Održavanje Brodskih Elektroničkih Sustava

Sadržaj predavanja:

1. Upoznavanje s osnovnim sklopovima tranzistorskih pojačala

2. Upoznavanje s osnovnim sklopovima operacijskih pojačala

3. Analogni sklopovi posebne namjene

Klasifikacija TranzistoraLow Frequency - za audio niskofrekventne primjene (ispod 100kHz)

High Frequency – za visokofrekventne primjene (iznad 100 kHz)

Switching – tranzistori za switching aplikacije

Low-noise – primarna namjena im je za pojačanje signala male amplitude (zbog niskog nivoa šuma)

High-voltage - tranzistori za visokonaponske aplikacije

Driver - tranzistori osrednje snage te za razmjerno niskonaponske aplikacije koji prethode sklopovima snage

Small-signal – tranzistori za pojačanje signala niskog naponskog nivoa te se koriste u pojačalima te radio prijemnicima.

Power – tranzistori koji mogu podnijeti visoke nivoe napona i struje

Tranzistor-BC107 – NPN Silicon Epitaxial Transistor-BJT – (Bipolar Junction Transistor) koristi dvije vrste nosioca naboja – elektrone i šupljine-FET (Field Effect Transistor) koristi samo jednu vrstu nosilaca naboja -BJT se sastoji od dva poluvodička P-N spoja između P i N tipa poluvodiča-BJT tranzistori dolaze u formi NPN ili PNP spoja-osnovna funkcija im je pojačanje struje-koriste se kao pojačala ili kao sklopke-složeni tranzistorski sklopovi koriste se u digitalnoj logici kao “I”,”ILI”,”NI” vrata te kaomemorijske jedinice za pohranu bita memorije

-moderni integrirani krugovi (IC) su složeni tranzistorski sklopovi koji se sastoje od milijunatranzistora integriranih na silikonskom čipu

NPN PNPNPNPNP

Bipolarni NPN Tranzistor-KonfiguracijaNapona na Tranzistoru

VBE-napon baza-emitter je pozitivan na bazii negativan na emiteru

VCE-napon kolektor-emiter je pozitivan nakolektoru I negativan na emiteru

VCE > VBE – zbog toga je VCB> 0

Bipolarni NPN Tranzistor – Spojzajedničkog emitera (ZE)

-Napon napajanje VCC se spaja preko otpora tereta RL na kolektor-Otpor tereta RL služi za limitiranje maximalne struje kroz tranzistor-Otpor baze RB služi za limitiranje maximalne struje baze

NPN Tranzistor (ZE)-ulazna karakteristika

- Na slici se nalazi ulazna karakteristika tranzistora u spoju zajedničkog emitera

- Na ulaznoj karakteristici se vidi da dok napon VBE ne dosegne 0.6V kroz bazu teče vrlo mala struja

NPN Tranzistor (ZE)-izlazna karakteristika- Na slici se nalazi izlazna karakteristika tranzistora u spoju

zajedničkog emitera- Koljeno na izlaznoj karakteristici se nalazi otprilike za

napon VCE=2V- Za VCE>2V krivulje su dosta ravne i struja kolektora se ne

mijenja bitno sa naponom VCE

- Režim rada tranzistora prikazan na slici naziva se i aktivna regija tranzistora

- Napon VCE se ne može beskonačno povećavati, nakon određene vrijednosti napona VCE dolazi do izgaranja tranzistora (breakdown voltage)

Aktivno područje (struja kolektora ovisi o struji baze)

Saturacija (uvjetno rečeno kratki spoj-struja slobodno teče iz kolektora u emiter)

NPN Tranzistor (ZE)-prijenosna karakteristika

- Na slici se nalazi prijenosna karakteristika tranzistora u spoju zajedničkog emitera

- Krivulja na slici predstavlja ovisnost struje kolektora IC o struji baze IB za mali signalni tranzistor

- Nagib krivulje je jednak strujnom pojačanju tranzistora 𝛽

𝛽 = 𝐼𝐶 𝐼𝐵

- Tipične vrijednosti strujnog pojačanja 𝛽 su 100 – 150 (BC108 125)

Tranzistor kao Sklopka-Primjer

Q1

BC107BP

Rb

RL

X1

LED

VCC5V

V20 V 3.3 V 0.5 s 1 s

IC

IB

CMOS Mikrokontroler ima 3.3V izlaz te treba paliti i gasiti LED diodu.

