Diferencijalno pojacalo - elektronika 3

7/23/2019 Diferencijalno pojacalo - elektronika 3

1/65


2/65

SADR!AJ

UVOD 3.

I POGLAVLJE: OPERACIONI POJA!AVA!I 4.1. OPERACIONI POJA!AVA!I 5.

1.1. IDEALNI OPERACIONI POJA!AVA! 7.1.2. KONSTRUKCIJA OPERACIONOG POJA!AVA!A 8.

1.2.1. Strujno ogledalo 9.1.2.2. Diferencijalni poja"ava" 11.

1.3. OPERACIONO POJA!ALO #A 741 12.1.4. OSNOVNI SKLOPOVI SA OPAMP 14.

1.4.1. Invertuju$i poja"ava" 14.1.4.2. Neinvertuju$i poja"ava" 14.1.4.3. (Diferencijalni) poja"ava"sa simetri"nim ulazom 15.

1.5. ANALOGNE OPERACIJE SA OPERACIONIM POJA!AVA!EM 16.1.5.1. Invertor 16.

1.5.2. Mno%a"sa realnom konstanom 16.1.5.3. Sabira" 18.1.5.4. Pomjera"faze 20.1.5.5. Integrator 20.

1.5.6. Diferencijator 20.1.5.7. Naponski ponavlja"(slijedilo) 20.

1.5.8. Logaritamsko poja"alo 21.1.5.9. Antilogaritamsko poja"alo 22.1.5.10. Sklop za mno%enje 22.1.5.11. Sklop za dijeljenje 22.

1.5.12. Sklop za stepenovanje i korjenovanje 23.

1.6. PRIMJERI KOLA SA OPERACIONIM POJA!AVA!IMA 23.1.6.1. Senzor svjetla 23.1.6.2. Automatsko uklju"ivanje ventilatora u automobile 24.1.6.3.Monitor stanja baterije od 12V 24.

1.7. LABORATORIJSKE VJE&BE IZ OPERACIONIH POJA!AVA!A 24.Vje%ba I: Diferencijalno poja"alo 24.Vje%ba II: Invertiraju$i poja"ava" 24.Vje%ba III: Ispitati uticaj frekvencije na rad integratora? 25.Vje%ba IV: Ispitati uticaj kapaciteta kondenzatora na rad diferencijatora? 25.

II POGLAVLJE: TIRISTORI2. TIRISTORI

2.1. OSOBINE I PODJELA2.2 JEDNOSMJERNI DIODNI TIRISTOR

2.3 JEDNOSMJERNI TRIODNI TIRISTOR2.3.1. Isklopivi tiristor - GTO tiristor

2.3.2. Regulacija struje jednosmjernim triodnim tiristorom

2.4 DIJAK - DVOSMJERNI DIODNI TIRISTOR

2.5. TRIAC - DVOSMJERNI TRIODNI TIRISTOR

2.5.1. Regulacija struje trijakom2.6. UKLJU!ENJE I ISKLJU!ENJE TIRISTORA

2.6.1. Sklopovi za uklju"enje tiristora2.6.2. Isklju"enje tiristora2.6.3. Sklopovi za isklju"enje

2.7. PRIMJENA TIRISTORA

2.7.1. Sklop za uklju"enje tiristora s UJT2.8. LABORATORIJSKE VJE&BE IZ TIRISTORA

III POGLAVLJE: JEDNOSPOJNI TRANZISTOR3. JEDNOSPOJNI TRANZISTOR

IV POGLAVLJE: UPUTSTVO ZA KORI'TENJE NI MULTISIM12.0 47.4. NI MULTISIM 12.0 50.

4.1. Kreiranje nove/otvaranje postoje$ih datoteka (new design/open) 50.4.2. Izbor i postavljanje komponenti 50.4.3. Manipuliranje komponentom 51.

4.4. O%i"enje 51.4.4.1. Primjer - Djelitelj napona 51.

4.4.2. Primjer - Stabilizirani ispravlja" 52.4.5. VIRTUALNI INSTRUMENTI 53.

4,5.1. Dodavanje instrumenta u strujno kolo 53.

4.5.2. Kori(tenje instrumenata 54.4.6. PREGLED INSTRUMENATA U MULTISIM 12.0 55.

4.6.1. Voltmetar 55.

4.6.2. Ampermetar 55.

4.6.3. Multimetar 55.4-6.3.1. Izbor vrste mjerenja 56.4.6.3.2. Vrsta signala (AC ili DC) 56.

4.6.3.3. Unutra(nje postavke multimetra (Set..) 57.


3/65

4.6.4. Generator funkcija (Function Generator) 57.

4.6.4.1. Pode(avanje generatora funkcija 58.4.6.5. Agilent generator funkcija (Agilent Function Generator) 59.

4.6.5.1. Spajanje Agilent generatora funkcija u strujno kolo 59.

4.6.6. 2-kanalni osciloskop (Oscilloscope) 60.

4.6.6.1. Priprema osciloskopa za mjerenje 60.

4.6.6.2. Postavke kanala A i kanala B (Channel A, Channel B) 62.4.6.6.3. Interaktivna simulacija 63.

4.6.7. 4-kanalni osciloskop 64.4.6.8. Agilent osciloskop (Agilent Oscilloscope) 65.

4.6.8.1. Spajanje Agilent osciloskopa u kolo 65.

4.6.9. Tektronix osciloskop (Tektronix Osciloscope) 65.4.6.9.1. Spajanje Tektronix sciloskopa u kolo 66.

4.6.10. Mjerna sonda pipalica (Measurement Probe) 66.

4.6.10.1. Pode(avanje mjerne sonde 66.4.6.11. Bodeov crta"(Bode Plotter) 67.

4.6.11.1. Pode(avanje Bode crta"a 67.4.6.11.2. O"itanje mjernih rezultata 68.

4.6.12. Generator rije"i (Word Generator) 69.4.6.12.1. Pode(avanja generatora rije"i 69.

4.6.13. Logi"ki analizator (Logic Analyzer) 70.4.6.13.1. Pode(avanje logi"kog analizatora 71.

5. LITERATURA 74.


4/65

UVOD

3

UVOD

Prvobitno zna"enje rije"i elektronika odnosilo se naoblast fizike u kojoj su se prou"avale fizi"ke pojave uvezi sa kretanjem elektrona, i to prvenstveno u vezi sakretanjem elektrona u vakuumu i gasovima, a kasnije

sa kretanjem elektrona i u metalima. Za vrijeme drugogsvjetskog rata, elektronikom je po"ela da se naziva ioblast primjene elektronskih cijevi, elektronskih kola.

Danas elektronika prou"ava pojave i u elementimaelektronskih kola i u samim elektronskim kolima.

Po"etak datira od polovine XIX vijeka sa prvimprou"avanjima poluprovodnika.

Slika 1.1. Poluprovodni"ke diode velike snage

Slika 1.2. Optoelektroni"ki senzori

Po"etkom XX vijeka prona)ena je elektronska cijev trioda, kao prvi aktivni element, tj. element koji je

mogao poja"ati signal. Polovinom XIX vijeka se pojaviota"kasti tranzistor i otpo"ela masovna proizvodnja iupotreba tranzistora u elektronskim kolima.

