbol GTO tiristora i karakteristi è ni impulsi za paljenje i ga š enje.
A
K
0
iG(t)
t
G
Dijak je dvosmerna komponenta kao trijak samo što nema gejt nego se pali dovoðenjem u probojnu oblast. Dijaci se koriste u raznim kolima za paljenje. Grafi èki simbol i karakteristika je prikazana na slici 1.42.
I12 1
Slika 1.42. Grafi è ki simbol i karakteristika dijaka.
V12 2
Slièno dijaku, i SIDAC je komponenta bez gejta, ali sa znatno manjim padom napona u provodnom re žimu. Koristi se za zaštitu od prenapona i u kolima za paljenje. Grafièki simbol i karakteristika su dati na slici 1.43. 39
I12 1
Slika 1.43. Grafi è ki simbol i karakteristika SIDAC-a.
V12 2
Tiristori se prave za vrlo širok opseg napona i struje (gornja granica je vi še kA i kV ). Nekoliko od poznatijih ku ãišta za tiristore je prikazano na slici 1.44.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Slika 1.44. Kuãi š ta tiristora: a) kuãi š te TO-92, b) kuãi š te TO-220, c) ku ãi š te TOP -3, d) kuãi š te TO-208AA, e) kuãi š te TO-209AB, f) kuãi š te TO-200AB.
1.2.6. IGBT IGBT-i su komponente energetske elektronike koje èine prelaz izmeðu bipolarnih tranzistora i mosfetova. Sam naziv IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor – bipolarni tranzistor sa izolovanim gejtom) upu ãuje na srodstvo sa bipolarnim tranzistorom. Znaèajna je sliènost da glavnu struju èine obe vrste nosilaca (elektroni i šupljine). Po strukturi pak IGBT jako li èi na vertikalni mosfet, samo je sa strane kolektora (C) dodat jedan jako dopiran P+ sloj (slika 1.45.a). Stvarne komponente se dobijaju paralelnim spajanjem velikog broja ovakvih ãelija. Grafièki simbol IGBT-a je prikazan na slici 1.45.b.
40
G
G E
Slika 1.45. a) Struktura i b) grafi è ki simbol za IGBT.
N
SiO2 C
N
P
G
N P+
E
C
(a)
(b)
Otvaranje kanala i pokretanje glavne struje je omogu ãeno pozitivnom polarizacijom gejta (G): u P sloju ispod gejta formira se kanal N tipa. Nakon pokretanja struje elektrona iz emitora (E) preko kanala, iz P+ oblasti krene velika koli èina šupljina u susednu N oblast i smanjuje joj otpornost. Sa jedne strane prisustvo šupljina smanjuje gubitke koje se javljaju u ukljuèenom stanju ali nažalost ujedno i usporava iskljuèenje IGBT-a. Na taj naèin IGBT i po brzini predstavlja prelaz izmeðu bipolarnih tranzistora i mosfetova. Slièno kao kod mosfeta, i kod IGBT-a je upravlja èka elektroda (gejt) izolovana od kanala tako da u ustaljenom re žimu važi I G=0. U skladu sa tim, mo že se govoriti samo o prenosnoj i izlaznoj karakteristici. Tipi èni oblici tih dijagrama su dati na slici 1.46.
IC
VGE5
IC
VGE4 VGE3 VGE2
Slika 1.46. a) Prenosna i b) izlazna karakteristika IGBT-a.
VGE1 VCE
VGE VT
(a)
(b)
IGBT-e skoro isklju èivo primenjuju u prekidaèkom režimu. Radne oblasti se mogu definisati u ravni I C, V CE . U ukljuèenom stanju radna taèka se nalazi u blizini ose I C , pad napona je V CE =V CEsat =2V...5V . U iskljuèenom stanju radna taèka je praktièki na osi V CE . Unutar oblasti zasiãenja, daleko od osa, radna taèka može da se nalazi samo kratko jer su tu veliki gubici. Ako se dovede V CE <0, veã kod nekoliko Volti dolazi do proboja. Proboj mo že da nastupi i pri V CE >0 ali proi daleko ve ãem naponu. Prenosna karakteristika je sli èna prenosnoj karakteristici mosfeta, samo što je prag (V T) veãi (redovno izme ðu 4V i 8V ). Oblast sigurnog rada kod IGBT-a je ograni èena probojnim naponima ( BV CE , BV GE ), maksimalnom strujom ( I Cmax) i maksimalnom snagom gubitaka ( P Dmax). Najvažniji parametri modela su napon zasi ãenja V CEsat i prag otvaranja V T.
41
Pošto se ne proizvode komponente za male snage zato se koriste samo kuãišta TO-220 i veãa od toga (TO-247 i moduli). Èesto, radi efikasnije primene, veãi broj IGBT-a i drugih komponenti se ugra ðuje u isto kuãište.
1.2.7. Optoelektronske komponente Optoelektronika je jedna posebna grana elektronike koja se bavi razvojem i primenom komponenti koje su zasnovane na fotoelektri ènom efektu. Taj efekat, kod koga pri nestanku para elektron- šupljina dobija se foton ili pri padu fotona na poluprovodnièku ploèicu nastaje par elektron- šupljina, objasnio je A. Einstein. Veãina savremenih optoelektronskih komponenti je na bazi poluprovodnika ali postoje i elektronske cevi kod kojih nastaje emisija elektrona pod uticajem svetlosti ili zra èe svetlost pri bombardovanju sa elektronima. Klasifikacija optoelektronskih komponenti se vr ši po tome da li primaju svetlost ili zra èe svetlost. Glavni predstavnici prijemnika svetlosti su fotootpornici, fotoelementi, fotodiode i fototranzistori. Grafi èki simboli tih komponenti su dati na slici 1.47.
Slika 1.47. Razni prijemnici svetlosti: a) fotootpornik, b) fotoelemenat, c) fotodioda i d) fototranzistor.
(a)
(b)
(c)
(d)
Fotootpornik se gradi redovno od homogenog i pribli žno èistog sloja poluprovodnika èija provodnost pod uticajem svetlosti zna èajno raste. Koristi se kao senzor svetlosti Aktivni deo fotoelementa je jedna poluprovodni èka ploèica sa PN spojem. Pod uticajem svetlosti u okolini PN spoja stvaraju se parovi elektron- šupljina. Zbog delovanja unutrašnjeg elektri ènog polja nosioci naelektrisanja se razdvoje i na izvodima se pojavljuje napon, odnosno prikljuèivanjem potrošaèa dobija se struja. Na slici 1.48. prikazane su karakteristike fotoelementa za razli èite nivoe osvetljenja. U stvari translirana je strujno-naponska karakteristika poluprovodni èke diode. Mera translacije zavisi od intenziteta osvetljenja. Fotoelementi se koriste tako što rade u èetvrtom kvadrantu ravni I-V ( I<0, V>0), tu su u stanju da vr še pretvaranje svetlosne energije u elektriènu energiju. (
((
(
"+=0
Slika 1.48. Karakteristike fotoelementa u zavisnosti od intenziteta osvetljenja.
V
". "C "D (((
42
IV
Zadnjih decenija u èinjen je znaèajan napredak u razvoju fotoelemenata (sun èevi kolektori). Takoðe su razvijeni složeni elektronski ureðaji koji omoguãavaju rad fotoelementa u okolini optimalne radne ta èke. Na žalost, primenu fotoelemenata za racionalnu proizvodnju elektriène energije i dalje ograni èava njihova visoka cena i nizak stepen iskori šãenja (!10%). Struktura fotodiode je sli èna strukturi fotoelementa, razlika je u naèinu primene. Fotodioda se povezuje u spolja ènje kolo tako da radi u treãem kvadrantu (V<0, I<0). Takva komponenta je pogodna za detekciju svetlosti. Fototranzistor sadr ži fotodiodu i bipolarni tranzistor. Tranzistor vr ši pojaèanje struje fotodiode i na taj na èin dobija se komponenta veãe osetljivosti. Veãina savremenih komponenti koje zraèe svetlost je na bazi poluprovodnika, sadr ži PN spoj. Takve komponente nose naziv LED (light emitting diode – svetleãa dioda). Svetlost se stvara rekombinacijom parova elektron- šupljina u blizini PN spoja. Koeficijent korisnog dejstva je nizak ali je pouzdanost velika. Boju dobijene svetlosti odre ðuje materijal poluprovodnika, od njega zavisi i napon otvaranja. LED-ovi se prave u puno razli èitih oblika i boja. Ugradnjom više svetleãih dioda u jedno kuãište se dobijaju sedmosegmentni i matrièni indikatori. Ako LED daje monohromatsko zraèenje, reè je o laserskoj diodi. Kombinacijom fototranzistora i svetle ãe diode se dobijaju optokapleri. Pod uticajem pobudnog signala LED zra èi svetlost i time pobuðuje fototranzistor. Na taj naèin je omoguãen prenos razli èitih signala bez galvanske sprege. Primena optokaplera umesto transformatora za galvansko odvajanje mo že biti poželjna iz više razloga (dimenzije, radni vek, potrošnja). Grafièki simbol LED-a i optokaplera je dat na slici 1.49. Postoje optokapleri kod kojih svetle ãa dioda pobuðuje tiristor ili trijak male snage.
Slika 1.49. Grafiè ki simboli: a) za LED i b) za optokapler. (a)
(b)
Tu ãemo spomenuti i indikatore sa teènim kristalima, mada oni nisu na bazi poluprovodnika. Teèni kristali su anizotropni materijali koji se okreãu pod uticajem elektriènog polja i time im se menja sposobnost propu štanja svetlosti (zbog toga su neka polja crna a druga su providna). Njihova prednost u odnosu na LED indikatore je izuzetno mala potro šnja, nedostatak je meðutim da u mraku mogu da se u èine vidljivim samo uz pozadinsko osvetljenje.
43
2. OSNOVNA ELEKTRONSKA KOLA
Najosnovniji elementi elektronskih ure ðaja su elektronske komponente sa kojima smo se upoznali u 1. delu. Povezivanjem nekoliko komponenti dolazimo do elementarnih elektronskih kola koja veã mogu da obave neku funkciju. U principu mogao bi se sastaviti beskona èan broj prostih elek tronskih kola ali u praksi mo že da se naðe samo vrlo ogranièen broj. U ovom delu ãemo se upoznati sa važnijim osnovnim elektronskim kolima. Prvo su na redu pasivna kola, njih slede aktivna kola. Pasivna kola (glava 2.1) se konstrui šu od èisto pasivnih elemenata. Njihove mogu ãnosti u obradi signala su ograni èene ali zbog njihove velike pouzdanosti vrlo rado ih koristimo. Aktivna elektronska kola sadr že bar jednu aktivnu koponentu i potrebne pasivne komponente. Koristimo podelu na tri grupe. Prvo se opisuju logi èka kola (glava 2.2). Za sva logièka kola je karakteristi èno da aktivni elementi u njima rade u prekidaèkom režimu. U glavi 2.3 su opisana poja èavaèka kola. Kod njih aktivne komponente dobrim delom rade u linearnom režimu. Na kraju (glava 2.4) su prikazana kola kod kojih se upravo koristi nelinearni segment karakteristike aktivne komponente.
44
2.1. PASIVNA KOLA
Èesto se dešava u elektronici da izvesne proste funkcije se mogu izvesti bez ativnih komponenti. Sa èisto pasivnim komponentama se rešavaju problemi razdele, odvajanja, sprezanja filtracije signala i sli èno. Skreãemo pažnju da se u inženjerskoj praksi može zapaziti sledeãi pristup: a) Pasivna kola imaju prednost naspram aktivnim re šenjima iz razloga što ne zahtevaju napojnu jedinicu, velika im je pouzdanost, imaju nizak nivo šuma itd. b) Ako je neki zadatak re šiv sa otpornicima, rešava se èisto sa otpornicima, bez primene drugih komponenti. c) Ako je pored otpornika potrebna i neka reaktivna komponenta, prvo se zadatak poku ša rešiti sa dodavanjem k ondenzatora, upotreba kalemova se izvegava. I kod aktivnih kola najjednostavnije je aktivne komponente kombinovati samo sa otpornicima. Po potrebi se stavljaju kondenzatori, a kalemovi se ugra ðuju samo ako su zaista neophodni.
2.1.1. RC niskopropusnik Proste funkcije filtriranja se mogu obaviti uz pomo ã RC niskopropusnika sa slike 2.1. Ulazni napon kola je ozna èen sa V i, izlazni napon sa V o. Kod nekih primena mo že se pojaviti otpornièki potrošaè na izlazu ali to u suštini ne menja ponašanje kola. Slièno se može zakljuèiti u vezi unutra šnje otpornosti izvora signala. U veãini sluèajeva vremenska konstanta definisana kao proizvod otpornosti i kapaciteta je dovoljna za okarakterisanje kola:
+ ! RC ..............................................................................................................................(2.1.) R
Slika 2.1. RC niskopropusnik.
Vi
C
Vo
Prilikom primene u poja èavaèkim kolima, RC niskopropusnik se može opisati sa prenosnom funkcijom u domenu u èestanosti: V o V i
? j$ @ !
1 1 $ j$ RC
!
1 1 $ j$+
. ........................................................................................(2.2.)
Odgovaraju ãi Bode-ovi dijagrami poja èanja i faze su dati na slici 2.2. Suština tih dijagrama je da do gornje graniène uèestanosti:
$ H !
1
+
..............................................................................................................................(2.3.)
45
RC niskopropusnik prenosi signale uglavnom bez linearnih izobli èenja, a preko toga amplituda izlaznog signala pada obrnuto srazmerno sa porastom u èestanosti, a fazni pomeraj se približava vrednosti od – 90o. Vo /Vi [dB]
1/ F
E (log)
#D
arg(Vo/Vi )
Slika 2.2. Bode-ovi dijagrami za RC niskopropusnik.
E (log)
-0 /4 -0 /2
Za potrebe impulsne tehnike navedeno kolo se mo že opisati sa diferencijalnim jednaèinama. Odziv na jedini èni skok je prikazan na slici 2.3. Amplituda izlaznog signala je jednaka amplitudi ulaznog signala, trajanje uzlazne ivice me ðutim raste srazmerno sa vremenskom konstantom. Vm
vi (t) t
0
Slika 2.3. Odziv RC niskopropusnika na jediniè ni skok.
Vm vo(t) 0
F
0
t
U sluèaju periodiène povorke pravougaonih signala mogu se razmatrati tri karakteristièna sluèaja prikazana na slici 2.4. Oblik izlaznog signala u ovom slu èaju zavisi od odnosa periode pravougaonog signala ( T ) i vremenske konstante kola ( + ). U sluèaju velike vremenske konstante talasnost izlaznog signala je zanemarljiva, srednja vrednost izlaznog signala se poklapa sa srednjom vrednošãu ulazne povorke. Pri maloj vrednosti vremenske konstante izobli èenje je minimalno, može se uoèiti samo zanemarljivi integracioni efekat na ivicama signala Vm
(a) t
0
Slika 2.4. Odziv RC niskopropusnika na periodiè nu povorku pravougaonih signala razliè ite frekvencije: a) ulazni signal, b) izlazni signal pri ô «T, c) izlazni signal pri ô =T, d) i zlazni signal pri ô »T.
(b)
V m t
0
(c)
V m t
0
(d)
V m 0
46
t
0
T
2.1.2. RC visokopropusnik Zamenom mesta otpornika i kondenzatora u niskopropusniku dobija se RC visokopropusnik (slika 2.5). C
Vi
Vo
R
Slika 2.5. RC visokopropusnik.
Prilikom primene u poja èavaèkim kolima uloga visokopropusnika je razdvajanje jednosmernih nivoa odnosno eliminacija niskofrekvencijskih komponenti iz spektra ulaznog signala. U takvim slu èajevima RC visokopropusnik se opisuje sa prenosnom funkcijom: V o V i
!
j$ RC
1 $ j$ RC
..................................................................................................................(2.4.)