Parametri:- Na ulaz tranzistora dolazi 3.3 V signal (izlaz modernih CMOS

digitalni ICa)- Kad LED dioda svijetli idealno kroz nju teče struja od oko

15mA (IC=15mA)- Raspon struje IC treba biti 10mA < IC < 20mA- Kad LED dioda svijetli na LED diodi je pad napona oko 1.8V

(crveni LED) ili 3.3V (plavi LED)

Modern IC (ARM)3.3V CMOS output(lower power consuption)

IE

12V

Tranzistor kao Sklopka – Odabir radnetočke (Q-Point)

10.2 V5 V

Q-Point (radna točka)

IC

UCE

𝑉𝐶𝐶 − 1.8𝑉

𝑅𝐿

ICQ=15mA

UCEQ=7.2V

Q-Point –je DC radna točka tranzistora.

Otpor RL se proračunava iz linije tereta:

𝑅𝐿 =𝑉𝐶𝐶−1.8𝑉

𝐼𝐶

=12𝑉−1.8𝑉

20𝑚𝐴=510 500

Struja baze IB u radnoj točki Q je:

IB=80ALoad Line(linija tereta)

Tranzistor kao Sklopka – Odabir radnetočkeIz poznate struje baze IB može se odrediti otpor baze RB putem relacije:

3.3𝑉 = 𝐼𝐵𝑅𝐵 + 0.6𝑉

Pošto smo iz radne točke Q odredili struju baze IB=80A otpor baze RB je:

𝑅𝐵 =3.3𝑉 − 0.6𝑉

𝐼𝐵= 33 𝑘

Intenzitet svijetla kroz diodu se može podesiti pomoću PWM tehnike (Pulse Width Modulation)

Intezitet svijetla kroz diodu ovisi srednjem nivou signala na ulazu.

Simulacija Tranzistora kao Sklopke

Simulacija u programskom paketuAltium – Tranzijentna Analiza

Radna Točka Tranzistora

Linija tereta u aktivnom području Spoj zajedničkog emitera

Radna Točka Tranzistora - JednadžbeAko je ulazni napon vi takav da VBE>=0.6V onda je transistor “uključen”. Struja kroz bazu IB se dobije iz izraza:

(1) 𝐼𝐵 =𝑣𝑖−𝑉

𝐵𝐸

𝑅𝐵

Ako je tranzistor u aktivnom području, možemo računati da je VBE0.6V. Kada je tranzistor “uključen”, još uvijek ne znamo da li je u aktivnom području ili je u saturaciji. Kirchoffov zakon nam pak daje:

(2) 𝑉𝐶𝐶 = 𝐼𝐶𝑅𝐶 + 𝑉𝐶𝐸

Povećanjem struje baze, povećava se napon kolektor-emiter (VCE) te se smanjuje struja IC kroz kolektor. Struja kroz kolektor u saturaciji može se naći iz izraza:

(3) 𝐼𝐶 𝑠𝑎𝑡 =𝑉𝐶𝐶−𝑉

𝐶𝐸

𝑅𝐶

Kod saturacije, VCE<VBE te je napon kolektor emiter VCE0.2V

Radnu točku odabiremo pomoću otpora RB koji posledično diktira struju baze IB

Radna točka tranzistora –tranzistor kao pojačalo signala male amplitude

Struja baze IB varira amplitudom izraženoj u mikroamperima (A)

Struja kolektora IC varira amplitudom izraženom u miliamperima (mA)

U suštini imamo:𝐼𝐶 = 𝛽 𝐼𝐵

Ulazni signal male amplitude varira oko Q-točke. Bitno je da se Q-točka odabere tako da s obzirom na ulazni signal tranzistor uvijek bude u aktivnom području.

Tranzistorska pojačala se nikada ne projektiraju na način da ovise samo o strujnom pojačanju 𝛽.

Tranzistor kao Pojačalo – Osnovni Sklop

Osnovni krug tranzistorskog pojačala u spoju zajedničkog emitera

IC

IB

-Najprije se selektira Q točka neovisno o ulaznom signalu vi

-Drugi Kirchhoffov zakon za napone u petlji baza-emiter nam daje izraz:

1 𝑉𝐶𝐶 = 𝐼𝐵𝑅𝐵 + 𝑉𝐵𝐸 ↔𝐼𝐵 =

𝑉𝐶𝐶−𝑉

𝐵𝐸

𝑅𝐵

-U aktivnom području struja kolektora IC ovisi o pojačanju β te o struji baze IB kao:

(2) 𝐼𝐶 = 𝛽𝐼𝐵 = 𝛽𝑉𝐶𝐶−𝑉

𝐵𝐸

𝑅𝐵

- Drugi Kirchhoffov za petlju kolektor emitter nam daje:

(3) 𝑉𝐶𝐶 = 𝐼𝐶𝑅𝐶 + 𝑉𝐶𝐸՜ IC = 𝑉𝐶𝐶−𝑉

𝐶𝐸

𝑅𝐶

- Desna strana jednadžbe (3) je linija tereta ovog tranzistorskog pojačala.