Slika 1.3. Bipolarnih tranzistor BC 160 (PNP 40V 1A) TO39

Na %alost, a zahvaljuju$i zahtjevima armije i vasionskihistra%ivanja, elektronika se naglo razvijala premakritetijumima: (to manje dimanzije, (to manja te%ina i(to je mogu$e pouzdaniji rad elektronskih sistema.Proizvodnja planarnih tranzistora, pri kojoj se na jednoj

plo"ici silicijuma istovremeno pravi veliki brojtranzistora, ukazala je na mogu$nost izrade "itavog

kola na jednoj silicijumskoj plo"ici jer su se poredtranzistrora mogli realizirati i diode, kondenzatori i

otpornici.

Slika 1.4 Bipolarni tranzistor za ve$e snage

Slika 1.5 FET BS 208 (200V 0,2 A) TO-92

Slika 1.6. MOSFET BSS 89 (200V 0,3A) TO-92

Danas se elektronika primjenjuje ne samo u svimtehni"kim disciplinama, ve$ je u %ivotu susre$emo nasvakom koraku. Razvijaju$i se sama i nalaze$i primjenuu nauci i tehnici, elektronika je doprinijela razvoju nauke

i tehnike uop(te.

Slika 1.7. M27C256B M27C256 DIP28 EPROM

Po(to nije napisan prihvatljiv ud%benik za predmetElektronika za III razred ova skripta predstavlja skromni

doprinos autora da prevazi)u taj problem i omogu$iu"enicima i svim zainteresiranim lak(e pra$enje isavla)ivanje nastave iz ovog predmeta.

Skripta je napisana prema modularnom Nastavnom

planu predmeta Elektronika za 3. razred, stru"no zvanjetehni"ar elektronike i odlukom Nastavni"kog vije$aElektrotehni"ke (kole u Tuzli dozvoljena za internu

upotrebu.


5/65


6/65

OPERACIONI POJA!AVA!I

ELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehni"ke #kole

5

1. OPERACIONI POJA$AVA$I

Operacioni poja"ava"i su jedna vrsta direktnospregnutih poja"ava"a. Prema tome oni poja"avaju

jednosmjerne signalne i naizmjeni"ne do svoje grani"nefrekvencije. Ovakav poja"ava" ima simetri"an ulaz, a

nesimetri"an izlaz.

Operacioni poja"ava"je prvobitno kori(ten u analognimra"unskim ma(inama za vr(enje analognih operacija,kao (to su: sabiranje, mno%enje, diferenciranje,integrisanje itd. Po tome je dobio naziv: OPERACIONI

POJA!AVA!.

Danas se operacioni poja"ava" izra)uje u integrisanojtehnici. Dimenzije same silicijumske plo"ice nisu ve$eod dimenzija plo"ice prvih tranzistora. Plo"ica jemontirana u isto ku$i(te kao i tranzistor (npr. TO5).Cijena operacionog poja"ava"a je jedva ne(to ve$a odcijene tranzistora. Budu$i da je montiran u jedno

ku$i(te, mo%emo ga tretirati kao poseban elemenat saodre)enim karakteristikama. Ovdje $emo definisati iobjasniti karakteristike operacionog poja"ava"a i datiizvjesna osnovna kola u kojima se primjenjuje. Osim

primjene za matemati"ku operaciju u analognimra"unskim ma(inama, poslije usavr(avanja, na(ao jeprimjenu i u mnogim drugim oblastima, tako da jedanas jedan veoma "esto upotrebljavani nezamjenljivelemenat u elektronici. Izveden u integrisanoj tehnici,

malih je dimenzija, jeftin, pouzdan i temperaturno

stabilan poja"ava".

Operacioni poja"ava"(Operational Amplifier, OP AMP)je integralno elektronsko kolo (iroke primjene, "ijufunkciju defini(e spolja(nja povratna sprega. Nazivpoti"e iz vrijemena analognih ra"unara, gdje jeozna"avao kolo koje je vr(ilo neku ra"unsku operaciju.

U dana(nje vrijeme operacioni poja"ava"i sa veomavisokim poja"anjem koriste spolja(nje komponente kojeu kolu povratne sprege defini(u odziv, a time i funkcijucelog kola. Za operacioni poja"ava"bez kola povratnesprege ka%e se da radi u otvorenoj petlji (open-loop).Ovaj termin obi"no se vezuje za idealni operacionipoja"ava" sa beskona"nim poja"anjem, ulaznomimpedansom i propusnim frekventnim opsegom, i

nultom izlaznom impedansom. U praksi UCC ni jedanoperacioni poja"ava" nema ovakve idealnekarakteristike, tako da se u prora"unu kola saoperacionim poja"ava"ima mora uzeti u obzir i njihovomanje ili ve$e odstupanje od idealnih karakteristika.

Prvi operacioni poja"ava" koje po svojimkarakteristikama odgovara tom nazivu bilo je

izvedeno elektronskim cijevima i sagra)eno u Bellovimlaboratorijima, Sjedinjene Ameri"ke Dr%ave, tokom1941. godine. Operacioni poja"ava" je imalo trielektronske cijevi, naponsko poja"anje od oko 90 dB inapajanje od 350 V, a koristilo se u ure)aju zanavo)enje topovske vatre, tokom Drugog svjetskograta, koji je zahvaljuju$i upravo operacionom

poja"ava"u postigao prosje"no 90% pogodaka.

Na slici 1.1 vidi se prvi operacioni poja"ava" saelektronskim cjevima nazvan K2-W, koji je konstruisala

firma George A. Philbrick Research. Ovaj model jenastao 1952, vi(e od decenije pre prve tranzistorske

verzije.

Slika 1.1 Operacioni poja"ava"sa elektronskim cijevima

Termin "operacioni poja"ava"" prvi put se pojavio 1943u radu Johna R. Ragazzinnija "Analysis of Problems in

Dynamics", gdje je opisan prakti"an rad Georgea A.Philbricka.

Pojava germanijskog tranzistora 1947. godine te

silicijskog tranzistora 1954. godine omogu$ila je daljnjibrzi razvoj operacionih poja"ava"a. Tokom 1961.godine konstruisano je prvi operacion poja"ava" udiskretnoj tehnici i izveden na (tampanoj pli"ici sodgovaraju$im konektorima. Operacioni poja"ava" udiskretnoj tehnici, izvedeno s bipolarnim tranzistorima,

zna"ajno je unaprijedio osobine operacionihpoja"ava"a kako u pogledu pouzdanosti i dinami"kihosobina, tako i u pogledu energetske efikasnosti i ni%ecijene.

Operacioni poja"ava"i su se ve$ tokom 1962. godineserijski izra)ivali u obliku modula koji se mogaopriklju"iti u odgovaraju$i konektor na (tampanoj plo"ici(slika 1.2), gdje se na taj na"in operacioni poja"ava"mogao smatrati elektronskom komponentom unutar

slo%enijeg elektronskog sklopa.

