Járművillamosság és elektronika II. Erősítő kapcsolások, műveleti erősítők, komparátorok, billenőkörök

Erősítők Alap villamos jellemzők nagylinearitású erősítésére alkalmasak. Csoportosításuk az erősített jellemző alapján: Feszültségerősítők Áramerősítők Teljesítményerősítők Csoportosításuk a be- és kimeneti jelnek egy kitüntetett ponthoz való viszonya alapján: Aszimmetrikus erősítők Szimmetrikus erősítők Szimmetrikus bemenetű, de aszimmetrikus kimenetű erősítők Szimmetrikus be- és kimenetű erősítők

Aszimmetrikus erősítők

Szimmetrikus erősítők Vezérlési forma lehet: Általános (Ube1 és Ube2 független) Speciális: Szimmetrikus Aszimmetrikus Közös

Tranzisztoros erősítő A tranzisztor elektromos jelek erősítésére kifejlesztett, 2 db PN átmenettel rendelkező aktív áramköri elem. A bipoláris tranzisztor háromelektródás félvezető eszköz, amely NPN vagy PNP elrendezésű, szennyezett félvezető rétegekből áll. A bipoláris tranzisztorokat leggyakrabban feszültségerősítésre használjuk. Egy egyszerű erősítő négypólusnak tekinthető, ezért az egyik kivezetését közösítjük a bemenet és a kimenet között. Háromféle alapkapcsolás hozható létre, amelyek közül a leggyakrabban használt közös emitteres kapcsolást részletezzük. A bemeneti és kimeneti feszültségek és áramok közötti kapcsolatokat a tranzisztor jelleggörbéi szemléltetik. Az erősítő kapcsolások általában feszültségerősítők, ezért alapkövetelmény, hogy a kimeneti feszültség arányos legyen a bemeneti feszültséggel, tehát az erősítő lineáris legyen!

Tranzisztoros erősítő kapcsolások

Tranzisztor karakterisztikák Bemeneti Kimeneti A tranzisztor kivezetéseire jutó feszültségek és a kivezetéseken átfolyó áramok közötti összefüggéseket általában jelleggörbékben adják meg. Ezek közül legfontosabb a bemeneti és a kimeneti jelleggörbe sereg ismerete. Ezek alapján tárgyalhatók pl. a kisjelű erősítők, a kapcsolóüzem, stb. Mivel a kimeneti oldal UCE feszültsége visszahat a bemenetre, ezért meg kell adni, hogy mekkora UCE kollektor-emitter feszültségre vonatkozik a jelleggörbe. Záróirányban a maradékáramot és a letörési feszültséget elegendő ismerni. A kimeneti karakterisztika az állandó bázisáramhoz tartozó kollektor áram változást adja meg az UCE kollektor-emitter feszültség függvényében. Az IB = 0 bázisáramhoz tartozó jelleggörbe a zárási tartományt, az UCB = 0 jelleggörbe pedig a telítési tartományt határolja.

Tranzisztor működése lineáris üzemben A bázis-emitter átmenet nyitóirányban van előfeszítve, azaz mindkét oldal többségi töltéshordozói haladnak a másik oldal irányába. A bázis kollektor átmenet zárt, a kiürített rétegben nagy térerősség uralkodik. Az emitter sokkal jobban adalékolt, mint a bázis, ezért a nyitott pn átmenet áramában az elektronok többségben vannak. A bázisba bekerülő elektronok diffúzióval terjednek tovább, egy részük rekombinálódik. Ha elérik a bázis-kollektor kiűrített réteg határát, a térerősség átsodorja a kollektor oldalra, azaz a kollektor áramot vezet – noha a pn átmenet záróirányban van előfeszítve és csak nagyon kis áramot várnánk.

Tranzisztor működése lineáris üzemben

Tranzisztor működése lineáris üzemben

Tranzisztor munkapont beállítás Munkapont: az eszköz egyenáramú üzemi körülményeit biztosító, összetartozó egyenáram-egyenfeszültség értékek. Grafikusan: a jelleggörbéken összetartozó egyenáram-egyenfeszültség értékpár által meghatározott pont. Munkapont beállítás célja: a működtetés, vezérlés alapfeltételeként az aktív eszköz bemeneti és kimeneti kapcsaira megfelelő egyenfeszültségek biztosítása. Vezérlés: az egyenfeszültségekkel beállított munkapontú aktív elem bemenetére működtető váltakozó jel kapcsolása. Vezérlés hatására a munkapont mozgást végez a jelleggörbén.