Odgovaraju ãi Bode-ovi dijagrami su prikazani na slici 2.6. Iznad donje grani ène uèestanosti ($ L=1/ +) ovo kolo prenosi signale bez slabljenja i faznog pomeraja. Na niskim frekvencijama je sve veãe slabljenje i javlja se pozitivni fazni pomeraj.
Vo/Vi [dB]
0
Slika 2.6. Bode-ovi dijagrami RC visokopropusnika.
1/ F
E (log)
#D
0/2
arg(Vo/Vi )
0/4 0
E(log)
U impulsnoj tehnici RC visokopropusnik se koristi za oblikovanje signala. Pona šanje kola se može opisati diferencijalnim jednaèinama. Odziv na jedinièni skok je prikazan na slici 2.7. U poèetku se javlja skok iste amplitude kao na ulazu ali vremenom izlazni signal pada na nultu vrednost. Vm
vi (t) t
0 Vm
Slika 2.7. Odziv RC visokopropusnika na jediniè ni skok.
vo(t) 0
47
0
F
t
Pri dovoðenju periodiène povorke pravougaonih signala bitan je odnos periode signala (T=1/f ) i vremenske konstante (ô =RC ). Tri karakteristi èna sluèaja su prikazana na slici 2.8. U sluèaju velike vremenske konstante izlazni signal lièi na ulazni, samo je eliminisana jednosmerna komponenta i mo že se zapaziti postepeni pad amplitude. Nasuprot ovome, pri maloj vremenskoj konstanti, na izlazu se dobija naizmeni èna povorka iglièastih impulsa. Amplituda impulsa se poklapa sa veli èinom skoka na ulazu. Vm
Slika 2.8. Odziv RC visokopropusnika na periodiè ne povorke pravougaonih signala razliè ite uè estanosti: a) ulazna povorka, b) izlazni signal pri ô »T , c) izlazni signal pri ô =T, d) izlazni signal pri ô «T.
(a)
(b)
0
t
Vm
0
(c) 0
t
t
Vm
Vm
(d) 0
0
t
T
-Vm
2.1.3. Razdelnici napona Za prosto smanjenje signala redovno se koristi naponski razdelnik sastavljen od otpornika. Odnos razdele mo že biti fiksan ili promenljiv (slika 2.9). Kod ovih kola, u principu, ne menja se oblik signala, bez obzira na spektar odnosno vremenski oblik signala, samo se izlaz smanjuje u odnosu na ulaz. Može se desiti da se kapacitivno optereãenje izlaza ne može zanemariti. U takvim sluèajevima obièan naponski razdelnik poèinje da se ponaša kao propusnik niskih uèestanosti, što dovodi do izobli èenja signala. Oblik signala se može popraviti tako što se i gornji otpornik u razdelniku premosti sa kondenzatorom. Tako se dobija kompenzovani razdelnik (slika 2.10). Ako je zadovoljen uslov R1C 1=R2C 2, razdelnik ãe raditi bez izoblièenja. Na slièan naèin se mogu konstruisati i vi šestruki kompenzovani razdelnici napona.
R1
Slika 2.9. Razdelnik napona: a) sa stalnim i b) sa promenljivim odnosom razdele.
V I R2
(a)
48
IV O =V
R1 R1+R2
}
V I R
} xR I V O =xV
(b)
C1
R1
VI
Slika 2.10. Kompenzovani razdelnik napona.
C2
R2
VO
Pri dimenzionisanju razdelnika konkretne vrednosti primenjenih otpornika su od drugorazrednog zna èaja naspram njihovom odnosu. Ponekad meðutim mora se uzeti u obzir kojom otporno šãu se može opteretiti izvor signala, kolika može biti izlazna otpornost razdelnika i mora se paziti da se elementi razdelnika ne preopterete po snazi. Pri razdeli naizmeni ènih napona može biti pogodniji induktivni, kapacitivni ili transformatorski razdelnik. Induktivni razdelnik se redovno formira pravljenjem izvoda na jednom jedinstvenom kalemu (slika 2.11). Takva komponenta ujedno mo že da služi i za prilagoðenje impedanse. Kapacitivni razdelnik (slika 2.12) se preporu èuje na visokim naponima. Prednost mu je u odnosu na druga re šenja što je praktièki bez gubitaka.
}
V I N 0
Slika 2.11. Induktivni razdelnik napona.
V I
Slika 2.12. Kapacitivni razdelnik napona.
}N1
V O =
N1 V N0 I
C1
C2
C1 V O =V I C1+C2
Transformatorski razdelnik (slika 2.13) ujedno ukida galvansku vezu izme ðu ulaza i izlaza. Naravno transformator mo že i da poveãava napon umesto da ga smanjuje.
Slika 2.13. Transformatorski razdelnik napona.
49
VI
N 1
N2 N V= V 2 O N1 I
2.1.4. RC propusnik opsega Prenosna funkcija kola prikazanog na slici 2.14 je slede ãeg oblika:
V o V i
( j$ ) !
j$ C 1 R2
1 $ j$ (C 1 R1
$ C 1 R2 $ C 2 R2 ) # $ 2 C 1C 2 R1 R2
...................................................(2.5.)
Odavde se dobija formula za centralnu u èestanost na kojoj je amplituda izlaznog signala maksimalna:
$ 0 !
1 C 1C 2 R1 R2
. ............................................................................................................(2.6.)
R1
Slika 2.14. Prost RC propusnik opsega.
C1
VI
R2
C2 V O
Iznad i ispod centralne u èestanosti izlazni signal se prvo smanjuje postepeno, zatim srazmerno, odosno obrnuto srazmerno sa promenom u èestanosti. To se vidi i iz Bode-ovog dijagrama (slika 2.15). Na ovaj na èin se ne može dobiti uzani propusni opseg (velika selektivnost) ali kolo je pogodno za prostija filtriranja.
Vo /Vi [dB]
E0
E (log)
Slika 2.15. Bode-ov dijagram amplitude za RC propusnik uè estanosti.
2.1.5. LC filtri Odgovaraju ãom kombinacijom kalemova i kondenzatora i najsloženiji zadaci filtriranja se mogu obaviti, jedino snaga signala se ne mo že poveãati. U principu moguãe je razraditi razlièita LC kola, meðutim u praksi se najèešãe koriste lestvièaste mreže. Na slici 2.16 su prikazane uobièajene veze lestvi èastih mreža za realizaciju filtara propusnika niskih, visokih i opsega uèestanosti. 50
Teorija LC filtara je vrlo slo žena ali je takoðe dobro razraðena. Na raspolaganju su gotove formule iz kojih se lako izra èunava red filtra (broj LC elemenata), odnosno vrednosti konkretnih induktivnosti i kapaciteta u kolu. Tako ðe postoje pristupaèni softveri za projektovanje LC filtara. L1
R1
(a)
Vi
C1
Slika 2.16. Razli è ite LC lestviè aste mre ž e: a) niskopropusnik, b) visokopropusnik i c) propusnik opsega uè estanosti.
Vi
C2
L1
Vi
L1
R2
Vo
R2
Vo
C3
L2
L2
R1
(c)
C3
C2
C1
R1
(b)
L2
C2
C1
L3
C3
R2
Vo
2.1.6. Wien-ov most Šematski prikaz Wien-ovog mosta je dat na slici 2.17, a odgovaraju ãi Bode-ovi dijagrami su -1 prikazani na slici 2.18. Karakteristika mosta je da na frekvenciji f 0=(2ð RC) dolazi do uravnote ženja, amplituda izlaznog signala pada na nulu. Na istoj frekvenciji javlja se promena faze +ð /2. sa – ð /2 na
R1
V i
Slika 2.17. Š ema Wien-ovog mosta.
C1
C2
51
R3
Vo
R2
R4
E (log)
Vo/Vi [dB]
Slika 2.18. Bode-ovi dijagrami za Wien-ov most.
0 /2
arg V /V o i
E (log) -0 /2
2.1.7. Redno RLC rezonantno kolo Redna veza RLC elemenata (slika 2.19) ispoljava filtarsko dejstvo. Struja kroz rednu vezu ( I RLC ) odnosno napon na izlazu ( V o) na takozvanoj rezonantnoj frekvenciji: 1 $ 0 ! .......................................................................................................................(2.7.) LC
postiže veliku vrednost, a udaljavanjem od rezonantne uèestanosti naglo se smanjuje slika (2.20). Oblik dijagrama je kontrolisan faktorom dobrote: Q
!
$ 0 L R
!
1
$ 0 RC
...........................................................................................................(2.8.)
Data veza se podjednako koristi i u linearnoj obradi signala i u impulsnoj tehnici. L
V i
Slika 2.19. Redno RLC rezonantno kolo.
Z i V /V [dB] o i
Slika 2.20. Frekvencijske karakteristike rednog RLC rezonantnog kola.
C
R
V o
E (log)
Z i
E (log)
R
52
2.1.8. Paralelno RLC rezonantno kolo Ovo kolo (slika 2.21) se redovno pobu ðuje pomoãu strujnog generatora. Dobijeni napon postiže maksimalnu vrednost na rezonantnoj uèestanosti, a udaljavanjem od rezonantne uèestanosti se smanjuje (slika 2.22). Selektivnost je i ovde odre ðena faktorom dobrote kola.
L C
Ii
Slika 2.21. Paralelno RLC rezonantno kolo.
R Vo
Y i
R
V /Ii [dB] o
E (log)
Y i
Slika 2.22. Frekvencijske karakteristike paralelnog RLC rezonantnog kola. 1/R
53
E (log)
2.2. LOGI È KA KOLA
U savremenoj elektronici u ve ãini su takva kola kod kojih raèunamo samo sa dve vrednosti signala (napona). U u žem smislu to su logièka kola, a sva takva kola èine familiju digitalnih kola. U principu postoji i prelaz izme ðu navedene dve krajnje vrednosti signala ali to redovno traje kratko i sa aspekta primene nema ulogu. Karakteristike elemenata i Kirchoff-ove jedna èine ostaju u važnosti ali, s obzirom na binarno ponašanje (smatra se da signal može da uzima samo dve vrednosti), nema potrebe za taènim rešavanjem kola u uobièajenom smislu. Umesto toga interesantno je definisati samo logièke veze izmeðu ulaznih i izlaznih signala.
2.2.1. Opšte karakteristike logièkih kola Bez obzira na veliku raznovrsnost logi èkih kola (u širem smislu digitalnih kola), postoje takve osnovne performanse koje se mogu definisati za bilo koje kolo. Takve op šte performanse su: logièki nivoi, margine smetnji, opteretl jivost izlaza, brzina i potro šnja. Logièki nivoi se posebno definišu za ulaze i za izlaze. U oba sluèaja postoji nizak i visok logièki nivo. Visoki logièki nivo (V OH ) je ona vrednost napona koja se mo že meriti na izlazu logièkog kola pri njegovom visokom stanju. Prilikom primene posebnu pa žnju treba obratiti na minimalnu vrednost ovog napona ( V OH min) jer preniska vrednost visokog logi èkog nivoa može da prouzrokuje pogre šno reagovanje narednog logièkog kola èiji ulaz je spojen na izlaz kola o kome je reè. . Nizak logièki nivo (V OL) je ona vrednost napona koja se mo že meriti na izlazu logièkog kola pri njegovom niskom stanju. Tu problemi mogu da nastanu zbog maksimalne vrednosti ( V OLmax) ovog logièkog nivoa. I na ulazima logi èkih kola se mogu definisati nizak i visok logièki nivo (V IL odnosno V IH ). Pri niskom logi èkom nivou na ulazu bitna je maksimalna vrednost V lLmax ispod koje razmatrano logièko kolo ãe u svakom sluèaju smatrati da je dovedena logièka nula. Suprotno od ovoga, pri visokom logièkom nivou na ulazu bitno je da ulazni napon ne padne ispod V IH min jer ãe razmatrano logièko kolo tek tada sa sigurnošãu detektovati logièku jedinicu na svom ulazu. Odnos navedenih logièkih nivoa je simbolièki predstavljen na slici 2.23. Na osnovu te slike definišemo i margine smetnji, posebno za nizak i posebno za visoki logi èki nivo: NM (low) ! V IL max
# V OL max ..............................................................................................(2.9.)
NM (high ) ! V OH min
# V IH min . ...........................................................................................(2.10.)
Margine smetnji su najve ãe promene napona na izlazu prethodnog stepena, koje još ne izazivaju pogre šnu detekciju logièkog nivoa kod sledeãeg stepena. V OHmin NM(high)
Slika 2.23. Með usobni odnosi ulaznih i izlaznih logiè kih nivoa i margina smetnji.
VIHmin
GATE-1
V ILmax NM(low) V OLmax
54
GATE-2
Opteretljivost izlaza logi èkog kola mogla bi se definisati pomo ãu konkretnih otpornosti ili struja ali u praksi se radije navode relativne vrednosti. Te relativne vrednosti treba da defini šu, koliko ulaza od sli ènih logièkih kola može da pobuðuje izlaz razmatranog logièkog kola, tako da ne doðe do logièke greške. U nekim sluèajevima, pošto se pobuðuju delimièno kapacitivni potrošaèi, opteretljivost opada na visokim frekvencijama. Tako ðe treba uzeti u obzir da opteretljivost nije jednaka pri niskom i visokom logi èkom nivou. Za ispravan rad naravno treba uzimati manju vrednost. Brzina logi èkih kola, odnosno kašnjenja koja ogranièavaju brzinu su predstavljena na slici 2.24. Smatra se da je na ulazu idealni pravougaoni signal a na izlazu se dobija signal sa kona ènim vremenom porasta i opadanja i sa odgovaraju ãim kašnjenjima prednje ivice i zadnje ivice. U primeni su slede ãe definicije: - kašnjenje silazne ivice: t dHL=t 1 – t0 - vreme opadanja : t f = t 2-t 1 - kašnjenje uzlazne ivice: t dLH =t 4-t 3 - vreme porasta: t r=t 5-t 4 - vreme propagacije silazne ivice: t pLH = t dLH +½t f - vreme propagacije uzlazne ivice: t pLH =t dLH +½tr .
v (t) i
Slika 2.24. Ka š njenja logiè kih kola.
v (t) o t
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
U toku rada logi èka kola troše izvesnu snagu iz napojne jedinice. Ta snaga se pretvara u toplotu. Primenjena snaga se sastoji iz stati èkog dela i dinamièkog dela. Statièki gubici su prisutni pri zadržavanju logièkog kola na pojedinim logièkim nivoima, dok dinamièki gubici potièu iz prekidaèkog rada tranzistora i znaèajni su na višim uèestanostima. Korišãena snaga (potrošnja) je konstrukcijski povezana sa brzinom kola: brzina se redovno može poveãati samo uz poveãanje potrošnje. Tako se dešava da kola najveãe brzine i najveãe složenosti moraju se hladiti forsirano.
2.2.2. Logièka kola sa diodama Najprostija logi èka kola (logièke kapije) se mogu konstruisati povezivanjem dioda, otpornika i jedinica za napajanje. Na slici 2.25 je prikazana šema dvoulaznog diodnog I kola. Ulazne promenljive su ozna èene sa A i B, a izlazna promenljiva sa Y . Povezivanjem bilo kog (ili oba) ulaza na masu, izlaz ãe biti iznad 0V za vrednost pada napona na diodi, što ãe se ovde tumaèiti kao nizak logièki nivo (logièka nula). Povezivanjem oba ulaza na napon napajanja V CC , kroz diode nema struje i na izlazu se mo že meriti napon V CC , što ãe se tumaèiti kao visoki logièki nivo (logièka jedinica).
55
VCC
R D1 A
Slika 2.25. Dvoulazno diodano I kolo.