Slika 1.2 Operacioni poja"ava"u diskretnoj tehnici


7/65



6

Prvi monolitni integrisani operacioni poja"ava", #A702,osmislio je Bob Widlar, Fairchild Semidonductor, SAD,a proizvedeno je 1963. godine. Monolitno integrisani

kolo sadr%avalo je integrisane sve potrebne elektronskesastavne dijelove, ali tehnolo(ki problemi proizvodnjeko"ili su dominaciju monolitnih operacionih poja"ava"asve do 1965. godine kada je proizveden znatno bolji

#A709.

Monolitna operacijska poja"ala su i dalje usavr(avanate je 1967. godine proizvedeno monolitno integrirano

operacijsko poja"alo pod nazivom LM101, nakon "egaje samo godinu dana kasnije uslijedio i poznati #A741,integrirani krug koji se pod raznim imenima radi svoje

univerzalne primjene proizvodi i danas.

Razvojem unipolarnih tranzistora proizvedena su

sedamdesetih godina prva operacijska poja"ala

izvedena JFET unipolarnim tranzistorima na ulazu

operacijskog poja"ala, nakon "ega su uslijedila ioperacijska poja"ala s MOSFET unipolarnimtranzistorima osamdesetih godina pro(log stolje$a.

Prvi monolitni operacioni poja"ava" ponu)en je tr%i(tu1963. sastojao se od devet tranzistora i ko(tao je oko

300 ameri"kih dolara, (to je ograni"ilo njegovu primjenuna vojne primjene i na avijaciju.

Veliki obim proizvodnje smanjio je tro(kove, tako da jecijena ovog poja"ava"a brzo pala prvo na 70 pa na 10 izatim na 2 ameri"ka dolara, (to je doprinijelo (irokojprimjeni i daljem razvoju novih tipova operacionih

poja"ava"a, sa razli"itim karakteristikama, sabipolarnim, FET, MOSFET tranzistorima, razli"itimkonfiguracijama, itd.

Slika 1.3. Op(ti oblik i simbol operacionog poja"ava"a sa detaljnom elektri"nom (emom sa priklju"cima

Operacioni poja"ava"i pokrivaju opseg naponanapajanja od 0.9V do preko 1000V. Koriste se u raznim

elektronskim kolima, kao linijski drajveri, komparatori(jednobitni A/D konvertori), za pomjeranje naponskog

nivoa, kao poja"ava"i, oscilatori, filteri, kondicionerisignala, drajveri motora i drugih aktuatora, strujni i

naponski izvori i u mnogim drugim aplikacijama.

Na slici 1.3 dat je grafi"ki simbol operacionogpoja"ava"a. Lijeva slika je simbol koji se upotrebljavakad nam je bitno da se samo istakne poja"ava"kosvojstvo operacionog poja"ava"a.

Slovo A treba da nas podsjeti da je to poja"ava",me)utim i ovo slovo se "esto izostavlja.

Znak + (plus) na ulazu 3 ozna"ava da se izlazninapon U0 ne invertuje (ne obr$e) u odnosu na fazuulaznog signala U1. Taj ulaz se naziva neinvertiraju$iulaz.

Znak (minus) na ulazu 2, ozna"ava da je izlazninapon U0 fazno pomjeren u odnosu na ulazni napon

U2, ozna"ava da je izlazni napon U0fazno pomjeren uodnosu na ulazni napon U2 za 180, odnosno da je

faza izlaznog napona invertovana (obrnuta) u odnosu

na ulazni napon U2. Taj ulaz se naziva invertuju$i ulaz.

Kad treba da se prika%u kolo polarizacije (napajanje

UCC), kolo frekventne kompenzacije (tzv. offset) i drugo,crtaju se priklju"ci kao (to je prikazuje desni simbol naslici 1.3.

Po(to se ovo vr(i kod crtanja kompletne (eme ure)ajau kome su primjenjeni operacioni poja"ava"i,eventualno i neka druga integrisana kola, to, da bi se

razlikovali poja"ava"i jedni od drugih, "esto se umjestooznake A stavlja oznaka konkretnog operacionog

poja"ava"a, kao (to je ovdje stavljena oznakapoja"ava"a A741.

Slika 1.4. Najprostiji operacioni poja"ava"

Ud

Uo

U1

U2

A3

2

4

7

6

51

A741

Ucc3

2

6

Uee

3

2

6

4

7 Ucc

Uee

Io

R RC C


8/65



7

Na slici 1.4 dat je najprostiji operacioni poja"ava".Na"injen je samo sa jednim diferencijalnimpoja"ava"em. Ima simetri"an ulaz, a nesimetri"an izlaz.O"igledno je da, pored priklju"ka za ulaz i izlaz, morapostojati i priklju"ak za napajanje kolektora UCC iemitora UEE.

1.1. IDEALNI OPERACIONIPOJA$AVA$

Dana(nji operacioni poja"ava"i imaju veoma dobreradne karakteristike. Prilikom analize elektronskih kola

sa operacionim poja"ava"ima "esto $emo njegovekarakteristike idealizovati, kako je prikazano na slici 1.5,

kako bismo uprostili analizu.

Za analizu osobina operacionog poja"ava"a bitna su trikontakta-stezaljke:

- invertiraju$i ulaz (inverting input),

-neinvertiraju$i ulaz (noninverting input), i

- izlaz (output),

koje su u interakciji s ostatkom mre%e, odnosnoelementima i sklopovima koji "okru%uju" poja"ava" unekoj elektronskoj (emi (ure)aju).

Operacioni poja"ava" se mo%e kao i bilo koje drugipoja"ava" prikazati u jednostavnoj formi kao cjelovitiblok pomo$u tri parametra Rul, Riz, A. Ono (to ga "inirazli"itim od drugih tipova poja"ava"a su upravovrijednosti ovih parametara.

Za tipi"ni realni (neidealni) operacioni poja"ava":

- ulazni otpor je uvijek vrlo velik, najmanje

100K*, a "esto i znatno vi(e od te vrijednosti,- naponsko poja"anje otvorenoga kruga A je

vrlo veliko (reda veli"ine 105),- izlazni je otpor vrlo mala od 0 - 100*.

Bez obzira kako je izveden, svako poja"ava" "ijiparametri pribli%no odgovaraju navedenima, mo%e sesmatrati operacionim poja"ava"em.

Kako je ve$ pokazano (slika 1.4 i 1.5a) simboloperacioni poja"ava"a u elektronskim (emama ima

dvija ulazna kontakta-stezaljke (-) i (+) poznate kaoinvertiraju$i i neinvertiraju$i ulaz. Tre$i kontakt-stezaljkau vrhu trokuta je izlazna, U izili Uout.

Napon na invertiraju$em ulazu ozna"en je sa U1ili U-ilia na neinvertiraju$em ulazu sa U2 ili U+. Oba ovanapona mjere se u odnosu na referentni "vor, masu -uzemljenje, koji na simbolu nije posebno nazna"en.