- Pojačanje i dalje ovisi o strujnom pojačanju β !

Tranzistor kao Pojačalo – Stabilizacija Radne Točke

Stabilizirani krug tranzistorskog pojačala u spoju zajedničkog emitera

Stabilizacija radne točke je način kako ukloniti ovisnost o strujnom pojačanju (parametar β)

Kondenzator C služi da ukloni eventualne DC komponente sa ulaznog signala vi.

Pod pretpostavkom da ulazni signal vi može biti pozitivan i negativan, za ulazni napon vi =0 postavljamo izlazni napon V0:

𝑉0 =𝑉𝐶𝐶2

(otprilike na polovici raspona 0<V0<VCC).

Ako je napon V0=VCC/2 onda je napon na otporniku RC također jednak VCC/2.

I1

I2

Tranzistor kao Pojačalo – Stabilizacija Radne TočkeAko je napon na otporniku RC jednak VCC/2 onda je struja kroz otpor RC jednaka struji kroz radnu točku Q i dana je izrazom:

(1) 𝐼𝐶𝑄 =𝑉𝐶𝐶

2 𝑅𝐶

Podrazumijevajući da je tranzistor u aktivnoj regiji, struja baze IBQ u radnoj točki Q može se naći pomoću izraza:

(2) 𝐼𝐵𝑄 =𝐼𝐶𝑄

𝛽=

𝑉𝐶𝐶

2 β 𝑅𝐶

Zbog naponskog djelila R1/R2 napon na bazi (VB) je jednak:

(3) 𝑉𝐵 =𝑅2

𝑅1+𝑅

2

𝑉𝐶𝐶

Tranzistor kao Pojačalo – Stabilizacija Radne TočkeKoristeći Theveninov teorem možemo izraditi nadomjesnu shemu

Tranzistor kao Pojačalo – Stabilizacija Radne Točke

Struja baze u radnoj točki IBQ može se izraziti kao razlika struja I1 i I2:

(4) 𝐼𝐵𝑄 = I1− I2

Korištenjem drugog Kirchhoffovog zakona mogu se izraziti tri jednostavne jednadžbe:

(5) 𝐼2 𝑅2 − 𝑈𝐵𝐸 − 𝐼𝐸𝑄 𝑅𝐸 = 0(6) 𝐼2 𝑅2 = 𝑉𝐵

Uvrštavanjem izraza (6) u (5) dobijamo:

(7) 𝑉𝐵 − 𝑈𝐵𝐸 − 𝐼𝐸𝑄𝑅𝐸 = 0

Za petlju kolektora možemo napisati:(8) 𝑈𝐶𝐶 = 𝐼1 𝑅1 + 𝑉𝐵

Tranzistor kao Pojačalo – Stabilizacija Radne TočkeUvrštavanjem izraza (4) u (8) se dobije:

(9) 𝑈𝐶𝐶 = IBQ + I2 R1+ VB

Nadalje uvrštavanjem izraza (6) u (9) dobije se:

(10) 𝑈𝐶𝐶 = 𝐼𝐵𝑄 +𝑉𝐵

𝑅2

𝑅1+ 𝑉𝐵 𝑈𝐶𝐶 = 𝐼𝐵𝑄𝑅1 +𝑅1

𝑅2

+ 1 𝑉𝐵

Nakon sređivanja jednadžbe (10) dobije se:

(11) 𝑉𝐵 =𝑈𝐶𝐶−𝐼

𝐵𝑄𝑅1

𝑅1

𝑅2

+1

Uvrštavajući izraz (11) u izraz (7) dobiva se jednadžba:

(12)𝑈𝐶𝐶−𝐼

𝐵𝑄𝑅1

𝑅1

𝑅2

+1− 𝑈𝐵𝐸 − 𝐼𝐸𝑄𝑅𝐸 = 0

Tranzistor kao Pojačalo – Stabilizacija Radne TočkeAko podrazumijevamo da je tranzistor u aktivnom području onda zbog toga što je 𝐼𝐸 = 𝐼𝐵 + 𝐼𝐶 te 𝐼𝐶 = 𝛽𝐼𝐵 možemo za struju emitera pisati:

(13) 𝐼𝐸𝑄 = 1 + 𝛽 𝐼𝐵𝑄

Uvrštavajući izraz (13) u (12) dobije se:

(14) 𝑈𝐶𝐶−𝐼

𝐵𝑄𝑅1

𝑅1

𝑅2

+1− 𝑈𝐵𝐸 − 1 + 𝛽 𝐼𝐵𝑄𝑅𝐸 = 0

Nakon sređivanja izraza (14) dobije se izraz za struju baze IBQ u radnoj točki Q:

(15) 𝐼𝐵𝑄 𝑅𝐸 1 + 𝛽 +𝑅1𝑅2

𝑅1+𝑅

2

=𝑈𝐶𝐶𝑅2

𝑅1+𝑅

2

− 𝑈𝐵𝐸

Iz izraza 𝐼𝐶 = 𝛽𝐼𝐵 dobijemo struju ICQ u radnoj točki Q:

(16) 𝐼𝐶𝑄 =𝛽(

𝑈𝐶𝐶𝑅2

𝑅1+𝑅

2

−𝑈𝐵𝐸)

𝑅𝐸1+𝛽 +

𝑅1𝑅2

𝑅1+𝑅

2

Tranzistor kao Pojačalo – Stabilizacija Radne TočkeDijeleći izraz (16) sa strujnim pojačanjem β dobije se:

(17) 𝐼𝐶𝑄 =

𝑈𝐶𝐶𝑅2

𝑅1+𝑅

2

−𝑈𝐵𝐸

𝑅𝐸1+

1

𝛽+

𝑅1𝑅2

𝑅1+𝑅

2

1

𝛽

Ako uzmemo da 𝛽 ≫ 1 onda slijedi:

(17) 𝐼𝐶𝑄 ≈

𝑈𝐶𝐶𝑅2

𝑅1+𝑅

2

−𝑈𝐵𝐸

𝑅𝐸

U praksi se može uzeti da je omjer R1 i R2 jednak:

(18) 𝑅1𝑅2

𝑅1+𝑅

2

=1

101 + 𝛽 𝑅𝐸

Tranzistor kao Pojačalo – Stabilizacija Radne TočkeNapon kolektor emitter u radnoj točki Q se može naći iz izraza:

(19) 𝑈𝐶𝐸𝑄 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶𝑄𝑅𝐶 − 𝐼𝐸𝑄𝑅𝐸

Koristeći izraze 𝐼𝐸 = 1 + 𝛽 𝐼𝐵 te 𝐼𝐶 = 𝛽𝐼𝐵 jednadžba (19) se može napisati kao:

(20) 𝑈𝐶𝐸𝑄 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶𝑄𝑅𝐶 −1+𝛽

𝛽𝐼𝐶𝑄𝑅𝐸

Ako 𝛽 ≫ 1 onda slijedi:

(21) 𝑈𝐶𝐸𝑄 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶𝑄(𝑅𝐶 + 𝑅𝐸)

Radna točka je dakle definirana jednadžbama (17) i (21). Pojačanje više ne ovisi o strujnom pojačanju β. Može se pokazati da je pojačanje tranzistorskog pojačala proporcionalno:

(22) A =𝑉𝑂

𝑣𝑖= −

𝑅𝐶

𝑅𝐸

Primjer – Konstrukcija Pojačala Pojačanja A=6Parametri:

◦ Pojačanje A = -6◦ Ulazni signal je +/- 1V◦ Napon VCC = 12V

Rješenje:

Odaberemo ICQ=10mA. Zbog izraza (1) (i.e. 𝐼𝐶𝑄 =𝑉𝐶𝐶

2 𝑅𝐶) imamo:

(23) 𝑅𝐶 = 600

Zbog zahtjeva za pojačanjem A=-2 iz izraza (22) slijedi:

(24) 𝑅𝐸 = −𝑅𝐶

𝐴= 100

Ako uzmemo da je pojačanje 𝛽 ≈ 100 onda iz izraza (18) imamo:

(24) 𝑅1𝑅2

𝑅1+𝑅

2

=1

101 + 𝛽 𝑅𝐸 = 10 𝑘

Primjer – Konstrukcija Pojačala Pojačanja A=6Iz jednadžbe (17) i (24) može se dobiti slijedeći izraz:

(25) 𝐼𝐶𝑄𝑅𝐸 ≈𝑈𝐶𝐶𝑅2

𝑅1+𝑅

2

− UBE =𝑈𝐶𝐶

𝑅1

𝑅1𝑅2

𝑅1+𝑅

2

− 𝑈𝐵 =12𝑉

𝑅1

10 𝑘− 0.6𝑉 = 0.6𝑉

Iz gornjeg izraza može se dobiti otpor R2:

(26) 𝑅1 = 100 𝑘

Iz izraza (24) dobivamo I otpor R1:

(27) 𝑅2 =11.11k

Primjer – Konstrukcija Pojačala Pojačanja A=6

Električna shema simulacije u programskom paketu Altium

Kondenzator C1 se odabire prema jednadžbi:

𝐶1 =1

2 𝜋 𝑅𝑃 𝑓

Gdje je RP otpor dan izrazom:

𝑅𝑃 =𝑅1𝑅2𝑅1+ 𝑅2

Primjer – Konstrukcija Pojačala Pojačanja A=6