Tranzisztor transzfer jellegörbéje Lineáris tartomány: az aktív elem árama egyenesen arányos a vezérlő feszültség időbeni változásával. Nemlineáris tartomány: az aktív elem árama nem egyenesen arányos a vezérlő feszültség időbeni változásával.

Tranzisztor munkapont beállítás Ez az összefüggés a tranzisztor kimeneti karakterisztikájában egy munkaegyenest határoz meg. A munkapont egy összetartozó IC − UCE értékpár a munkaegyenes mentén, amelyet a bázisárammal lehet beállítani. Ha a bázisáram folyamatos változtatásával a munkapont a normál aktív tartományban jön létre, akkor a tranzisztor lineáris üzemmódban működik. Ismerve a tranzisztor B értékét, a munkapont többféleképpen is beállítható.

Tranzisztor munkapont beállítás Munkaegyenes: az aktív elem kimeneti karakterisztikáján a kimeneti körben mérhető feszültség és a kimeneti áram közötti lineáris kapcsolat grafikus megjelenítését szimbolizáló egyenes. A munkaegyenes meredekségét kizárólag a kimeneti körben elhelyezett ellenállás vagy ellenállások értéke befolyásolja. Bipoláris tranzisztornál a kiinduló egyenlet: UT = IC*RC+UCE Munkaellenállás: dinamikus üzemmódban az aktív elem kimeneti körében elhelyezett ellenállás vagy ellenállások, melynek hatására vezérléskor a kimeneti feszültség változik.

Tranzisztor munkapont beállítás

Tranzisztor munkapont beállítás

Műveleti erősítők A műveleti erősítőket eredetileg analóg számítógépekben használták (a digitális technika előtt). Matematikai műveleteket valósítottak meg velük, ahol a változó a feszültség volt, innen jön a nevük. A műveleti erősítők több erősítőfokozatból álló erősítők. Bemenetükön egy differenciálerősítő található (amelynek erősítése a végtelenhez tart), továbbá rendelkeznek egy kimenettel, és kettős (pozitív és negatív) tápfeszültséget igényelnek.

Műveleti erősítők A hagyományos erősítő tulajdonságait a belső felépítése határozza meg, a műveleti erősítővel (operational amplifier) épült áramkörök működését a külső negatív visszacsatolás határozza meg. Közel ideális tulajdonságokkal rendelkezik, méretben és árban alig tér el a tranzisztoroktól, alkalmazása jóval egyszerűbb

Műveleti erősítők Ideális műveleti erősítő tulajdonságai: Szimmetrikus bemenet Aszimmetrikus kimenet Bemeneti ellenállás végtelen nagy, bemeneti áram zérus Kimeneti ellenállás értéke zérus Vezérlőfeszültség nélkül ne jelenítsen meg jelet a kimeneten (ofszet hiba) Szimmetrikus jelekre nézve végtelen nagy az erősítés (negatív visszacsatolással szabályozható) Közös bemeneti jelekre ne erősítsen Fázistolás legyen minél kisebb A kimeneti jel legyen kivezérelhető tápfeszültségig A kimenet legyen rövidzár védett Minél kisebb zaj A bemeneti fokozata egy differenciálerősítő

Az ideális műveleti erősítő

Tranzisztoros differenciálerősítő Párba válogatott alkatrészek Közös hűtőfelület Integrált tranzisztor-pár Műveleti erősítő bemeneti fokozata Nyugalmi állapotban egyforma áram folyik a két tranzisztoron (I0/2) Ubes=Ube1-Ube2=UBE1-UBE2 A differenciális bemenet: ha mindkét bemenetre ugyan azt a jelet kapcsoljuk, akkor a kimeneten elvileg semekkora jel nincs. Legyen az erősítő nyílt hurkú erősítése A. Ha a + előjellel jelzett neminvertáló bemenetre (Up) földet kötünk, a - jellel jelölt invertáló bemenetre (Un) pedig egy tetszőleges bemenő (Ube) jelet, akkor a kimeneten lévő Jel -AUbe lesz. Ha az invertáló bemenet van földön és a neminvertálóra kötjük a bemenő jelet, akkor a kimenő jel AUbe lesz. Természetesen a kimenő jel nem lehet nagyobb a tápfeszültségeknél, amivel tápláljuk a műveleti erősítőt!