Na slici 1.5b prikazan je model operacionog

poja"ava"a. Ako se %ele analizirati osobine nekogelektronskog kola-ure)aja operacioni poja"ava" semo%e zamijeniti modelom, a zatim se primjeneuobi"ajene metode analize strujnih kola. Me)utim,pogodnije je za analizu rada sklopova s operacionimpoja"ava"em primijeniti tzv. metodu prividnoga

(virtuelnog) kratkog spoja, gdje se uzima u obzir

"injenica da su Ruli A vrlo veliki, a Rizvrlo mali.

Metoda se bazira na aproksimacijama beskona"novelikih Rul i A i beskona"no malog Riz. Operacionipoja"ava"takvih osobina naziva se idealni operacionipoja"ava". Iako idealni operacioni poja"ava" u praksi

ne postoji, njegova primjena u analizi daje rezultatebliske realnom, a sama analiza je bitnopojednostavljena.

Rin=%, Ro=0, Uiz=A(U2-U1)=AUulSlika 1.5. Idealni operacioni poja"ava"

Idealan operacioni poja"ava"ima:

1.

Beskona"no veliko diferencijalno (AUd=+)poja"anje, koje ne zavisi od amplitudeizlaznog napona,

2. Poja"anje srednje vrijednosti jednako nuli(AUc=0), odnosno,

3. Faktor potiskivanja srednje vrijednosti signala

beskona"no velik (Fp=+),4. Ulazni otpor beskona"no velik (R,=+),5.

Izlazni otpor jednak nuli (R0=0) i

6.

Beskona"no (irok propusni opseg (B=+).

Operacioni poja"ava" obi"no radi sa povratnomspregom, pa $e poja"anje poja"ava"a zavisiti odkoeficijenta povratne sprege, ako je samo poja"anje

dovoljno veliko uvijek je A>>1, (to je jedan od uslovaza negativnu povratnu spregu (drugi je protufaznost

signala).

Ako predpostavimo da izlazni signal ne$e biti suvi(evelik, nelinearnost prenosne karakteristike ne treba

uzimati u obzir.

Prema tome prva pretpostavka je opravdana. Na slici1.6 prikazana je idealizovana i realna prenosna

karakteristika operacionog poja"ava"a. Idealizovanatreba da se poklapa sa ordinatom, jer smo pretpostavili

da je poja"anje beskona"no veliko, dok je karakteristikarealnog poja"ava"a nagnuta, a naponi ograni"ennaponima napajanja operacionog poja"ava"a UCC iUEE.

U1

U2

A(U2-U1)

RulRizl Uizl


9/65



8

Poja"anje srednje vrijednosti mo%emo zanemariti, jer jeono mnogo manje od diferencijalnog poja"anja.

Ulazni otpor se mo%e smatrati beskona"no velikim, zato(to je mnogo ve$i od spolja(njeg, sa njim vezanimserijskim otporom, a izlazni otpor jednak nuli, ako je

mnogo manji od otpora optere$enja.

Beskona"no veliki opseg mo%e se pretpostaviti, ako jeradna frekvencija mnogo manja od grani"nefrekvencije.

Termin "operacija" odnosi se na matemati"ku operaciju,kao (to je sabiranje, integracija itd. Idealni operacionipoja"ava" predstavlja kolo koje se u teoriji naziva"nulor" i koje se sastoji od dva elementa nulatora i

noratora. Ulazni stepen operacionog poja"ava"a jenulator (nema ni napona ni struje), a izlazni dio je

norator (bilo koji napon i struja). Ove dvije komponentedaju zami(ljenom operacionom poja"ava"u idealnekarakteristike.

Slika 1.6. Idealna i realna prenosna karakteristika operacionog poja"ava"a

Slika 1.7. Blok (ema operacionog poja"ava"a

1.2. KONSTRUKCIJA OPERACIONOG

POJA$AVA$A

Operacioni poja"ava"i se naj"e($e izra)uju uintegrisanoj tehnici, obi"no u 8-pinskomili 14-pinskomku&i#tu.

Sastoje se iz tri osnovna dijela (slika 1.7):

- ulaznog stepena,

- naponskog poja"ava"a, i- izlaznog stepena.

Ulazni stepen poja"ava razliku napona na ulaznimpriklju"cima naponski poja"ava" uvodi dodatnopoja"anje signala izlazni stepen obezbje)uje dovoljnuveliku snagu na izlazu odnosno dovoljno veliko strujno

poja"anje. U skladu sa tim, ulazni stepen se izvodi kaodiferencijalni poja"ava"sa dva simetri"na ulaza.

Izlazni stepen, koji omogu$ava velika strujna poja"anja,realizuje se sa obi"no komplementarnim paromtranzistora.

Iako dizajn varira izme)u proizvo)a"a, svi operacionipoja"ava"i imaju istu osnovnu unutra(nju strukturu. Naslici 1.7 je prikazana konstrukcija operacionog

poja"ava"a #A741.

Da bi operacioni poja"ava" imao karakteristike blizuidealnih, treba obezbjediti i slijede$e:

- da ulazna struja bude minimalna,

- da (um i smijetnje usljed zajedni"kog (common-mode) napona budu minimalni ((to se posti%eprimjenom diferencijalnog ulaznog stepena),

- poja"anje treba da bude dovoljno veliko ((to seposti%e primjenom poja"ava"a sa zajedni"kim

emiterom uz aktivno optere$enje (strujnoogledalo),


10/65



9

- obezbjediti dovoljno struje na izlazu kako ne bi bio

"oboren" kad se priklju"i potro(a" ((to se posti%eprimjenom izlaznog poja"ava"a koji obezbje)ujedovoljnu izlaznu struju i malu izlaznu otpornost

Imaju$i navedeno u vidu, mo%emo da smatramo da jejako upro(tena elektronska (ema operacionogpoja"ava"a data na slici 1.8.

Slika 1.8. Upro(tena (ema operacionog poja"ava"a

1.2.1. Strujno ogledalo

U operacionim poja"ava"ima strujna ogledala koriste sekao strujni izvori i kao aktivna optere$enja. Osnovnaprimjena je u strujnim izvorima. U idealnom slu"aju,struja je nezavisna od optere$enja. U prostom strujnomizvoru sa slike 1.8 o"igledno je:

R

V7,0UI CCREF

!

=

Za fiksno R ova struja se ne mijenja. Kada bismo mogli

da "kopiramo" ovu struju u neku drugu granu kola u

kojoj %elimo da defini(emo struju, tada bismo mogli daka%emo da smo napravili strujni izvor u toj, drugoj, granikola sa vrijedno($u IREF.

To $emo uraditi tako da koristimo podatak da jekolektorska struja bipolarnog tranzistora zavisna samo

od napona VBE (0,7V).

Slika 1.8. Princip napajanja iz strujnog izvora

3

2

6+

-izlazni stepen

stepen sa zajedni!kim emiterom

diferencijalni poja!ava!

strujna ogledala / aktivna optere"enja

I

R R

+Ucc +Ucc

REFI


11/65



1

Slika 1.9. Strujno ogledalo je izvor konstantne-referentne struje

Ako je uzemljen strujno ozvor koriste se NPN tranzistori,a za uzemljeni potro(a"koriste se PNP tranzistori.