Y
D2 B
Kombinaciona tabela koja sadr ži sve moguãe varijacije ulaznih promenljivih je prikazana na slici 2.26. Prema konvencijama koje se koriste u Boole-ovoj algebri, za ovo kolo se mo že napisati jednaèina: Y=AB.
Slika 2.26. Kombinaciona tabela za I kolo.
A
B
Y
0 0 1 1
0 1 0 1
0 0 0 1
Na slièan naèin se može konstruisati diodno ILI kolo (slika 2.27). Tu ãe se visoki logièki nivo na izlazu dobiti ako bilo koji ulaz ili oba ulaza dignemo na visoki nivo ( V CC ). Vezivanjem oba ulaza na masu, na izlazu se mo že meriti 0V što se tumaèi kao logièka nula. Pripadajuãa kombinaciona tabela je data na slici 2.28, a Boole-ova jedna èina glasi: Y=A+B. D1
A
D2
B
Y
Slika 2.27. Dvoulazno diodno ILI kolo.
R
Slika 2.28. Kombinaciona tabela za ILI kolo.
56
A
B
Y
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 1 1
Treba napomenuti da su navedena diodna logi èka kola od ogranièene koristi. Pre svega, nisu ispunjeni uslovi u vezi ulaznih i izlaznih logi èkih nivoa dati na slici 2.23. Dolazi do daljeg pomeranja logi èkih nivoa ako, radi realizacije slo ženijih logièkih funkcija, meðusobno povežemo ovakva logi èka kola.
2.2.3. Logièki invertor sa tran zistorom Veza bipolarnog tranzistora prikazana na slici 2.29 ostvaruje logi èku NE funkciju. Oblik prenosne karakteristike V 0=f(V I ) je prikazan na slici 2.30. Promenom vrednosti otpornosti mogu ãa su odgovaraju ãa podešavanja na karakteristici. VCC
R3
Y
Slika 2.29. Logiè ki invertor sa bipolarnim tranzistorom.
Q
R1
A (V ) I
(V ) O
R2
V CC
V O
Slika 2.30. Prenosna karakteristika logiè kog invertora. VI
0 0
V CC
Osobina logi èkog invertora je da tranzistor ne provodi pri niskim vrednostima ulaznog napona, u takvom slu èaju izlazni logièki nivo se nalazi u blizini napona napajanja ( V CC ). Logièka nula na izlazu ãe se dobiti dovoðenjem tranzistora u oblast zasiãenja. Preduslov za to je prisustvo ulaznog napona koji odgovara logi èkoj jedinici: na taj naèin ãe se preko otpornika R1 obezbediti potrebna bazna struja za tranzistor. Pri promeni stanja izme ðu zakoèenja i zasiãenja, tranzistor prolazi i kroz aktivnu (poja èavaèku) oblast ali se taj segment ne koristi kod logièkog invertora. 57
Prikazani logi èki invertor se može smatrati za pravo logièko kolo pošto daje stabilne logièke nivoe i ima odgovaraju ãe margine smetnji. Mogu se pojaviti problemi oko brzine rada pošto, zavisno od nivoa zasi ãenja, iskljuèenje tranzistora može da traje relativno dugo.
2.2.4. DTL i TTL kola Složenija logièka kola možemo izgraditi kombinacijom kola iz ta èaka 2.2.2 i 2.2.3 (DTL – Diode Transistor Logic sklopovi) ili èisto u tranzistorskoj tehnici (TTL – Transistor Transistor Logic sklopovi). Slika 2.31 prikazuje DTL NI kolo zajedno sa svojom kombinacionom tabelom. Komponente D1 , D2 , R1 ostvaruju logi èku I funkciju, na njih se nadovezuje tranzistorski invertor. Diode D3 i D4 su potrebne radi pode šavanja ulaznih logièkih nivoa. Bez njih bilo bi nesigurno zakoèenje tranzistora odnosno ne bi se mogala obezbediti odgovaraju ãa margina smetnji pri niskom logi èkom nivou na ulazu.
VCC
R3 R1 Y D1
D3
D4
Q
A
B
D2
R2
A
B
Y
0 0 1 1
0 1 0 1
1 1 1 0
Slika 2.31. NI kolo u DTL tehnici sa svojom kombinacionom tabelom.
Na slici 2.32 je prikazano TTL NI kolo. Izlazni stepen je re šen na slièan naèin kao kod DTL kola, s tim da je potreban jedan dodatni tranzistor ( Q2) za pojaèanje struje. U ulaznom stepenu ulogu dioda igra jedan specijalan vi šeemitorski tranzistor (Q1). Ako se na bilo kom ulazu pojavi nizak logi èki nivo, tranzistor Q1 ãe raditi na ivici aktivnog režima pošto dobija baznu struju iz V CC -a preko otpornika R1 ali mu je kolektorska struja pribli žno nulte vrednosti. U tom slu èaju tranzistori Q2 i Q3 su zakoèeni i na izlazu je visok logièki nivo. Dovoðenjem visokog logièkog nivoa na sve ulaze, tranzistor Q1 prelazi u inverzni aktivni re žim (emitor na vi šem potencijalu od kolektora), daje baznu struju za tranzistor Q2 koji onda pobuðuje tranzistor Q3 i na izlazu se uspostavi nizak logi èki nivo.
58
VCC
R1
R2 R4
Q1 Y A
Q2
B C
Q3
R3
Slika 2.32. TTL NI kolo.
Uz pomoã sliènih tranzistorskih kola mogu se rešiti i druge i složenije logièke funkcije. Familija TTL kola je bila prva familija logi èkih kola koja je proizvedena u integrisanoj tehnici i to u velikim koli èinama i sa puno razlièitih logièkih funkcija. Dugo godina su èinili osnovu digitalne elektronike. Prvobitne varijante TTL kola su do danas ve ã zastarele ali novije varijante su i dan danas konkurentne. Zavisno od podfamilije, potro šnja i brzina im je osrednja ili velika u odnosu na druge familije logièkih kola. Napon napajanja im je redovno 5V , ulazni logièki nivoi su V IHmin=2V , V ILmax=0,8V , a izlazni V OHmin=3,5V , V OLmax= 0,3V (tipiène vrednosti; kod pojedinih kola odnosno kod razlièitih proizvoðaèa mogu se pojaviti odstupanja). Može se uoèiti izvesna asimetrija u marginama smetnji za nizak i visok logi èki nivo. Manja margina smetnji pri niskom logièkom nivou je opravdana jer zasi ãeni tranzistor obezbeðuje izlaznu taèku male impedanse što dobro prigušuje smetnje.
2.2.5. ECL logi èka kola I ECL (Emitter Coupled Logic) kola se ostvaruju bipolarnim tranzistorima. Po što je zasiãenje bipolarnog tranzistora glavna prepreka za postizanje veãe brzine, kod ovih kola se aktivni režim koristi za predstavljanje jednog od logièkih nivoa. Iz aktivnog režima moguã je brz prelazak u zakoèenje i kontra. Jedno prosto kolo, ILI funkcija ostvarena u ECL tehnici, prikazana je na slici 2.33, zajedno sa svojom prenosnom karakteristikom. Dovoðenjem niskog logièkog nivoa (V 1<-1,5V ) na oba ulaza, zako èi se Q1 i Q2, a Q3 je u aktivnom režimu. Zahvaljujuãi aktivnom režimu, Q3 odvodi jedan deo bazne struje tranzistora Q4 što dovodi do smanjenja struje kolektora istog tranzistora i do smanjenja izlaznog logi èkog nivoa na nizak nivo. Ako se na bazu bilo kog od tranzistora Q1 ili Q2 dovede visok logi èki nivo (V 2>-1V ), dotièni tranzistor prelazi u aktivni režim i zakoèi tranzistor Q3. Pri tome Q4 dobije veãu baznu struju i podiže izlaz na visoki logièki nivo.
59
R1
R2 Q4
Q1
Q2
A
B
(VI1 )
(VI2)
-2
0
-1
0
V I
Q3 Y
-VBB
-1
(VO )
R3
R4
-2 V O
(a)
(b)
-VEE
Slika 2.33. ILI kolo u ECL tehnici (a) i prenosna karakteristika (b).
Pored ovde prikazanog ECL ILI kola realizovano je puno drugih logi èkih kola na slièan naèin i razvoj time nije stao. Izašle su na tr žište nove familije ECL10K i ECL 100K. ECL kola nisu pogodna za industrijsku primenu, redovno se koriste u realizaciji centralnih jedinica velikih digitalnih raèunara.
2.2.6. I2L logièka kola Razvojem digitalne tehnike pojavila se potreba za integracijom što složenijih funkcija na silicijumsku plo èicu date povr šine. Tako su prvo razvijena SSI kola (Small Scale Integration), zatim MSI (Medium Scale Integration), LSI kola (Large Scale Integration) i VLSI kola (Very Large Scale Integration), uz sve ve ãu gustinu pakovanja. Jedan pravac razvoja je bio razvoj što manjih tranzistora i drugih komponenti, sa dr uge strane istraživana su kola sa što manjim brojem elemenata po elementarnoj logièkoj funkciji. Tako 2 je formirana I L familija logi èkih kola. Osnovne komponente su i ovde bipolarni tranzistori, ovde redovno u izvedbi sa vi še kolektora (slika 2.34). A+B VCC
Slika 2.34. ILI odnosno NILI logiè ko kolo ostvareno u I 2 L tehnici.
VCC
IG1
VCC
IG2
IG3
A Q1 A
Q2 B
60
B
Q3
A+B
Prikazano kolo istovremeno ostvaruje ve ãi broj logièkih funkcija. Nizak logièki nivo na izlazu je predstavljen zasi ãenjem tranzistora koji formira taj izlaz (V OL=V CEsat ( 0,1V ). Visoki logièki nivo na izlazu je definisan ulaznim naponom tranzistora koji èini ulazni deo slede ãeg kola 2 (V OH =V BEsat ( 0,8V ). Može se zakljuèiti da je kod I L kola udaljenost logi èkih nivoa (logièka amplituda) male vrednosti, odavde sledi da ãe biti male margine smetnji i primena ovih kola u industrijskoj sredini nije preporu èljiva.
2.2.7. MOS logièka kola Logièka (digitalna) kola se mogu izgraditi i na bazi mosfetova u prekidaèkom režimu. NMOS logièka kola koriste iskljuèivo N kanalne mosfetove, a u CMOS tehnici se kombinuju N kanalne i P kanalne komponente. Realizacije èisto na bazi P kanalnih komponneti nisu uobi èajene. NI kolo (kapija) realizovana u NMOS tehnici zajedno sa upro šãenom ekvivalentnom šemom je prikazana na slici 2.35. Zbog redne veze prekida èa u donjoj grani, struja prema masi može da se uspostavi samo ako na oba ulaza (na gejtove) dovedemo visoki logi èki nivo (veãi od praga provoðenja mosfetova). U istom kolu treãi mosfet (Q3) igra ulogu aktivnog optere ãenja umesto otpornika prema napajanju. VDD
VDD
R
Q3 Y=AB B
Slika 2.35. NI kolo ostvareno u NMOS tehnici (a) i ekvivalentna š ema sa prekidaè ima (b).
Y=AB B
Q2
A
SW2
A
Q1
SW1
(a)
(b)
NMOS NILI kapija je prikazana na slici 2.36, zajedno sa ekvivalentnom šemom. VDD
VDD
R
Q3 Y=A+B A
Q1
B
Q2
Y=A+B A
(a)
SW1
B
SW2
(b)
Slika 2.36. NILI kapija realizovana u NMOS tehnici (a) i ekvivalentna š ema sa prekidaè ima (b). 61
U CMOS tehnici logi èki invertor se može smatrati za osnovno kolo. Odgovarajuãe kolo sa svojom prenosnom karakteristikom je prikazano na slici 2.37. Pri postepenom rastu signala na ulazu N kanalni mosfet Q1 prelazi iz zako èenog stanja u zasiãenje, zatim u triodnu oblast. Isto se de šava sa P kanalnim mosfetom Q2 u suprotnom slu èaju kada ulazni signal pada postepeno od V DD prema masi. Pragove otvaranja ( V T) podešavaju na taj naèin da prenosna karakteristika bude simetrièna u odnosu na ta èku V DD /2. V O
VDD
V DD
Q2 A
Y=A
(V ) I
(V ) O
V /2 DD
Q1 VI
0 (a)
(b)
0
V V /2 V -VT V T DD DD DD
Slika 2.37. Logiè ki invertor u CMOS tehnici (a) i odgovarajuãa prenosna karakteristika (b).
Važna osobina CMOS kola je da kroz MOS kanale prolazi struja samo za vreme prelaza izmeðu logièkih nivoa, inaèe je potrošnja kola zanemarljiva. Zahvaljujuãi ovome, CMOS kola su jako pogodna za realizaciju prenosnih ure ðaja sa baterijskim napajanjem (kalkulatori, ruèni satovi, merni instrumenti itd.). Ipak, treba znati da sa porastom radne frekvencije potro šna CMOS kola raste znaèajno. Potrošnja je prouzrokovana èestim punjenjem i pražnjenjem ulaznih parazitih kapaciteta mosfetova (kapacitet gejta). Druga dobra osobina CMOS kola su velike margine smetnji. Izlazni logi èki nivoi su u okolini napona napajanja i mase, a prelaz izme ðu logièkih nivoa je relativno nagli i dešava se u okolini polovine napona napajanja. Prema tome, teoretski gledano, margine smetnji bi imale vrednosti od blizu V DD /2. U stvarnosti, zbog nesigurnosti pragova mosfetova, za realne margine smetnji se može uzeti vrednost od 0,3V DD . Slièno CMOS inveroru konstruisano je CMOS NI i NILI kolo. Ovi su prikazani na slici 2.38 i 2.39, zajedno sa odgovaraju ãim ekvivalentnim šemama. U primeni je veliki broj CMOS logi èkih kola niske integracije (SSI) sa prostijim i složenijim logièkim funkcijama. Prvobitne varijante se veã danas mogu smatrati zastarelim ali ima novijih razvojnih rezultata. Vrlo je popularna recimo HCMOS serija kod koje je postignuta velika brzina uz malu potro šnju. CMOS kola su prisutna i u LSI i u VLSI tehnici.
62
VDD
A VDD
B
SW3
SW4 Y=AB
Q3
Q4
B
Y=AB A
SW2
Q2 A
B
Q1
(a)
SW1
(b)
Slika 2.38. CMOS NI kolo (a) i odgovaraju ãa ekvivalentna š ema (b).
VDD
B VDD
Q4
A
A
SW4
SW3 Y=A+B
Q3 Y=A+B A
B
Q1
Q2
(a)
SW1
B
SW2
(b)
Slika 2.39. CMOS NILI kolo (a) i odgovaraju ãa ekvivalentna š ema (b).
63
2.3. POJAÈ AVAÈ KA KOLA
Kod logièkih kola postavljen je uslov da, sve vreme dok signal varira unutar margine smetnji, izlazni signal ostane konstantan ili da se menja minimalno. Nasuprot tome, kod pojaèavaèkih kola se traži da izlaz reaguje što intenzivnije na promene na ulazu. Takva velika osetljivost se mo že uoèiti i kod logièkih kola pri prelazu izmeðu dva logièka nivoa (slike 2.30, 2.33 i 2.37) ali u navedenim prostim obja šnjenjima nije skrenuta pažnja na te detalje. Kod pojaèavaèkih kola potrebno je rešiti dva suštinska zadatka. Prvo, treba obezbediti prenosnu karakteristiku sa što veãim nagibom (pojaèanjem). Kao što je reèeno, takav segment velike osetljivosti postoji ve ã i kod logièkih kola. Drugo, radnu taèku treba dr žati oko sredine segmenta sa velikim nagibom, nezavisno od uticaja okoline (kolebanje napona napajanja, promena temperature itd.) ali istovremeno radna ta èka treba intenzivno da reaguje na promenu ulaznog signala. Na slici 2.40 su prikazane razne idealizovane prenosne karakteristike za poja èavaèe. Zajedni èka osobina svih dijagrama je da levo i desno od centralnog linearnog dela, zbog prelaska tranzistora u zako èenje ili zasiãenje, nagib opada (postepeno ili naglo) do nule. Ako je nagib pozitivan (rastu ãi, dV 0 /dV I >0), govorimo o neinvertuju ãem pojaèavaèu, u suprotnom sluèaju V O
V O
V I
V I
(a)
(b)
V O
V O
V I
V I
(c)
(d)
Slika 2.40. Prenosne karakteristike poja è avaè kih kola: a) neinvertujuãa karakteristika bez ofseta, b) invertuju ãi karakteristika bez ofseta, c) neinvertujuãa karakteristika sa ofsetom, d) invertuju ãa karakteristika sa ofsetom.