Tranzisztoros differenciálerősítő A kollektor áramok a szimmetrikus vezérlőfeszültség függvényében: Már viszonylag kis bemeneti feszültség (4UT=104 mV) esetén is az áram majdnem teljesen átterhelődik az egyik tranzisztorra.

Műveleti erősítő Vout = A(V+ - V-) Bemenete differenciálerősítő: 2 bemenete van, az ezek közötti feszültségkülönbséget erősíti, ez az ún. differenciális feszültség erősítés. Vout = A(V+ - V-)

Műveleti erősítő A differenciális bemenet: ha mindkét bemenetre ugyan azt a jelet kapcsoljuk, akkor a kimeneten elvileg semekkora jel nincs. Legyen az erősítő nyílt hurkú erősítése A. Ha a + előjellel jelzett neminvertáló bemenetre (Up) földet kötünk, a - jellel jelölt invertáló bemenetre (Un) pedig egy tetszőleges bemenő (Ube) jelet, akkor a kimeneten lévő jel -AUbe lesz (fázist fordít). Ha az invertáló bemenet van földön és a neminvertálóra kötjük a bemenő jelet, akkor a kimenő jel AUbe lesz (azonos fázis). Természetesen a kimenő jel nem lehet nagyobb a tápfeszültségeknél, amivel tápláljuk a műveleti erősítőt! Visszacsatolás nélkül alkalmas billenőkörök vagy komparátorok megvalósítására is!

A negatív visszacsatolás A kimeneti jel egy részét a visszacsatoló hálózaton keresztül visszavezetjük a bemenetre, és kivonjuk a bemeneten lévő jelből. Az erősítést a visszacsatolás határozza meg!

Műveleti erősítő transzfer karakterisztikája

Műveleti erősítő típusok Alapkapcsolások: Invertáló erősítő (fázist fordít) Nem invertáló erősítő (azonos fázis) Egységnyi erősítésű erősítő (feszültség követő) Műveletvégző kapcsolások: Összegző kapcsolás Kivonó (differencia) erősítő Integrátor Differenciáló

Műveleti erősítők Elhanyagolások a kapcsolások vizsgálatához: „A” elhanyagolás: A műveleti erősítőbe befolyó áramok (Ibp és Ibn) a kapcsolásban folyó áramokhoz képest elhanyagolhatók. A vizsgálatoknál úgy vesszük, hogy a műveleti erősítők bemeneti árama nulla. „B” elhanyagolás: A műveleti erősítő ubes bemeneti feszültsége elhanyagolhatóan kicsi a kapcsolás egyéb feszültségeihez képest. (a gyakorlatban ube>0 esetén ez sohasem nulla, mert akkor az áramkör nem adna a kimenetén feszültséget (uki=ubes·A0!!)

Invertáló bemenetről vezérelt

Nem invertáló bemenetről vezérelt

Egységnyi erősítésű erősítő

Összegző kapcsolás (invertáló)

Kivonó (differencia) erősítő

Integrátor

Differenciáló áramkör

Műveleti erősítők kapcsolóüzeme A műveleti erősítők telítéses üzemében a kimeneti feszültség értéke nincs lineáris kapcsolatban a bemeneti feszültséggel. A telítéses tartomány jellemző paraméterei: maximális kimeneti feszültségek: +Ukimax és -Ukimax. (A két feszültség különböző lehet.) max. kimeneti jelváltozási sebesség (slew rate) A műveleti erősítők kimeneti jelváltozási sebessége alacsony (különösen akkor, ha áramkorlátozás is be van építve), ezért speciálisan erre az üzemállapotra kifejlesztett, műveleti erősítő kapcsolástechnikán alapuló komparátor áramkörök állnak rendelkezésre. A legjellemzőbb alkalmazási területek: Komparátorok Multivibrátorok Hullámforma generátorok