Slika 1.10. Primjena NPN i PNP tranzistora u strujnom ogledalu

U idealnom slu"aju, nezavisno od razli"itih vrijednostiotpornosti u kolektorskom kolu, struja bi trebalo da

bude nepromjenjena. Po(to se napon kolektor-emiterdrugog tranzistora, a napon kolektor-emiter prvog

tranzistora je fiksiran na 0.7V, kolektorska struja drugog

tranzistora se mijenja sa otporno($u potro(a"a.

Name$e se prosto rje(enje: ukoliko obezbjedimo da senaponi kolektor-emiter ne mijenjaju sa vrijedno($upotro(a"a, ne$e se mijenjati ni kolektorske struje. Pritom naponi kolektor-emiter ne moraju da budu jednaki,

dovoljno je da se ne mijenjaju sa promjenom potro(a"a.Jedno rje(enje koje obezbe)uje da se kolektorskinapon ne mijenja sa promjenom potro(a"a dato je naslici desno. Ovaj strujni izvor zove se Wilsonovo strujno

ogledalo. Za uzemljene potro(a"e koriste se PNPtranzistori.

Ako %elimo da napravimo strujni izvor "ija $e struja bitimnogo manja od referentne IREF, napon UBE2 treba da

bude manji od UBE1. Po(to je zavisnost kolektorskestruje od napona baza-emiter eksponencijalna, male

razlike u naponu baza-emiter prouzrokova$e velikerazlike kolektorskih struja. Kolo sa slike 1.13 zove se

Widlarovo strujno ogledalo i koristi se kao izvor malihstruja.

Slika 1.11. NPN varijanta Wilsonovog strujnog ogledala

R

+Ucc +Ucc +Ucc

RREFI

I!REF

IL

RL

I!REF

I

Struja kroz R ne zavisiod njegove otpornosti

L

I!REF

I pod uslovom da je struja baze malau pore!enju sa strujom kolektora

R

+Ucc +Ucc

RREFI

I!REF

I

L

+Ucc

REFI

I!REF

I

RL

R

NPN PNP

+Ucc

R

REFI L

R

0,7V

0,7V

1,4V1,4V

T1 T2

T3

IOUT


12/65



11

Slika 1.12. PNP varijanta Wilsonovog strujnog ogledala

Slika 1.13. Widlarovo strujno ogledalo

1.2.2. Diferencijalni poja"ava"

Diferencijalni poja"ava" poja"ava razliku dva napona,slika 1.14.

izlaz = A(ulaz1 - ulaz2)

Slika 1.14. Diferencijalni poja"ava"

U idealnom slu"aju diferencijalni poja"ava" poja"avasamo razliku dva napona, bez obzira na njihovu

apsolutnu vrijednost.Diferencijalni poja"ava" koji je prikazan na slici mo%esa dobrom aproksimacijom da se smatra dobrim

poja"ava"em razlike dva signala.Ulazni signal ne smijeda bude veliki, da bi ovo kolo radilo kao diferencijalnipoja"ava".

Slika 1.15. Elektronska (ema diferencijalnog poja"ava"a

Slika 1.16. Pove$anje opsega ulaznog napona sa RE

Po(to je za nulti ulazni napon izlazni napon tako)ejednak nuli, prikazana konfiguracija poja"ava"aomogu$ava povezivanje vi(e ovakvih kola u kaskadubez uno(enja jednosmjernog ofset napona u kolo. Da bise pobolj(ala linearnost i pove$ao opseg ulaznognapona, dodaje se otpornik u kolo emitera oba

tranzistora. Cijena koja se pla$a je znatno smanjenopoja"anje ovakvog kola.

+Ucc

REFI

RL

R I

OUT

T1 T2

T3

IC1 IC2

R

+Ucc

RREFI

I

L

OUT

T1 T2

R2

REFI

C1I !

DPizlaz

poja!anje=A

ulaz 1

ulaz 2

EEI

RC

RC

CC+U

-UEE

Ui1 U

U

Uo2

o1

i2

EE

I

RC

RC

CC+U

-UEE

Ui1 U

U

Uo2

o1

i2

RREE


13/65



12

1.3. OPERACIONO POJA$ALO 'A 741

Najpopularnije operacioni poja"ava" koje predstavljaindustrijski standard nosi oznaku 741, a tipi"na izvedbaprikazana je na slici 1.17. Proizvode ga razni

proizvo)a"i koji uz broj 741 daju svoje kodne oznake,primjerice 741 (Fairchild) ili LM741 (National

Semiconductors)

Ako postoji dodatno slovo uz temeljnu oznaku, njime se

definiraju temperaturna svojstva, kao A741 A (vojno-

tehni"ki uvjeti rada u rasponu od -550C do +1250C) iliA741 C (industrijski uvjeti za temperaturni raspon od

00C do 70

0C)

Slika 1.17. Razli"ite izvedba #A741

S istosmjernim napajanjima UCC=UCE=15V posti%u seizlazni naponi od 12V (oko 80% napajanja) Izlaz 741poja"ala za(ti$en je od kratkog spoja tako da je izlaznastruja ograni"ena na 25mA.

Proizvo)a"i elektronskih komponenata proizvode vrloveliki broj razli"itih izvedbi operacionih poja"ava"a.

Ovdje $emo prikazati osnovne osobine onog koji nosioznaku #A741.

Elektronska (ema na slici 1.21 pokazuje da sepoja"ava"#A741 sastoji od:

- 22 tranzistora,

- 11 otpornika,

- jednog kondenzatora i

- u nekim izvedbama jedne diode.

Slika 1.18. Simbol i JG ku$i(te (pogled odozgo) #A741

Slika 1.19. Fizi"ke dimenzije #A 741 (JG ceramic dual-in-line), dimenzije su u in"ima (milimetrima)

3

2

4

7

6

51

A741

CC+U

-UEE

IN

IN-

+

OUT

Offset N1

Offset N2


14/65



13

Slika 1.20. U, J i FK ku$i(ta #A741

Slika 1.21. Elektri"na (ema #A741

Tabela 1.1. Elektri"ne karakteristike #A741 (UCC=15V, T=25C)


15/65



14

Tabela 1.2. Idealne i stvarne karakteristike operacionog poja"ava"a

1.4. OSNOVNI SKLOPOVI SA OPAMP

1.4.1. Invertuju&i poja"ava"

Invertuju$i operacioni poja"ava" je poja"ava" sapovratnom spregom kod koga se ulazni signal dovodi

na invertuju$i ulaz. Ovo je osnovno poja"ava"ko kolooperacionog poja"ava"a. Kod njega je izvedenanaponsko paralelna povratna sprega, kako je prikazano

na slici 1.22.

Slika 1.22. 'ema i ekvivalentna (ema operacionog poja"ava"a

u spoju sa invertovanim ulazom

Kako se u analognom ra"unaru operacioni poja"ava"ivezuju kaskadno, izlazni otpor poja"ava"a je jednaknuli, te da bi se moglo ostvariti paralelno dovo)enjevra$enog signala, mora se staviti otpor R1, jer ina"epovratne sprege ne bi bilo.

Usljed beskona"no velikog poja"anja A0o, pri kona"nomizlaznom naponu U0o ulazni diferencijalni napon Ud je

jednak nuli, jer je:

0U

A

UU

o

o

od =

!