64
(dV 0 /dV I <0) reè je o invertujuãem pojaèavaèu. Ako linearni segment prolazi kroz poèetak koordinatnog sistema ( V I, V O), kažemo da pojaèavaè nema ofseta. U suprotnom sluèaju postoji ofset koji treba da se re šava pri sprezanju pojaèavaèa sa izvorom signala i sa potrošaèem.
2.3.1. Modelovanje poja èavaèa Ako se zanemare nelinearna izobli èenja i eventualna kašnjenja, pojaèavaèi se mogu uprošãeno predstaviti sa tri parametra. To su: - pojaèanje: A (može da se definiše kao naponsko pojaèanje - AV =V o /V i, strujno poja èanje A I =I o /I i, prenosna otpornost - R M =Vo/I i ili prenosna provodnost - G M =I o /V i); - ulazna otpornost: R I ; - izlazna otpornost: RO. Pri oznaèavanju struja i napona se koriste mala slova u indeksu da bi se naglasilo da se ne radi o kompletnom signalu ve ã samo o maloj promeni na linearnom delu prenosne karakteristike. Na slici 2.41 date su ekvivlentne šeme pojaèavaèa na bazi uvedenih parametara A, R I i RO. U datim mrežnim modelima pojaèanje je predstavljeno kontrolisanim izvorima. Sam izvor može biti strujni ili naponski, a tako ðe i kontrola može da se vr ši strujom ili naponom. Prikazana èetiri modela su nužna idealizacija, u praksi realni pojaèavaèi se uvr štavaju u odgovarajuãu kategoriju u zavisnosti od veli èine njihove ulazne i izlazne otpornosti. Ulazna otpornost poja èavaèa se definiše kao odnos ulaznog napona i ulazne str uje: R I = V i / I i, a izlazna otpornost ( RO) se tumaèi kao unutrašnja otpornost realnog naponskog ili realnog strujnog generatora (prema Th évenin-ovoj ili Norton-ovoj teoremi). Ii
Vi
+
R I
Ii
Vo
Vi
Io
Ii
V o
V i
Io
RO AVVi
(a)
Ii
V i
+
RI
Io
RI
AI Ii
R O
(b)
Vo
Io
R O RMIi
(c)
R I
GMVi
R O
V o
(d)
Slika 2.41. È etiri moguãa mre ž na modela za poja è avaè e: a) naponski pojaè avaè upravljan naponom, b) strujni poja è avaè upravljan strujom, c) naponski pojaè avaè upravljan strujom, d) strujni poja è avaè upravljan naponom.
Pri formiranju modela za poja èavaè koristi se upravljanje naponom ako je ulazna otpornost pojaèavaèa mnogo veãa od unutrašnje otpornosti izvora signala. U suprotnom sluèaju bolje uzeti model sa strujnim upravljanjem. Na izlazu modela opravdano je uzeti naponski izvor ako je
65
unutra šnja otpornost pojaèavaèa mala u odnosu na otpornost potrošaèa. Modelovanje izlaznog dela kod pojaèavaèa sa velikom izlaznom otpornošãu je opravdano raditi sa strujnim generatorom.
2.3.2. Poja èavaèi sa povratnom spregom Pojaèavaèi se mogu koristiti u osnovnoj formi ali radi poboljšanja parametara èesto se primenjuje povratna sprega. Povratna sprega je jedan vrlo rasprostranjeni postupak u tehnici. Suština povratne sprege je da se jedan deo izlaznog sinala kombinuje sa ulaznim signalom, što dovodi do promene parametara sistema. Tumaèenje povratne sprege je dato pomoãu slike 2.42. Blok A je u ovom slu èaju pojaèavaè a blok â je kolo povratne sprege (redovno se konstrui še od pasivnih komponenti).
Slika 2.42. Blok š ema pojaè avaè a sa povratnom spregom.
Xi
$
Xe
G # Xr
Xo
H /
Ulazni signal ( X i) se na ulazu kombinuje sa signalom povratne sprege ( X r) pomoãu kola za sabiranje (oduzimanje). Tako nastaje signal gre ške ( X e). Osnovni poja èavaè u stvari pojaèava signal greške A puta, i formira izlazni signal ( X o). Kolo povratne sprege formira signal povratne sprege od izlaznog signala. Polazne jedna èine kojima se može opisati rad kola sa povratnom spregom su sledeãe: X o
! AX e ..................................................................................................................(2.11.)
X e
! X i # X r ............................................................................................................(2.12.)
X r
! * X o ...................................................................................................................(2.13.)
Rešavanjem gornjeg sistema jednaèina po promenljivoj X o dobija se veza izme ðu ulaznog signala i izlaznog signala: X o
!
A A 1 $ *
X i ..........................................................................................................(2.14.)
Odavde sledi formula za poja èanje pojaèavaèa sa povratnom spregom: Ar
!
A
1 $ * A
................................................................................................................(2.15.)
U kolima gde se signal povratne sprege oduzima od ulaznog signala (smanjuje ga), govorimo o negativnoj povratnoj sprezi, ina èe je reè o pozitivnoj povratnoj sprezi. Kod pojaèavaèkih kola redovno se primenjuje negativna povratna sprega. U ovom sluèaju važi nejedna èina Ar
1. Pad pojaèanja predstavlja izvestan gubitak ali se lako nadoknaðuje ( na primer, ugradnjom novog pojaèavaèkog stepena). Dobitak je meðutim višestruk. Prvo se može navesti da je pojaèanje 66
sa povratnom spregom ( Ar ) manje osetljivo na promene parametara aktivnih elemenata nego samo osnovno pojaèanje ( A). Izraèunavanjem izvoda od funkcije Ar prema jedna èini 2.15 i deljenjem sa Ar dobija se slede ãa zavisnost: dAr Ar
!
1
dA
1 $ * A A
........................................................................................................(2.16.)
koja kaže da su relativne promene pojaèanja sa povratnom spregom (1+ â A) puta manje od relativnih promena poja èanja polaznog pojaèavaèa bez povratne sprege. To je znaèajan dobitak pošto se parametri obiènih pojaèavaèa menjaju znaèajno pod uticajem promene temperature, pri promeni radne ta èke ili pri zameni komponenata. Na slièan naèin se može pokazati da ãe se nelinearna karakteristika osnovnog pojaèavaèa znaèajno linearizovati pod uticajem negativne povratne sprege. Moguãi rezultat je prikazan na slici 2.43.
Xo A2 A1
A1r
A2r Xi
Slika 2.43. Negativna povratna sprega smanjuje nelinearnost poja è avaè a.
Takoðe je znaèajan dobitak što se primenom povratne sprege smanjuju kašnjenja u pojaèavaèu. Time se proširuje propusni opseg pojaèavaèa. Pri opisivanju poja èavaèa signali X i, X e, X r, X o mogu biti naponi i struje. Kolo povratne sprege se uvek prilago ðava tipu pojaèavaèa odnosno mrežnom modelu iz taèke 2.3.1. Pri naponskom izlazu kolo povratne sprege posmatra izlazni napon i formira signal povratne sprege srazmeran sa tim naponom, dok kod strujnog izlaza izlazna struja se propu šta kroz ulaz kola povratne sprege. Sli èna logika važi na ulazu: pri strujnoj kontroli i izlaz kola povratne sprege treba da je struja, a kod naponske kontrole i izlaz kola povratne sprege daje napon. Iz dosad navedenog je jasno da za èetiri mrežna modela pojaèavaèa odgovaraju èetiri vrste kola povratne sprege (slika 2.44). Prilikom primene negativne povratne sprege kod poja èavaèa sa naponskim ulazom raste ulazna otpornost a kod strujnog ulaza opada. Sli èno, kod naponskog izlaza izlazna otpornost opada a kod strujnog izlaza raste. Sve te tendencije se mogu smatrati za pozitivne sa aspekta primene pojaèavaèa. Na kraju ãemo spomenuti jednu neželjenu posledicu negativne povratne sprege. Istovremeno delovanje kašnjenja u pojaèavaèu i negativne povratne sprege èesto dovodi do zaoscilovanja. Oscilacije se manifestuju u tome da poja èavaè generiše periodièan signal bez prisustva ulaznog signala. Podrazumeva se da se takav poja èavaè ne može koristiti. Odgovarajuðe teoretsko razmatranje pojave oscilovanja je dato u 4. delu.
67
Ii
Vi
Ve
Io
+
RI
Ie
RO AV Ve
Vo
Ii
RL
Vr
V i
R I
AI Ie
R
O
V
o
RL
Ir
/
/
(a)
(b)
Ie
Ii
Io
V i
Io
+
R I
Ii
Io
RO RM I e
Vo
RL
Vi
Ir
Ve
RI
GMVe
R
O
V
o
RL
Vr
/
/
(c)
(d)
Slika 2.44. Struktura poja è avaè a sa povratnom spregom u zavisnosti od mre ž nog modela pojaè avaè a: a) naponsko-naponska povratna sprega primenjena na naponom upravljani naponski pojaè avaè , b) strujno-strujna povratna sprega primenjena na strujom upravljani strujni pojaè avaè , c) naponsko-strujna povratna sprega primenjena na strujom upravljani naponski pojaè avaè , d) strujno-naponska povratna sprega primenjena na naponom upravljani strujni pojaè avaè .
2.3.2. Operacioni poja èavaèi Analizu i primenu poja èavaèa umnogome olak šava ako je kod naponskog ulaza velika ulazna otpornost (mnogo ve ãa od unutrašnje otpornosti izvora signala) a kod strujnog ulaza mala ulazna otpornost. Kod naponskog izlaza po željna je mala izlazna otpornost (mnogo manja od otpornosti potro šaèa), suprotno tome pri strujnom izlazu poželjna je velika izlazna otpornost. Takve idealizovane poja èavaèe je nemoguãe realizovati sa prostim tranzistorskim konfiguracijama. Postoje me ðutim višestepeni integrisani pojaèavaèi koji se ponašaju kao približno idealni naponski poja èavaèi sa velikim naponskim pojaèavaèem. Takvi pojaèavaèi nose naziv operacioni poja èavaèi. Postoji na tr žištu veliki izbor operacionih pojaèavaèa i zbog idealnog ponašanja vrlo široko se primenjuju. Nasuprot slo ženoj unutrašnjoj strukturi, operacioni pojaèavaè se smatra za osnovnu elektronsku komponentu. Njegov grafi èki simbol i prenosna karakteristika su dati na slici 2.45. Karakteristika pokazuje ono što je veã unapred reèeno, da je operacioni pojaèavaè naponski pojaèavaè sa velikim pojaèanjem. I po drugim aspektima se približava idealnom naponskom pojaèavaèu: ulazna otpornost mu je vrlo velika a izlazna otpornost vrlo mala.
68
Vo VCC VCC
V1
(V2-V )1
V2 Vo -VCC
-VCC
Slika 2.45. Grafi è ki simbol (a) i prenosna karakteristika operacionog poja è avaè a (b).
(a)
(b)
Za normalan rad operacionog poja èavaèa redovno treba obezbediti dvostruko, simetrièno napajanje ( +V CC , -V CC ). Masa se redovno ne priklju èuje na operacioni pojaèavaè (eventualno pri jednostrukom napajanju). Novina u odnosu na obi èan naponski pojaèavaè je da poseduje dva ulaza (sa – je oznaèen invertujuãi ulaz a sa + neinvertujuãi ulaz), ulazni naponi dovedeni na njih su oznaèeni sa V 1, V 2. Operacioni poja èavaè pojaèava signal po formuli:
V O
! A(V 2 # V 1 ) .........................................................................................................(2.17.)
znaèi vr ši pojaèanje razlike napona. Ako se razlika napona ne menja, sami ulazni naponi mogu da se menjaju u širokim granicama (unutar napona napajanja) bez znaèajnijeg uticaja na izlazni napon. 5 Sa obzirom da je naponsko poja èanje reda velièine 10 a izlazni napon je ograni èen na opseg od otprilike ±10V , ulazna razlika napona redono ne prelazi vrednost od 0,1mV . Iz dosada re èenih sledi da je opravdana idealizacija operacionog pojaèavaèa u sledeãem smislu: A%& , Ri%& , Ro%0, V 2-V 1%0.
2.3.4. Kola sa operacionim poja èavaèima Lako se zaklju èuje da se operacioni pojaèavaèi sami za sebe teško ili nikako ne mogu koristiti. Veliko poja èanje, sa jedne strane nije neophodno, sa druge strane zbog velikog pojaèanja pojaèavaè se ne može kontrolisati. Ulazni opseg je tako uzan da ãe i najmanja smetnja ili ofset dovesti do neželjenih reakcija (zasiãenje, izoblièenje). Primenom negativne povratne sprege svi ovi problemi se elimini šu, operacioni pojaèavaè postaje komponenta koja je široko primenjiva. Polazeãi od velikog pojaèanja povratna sprega ãe biti vrlo jaka, dobija se kolo sa vrlo stabilnim pona šanjem. U daljem tekstu ãe se prikazati najpoznatije primene operacionih poja èavaèa. a) Sleditelj napona. Kod ovog kola (slika 2.46) kompletan izlazni napon je vra ãen na invertujuãi ulaz. S obzirom na veliko pojaèanje operacionog pojaèanja važiãe uslov V I =V 1=V 2, iz èega sledi da izlazni napon prati ulazni napon: V O=V I . 69
VCC
A
Slika 2.46. Precizni sleditelj napona realizovan sa operacionim poja è avaè em.
VI
VO -VCC
Sleditelj napona se koristi kao odvojni stepen po što mu je naponsko pojaèanje taèno jedinièno, ulazna otpornost je izuzetno velika (mnogo ve ãa i od ulazne otpornosti samog operacionog poja èavaèa) a izlazna otpornost je zanemarljiva (mnogo manja od izlazne otpornosti operacionog poja èavaèa). b) Invertuju ãi pojaèavaè Invertuju ãi pojaèavaè sa precizno definisanim pojaèanjem može se ostvariti prema šemi sa slike 2.47. Tu se zapravo radi o strujom upravljanom naponskom poja èavaèu sa negativnom povratnom spregom. U takvim slu èajevima pri analizi bilo bi potrebno pretvoriti realni naponski generator koga èine elementi V I i R I u realni strujni generator i tako sprovesti analizu.
R2 VCC
R1
Slika 2.47. Precizni invertuju ãi pojaè avaè sa operacionim pojaè avaè em.
A VI
VO -VCC
Postoji meðutim prostija metoda. S obzirom na uslov V 1=V 2 , i pošto je neinvertujuãi ulaz vezan na masu, zaklju èimo da je invertujuãi ulaz na takozvanoj virtuelnoj masi. Virtuelna masa ne znaèi stvarnu vezu sa masom, ve ã samo ukazuje na èinjenicu da, zahvaljujuãi povratnoj sprezi, potencijal invertuju ãeg ulaza je 0V , isto kao potencijal mase. Odavde sledi da ãe se kroz otpornik R1 uspostaviti struja:
I R1
!
V I R1
.....................................................................................................................(2.18.)