Műveleti erősítő transzfer karakterisztikája

Komparátorok A komparátorok két feszültség összehasonlítására használt áramkörök. Az egyik feszültség a referencia feszültség (UREF), amely kitüntetett feszültség és ezzel hasonlítjuk össze a másik feszültséget. A komparátor egyik kimeneti állapota az Ube>UREF, míg a másik az Ube<UREF állapotnak felel meg. A visszacsatolás a nem-invertáló bemeneten van (pozitív)! A komparátorok leginkább az analóg-digitális átalakítókban (AD-konverterek) kapnak szerepet, melyek az analóg mérések adatait digitalizálják. Komparátor típusok: Hiszterézis-nélküli komparátorok Hiszterézises komparátorok

Hiszterézis nélküli komparátorok Nem-invertáló bemenet felől vezérelt Az egyik telítési állapotból a másikba történő felfutáshoz szükséges bemeneti feszültségek azonosak. Kapcsolási rajz: Transzfer karakterisztika:

Hiszterézises komparátorok Invertáló bemenet felől vezérelt Az egyik telítési állapotból a másikba történő felfutáshoz szükséges bemeneti feszültségek eltérnek egymástól. Kapcsolási rajz: Transzfer karakterisztika:

Hiszterézises komparátorok Nem-invertáló bemenet felől vezérelt Az egyik telítési állapotból a másikba történő felfutáshoz szükséges bemeneti feszültségek eltérnek egymástól. Kapcsolási rajz: Transzfer karakterisztika:

Schmitt-trigger Bemeneti jel Hiszterézis nélküli komparátor Schmitt trigger (küszöbérték kapcsoló)

Ablak komparátorok Az ablakkomparátorok jelzik, hogy a vizsgálandó jel bele esik-e a jel egy meghatározott tartományába.

Billenőkörök A billenőkörök két lehetséges kimeneti állapottal rendelkező digitális áramkörök, pozitív visszacsatolással. Az átbillenést az egyes állapotokba különböző módokon idézhetjük elő. Minden zárt hurokkal rendelkező visszacsatolt rendszer, mely két vagy több stabil vagy kvázistabil állapottal rendelkezik, multivibrátornak tekinthető. Az egyes állapotok közötti átmenetet egy viszonylag kis energiájú indító jel - trigger - kezdeményezi, mely a visszacsatolási folyamatot megindítja. Az állapotok közötti átmenethez szükséges energiát maga a rendszer szolgáltatja. A multivibrátorok, mint két-állapotú elektronikai áramkörök, kiválóan alkalmasak négyszögjelek generálására A multivibrátorok klasszikus változatai két aktív elemet (tranzisztor) tartalmaznak, amelyek felváltva vezetnek.

Billenőkörök Típusai: Astabil multivibrátorok (AMV): mindkét kimeneti állapot instabil, állapotát külső beavatkozás nélkül meghatározott időfüggvény szerint változtatja (szabadon futó oszcillátor, négyszögjel generálás). Monostabil multivibrátorok (MMV): egy stabil állapota van. Az áramkör ebből a stabil állapotból csak külső jel (trigger) hatására billen ki, de a kimenet áthaladva az instabil állapoton ismét a stabil állapotba jut (időzítő). Bistabil multivibrátorok (BMV): két stabil kimenettel rendelkeznek és inkább a digitális technikában alkalmazottak (tárolók, memória). A stabil állapotokból csak indító jelek segítségével billenthetők ki. Általában két jelre van szükség a kibillentéshez és a visszabillentéshez (SET, RESET)

Billenőkörök visszacsatolásai

Bistabil

Monostabil

Astabil

Multivibrátor jelalakok

Köszönöm a figyelmet!

Felhasznált irodalom Dr. Kovács Ernő – Elektronika I.-II. (Miskolci Egyetem előadás jegyzet) Zombori Béla – Elektronika Dr. Borbély Gábor: Elektronika I.-II. (előadás jegyzet) Hegyesi László – Műveleti erősítők