==

1.1Usljed beskona"no velikog ulaznog otpora Rioperacionog poja"ava"a, a i zbog toga (to je ulazni

diferencijalni napon jednak nuli, i ulazna struja Id

jednaka je nuli. Prema tome posmatrano sa ulazne

strane, poja"ava"se pona(a kao da mu je ulaz kratkospojen. Zato ka%emo da je ta"ka 2 "virtualna nula".Virtualna nula zbog toga, (to je struja kroz nju jednakanuli, a ne jednaka struji kratkog spoja.

Posmatrajmo sad ekvivalentna (ema poja"ava"a. Kakoje Ud=0, lako mo%emo da izra"unamo ulaznu struju:

IR

UI

i

i

i ==

Ova struja, budu$i da je Id= 0, sva proti"e i kroz otporR2, preko kog se vr(i povratna sprega, te jeizlazna struja:

IIo != ,

a izlazni napon:

i

i

2o2oR

URIRU !"=!=

Prema tome poja"anje operacionog poja"ava"a uovakvoj konfiguraciji je:

1

2

R

RA !=

Ulazni otpor, usljed prisustva virtualne nule jednak je

otporu R1.

1.4.2. Neinvertuju&i poja"ava"

Tranzistorskom poja"ava"u sa uzemljenim kolektorom,mo%e se na"initi odgovaraju$a konfiguracija saoperacionim poja"ava"em. Na izlazu imamo poja"annapon, ali je ostao u fazi sa ulaznim naponom. Ulazni

napon se dovodi na neinvertuju$i ulaz, a povratnasprega na invertuju$i. Ako bi se povratna sprega izvelana invertuju$i ulaz, ona bi bila pozitivna.

'emai konfiguracija neinvertuju$eg operacionogpoja"ava"a je data na slici 1.2.

Budu$i da je diferencijalni napon na ulazu samogpoja"ava"a jednak nuli, cio pad ulaznog napona bi$ena otporu R1, te je i kod ovog poja"ava"a

i

i

R

UI =

.

Po(to je struja kroz otpor R2 jednaka struji kroz otporR1, to je izlazni napon:

R

R1

2

I

Io

id

U

iU

Uo

2

3

R

R1

2

di

UU

o

2

3

d

U =0

I =0

iI =I

oI=-I

oA

6

6

Idealno Stvarno

Poja"anje napona % 104 106

Ulazni otpor % 1M(i vi(e

Izlazni otpor 0 100(i manje


16/65



15

( )21o RRIU += ,

te je poja"anje poja"ava"a:

( )

1

2

1

21

i

o

R

R1

RI

RRI

U

UA +=

!

+

==

Slika 1.21. Operacioni poja"ava"sa neinvertuju$im ulazom ipovratnom spregom preko invertuju$eg ulaza

Dakle sa istim elementima, ako se signal dovodi na

neinvertuju$i ulaz poja"anje $e biti ve$e za jedinicu, afaza izlaznog signala bi$e jednaka fazi ulaznog signala.

Kada treba upotrebljavati dva napona ili kada trebapoja"ati naponsku razliku izme)u dvije ta"ke u nekomkolu, od kojih jedna nije uzemljena, koristi se operacioni

poja"ava"sa simetri"nim ulazom.

1.4.3. (Diferencijalni) poja"ava"sasimetri"nim ulazom

U ovu svrhu se mo%e koristiti neposredno operacionipoja"ava"u spoju sa slike 1.2.

Ulazni otpor poja"ava"a mora biti simetri"an i zaneinvertiraju$i i za invertuju$i ulaz.

Na slici 1.22 prikazana je (ema ovakvog poja"ava"akoji se naziva i diferencijalni poja"ava".

Ovaj spoj se koristi kada treba poja"avati razliku dvanapona. Tada je poja"anje operacionog poja"ala vrloveliko i relativno nestabilno, pa se mora uvesti

negativna povratna sprega radi stabilizacije poja"anja.

Ulazni otpor poja"ava"a je isti za invertiraju$i ineinvertiraju$i ulaz.

Slika 1.22. Operacioni poja"ava"sa simetri"nim ulazom diferencijalni poja"ava"

Uz uslov da je 0II 2d1d == , 0Ud = i da je 'RR 11 = i

'RR 22 = na$i $emo poja"anje uzev(i da se ulazni

signal dovodi prvo na prvi , a zatim na drugi ulaz.

Neka je Uu2=0, tada je izlazni napon:

2

21

1u

1

21i R

RR

U

R

R1U

+!!"

#$$%

&+= .

Prvi "lan na desnoj strani je poja"anje neinvertiraju$egpoja"ala, a drugi slabljenje dovedenog signala.Sre)ivanjem prethodnog izraza za izlazni napon sedobije:

1u

1

2

1i UR

RU = .

Dovedimo sada napon na invertiraju$i ulaz, a da je pritome napon na neinvertiraju$em ulazu jednak nuli.Tada je izlazni napon:

2u

1

2

2i UR

RU != .

Ako istovremeno dovedemo napone na oba ulaza, na

izlazu $e se pojaviti zbir napona:

( )2u1u1

22i1ii UU

R

RUUU !=+= .

Poja"anje ovakvog diferencijalnog poja"ala je:

1

2

2u1u

i

R

R

UU

UA =

!

= .

Deiferencijsko poja"alo poja"ava razliku ulaznihsignala. Na invertiraju$i ulaz poja"ala ralzike dovodi seulaznmi napon uul1 preko otpronika R1,a naneinvertiraju$i napon uul2 preko otpornika R3.Otpornik

R2 kao komponenta negativne povratne veze spaja seizme)u invertiraju$eg ulaza i izlaza.

R

R1

2

I

I

dU

iU

Uo

2

3

oA 6

R

R1

2

I I

dU

iU

Uo

2

3

oA 6

Varijanta I

Varijanta II

RR1 2

I

dU

Uo

2

3

oA

6

Ui1

i2

R1

R2

U

I

I

d2

d1


17/65



16

Na slici 1.4 prikazano poja"alo je kombinacijainvertiraju$eg i neinvertiraju$eg operacijskog poja"ala.

Slika 1.23. Diferencijsko poja"alo poja"alo razlike

1.5. ANALOGNE OPERACIJESA OPERACIONIM POJA$AVA$EM

U analognim ra"unarima se analogne matemati"keoperacije ostvaruju pomo$u operacionog poja"ava"a.Osnovna konfiguracija kola sa operacionim

poja"ava"em dat je na slici 1.23. Ova (ema je ista kaoona na slici 1.20, samo su otpori R1 i R2 zamjenjeniimpedansama Z1i Z2.

Prema tome, osnovna konfiguracija operacionog

poja"ava"a je poja"ava"sa invertuju$im ulazom.

Njegovo poja"anje iznosi:1

2

Z

ZA != .

Ve$ina matemati"kih operacija se ostvaruje pogodnimizborom ovih impedansi.