Pošto je ulazna struja operacionog pojaèavaèa zanemarljiva zbog velike ulazne otpornosti, može se staviti I R2=I R1. Zapravo negativna povratna sprega u ovom kolu radi na taj na èin da se menja izlazni napon dok se ne izjedna èe struje otpornika. Èim se pojavi razlika, invertujuãi ulaz se 70
pomeri sa virtuelne mase. Pri tome izlazni napon se pomeri u tom smeru da se ponovo izjedna èe struje otpornika. Izlazni napon se mo že izraèunati iz formule:
V O
! V 1 # R2 I R 2 ..........................................................................................................(2.19.)
Pošto je V 1=0, sledi: Ar
!
V O V I
!#
R2 R1
. ........................................................................................................(2.20.)
Suština dobijenog rezultata je da se pojaèanje može precizno podesiti izborom dva otpornika, promene parametara operacionog poja èavaèa nemaju uticaja. Jedini preduslov je da operacioni poja èavaè ima veliko pojaèanje. Naravno, pri izboru otpornika R1 treba paziti da se ne preoptereti izvor signala, a pri izboru R2 bitno je da se ne preoptereti izlaz operacionog poja èavaèa (obièno su izlazi operacionih pojaèavaèa konstruisani na potrošn je do nekoliko mA). c) Pojaèavaè za sabiranje signala. I u ovom slu èaju (slika 2.48) polazimo od uslova V 1=0. Pojedine ulazne struje se mogu raèunati kao odnosi ulaznih napona (V I1 , V I2 , V I3) i otpornika vezanih prema ulazu operacionog pojaèavaèa ( R1 , R2 , R3). Struju otpornika R0 èini zbir navedene tri struje. Po tome, za izlazni napon važiãe formula: V O
!#
RO R1
V I 1
#
RO R2
V I 2
#
RO R3
V I 3 ...............................................................................(2.21.)
Proizvoljno su uzeta tri ulaza, na ovaj na èin se može sumirati i veãi broj ulaza po potrebi i faktori množenja u zbiru se mogu birati slobodno. Pri dimenzionisanju jedino treba paziti da se izlaz operacionog poja èavaèa ne preoptereti po struji i po naponu. Pošto više ulaza deluje istovremeno, treba naãi kritièni trenutak i za to vr šiti izbor otpornika.
VI1
R1
VI2
R2
VI3
R3
RO VCC
A
Slika 2.48. Pojaè avaè za sumiranje signala na bazi operacionog poja è avaè a.
VO -VCC
71
d) Neinvertuju ãi pojaèavaè. I sleditelj napona je neinvertuju ãeg karaktera, ali mu se ne može podešavati pojaèanje. Nasuprot tome, poja èanje sklopa na slici 2.49 se može podešavati u izvesnim granicama. Ovde se radi o naponskom poja èavaèu sa naponskom povratnom spregom.
R2 VCC
R1
Slika 2.49. Neinvertuju ãi pojaè avaè realizovan na bazi operacionog poja è avaè a.
A VI
VO -VCC
Kolo se može analizirati relativno prosto na sledeãi naèin: Iz uslova V I =V 1=V 2 odredi se struja otpornika R1: I R1
!
V I R1
.....................................................................................................................(2.22.)
S obzirom na veliku ulaznu otpornost operacionog poja èavaèa ista struja protièe i kroz otpornik R2. Na osnovu toga, izlazni napon se mo že raèunati po formuli:
V O
! V I $ R2 I R1 ! V I $
V I R1
R2
= R : ! ;;1 $ 2 88V I , .............................................................(2.23.) < R1 9
prema tome, poja èanje je: Ar
!
V O V I
! 1$
R2 R1
.......................................................................................................(2.24.)
Nasuprot invertuju ãem pojaèavaèu (slika 2.47), ovde se ne može podesiti pojaèanje manje od jedinice. Ako se pojavi takva potreba, ulazni napon se mo že smanjiti otpornièkim razdelnikom na koji se može povezati sleditelj napona (slika 2.46) radi rastereãenja razdelnika od strane potro šaèa. e) Pojaèavaè razlike dva napona (diferencijalni pojaèavaè). Postoje takvi slu èajevi u elektronici da nijedan kraj od izvora signala nije uzemljen. Tada se moraju posmatrati oba kraja i potrebno je poja èati razliku napona izmeðu njih. Operacioni pojaèavaè veã samo po sebi se ponaša kao pojaèavaè razlike napona, nažalost, zbog prevelikog pojaèanja, ne može se koristiti direktno. Primenom povratne sprege meðutim može se konstruisati odgovaraju ãi diferencijalni pojaèavaè (slika 2.50). Pretpostavljamo rad u linearnom re žimu, prema tome važi teorema superpozicije. Po toj teoremi mogu se izraèunati odzivi pojaèavaèa posebno na jedan i drugi ulazni signal, zatim se ukupan odziv (rezultantni izlazni napon) dobija kao zbir navedena dva odziva. 72
VIA
Slika 2.50. Diferencijalni pojaè avaè sa operacionim pojaè avaè em.
VIB
R1
R2
VO R1
R2
U odnosu na ulaz A kolo se ponaša kao invertujuãi pojaèavaè:
!#
V OA
R2 R1
V IA ............................................................................................................(2.25.)
Napon V IB se prvo razdeli u odnosu R2 /(R1+R2), tako se dovodi na neinvertuju ãi ulaz operacionog poja èavaèa, zatim se pojaèava sa pojaèanjem neinvertujuãeg stepena:
!
V OB
= R2 : R ;;1 $ 88V IB ! 2 V IB . .........................................................................(2.26.) R1 $ R2 < R1 9 R1 R2
Ukupan izlazni napon ãe biti: V O
R2
! ?V IB # V IA @
R1
....................................................................................................(2.27.)
dakle, srazmeran je sa razlikom ulaznih napona. Nedostatak prikazanog diferencijalnog poja èavaèa je što su mu ulazne otpornosti relativno male vrednosti i nisu jednake na oba ulaza. Slo ženijim kolom, primenom dva ili tri operaciona pojaèavaèa ovaj nedostatk se može otkloniti. f) Kolo za integraljenje. Pri analognoj obradi signala èesto se javlja potreba za odreðivanje vremenskog integrala ulaznog signala. Kolo koje mo že da obavi integraljenje u vremenskom domenu je prikazano na slici 2.51. I kod ovog kola se mo že primeniti pretpostavka da je invertujuãi ulaz operacionog pojaèavaèa na virtuelnoj (prividnoj) masi. Po što je ulazna otpornost operacionog poja èavaèa velika, struja otpornika ãe biti jednaka sa strujom kondenzatora: v I (t ) R
! C
dvC (t ) dt
. .............................................................................................................(2.28.)
Za razliku od dosada šnje prakse tu su promenljive oznaèene sa malim slovima i velika su slova u indeksima da bi se naglasilo da se radi o vremenskim funkcijama. Po što je sa druge strane vO=-vC , sledi: 73
vO (t ) !
#
1 RC
I v (t )dt . ...............................................................................................(2.29.) I
Tu je raèunat neodreðeni integral ulazne promenljive, kod konkretnih proraèuna treba uzeti u obzir i poèetnu vrednost napona na kondenzatoru. Treba znati da na ulaz integratora ima smisla dovesti samo signal sa nultom srednjom vredno šãu. Veã i mala jednosmerna komponenta ãe u dovoljno dugom periodu dovesti izlaz integratora u zasi ãenje. C
R vI
Slika 2.51. Integrator sa operacionim poja è avaè em.
vO
g) Kolo za diferenciranje. Zamenom RC elemenata se dobija kolo za diferenciranje prikazano na slici 2.52. Po što je struja kondenzatora srazmerna sa izvodom ulaznog napona, za izlazni napon se dobija formula: vO (t ) ! # RC
dv I (t ) dt
........................................................................................................(2.30.)
Prikazano kolo se dosta retko koristi. Razlog tome je velika osetljivost na smetnje i sklonost ka zaoscilovanju. R C
Slika 2.52. Kolo za diferenciranje sa operacionim poja è avaè em.
vI
vO
2.3.5. Poja èavaè sa zajednièkim emitorom Prenosna karakteristika logi èkog invertora sa bipolarnim tranzistor prikazana pod taèkom 2.2.2 ima veliku strminu na srednjem delu: pri postepenoj promeni ulaznog napona izlazni napon se 74
menja brzo. Svako kolo koje pokazuje velike promene na izlazu pri malim promenama na ulazu, može da se koristi kao pojaèavaè. Kod pojaèavaèkih kola treba rešiti sledeðe zadatke: a) Treba realizovati kolo sa dovoljno velikim nagibom prenosne karakteristike. b) Aktivnu komponentu (komponente) u kolu treba tako polarizovati da kolo radi na delu karakteristike sa velikim nagibom. c) Ulazni i izlazni signal treba tako spregnuti sa poja èavaèem da prisusutvo izvora signala i potrošaèa ne menja polarizaciju (nameštenu radnu taèku). Veã i sa jednom aktivnom komponentom se može postiãi znaèajno pojaèanje, pod pretpostavkom da su gornji zadaci adekvatno re šeni. U sluèaju poluprovodnièkih rešenja aktivna komponenta mo že biti bipolarni tranzistor, jfet ili mosfet. Tiristor zbog bistabilnog ponašanja nije pogodan za realizaciju poja èavaèke karakteristike. Primena IGBT-a nije nemogu ãa ali nije uobièajena. Pojedine pojaèavaèke konfiguracije su svoj naziv dobili po tome, koja od tri izvoda je zajedni èka za ulazno i izlazno kolo. Pojaèavaè sa zajednièkim emitorom se može izvesti iz logièkog invertora sa bipolarnim tranzistorom prema slici 2.53. Na slici 2.53.b polarizacija je re šena otpornièkim razdelnikom vezanim prema naponu napajanja ( V CC ). Kod pojaèavaèkih kola obièno izvor signala ne poseduje takvu jednosmernu komponentu koja bi mogla obezbediti potrebnu baznu struju za tranzistor. Na slici 2.53.c kolo je dopunjeno sa emitorskim otpornikom male otpornosti. Bez tog otpornika radna taèka tranzistora bi bila jako osetljiva na promene parametara tranzistora (pri zameni tranzistora, promeni temperature itd.). Na slici 2.53.d izvor signala ( V g) i potrošaè ( R L) su prikluèeni na osnovno kolo preko kondenzatora. Spre žni kondenzatori (C S1 , C S2) sa okolnim otpornicima èine propusnike visokih uèestanosti što omoguãava prenos naizmeniènih signala do neke donje graniène uèestanosti ali ujedno spreèavaju poremeãivanje radne taèke tranzistora. Umesto kapacitivne sprege mogli bi primeniti i induktivnu (transformatorsku spregu). U tom slu èaju kod proraèuna treba modelovati transformator. Kondenzator C E na radnim frekvencijama premo šãava otpornik R E i time poveãava pojaèanje tranzistorskog stepena. Pod analizom poja èavaèa podrazumeva se odreðivanje parametara Av, Ai, Ri, Ro. Kod tranzistorskih poja èavaèa analizi prethodi postupak modelovanja. Modelovanje se sastoji od sledeãih koraka: a) Iskljuèe se naponi napajanja (i eventualni drugi izvori jednosmernog napona i struje). Pri iskljuèivanju naponskog generatora na mesto generatora stavlja se kratak spoj a kod strujnog generatora mesto generatora ostaje u prekidu. Naponi napajanja se isklju èuju jer nemaju direktan uticaj na naizmeni ène signale u kolu, oni samo odreðuju radnu ta èku tranzistora i time vr še posredan uticaj na odziv. U ovom smislu mo že se primeniti teorema superpozicije prema kojoj vršimo posebnu analizu za jednosmerni i naizmenièni režim. b) Tranzistor se zameni sa odgovaraju ãom ekvivalentnom šemom. Na jpraktiènije je koristiti ekvivalentnu šemu za režim malih signala prikazan na slici 1.24.b (takozvana hibridna ð ekvivalentna šema) jer je ta šema, uz male izmene (ubacivanjem parazitnih kapaciteta) pogodna i za analize na visokim frekvencijama. Parametri tog modela (ekvivalentne šeme) se raèunaju na sledeãi naèin: r %
! *
V T
I C
, ......................................................................................................................(2.31.)
75
gm
!
I C V T
, ........................................................................................................................(2.32.)
gde je: â – faktor strujnog poja èanja tranzistora, VT – termièki napon, IC – mirna struja kolektora. VCC
VCC
RB1
RC
RC
Q RB
Q
RB2
VO
VI
(a)
(b)
VCC
RB1
VCC
RC
RB1
RC CS2
Q
RG
CS1
RB2
Q RB2 Vo
RE
Vg
RE
(c)
RL CE
(d)
Slika 2.53. Izvo ð enje pojaè avaè a sa zajedniè kim emitorom iz logiè kog invertora: a) logiè ki invertor sa bipolarnim tranzistorom, b) polarizacija pomo ãu otporniè kog razdelnika, c) stabilizacija radne ta è ke sa emitorskim otpornikom, d) sprezanje izvora signala i potro š aè a pomoãu kondenzatora.
c) U tre ãem koraku kondenzatori se zamene sa kratkim spojevima. Sklop se pona ša kao propusnik visokih u èestanosti jer je na radnoj uèestanosti impedansa kondenzatora zanemarljiva u odnosu na okolne otpornike. 76
Pojedine faze modelovanja su prikazane na slici 2.54. Na slici 2.54.c mo že se primetiti da je emitor tranzistora vezan na masu koja je zajedni èka taèka za ulazno i izlazno kolo. Zbog ovoga se kaže da je reè o kolu sa zajednièkim emitorom. CS2 CS1
RG
Q RB1
RB2 Vo
Vg
RE
CE
RL
RC
(a) RG
CS1
CS2
r0
RB1
V.
g mV1
RB2 Vo
Vg
RE
CE
RL
RC
(b) RG Vg
RB1
RB2
r0
V.
g mV1
RC
RL Vo
(c)
Slika 2.54. Postupak modelovanja poja è avaè a sa zajedniè kim emitorom: a) kolo dobijeno isklju è ivanjem naponom napajanja, b) kolo u kome je tranzistor zamenjen sa svojom ekvivalentnom š emom , c) konaè ni model sa kratko spojenim kondenzatorima.
Dobijeno kolo je linearno zato se mogu primeniti metode analize uobi èajene kod linearnih kola. Vrednosti parametara poja èavaèa sa zajednièkim emitorom donekle zavise od izbora komponenti ali se uglavnom kre ãu u sledeãim opsezima: Av=10...100, Ai=10...100, Ri=1k J...10k J, Ro=1k ! ...10k ! . Drugim reèima, naponsko i strujno pojaèanje su znaèajni, a ulazna i izlazna otpornost su umerene vrednosti. Po što ovaj sklop pojaèava i napon i struju, dobija se veliko pojaèanje snage. 77
Na slièan naèin se mogu konstruisati pojaèavaèi sa jfetovima i mosfetovima, s tim da kod njih stepeni sa zajedni èkim sorsom daju sli ène performanse. Glavne razlike u odnosu na bipolarne tranzistore se uo èavaju u podešavanju radne taèke. Naèini nameštanja radne taèke su prikazani na slici 2.55. Razlikuje se i model jfetova i mosfetova za re žim malih signala (videti taèk u 1.2.3 i 1.2.4). S obzirom na beskona ène ulazne otpornosti ovih pojaèavaèkih komponenti, sa jfetovima i mosfetovima se mogu realizovati poja èavaèi sa vrlo velikim ulaznim otpornostima. Iz istog razloga i strujno poja èanje je jako veliko. Naponsko pojaèanje i izlazna otpornost ãe biti sliène vrednosti kao kod stepena sa zajedni èkim emitorom.