Slika 1.24. Op(ta (ema operacionog poja"ava"a

Zbog univerzalnosti upotrebe operaciono poja"alo jenajva%niji linearni integrisani sklop. Osim osnovnihspojeva postoji jo( "itav niz primjena. Pri narednomrazmatranju je uvedena pretpostavka da je operaciono

poja"alo po osobinama sli"no idealnom.

1.5.1. Invertor

Za promjenu znaka neke matemati"ke veli"inepotrebno je da ta veli"ina po apsolutnoj vrijednostiostane ista, ali da joj se promjeni samo znak. Ako je

bila pozitivna da postane negativna, ako je bilanegativna da postane pozitivna. Prema tome, poja"anjeoperacionog poja"ava"a treba da je jednako jedinici, alida je izlazni napon suprotnog znaka od ulaznog.

Ovo mo%emo ostvariti sa invertuju$im poja"ava"em saslike 1.20, odnosno, ako u osnovnom kolu datom na

slici 1.23 umjesto impedansi Z1 i Z2 stavimo otpore

R1=R2=R, kao na slici 1.24.

Slika 1.25. Mjenja"znaka ili invertor

Poja"anje poja"ava"a sa slici 1.24 je:

1R

R

R

R

Z

ZA

1

2

1

2!!

=

!

=

!

= ,

pa je izlazni napon:

iio UAUU !==

Dakle, isti po amplitudi, ali suprotnog znaka dva ovakva

kaskadno vezana operaciona poja"ava"a propusti$enepromjenjen signal.

1.5.2. Mno)a"sa realnom konstanom

Ukoliko je Z1=R1, a Z2=R2prema slici 1.23, poja"anje$e biti:

kR

RA

1

2!=!= ,

pa je izlazni napon:io kUU !=

Ukoliko je:

k>1, izlazni napon je ve$i od ulaznog, a zak1, npr. k=10, mno%a" realiziramo saneinvertiraju"im spojem operacionogpoja"ava"a pri "emu mo%emo izvr(iti prosti

R

R1

2

Uo

2

3

oA

6

Ui1i2

R

R

U 3

4

1

2

I

Io

id

U

iU

Uo

2

3

o

6

Z

Z

A =!

R

R

iU

Uo

2

3

oA

6


18/65



17

prora"un vrijednosti otpora, ako usvojimo npr.R1=10k*. Po(to je:

!="=#+= k90)1A(RRR

R1A 12

1

2

Sad mo%emo realizirati mno%a" kao na slici 1.25. Ako

na ulaz Ui spojimo istosmjerni izvor na izlazu Uo

mo%emo istosmjernim voltmetrom izmjeriti ulaznu

vrijednost pomno%enu koeficijentom 10, odnosno, ako

na ulaz spojimo signal generator na izlazu

osciloskopom mo%emo izmjeriti desetostruku vrijednost

ulaznog signala.

Slika 1.25. Mno%a"konstantom za k>1

II. Kada je k


19/65



18

Slika 1.28. Mno%a"konstantom za k=0,25 (varijanata II)

1.5.3. Sabira"

Kolo predstavljeno na slici 1.10 slu%i za zbrajanjeelektri"nih signala.

Ulazni signali imaju trenutne vrijednosti u1, u2,...,un.

Zbog beskona"no velike ulazne otpornosti operacionogpoja"ala struja u operaciono poja"alo je jednaka nuli.Radi toga je struja i koja te"e kroz otpornik R jednakasumi ulaznih struja i1, i2, ..., in.

Napon uiiznosi:

!!"

#$$%

&+++'='=

n

n

2

2

1

1

iR

u...

R

u

R

uRiRu .

Ako je R1=R2=...=Rn prethodnu relaciju je mogu$enapisati u sljede$em obliku:

!=

"=n

1k

k

1

i uR

Ru .

Izlazni napon je proporcionalan sumi ulaznih napona.

Ako odaberemo da su otpori R1i R2jednaki dobija se:

!=

"=n

1k

ki uu .

Prema prethodnoj relaciji izlazni napon je jednak

negativnoj vrijednosti sume ulaznih napona, te se ovajsklop mo%e koristiti za realizaciju operacije sabiranja.

Slika 1.25. Sklop za sabiranje sa promjenom predznaka

Slika 1.26. Sklop za sabiranje bez promjene predznaka

Sklop za sabiranje se mo%e realizovati i tako da se

operacija sabiranja izvodi bez promjene predznaka. Zato koristimo sklop prikazan na slici 1.26.

Lako je uo"iti da ovaj sklop predstavlja varijantu

neinvertiraju$eg spoja operacionog poja"ala. Ako jeR1

-=R2

-=...=Rn

-vrijedi relacija:

I

dU

Uo

2

3

oA

6

Ui1

i2U

2R =1k!

2R =1k!

R =4k!

R =4k!1

1

2

3

6A

1

Uo

R

I1

U

1

R

I

U

I

U

2

2

R2

Rn

n

n

I

2

3

6A

Uo

I

1

I1

U1

I

U

I

U

2

2

n

n

n

R

R2

1

R'

2R'

R'


20/65



19

.unR

RRu

n

1k

k'

1

21i !

=

+

=

Pri tome je izlazni napon proporcionalan sumi ulaznih

napona. Ako se ispuni uslov:

1'nR

RR

1

21=

+

izlazni napon $e biti jednak sumi ulaznih napona.

Za operacione poja"ava"e sa FET tranzistorima iumjerenim vrijednostima otpornosti u kolu otpornik RB

se ne stavlja. Jedna od primjena ovog kola je u audio

mikserima, kao na slici 1.27.

Slika 1.27. Audio mikseta (sabira")

Audio mikser sa slike na svom izlazu daje zbir napona

U1, U2 i U3, ponderisanih polo%ajem kliza"apotenciometara. Poja"ava"i 1, 2 i 3 su jedini"ni kad suprekida"i otvoreni, a imaju poja"anje 10 kada su

prekida"i zatvoreni.

Jo( jedna vrlo korisna primjera sabira"a je u digitalno-analognoj (DA) konverziji. Ako su ulazne otpornosti

duplirane jedna u odnosu na drugu 1k*, 2k*, 4k*onda $e digitalni napon, bilo to 0 ili 1, na ovakvimulazima, na izlazu dati napon koji je ekvivalentan

ulaznoj digitalnoj formi, kao na slici 1.28.

Ovo je jedan jednostavan primjer primjene sumatora.

Slika 1.28. Prosti DA konvertor sa sabira"em

U ovom DA konvertoru, broj pojedina"nih bita kojikreiraju ulaznu informaciju, u ovom slu"aju to su 4 bita,$e u kona"nici izra"unati izlazni napon kao procenat

ukupnog analognog izlaza. Tako)er, ta"nost ukupnogizlaznog napona zavisi od napona koji se koristi da seopi(e digitalno logi"ko stanje (0V za digitalnu 0 i 5V za

2

3

6

50 %

18k!

1

U1

20 dB

boost2k!

10k!

LOG

2

3

6

50 %

18k!

U

20 dBboost

2k!

10k!

LOG

2

3

6

50 %

18k!

U

20 dB

boost2k!

10k!

LOG

2

3

6U

o

R R

R

R

2

3

4

2

3


21/65



2

digitalnu 1), kao i od ta"nosti vrijednosti otpornostiotpora koje smo koristili.