VDD
VDD
RD
Slika 2.55. Polarizacija tranzistora sa efektom polja: a) polarizacija jfeta, b) polarizacija N kanalnog mosfeta sa ugrað enim kanalom, c) polarizacija mosfeta sa indukovanim N kanalom.
RD
VDD
RG1
Q
Q
RD
Q
RG2 RG
RS
(a)
RG
(b)
RS
(c)
2.3.6. Stepen sa zajednièkim kolektorom Ime ovog stepena poti èe od toga što ãe se pri modelovanju kolektor vezivati na masu koja je zajedni èka taèka za ulazno i izlazno kolo. Ponekad se koristi i naziv emiterski sleditelj po što emitorski napon (uz odgovaraju ãi ofset) prati bazni napon. Pridržavajuãi se istih principa kao kod stepena sa zajednièkim emitorom može se konstruisati stepen sa zajedni èkim kolektorom prema slici 2.56. Ako se ne naru ši mirna radna taèka (to zavisi od opsega ulaznog napona), kod ovog spoja mo že se i izostaviti ulazni sprežni kondenzator (C S1). I izlazni kondenzator (C S2) se može izostaviti ako potrošaèu ne smeta jednosmerna komponenta napona prisutna na emitoru. U ovom slu èaju je emitorski otpornik istovetan sa potor šaèem. I ovde je potreban sli èan postupak modelovanja kao kod stepena sa zajednièkim emitorom ako želimo da odredimo parametre pojaèavaèa. Dobijeni linearni model je prikazan na slici 2.57. Kod stepena sa zajedni èkim kolektorom vrednosti parametara se redovno kreãu u sledeãim opsezima: Av $ 1, A I =10...100, Ri=10k Ù...100k Ù, Ro=10Ù...100Ù. Zahvaljujuãi jediniènom naponskom poja èanju, velikoj ulaznoj otpornosti i maloj izlaznoj otpor nosti ovaj stepen je idealan za realizaciju odvojnog stepena. Ovakve vrednosti ulazne i izlazne otpornosti obezbe ðuju da ulaz pojaèavaèa ne optereãuje izvor signala, a izlaz može da podnosi znaèajna optereãenja bez prigušenja signala (to su glavni zahtevi u vezi odvojnog stepena).
78
VCC
RB1 CS1
RG
Q CS2
Slika 2.56. Kolo pojaè avaè a sa zajedniè kim kolektorom.
Vg
RB2
RE
RL Vo
RG
Slika 2.57. Linearni model pojaè avaè a sa zajedniè kim kolektorom (izostavljene su otpornosti R B1 , R B2 i R E ).
Vg
r0 V.
RL
gmV.
VK
Slièni odvojni stepeni se mogu konstruisati i sa jfetovima i mosfetovima, s tim da ãe tamo drejn biti zajedni èka elektroda za ulaz i izlaz. (stepen sa zajednièkim drejnom ili sleditelj sorsa). Parametri ovih kola su jo š bliže idealnom odvojnom stepenu (skoro beskonaèna ulazna otpornost i nulta ulazna struja).
2.3.7. Stepen sa zajednièkom bazom Stepeni sa zajedni èkom bazom se redovno ostvaruju prema šemi na slici 2.58. Postupkom modelovanja dobija se ekvivalentna šema na slici 2.59. Parametri poja èavaèa zavise od izbora komponenti ali se uglavnom nalaze u slede ãim opsezima: Av=10...100, Ai $1, Ri=10'...100' , Ro=1k '...10'. Izgradnjom jfet ili mosfet poja èavaèkih stepeni sa zajednièkim gejtom se dobijaju slièni rezultati. Može se zakljuèiti da se pojaèavaè sa zajednièkom bazom može koristiti kao naponski pojaèavaè, ali zbog male ulazne otpornosti ovog stepena radije se koristi stepen sa z ajednièkim emitorom. Primena stepena sa zajedni èkom bazom je opravdana samo na visokim frekvencijama jer u ovoj konfiguraciji parazitni kapaciteti tranzistora manje dolaze do izra žaja.
79
VCC
RC RB1
CS2
Q
Slika 2.58. Kolo pojaè avaè a sa zajedniè kom bazom.
CS1
RG RL
CB
RB2
RE
Vg
RG
Slika 2.59. Linearni model stepena sa zajedniè kom bazom.
RE Vg
VK
r0
gmV1 V1
RC
RL
Vo
2.3.8. Diferencijalni poja èavaè sa bipolarnim tranzistorima Znaèajan nedostatak jednotranzistorskih pojaèavaèkih stepeni je što se ulazni i zlazni signal ne mogu sprezati direktno. Kod mnogih signala (audio, video) to i nije problem jer nema potrebe za prenošenjem jednosmerne komponente ili sporopromenljivog signala. Postoje meðutim oblasti primene (na primer, merna tehnika) gde je informacija upravo sadr žana u jednosmernoj ili sporopromenljivoj komponenti. U takvim slu èajevima samo direktno spregnuti pojaèavaèi dolaze u obzir. Glavni predstavnici direktno spregnutih poja èavaèkih stepeni su razni diferencijalni pojaèavaèi. Slika 2.60 prikazuje diferencijalni poja èavaè realizovan sa dva NPN tranzistora. Za razliku od jednotranzistorskih stepeni ovde su na raspolaganju dva ulaza, na njih smo priklju èili napone v I1 i v I2. Ne moraju se koristiti oba ulaza (jedan od ulaza se mo že uzemljiti) ali postojanje dva ulaza se uglavnom smatra za prednost. Može se zakljuèiti da je kolo simetrièno u odnosu na ulaze. Pri izboru komponenti se vodi briga da ne bude razlike izme ðu leve i desne strane. Za dato kolo mogu se izvesti karakteristike prikazane na slici 2.61. Kao ulazni signal ovde je uzeta razlika ulaznih napona ( v I1-v I2), na slici 2.61.a pojedine kolektorske struje su uzete kao izlazne promenljive, a na slici 2.61.b za izlaz je uzeta razlika kolektorskih napona.
80
VCC RC1
Q1
RC2
vO1
vO2
vI1
Slika 2.60. Prost diferencijalni pojaè avaè konstruisan sa dva bipolarna tranzistora.
Q2
vI2 IG
-VEE
Ako je razlika ulaznih npona jednaka nuli, kolo je u ravnote ži. Kolektorske struje pojedinih tranzistora su identi ène, jednake su polovini struje strujnog generatora vezanog na emitore. Pri tome je i izlazna razlika napona jednaka nuli. Va žno je napomenuti da se ulazni naponi mogu menjati u širokim granicama bez uticaja na kolektorske struje i na razliku napona na izlazu, sve dok nema razlike izme ðu ulaznih napona. Ako se pojavi razlika napona na ulazima, kolo izlazi iz ravnote že. Zbir kolektorskih struja i dalje ostaje konstantan ali ve ãi deo te struje ãe provoditi tranzistor èiji je bazni napon (poklapa se sa ulaznim naponom) vi šlji. Pri malim razlikama ulaznih napona promena struje je linearna funkcija razlike napona ali ako ulazni napon bude ve ãi nekoliko puta od termièkog napona (V T$ 25 mV ), nagib prenosne karakteristike opada i dolazi u zasi ãenje. U graniènom sluèaju jedan od tranzistora preuzima svu struju strujnog izvora dok drugi tranzistor ostaje bez struje (zako èi se).
IG iC1
vO1-vO2
i C2
vI1-vI2 IG/2
0 vI1-vI2
(a)
0
(b)
Slika 2.61. Karakteristike diferencijalnog poja è avaè a: a) zavisnost kolektorskih struja od razlike ulaznih napona, b) razlika napona na izlazu u funkciji ulazne razlike napona.
Za realizaciju poja èavaèa pogodni su centralni delovi karak teristika: tu je veliki nagib i zadovoljavaju ãa linearnost. U linearnom režimu pojedini tranzistori se mogu zameniti sa hibridnim ð ekvivalentnim šemama. Iz tako dobijenog linearnog kola mogu se odrediti parametri pojaèavaèa Av , A ,i R ,i Ro. Vrednosti koje se dobijaju su sli ène onima kod stepena sa zajednièkim emitorom.
81
Kod diferencijalnih poja èavaèa mogu se definisati dve vrste pojaèanja. Važnije je diferencijalno poja èanje: Avd
!
# vO1 , ..............................................................................................................(2.33.) v I 2 # v I 1
vO 2
a pojaèanje srednje vrednosti je definisano sa formulom: Avc
!
$ vO 2 ...............................................................................................................(2.34.) v I 1 $ v I 2
vO1
i redovno ima vrednost mnogo manju od jedinice. Kao mera kvaliteta diferencijalnog poja èavaèa redovno se ne defini šu pojedina pojaèanja veã odnos tih pojaèanja: CMRR !
Avd Avc
. .................................................................................................................(2.35.)
Skraãenica CMRR potièe od engleskih reèi common mode rejection ratio što se može prevesti u faktor potiskivanja srednje vrednosti. Po što kod savremenih diferencijalnih pojaèavaèa faktor potiskivanja ima vrlo veliku vrednost, pogodnije ga je izraziti u decibelima: CMRR[dB ] ! 20 log10
Avd Avc
. .............................................................................................(2.36.)
Mogu se konstruisati diferencijalni poja èavaèki stepeni i sa jfetovima i mosfetovima na slièan naèin kao sa bipolarnim tranzistorima. Princip rada je slièan, bitna razlika je jako velika (skoro beskona èna) ulazna otpornost.
2.3.9. Strujni izvori, aktivna optere ãenja, strujna ogledala U prostijim sluèajevima polar izacija tranzistora se vr ši izvorima napajanja i otpornicima. Za istu svrhu u integrisanoj tehnici radije se koriste aktivna re šenja nabrojana u naslovu. Slika 2.62 prikazuje tranzistorski strujni izvor. Polarizaciju tranzistora vr ši negativan izvor napajanja ozna èen sa -V EE . Izlaznu struju strujnog izvora ( I G) èini kolektorska struja tranzistora. Napon na kolektoru mora biti ve ãi od baznog napona (uslov za rad u aktivnom režimu) da bi struja izvora bila pribli žno konstantna. Napon napajanja -V EE preko razdelnika sa èinjenog od elemenata R1, D1, D2, R2 se dovodi na bazu. Pošto je bazni napon na ovaj naèin stabiliziran, pretpostavljajuãi aktivni režim, i napon emitora ãe imati fiksnu vrednost. Na taj naèin i napon na otporniku R3 je konstantan, takoðe i struja tog otpornika. Po što kod savremenih tranzistora faktor strujnog pojaèanja ( * ) ima veliku vrednost, struja kolektora se minimalno razlikuje od struje emitora, zna èi i ona je stabilizovana. Diode u baznom kolu smanjuju temperaturnu osetljvost ovog sklopa. Prikazana verzija strujnog izvora mo že da vr ši polarizaciju jednog diferencijalnog pojaèavaèa. U sluèaju da je potrebna struja suprotnog smera, kolo se mo že okrenuti: umesto negativnog napajanja (-V EE ) prikljuèi se pozitivno napajanje a NPN tranzistor se zameni sa PNP tranzistorom.
82
IG Q D1 R1
D2
R3
R2
Slika 2.62. Prost strujni izvor sa bipolarnim tranzistorom. -VEE
Integrisanoj tehnici je vi še prilagoðeno kolo prikazano na slici 2.63, poznato kao strujno ogledalo. Struja otpornika je pribli žno konstantna (ako je V CC =const. ), a ujedno je pribli žno jednaka i struji kolektora tranzistora Q1 (zanemaruju se bazne struje oba tranzistora). Po što su naponi bazaemitor za oba tranzistora jednake vrednosti i pretpostavlja se rad u aktivnom re žim, i kolektorske struje ãe biti približno jednake. Kolektorska struja tranzistora Q2 predstavlja izlaznu struju strujnog izvora (strujnog ogledala). VCC
R
IG
Q1
Slika 2.63. Strujno ogledalo sa bipolarnim tranzistorima.
Q2
Paralelnim sprezanjem spojeva baza-emitor za vi še tranzistora mogu se realizovati strujni izvori sa više izlaza. Ako se mogu menjati povr šine tih PN spojeva, struje pojedinih izvora se mogu podešavati. Važan uslov je da svi tranzistori moraju raditi na istoj temperaturi. Kod diskretnih tranzistora te ško je zadovoljiti taj uslov meðutim u integrisanoj tehnici nema tih problema zbog bliskosti elemenata. I tu se mo že okrenuti smer struje strujnog izvora samo treba okrenuti napajanje i NPN tranzistore zameniti sa PNP tranzistorima. Konstrukcija strujnog izvora sa jfetom je vrlo prosta. Prema slici 2.64.a, uz dovoljan napon V DS (oblast zasi ãenja, V DS >V GS -V P) jfet provodi stuju I DSS . Ako je potrebno podesiti manju struju, veže se otpornik redno sa sorsom (slika 2.64.b).
83
IG
Q
Q
Slika 2.64. Izvor konstantne struje sa jfetom: a) osnovna varijanta, b) pode š avanje struje sa otpornikom u sorsu.
R
(a)
(b)
Slika 2.65 prikazuje strujni izvor sa mosfetovima. Ovde ãe jednakost napona V GS obezbediti jednakost upravljaèke struje i struje strujnog izvora. Svakako je preduslov da mosfetovi budu iste konstrukcije (iste su vrednosti parametara). Pri izgradnji poja èavaèa umesto otpornièkog potrošaèa vrlo rado se koriste strujni izvori i strujna ogledala. Strujni izvori, pored obezbe ðenja potrebne struje za polarizaciju tranzistora, zahvaljuju ãi velikoj unutrašnjoj otpornosti izvora, omoguãavaju i postizanje velikog pojaèanja. Kod otporni èkog optereãenja veliko pojaèanje se može dobiti velikom vrednošãu otpornosti ali bi ujedno morali poveãati i napon napajanja radi odr žavanja potrebne struje tranzistora u radnoj taèki. Poveãanje napona napajanja je krajnje nepoželjno jer dovodi do velikih gubitaka i moraju se primeniti specijalni visokonaponski tranzistori. VDD
R
IG Q1
Slika 2.65. Strujno ogledalo sa mosfetom.
Q2
Slika 2.66 prikazuje poja èavaè sa zajednièkim emitorom sa aktivnim otereãenjem u vidu strujnog ogledala (PNP izvedba). Na ovaj na èin se može postiãi otpornost potrošaèa reda više stotina k ! , zato ãe pojaèanje ovakvog stepena biti za jedan do dva reda velièine veãe od pojaèanja obiènog stepena sa zajednièkim emitorom. Strujna ogledala se mogu uspe šno primeniti i kod tranzistorskih diferencijalnih poja èavaèa. Na slici 2.67 nisu kori šãeni posebni strujni izvori na pojedinim kolektorima nego je upravljaèki prikljuèak strujnog izvora prikljuèen na kolektor tranzistora Q1 a kolektor od Q2 je prikljuèen na izlaz strujnog ogledala. U ovoj konfiguraciji promena struje kolektora I C1 se preko strujnog ogledala preslikava na izlaz i sabira se sa promenom I C2. Na ovaj na èin na izlazu se pojavljuje dvostruka vrednost promene struje kolektora, i pored toga izlaz se ne pojavljuje u diferencijalnoj formi ve ã na potrošaèu ( R L) vezanim na masu. To je vrlo va žan detalj pri kaskadnom povezivanju pojaèavaèa.
84
VCC
Q2
Q1
Q3
avaè sa sa Slika 2.66. Pojaè ava kim emitorom zajedniè kim optere ãen strujnim ogledalom.
R
Vo
Vi
VCC
Q1
Q2
Q3
Q4
vO
vI2
vI1
Slika 2.67. Diferencijalni pojaè ava avaè sa sa aktivnim optere ãenjem u vidu strujnog izvora.
RL
IG
-VEE
2.3.10. Unutrašnja struktura i realni parametri operacionih poja èavaèa Pod taèkom 2.3.3 operacioni pojaèavaè je prikazan kao idealni naponski pojaèavaè. U stvarnosti operacioni poja èavaèi su integrisani višestepeni pojaèavaèi. Njihova struktura se redovno može rašèlaniti na tri dela prema slici 2.68. Prvi deo je diferencijalni pojaèavaè, drugi deo je naponski poja èavaè dok je treãi deo odvojni stepen (strujni pojaèavaè).
v1
ema Slika 2.68. Blok š ema avaè a. a. operacionog poja è ava
Ad
Av
Ai
vO
v2
Slika 2.69 prikazuje detalje tih poja èavaèkih stepeni za sluèaj realizacije sa bipolarnim tranzistorima. Pojedini stepeni (na primer ulazni diferencijalni poja èavaè) se èesto realizuju sa jfetovima ili mosfetovima. mosfetovima. Postoje Postoje i takve izvedbe operacion operacionih ih poja èavaèa koji koriste samo jfetove ili samo mosfetove. 85
Kod realnih operacionih poja èavaèa naponsko pojaèanje nije beskonaèno ali je vrlo veliko, reda 10 ...106 . Manji deo tog poja èanja potièe od ulaznog diferencijalnog pojaèavaèa a veãi deo od naponskog poja èavaèa (drugi blok). Naponsko pojaèanje treãeg dela je jedinièno. Ulazna otpornost operacionog poja èavaèa je u stvari ulazna otpornost diferencijalnog stepena na ulazu. Raznim tehnikama (smanjenje struje polarizacije, primena tranzistora sa velikim strujnim poja èanjem, kompenzacija bazne struje) ulazna struja se može svesti na malu vrednost. ! ili G! , kod Zahvaljuju ãi tome, ulazna otpornost operacionih pojaèavaèa je redovno od puno M ! ! . Izlazna otpornost, zahvaljuju ãi odvojnom stepenu (stepen sa mosfet ulaznih stepeni bude i reda T ! zajedni èkim kolektorom) je relativno mala, reda 10! . Veãina operacionih pojaèavaèa je predviðena na dvostruko napajanje (jedno pozitivno i 15V . Opseg jedno negativno negativno napajanje napajanje sa zajedni èkom referentnom taèkom, masom), na primer , 15V promene ulaznih i izlaznih napona je redovno za 1V do do 2V u uži od opsega napona napajanja. Korišãenje kompletnog opsega napona napajanja je ostvarivo samo kod CMOS izlaznih stepeni. 5
VCC
Q1
IG2
Q2
Q6
CC
Q3
Q4
Q5
Q7
vO
vI2
vI1 IG1
-VEE
nja š ema ema operacionog pojaè ava avaè a realizovanog sa Slika 2.69. Upro š ãena unutra š nja bipolarnim tranzistorima. Kod operacionih poja èavaèa koji su projektovani za jednostruko napajanje redovno je rešeno da ulazni signal mo že da se kreãe, bar u jednom smeru, sve do napona napajanja ili i malo preko toga. Ova osobina omogu ãava lak še projektovanje raznih pojaèavaèa greški. Bez obzira na sav trud konstruktora, ulazni stepeni operacionih poja èavaèa se ne mogu simetrizovati u potpunosti. Prema tome, prenosna karakteristika operacionog poja èavaèa ne prolazi kroz koordinatmi po èetak. Ekvivalentna šema operacionog pojaèavaèa koja uzima u obzir ulazni ofset i kona ène ulazne struje, prikazana je na slici 2.70. Ulazni ofset napon (V OS OS ) se defini še kao ona mala vrednost napona koju treba priklju èiti na ulaz da bi anulirali izlazni napon. Kod veãine operacionih poja èavaèa ulazni of set set napon je reda veli èine mV . Kod nekih primena ta vrednost nije zadovoljavaju ãa, zato se proizvode i precizioni operacioni pojaèavaèi kod kojih je ulazni ofset V. napon reda veli èine 10& V izlazni ofset je ve ãi ili Prilikom primene operacionih poja èavaèa sa povratnom spregom, izlazni eventualno jednak ulaznom naponskom ofsetu. Ako želimo da kompenzujemo ulazni ofset, potrebno je ulaznom signalu dodati napon iste amplitude ali suprotnog smera kao ulazni ofset. Kod nekih operacionih poja èavaèa postoje posebni izvodi na koje treba priklju èiti kompenzaciono kolo 86
prema preporukama proizvo ðaèa. Ako nema posebnih prikljuèaka za kompenzaciju ofseta, može se koristiti jedno od kompenzacionih kola sa slike 2.71. Na sre ãu, dobar deo kola sa operacionim pojaèavaèima može da se koristi bez kompenzacije ofseta. VOS
IB1 vI1 A
ema Slika 2.70. Ekvivalentna š ema operacionog poja è ava avaè a koja uzima u obzir ulazni ofset i ulazne struje.
R1
vI2
IB2
VCC
R2
POT
Vg
vO
R2
R1
A R4 VCC
R4 POT
R3
Vo -VEE
A
R3 Vg
Vo
R5 -VEE
Slika 2.71. Razna kola za kompenzaciju ulaznog ofset napona operacionih poja è ava avaè a. a.
Operacioni poja èavaèi ne pojaèavaju podjednako prostoperiodiène signale svih fekvencija. 5 Naponsko poja èanje reda 10 važi smo na niskim uèestanostima a na višim frekvencijama dolazi do pada pojaèanja. Slika 2.72 prikazuje prikazuje dve uobi èajene frekvencijske karakteristike (Bode-ovi (Bode-ovi amplitudski dijagrami): sa fabri èkom frekvencijskom kompenzacijom i bez kompenzacije. Kod frekvencijski kompenzovanog poja èavaèa pojaèanje opada veã poèev od 10Hz, uz nagib od 20dB/dec . Kod nekompenzovanih poja èavaèa prva prelomna taèka na Bode-ovom Bode-ovom 5 dijagramu se mo že oèekivati oko 10 Hz i pojavljuju se dodatne prelomne ta èke na višim frekvencijama. Sve to dovodi do naglog opadanja poja èanja ali na znatno višim frekvencijama nego kod kompenzovanih poja èavaèa. Pored oèigledne mane ipak uglavnom koristimo operacione pojaèavaèe sa fabrièkom frekvencijskom kompenzacijom po što je kod njih obezbeðena stabilnost (ne dolazi do avanjem zaoscilovanja). Fabri èka kompenzacija se vr ši unutrašnjim kapacitivnim premošãavanjem
87
naponskog poja èavaèkog stepena (C C na slici 2.69). Kompenzacija se mo že obaviti sa integrisanim kondenzatorom relativno malog kapaciteta (reda 10pF ).
A[dB]
100
100
A[dB]
6
10 1
2
3
4
1 10 10 10 10 105
(a)
3
10
f[Hz]
4
105
10
106
f[Hz]
(b)
Slika 2.72. Tipiè ne frekvencijske karakteristike opeacionih pojaè avaè a: a) za fabriè ki kompenzovani poja è avaè , b) za pojaè avaè bez frekvenci jske kompenzacije.
Postoji i jedan drugi nedostatak koji poti èe od frekvencijske kompenzacije: izlaz pojaèavaèa ne može da prati nagle promene ulaznog signala (dv/dt -. ) (slika 2.73). To se obja šnjava time što se naponski poja èavaè sa kapacitivnom povratnom spregom ponaša kao integrator. Postoji veza: dvO dt
!
I I C C
, .....................................................................................................................(2.37.)
gde je: I I – ulazna struja integratora, C C – kapacitet kompenzacionog kondenzatora (u povratnoj grani). Pošto I I ne može da bude veãi od struje strujnog generatora za polarizaciju ulaznog stepena (/ I I /0/ I G/ ), maksimalna brzina promene izlaznog napona je data formulom: I = dvO : ; 8 ! G . .............................................................................................................(2.38.) < dt 9 max C C
Ova velièina se u engleskoj stru ènoj literaturi naziva slew rate i oznaèava se sa SR. Kod obiènih operacionih pojaèavaèa slew rate je obièno reda velièine 1V/ &s . Sa jfet i mosftet ulaznim stepenima (zahvaljuju ãi veãoj struji polarizacije) postižu se vrednosti od 10V/ &s . Vrednosti od 100V/ &s i više se sreãu vrlo retko. vI (t) t
vO(t)
Slika 2.73. Uticaj slew rate-a kod operacionog poja è avaè a.
t
88
2.4. NELINEARNA ELEKTRONSKA KOLA
Postoji jedan segment karakteristike poja èavaèkih elemenata koji nije korišãen ni kod logièkih kola, ni kod linearnih (pojaèavaèkih kola). Radi se o segmentu gde se strmina naglo menja, odnosno izrazita je nelinearnost. Mnogi postupci obrade signala u telekomunikacijama se upravo mogu ostvariti zahvaljuju ãi nelinearnim karakteristikama. Takvi postupci su modulacija, demodulacija, umno žavanje frekvencije, pomeranje jednosmer nog nivoa, odsecanje nekih delova signala itd. U drugim slu èajevima potrebno je ogranièenje ili usmeravanje signala, što isto zahteva elemente sa nelinearnom karakteristikom. U ovom poglavlju ãemo se upoznati sa nekoliko nelinearnih kola.
2.4.1. Kola za za štitu i ogranièenje Zaštita od eventualnih prekostruja se redovno postiže postavljanjem rednog otpornika u kolo. Pored obi ènih otpornika za ovu svrhu primenjuju se i NTC i PTC otpornici. Za precizno ograni èenje struje potrebno je realizovati elektronska r egulaciona kola. Zaštita od prenapona se redovno postiže primenom komponenti sa nelinearnom strujnonaponskom karakteristikom.Takve komponente su varistori, diode, Zener-ove diode, TVS diode (posebno razvijene za odvo ðenje prenapona) i odvodnici prenapona na bazi cevi sa plemenitim gasovima. Nabrojane komponente se redovno povezuju izme ðu onih èvorova gde se oèekuje pojava prenapona. Delovanje za štite se može pratiti na slici 2.74. Prilikom prenapona kroz komponentu za ograni èenje pokrene se struja što ãe na rednoj impedansi Z prouzrokovati pad napona. Na izlaz se ne sprovodi ulazni napon, najvi še što se može pojaviti je radni napon komponente koja vr ši ograni èenje. Z
Slika 2.74. Ograniè enje prenapona na potro š aè u primenom redne impedanse i paralelnog elementa za o raniè en e na ona.
v1 t
VAR
v2 t
Za ograni èenje prenapona u naizmeniènim kolima redovno se koristie varistori ili odvodnici na bazi cevi sa plemenitim gasovima, po što su njihove karakteristike simetriène za pozitivne i negativne napone. Za ograni èenje jednosmernih napona pogodne su razne diode. Slika 2.75 prikazuje rešenje koje ograni èava i minimalnu i maksimalnu vrednost signala: spre èava da se pojavi negativan signal (ispod mase) i pozitivan signal ve ãi od napona napajanja. Ogranièenje nije idealno pošto se i naponi otvaranja dioda dodaju na nivoe za ograni èenje. Schottky-jeve diode daju efikasnije ograni èenje jer im je niži prag provoðenja. Na slièan naèin, pored osetljivih ulaza, mogu se zaštititi i izlazi sa induktivnim optere ãenjem (slika 2.75.b). Zaštitu ulaznih kola operacionih pojaèavaèa možemo vr šiti prema šemi na slici 2.75.c. Pošto je invertujuãi ulaz na virtuelnoj masi, u normalnom re žimu diode ne provode, nemaju uticaja na rad . To je kola. U slu èaju prenapona ulazni napon operacionog pojaèavaèa se limitira na opseg , V D mnogo više od linearnog opsega ali pri funkcionisanju zaštite kolo i ne radi u linearnom režimu.
89
VCC
VCC
R1
R2
D1
D1
L
R
A D1 v1
D2
D2
(a)
D2
R
(b)
(c)
Slika 2.75. Ograni è enje jednosmernog napona sa diodama: a) ograniè enje ulaznog napona na opseg V CC ...0V, b) za š tita izlaza kola u slu è aju induktivnog potro š aè a, c) za š tita ulaznog stepena operacionog pojaè avaè a.
Ogranièenje izlaznog napona nekog kola na željeni nivo (odsecanje, limitacija) se može vršiti prema slici 2.76.a. Izvor referentnog napona i dioda se mogu zameniti sa Zener -ovom diodom. (slika 2.76.b). U ovom slu èaju napon se ogranièava i sa donje strane po što Zener -ova dioda mo že da provodi i u direktnom smeru, ne samo u probojnoj oblasti. Ako nema potrebe za ograni èenjem sa donje strane, ve že se obièna dioda na red sa Zener -ovom da bi se spre èilo provoðenje u direktnom smeru. R
R
D D VREF
(a)
(b)
Slika 2.76. Ograni è enje izlaznog napona kola: a) sa diodom i izvorom referentnog napona, b) sa Zener-ovom diodom.
Slika 2.77 pokazuje jo š dva limiterska (uoblièavaèka) kola zajedno sa karakteristiènim dijagramima napona. 90
D
vO VREF R vI vO
vI
t
+ VREF
R D1
VREF1
D2
v
vI vO
vO
I
t
+ VREF2 VREF2 VREF1
+
Slika 2.77. Jo š neka uobliè avaè ka kola sa karakteristiè nim dijagramima.
2.4.2. Modulatori i demodulatori U telekomunikacijama prenos signala se redovno vr ši ne u osnovnom frekvencijskom opsegu nego na neki modifikovani na èin (u modulisanoj formi). Posle prijema signal se mora vratiti u osnovni frekvencijski opseg, to se posti že demodulacijom. U osnovi raznih postupaka modulacije i demodulacije stoji mno ženje (mešanje) signala razlièite frekvencije. Množenje signala u vremenu daje u domenu frekvencija zbir i razliku ulaznih frekvencija. U slede ãem tekstu prikazana su tri rešenja za množenje (mešanje) signala. a) Množaè sa nelinearnom prenosnom karakteristikom. Kod jfetova i mosfetova prenosna karakteristika je tipi èno kvadratnog oblika. Kod bipolarnog tranzistora prenosna karakteristika je eksponencijalna ali razvojem u red i tu se mo že dobiti kvadratni èlan. Dovoðenjem dva signala na ulaz takvog kola (slika 2.78) na izlazu se dobijaju sledeãe komponente: y (t )
! vm2 (t ) $ 2vm (t )vo (t ) $ vo2 (t ). ..................................................................................(2.39.)
U jednaèini sa vm je oznaèen takozvani modulišuãi signal koji nosi informaciju a signal vo je nosilac. Svrha modulacije je redovno pomeranje spektra moduli šuãeg siganala u okolinu frekvencije nosioca ( f o). Pri demodulaciji umesto signala vm na odgovaraju ãi ulaz množaèa se dovodi radiofrekvencijski signal v RF . Mešanjem nastaje takozvani meðufrekvencijski signal ili signal u osnovnom opsegu. 91
U oba sluèaja prvi i treãi èlan u jednaèini 2.39. se ne može koristiti, sreãna okolnost je što se filtracijom lako mogu odstraniti. Proizvod ulaznih signala (drugi èlan) upravo daje traženi rezultat: spektar moduli šuãeg signala se pojavi levo i desno od frekvencije nosioca. Pri demodulaciji mno ži se ulazni radiofrekvencijski signal sa signalom lokalnog nosioca i dobija me ðufrekvencijski signal ili signal u osnovnom opsegu. Slika 2.78. Principska š ema mno ž aè a sa kvadratnom prenosnom karakteristikom.
vm
y
2
+
x
vo
Na slici 2.79 je prikazano kolo me šaèa sa jfetom. Izvor V GG vrši polarizaciju jfeta na najnelinearniji deo prenosne karakteristike. Kalem L1 spreèava uzemljenje signala preko V GG. Dva ulazna signala (na primer antenski signal v RF i signal lokalnog oscilatora v LO) sumiraju se u odreðenom odnosu u zavisnosti od otpornosti otpornika Rg1 i Rg2 i dovode se na gejt. Uloga C S1 i C S2 je odvajanje jednosmernih nivoa. Me ðufrekvencijski izlazni signal (v MF ) se formira na rezonantnom kolu L0C 0. Ostale komponente se poni štavaju zbog filtarskog delovanja rezonantnog kola. Na slièan naèin se mogu konstruisati i mešaèi sa bipolarnim tranzistorima.
VDD
Co
Lo Rg1
CS1
vLO Rg2
vMF
CS2 Q
vRF L
Slika 2.79. Mno ž aè ko kolo sa jfetom.
VGG
b) Prekidaèki množaèi. Efekat množenja se može postiãi i prekidanjem ulaznog signala na visokoj frekvenciji. Teoretski osnovi ovog postupka su relativno slo ženi. Princip rada se može shvatiti razvojem prekidaèkog signala u Fourier-ov red. Na ovaj na èin se prekidanje signala svodi na množenje sa sinusoidama. Pojedini umno šci se mogu izdvojiti filtriranjem i tako se dolazi do modulisanog odnosno demodulisanog signala. Kolo na slici 2.80 prikazuje modulator sa diodnim prekida èima. Pod uticajem pravougaonog signala vo diode D1 i D2 se otvaraju i zatvaraju svake poluperiode. Sam pravougaoni signal se ne prenosi ni prema ulazu ni prema izlazu zahvaljuju ãi odgovarajuãem rasporedu namotaja transformatora T 1 i T 2. Za vreme pozitivne poluperiode pravougaonog signala ulazni signal ( vm) 92
prolazi bez prigu šenja preko transformatora i dioda i stiže na izlaz (v RF ). Za vreme negativne poluperiode pravougaonog signala diode se zako èe, spreèavaju prolaz ulaznog signala. Jedini uslov rada je da amplituda signala vo bude veãa od amplitude signala vm. Signal vo ne mora biti pravougaoni, sli èni rezultati se dobijaju i sa sinusnim signalom odgov arajuãe amplitude. Umesto diodnog prekida èa može se koristiti i tranzistorski prekidaè.
T1
D1
T2
R
vm
vRF
D2
vo
Slika 2.80. Modulator sa diodnim prekida è ima.
c) Množaèi na bazi promene parametara. Princip rada je prikazan na slici 2.81. Jedan od signala (na primer, nosilac) menja struju strujnog generatora, dok drugi signal (na primer, moduli šuãi signal) menja otpornost potrošaèa. Pošto je izlazni signal proizvod struje i otpornosti, ovo kolo mo že da posluži kao množaè. Ranije su ovakvi mešaèi realizovani uz pomoã elektronskih cevi. Jedan od signala je kontrolisao radnu taèku cevi i na taj naèin joj menjao strminu prenosne karakteristike a drugi signal je prolazio kroz cev kao pojaèavaè. Pojaèanje kola se menjalo u funkciji strmine, prema tome na izlazu je nastao proizvod signala.
Slika 2.81. Principsko kolo za mno ž enje signala na bazi promene parametra.
Ig=kVo
R=f(Vm)
vRF
Danas množaèka kola koja rade na ovom principu uglavnom se realizuju u integrisanoj tehnici (slika 2.82). Signal vo menja struju strujnog generatora izgra ðenog sa tranzistorom Q3. Pojaèanje diferencijalnog pojaèavaèa konstruisanog tranzistorima Q1 i Q2 je linearna funkcija struje strujnog izvora. Signal v RF doveden na diferencijalni ulaz ãe se pojaèati manje ili više u zavisnosti od signala vo. Na taj naèin na izlazu se dobija signal v MF kao proizvod dva ulazna signala. Nepotrebne komponente na izlazu se mogu odstraniti filtracijom i odgovaraju ãom vezom transformatora. U slu èaju velikih ulaznih signala ovo kolo se ponaša slièno kao prekidaèki množaè prikazan pod ta èkom b).
93
vMF T3 VCC
C5 R C6 Q1
T2 C3
vRF
Q2
C4
D1
D2
Q3
T1 vO
C2
C1
D3
Slika 2.82. Balansni modulator koji radi na principu promene parametra.
2.4.3. Usmeraèi Usmeraèi (ispravljaèi) pretvaraju naizmeniène napone i struje u jednosmerne. Pri ispravljanju mogu se struje i naponi promenljivog smera usmeriti svi u jedan smer (punotalasni ispravlja èi), druga moguãnost je da se odseku signali neodgovaraju ãeg smera (polutalasni ispravlja èi). Usmeraèko dejstvo se redovno posti že poluprovodnièkim diodama. Zahvaljujuãi nelinearnosti svoje strujno naponske karakteristike, diode samostalno (bez spoljnog upravlja èkog 94
signala) razdvajaju pozitivne signale od negativnih. U direktnom smeru diode skoro bez prepreke provode struju a u inverznom smeru sve do probojnog napona struja je zanemarljiva. Umesto dioda mogu se primeniti upravljivi poluprovodni èki elementi (na primer, tiristori), na taj naèin dobija se moguãnost upravljanja sa izlaznim signalom (struja, napon). Dobar deo usmera èa radi sa znaèajnim nivoima snage ali se i kod obrade malih analognih signala sreãu usmeraèi. U daljem tekstu prikazana su razna usmeraèka kola. a) Polutalasni usmera è. Sa jednom diodom se mogu realizovati polutalasni usmera èi prikazani na slikama 2.83, 2.84 i 2.85. Najprostija je analiza pri èisto otpornom potrošaèu (slika 2.83). Ovde struja teèe taèno za vreme pozitivne poluperiode ulaznog napona, oblik te struje se poklapa sa oblikom napona na potrošaèu. vI D
Slika 2.83. Polutalasni usmeraè sa otpornim potro š aè em.
t R
vI
vO
vO t
U sledeãem kolu (slika 2.84) prikljuèen je redni RL potrošaè. Tu ãe porast struje na poèetku pozitivne poluperiode ulaznog napona biti postepen a na kraju poluperiode ne prestaje pri prolasku kroz nulu. U slu èaju velike induktivnosti kalema struja može biti i neprekidna (nikad ne pada na nulu).
vI D
Slika 2.84.Polutalasni usmeraè sa rednim RL potro š aè em.
iO
t R
vI
iO L t
Treãi tipièan sluèaj je usmeraè sa paralelnim RC potrošaèem (slika 2.85). Koristi se toliki kondenzator da talasnost izlaznog napona ne bude ve ãa od neke vrednosti.
95
vI D
Slika 2.85. Polutalasni usmeraè sa paralelnim RC potro š aè em.
vI
t R
C
vO
vO t
U sluèaju trofaznog napona na ulazu polutalasni usmeraè se može ostvariti prema slici 2.86. Tu ni pri èisto otpornom potrošaèu neãe nikad pasti izlazni napon na nulu. Paralelnim vezivanjem kondenzatora sa otpornim potro šaèem, talasnost izlaznog napona se može dalje smanjiti. Pri rednom RL potrošaèu talasnost struje se smanjuje usled trofaznog napajanja.
R D1 S D2 T
D3 R
Slika 2.86. Trofazni polutalasni usmeraè .
vO
N
b) Punotalasni usmera è. Okretanjem naponskih i strujnih signala oba smera u jedan smer dobijaju se punotalasni usmeraèi. Po jednoj metodi (slika 2.87) koristi se transformator sa srednjim izvodom i dve diode, a po drugoj metodi (slika 2.88) primenjuju se èetiri diode u mosnom spoju. Kod prvog rešenja potrebna su dva namotaja transformatora da bi u svakoj poluperiodi postojao pozitivan signal kojeg ãe odgovarajuãa dioda sprovesti na izlaz. Kod mosnog spoja naizmenièno provode po dve dijagonalno postavljene diode. U ovom slu èaju ulaz i izlaz nemaju zajednièku referentnu taèku.
T
D1
R
Slika 2.87. Punotalasni usmera è sa transformatorom sa srednjim izvodom.
vO
vI D2
96
D1
D3
vO
vI
Slika 2.88. Punotalasni usmeraè u mosnom spoju.
D2
D4
Znaèajna prednost punotalasnog usmera èa je što se izvor ne optereãuje sa jednosmernom strujom (obi èno je to nepoželjno). Pored ovoga i talasnost izlaznog napona je znatno smanjena. Dobija se dalje smanjenje talasnosti ako se primeni trofazni mosni usmera è prema slici 2.89.
D1
D3
D5
R vO
S T D2
D4
D6
Slika 2.89. Trofazni mosni usmeraè .
c) Precizni usmera èi. Može se zameriti što u dosad razmatranim diodnim usmeraèkim kolima (taèke a i b), pri provoðenju dioda, izlazni napon nije taèno jednak ulaznom naponu, veã je umanjen za jedan ili dva napona otvaranja dioda. Kod velikih napona taj gubitak nije zna èajan ali kod manjih napona ili u mernoj tehnici potrebna su preciznija re šenja. Slika 2.90 prikazuje precizni polutalasni usmera è. Ovaj sklop može da radi sa optere ãenjem od svega par mA ali vrlo precizno prosle ðuje napon u pozitivnoj poluperiodi. Veã pri pozitivnom ulaznom signalu reda mV diže se izlaz operacionog pojaèavaèa sve dok se ne otvori dioda i pojavi na izlazu napon istovetan sa ulaznim naponom. Zahvaljuju ãi negativoj povratnoj sprezi koja deluje u ovom režimu izlaz verno prati promene na ulazu. Èim se meðutim na ulazu pojavi i mali negativan napon, izlaz operacionog poja èavaèa prelazi u negativno zasiãenje i zakoèi diodu. Pri tome na izlazu se dobija nulti napon.
97
A v
I
D
Slika 2.90. Precizni punotalasni usmeraè sa operacionim pojaè avaè em.
v O
R
Uz veãe ulaganje može se konstruisati i punotalasni precizni usmeraè (slika 2.91) koji nosi naziv detektor apsolutne vrednosti. Pri pozitivnom ulaznom naponu izlaz operacionog poja èavaèa A1 se pomera u negativnom smeru, otvara diodu D1 i zakoèi diodu D2. Kroz otpornik R2 ne teèe struja, prema tome neinvertuju ãi ulaz pojaèavaèa A2 je na virtuelnoj masi. Pod tim uslovima oba stepena rade kao invertuju ãi pojaèavaèi:
vO
= R := R : ! v I ;; # 3 88;; # 5 88 ....................................................................................................(2.40.) < R1 9< R4 9
Ako su svi otpornici iste otpornosti, izlazni napon se poklapa sa ulaznim. Pri negativnom ulaznom naponu di že se izlaz operacionog pojaèavaèa A1, zakoèi se dioda D1 i otvara se dioda D2. Važe sledeãe jednaèine:
#
v I R1
vO
!
v A R2
$
v A R3
$ R4
, ....................................................................................................(2.41.)
= R5 : 88. ...................................................................................................(2.42.) ! v A ;;1 $ $ R R 3 4 9 <
D1
Slika 2.91. Punotalasni precizni usmeraè sa operacionim pojaè avaè ima (detektor apsolutne vrednosti).
R1 A1
vI
A2 D2
vO vA
R2
98
Ako su svi otpornici iste vrednosti, na izlazu ãe se pojaviti ulazni napon sa suprotnim predznakom. Prema tome, ovo kolo daje za bilo koji ulazni signal signal iste apsolutne vrednosti ali uvek pozitivnog smera na izlazu. Eventualne manje gre ške se mogu minimizirati uparivanjem otpornika i primenom operacionih poja èavaèa sa malim ulaznim ofsetom.
2.4.4. Umno žavaèi napona Ponekad se javlja potreba za takvim usmera èem koji može da daje veãi izlazni napon od amplitude ulaznog naizmeni ènog napona. Pri manjim snagama nije opravdano dizanje napona sa transformatorom ve ã se koristi jedno od ovde prikazanih kola. Od amplitude ulaznog naizmeni ènog napona otprilike dva puta veãi jednosmerni napon ãe se pojaviti na izlazima sklopova sa slika 2.92 i 2.93.
D1 C1
vO
vI
Slika 2.92. Udvostru è ivaè napona za veãe struje.
D2
C2
U kolu na slici 2.92 za vreme pozitivne poluperiode ulaznog naizmeni ènog napona puni se kondenzator C 1 na vršnu vrednost ulaznog napona a za vreme negativne poluperiode puni se kondenzator C 2 na istu vrednost. Ako je mala talasnost izlaznog napona (kondenzatori su dovoljno velikog kapaciteta) izlazni jednosmerni napon ãe biti dvostruka vrednost amplitude ulaznog naizmeni ènog napona. Na slici 2.93 prvo se kondenzator C 1 napuni na vršnu vrednost ulaznog naizmeniènog napona, zatim se zbir ulaznog napona i napona na kondenzatoru C 1 iskoristi za punjenje kondenzatora C 2 na dvostruku vrednost amplitude naizmeni ènog napona. U odnosu na zajednièku masu ulaza i izlaza ovde je izlazni napon negativan. Okretanjem dioda mo že se dobiti i pozitivan izlazni napon. C1
Slika 2.93. Udvostru è ivaè napona sa negativnim izlaznim naponom.
vI
D2
D1
C2
vO
Za postizanje vrlo velikih napona i vrlo malih struja koristi se umno žavaè napona prikazan na slici 2.94. Broj dioda i kondenzatora se mo že birati proizvoljno, nažalost poveãanjem broja stepeni opteretljivost izlaza naglo pada. Kondenzator C 1 se puni na vr šnu vrednost ulaznog napona, a ostali kondenzatori na dvostruku vr šnu vrednost. U principu polaze ãi od ulaza prema izlazu
99
trebalo bi ugraditi sve manje kondenzatore ali radi uniformnosti redovno se koriste isti kondenzatori. C1
C3
D1
vI
D2
Cn-1
D3
C2
D4
Dn
Dn-1
C4
vO
Cn
Slika 2.94. Umno ž avaè napona za dobijanje vrlo velikih izlaznih napona.
2.4.5. Nelinearni poja èavaèi Kod veãine pojaèavaèa poželjna je linearna veza izmeðu ulaznog i izlaznog napona. Postoje meðutim i takvi zadaci pri analognoj obradi signala gde je potrebno ostvariti taèno odreðenu nelinearnu karakteristiku. Osnovna kola u ovoj oblasti ostvaruju logaritamsku funkciju i eksponencijalnu funkciju. Polaze ãi od njih množenje signala se može svesti na sabiranje logaritama, delenje se može obaviti oduzimanjem, pri stepenovanju, u zavisnosti od eksponenta, logaritam signala se poja èava ili razdeljuje. Na kraju se rezultat obrade redovno ra èuna preko eksponencijalne funkcije. Logaritamska prenosna karakteristika se mo že ostvariti jednim od kola na slici 2.95. Može se smatrati da je strujno-naponska karakteristika tranzistora idealnija od strujno naponske karakteristike diode. Zavisnost izme ðu ulaza i izlaza je sledeãa: vO
! V T ln
v I RI S
. ...............................................................................................................(2.43.)
Q
D
R
R
vI
A
vI
vO
(a)
A
vO
(b)
Slika 2.95. Logaritamski poja è avaè i: a) sa diodom, b) sa bipolarnim tranzistorom.
Eksponencijalna prenosna karakteristika se mo že ostvariti prema slici 2.96. Emitorska struja tranzistora zavisi od ulaznog napona po eksponencijalnom zakonu. Skoro istovetnu struju kolektora ãe otpornik R u povratnoj grani pretvoriti u napon. 100