1.5.5. Pomjera"faze

U dosada(njim primjerima Z1 i Z2 su bile realneimpedanse (otpori). Ukoliko izaberemo impedanse Z1iZ2jednake po apsolutnoj vrjednosti, one $e biti jednakei ulaznom naponu, ali $e biti fazno pomjeren uzavisnosti od toga kolika je faza poja"anja.

U zavisnosti od impedanse Z1 i Z2 mo%e se ostvaritifazni pomjeraj od 0 360.

1.5.6. Integrator

Matemati"ku operaciju integriranja obavlja operacionopoja"alo u spoju datom na slici 1.29.

Slika 1.29. Sklop za integriranje

Zbog prividnog kratkog spoja na ulazu operacionog

poja"ala struja i(t) iznosi:

( ) ( )R

tuti

u= .

Izlazni napon ui(t)odre)en je relacijom:

( ) ( ) ( )dttuRC

1dtti

C

1tu

ui !! "="= .

I ovdje napon ( )tui mo%e biti bilo koja funkcija vremenat.

Izlazni napon je proporcionalan integralu ulaznog

napona pa se ovaj sklopzove sklop za integriranje ili

integrator.

U posebnom slu"aju, kada je ( ) .konstUtui == , izlazninapon $e biti:

( ) ! "=

"=

.tRC

U

UdtRC

1

tui

Pri tome izlazni napon linearno raste sa vremenom.

Ovakav sklop se zove Milerov integrator i njime segeneri(u vremenske baze u katodnoj cijevi osciloskopa.

1.5.7. Diferencijator

Operaciono poja"alo dato u spoju na slici 1.30 slu%i zaobavljanje matemati"ke operacije deriviranja.

Slika 1.30. Sklop za deriviranje

Zbog prividnog kratkog spoja struja kroz kondenzator

je:

( ) ( )dt

tduCti u

= .

Ista struja te"e i kroz otpornik R pa je izlazni napon:

( ) ( ) ( )dt

tduRCRtitu

ui

!=!= .

Izlazni napon je, kako vidimo, proporcionalan

vremenskoj derivaciji ulaznog napona, sa faktorom

proporcionalnosti jednakim vremenskoj konstanti RCkola u sklopu. Ulazni napon uu(t) mo%e biti bilo kojafunkcija vremena.

1.5.8. Naponski ponavlja"(slijedilo)

Izvjesni pretvara"i ili senzori da bi pravilno radili morajuraditi sa malim optere$enjem i moraju biti izolovani odmjernog ure)aja ili upravljanog ure)aja. Operacionipoja"ava", vezan sli"no tranzistoru sa uzemljenimkolektorom, kako je prikazano na slici 1.31, ima

naponsko poja"anje prakti"no jednako jedinici i vrloveliku ulaznu impedansu, ali zato mo%e na izlazu dativeliku struju jer mu je izlazni otpor, prakti"no jednaknuli.

Izlazni napon $e biti u fazi sa ulaznim naponom, jer jenapon doveden na neinvertuju$i ulaz.

Kako je poja"anje poja"ava"a vrlo veliko to jediferencijalni napon jednak nuli, pa po(to su izlazi ineinvertuju$i ulaz kratko spojeni, to je izlazni naponprakti"no jednak ulaznom naponu.

R

i

2

3

A 6

C

U(t) I(t)

I(t)

U(t)o

R

i

2

3

A 6

C

U(t) I(t)

I(t)

U(t)o

noA

AarctgZZ

real

imaginarno21 ==


22/65



21

Slika 1.31. Naponski ponavlja"(slijedilo)

Za jedini"no naponsko poja"anje izra)uju se specijalnioperacioni poja"ava"i, koji imaju odli"ne karakteristike ivrlo veliki ulazni otpor.

Slika 1.31 predstavlja specijalni slu"aj invertiraju$eg

spoja poja"ava"a sa slike 1.32.

Slika 1.32. Neinvertiraju$i poja"ava"sa operacionimpoja"alom (uz obja(njenje slijedila)

Ako na poja"alo sa slike 1.32 izvr(imo promjene otporai usvojimo da je R1.+ i R2=0 onda izraz za naponskopoja"anje postaje:

1010

1R

R1A

1

2=+=

!

+=+=

Odnosno mo%emo nacrtati i drugu varijantu naponskog

sljedila kao na slici 1.33.

Slika 1.33. Naponski ponavlja"(slijedilo)

O"igledno, nemamo poja"anja izlazni napon je istikao ulazni (slijedi ga). Me)utim, ovakav sklop imaprakti"no beskona"an ulazni otpor i vrlo mali izlazniotpor pa se koristi kao izvrstan transformator otpora

(impedance).

1.5.9. Logaritamsko poja"alo

Zatvaranjem negativne povratne sprege preko

tranzistora dobija se poja"ava" koji ima osobinu da jeizlazni napon proporcionalan logaritmu ulaznog napona

(slika 1.34).

Slika 1.34. Logaritamski poja"ava"

Identi"an sklop, realiziran sa diodom, kod kojeg jeizlazni napon proporcionalan logaritmu ulaznog naponadat je na slici 1.35.

Slika 1.35. Sklop za logaritmiranje

Struja kroz diodu je:

!!!

"

#

$$$

%

&'= 1eIi T

D

U

u

0D,

pri "emu je ID0inverzna struja zasi$enja.

Istovremeno za struju vrijedi:

i=uu/R.

Zbog prividnog kratkog spoja na ulazu operacionog

poja"ala jeiD uu != .

Iz prethodnih relacija slijedi:

Uo

iU

2

3

A6

1R

Varijanta I

Uo

iU

2

3

A6

2R

1R

Uo

iU

2

3

A6

Varijanta II

R

i

2

3

A 6

U(t) I(t)

I(t)

U(t)o

D


23/65



22

!!"

#$$%

&+'=

0D

uTi

RI

u1lnUu .

Ako je ispunjen uslov0Du

RIu >> , tada je:

!

!

"

#

$

$

%

&'(

0D

uTi

RI

ulnUu ,

pa je izlazni napon proporcionalan prirodnom logaritmuulaznog napona.

1.5.10. Antilogaritamsko poja"alo

Kod antilogaritamskog poja"ala osnovni element kojiomogu$ava njegov rad je element sa PN spojem.Obrnuto od logaritamskog poja"ala, u kojem je strujakroz element odre)ivala izlazni napon, ovdje ulazninapon treba da odre)uje izlaznu struju. Radi toga jepotrebno da dioda i otpornik zamijene mjesta, kao (to je

prikazano na slici 1.36.

Struja kroz diodu je odre)ena relacijom:

T

u

U

u

0D eIi = ,

pa je izlazni napon odre)en relacijom:

T

u

U

u

0Di eRIRiu == .

Slika 1.36. Sklop za antilogaritmiranje

Kao (to se vidi iz posljednjeg izraza, izlazni napon jeeksponencijalna funkcija ulaznog napona, te mo%eposlu%iti i u spoju antilogaritamskog, i u spojueksponencijalnog poja"ala.

Nedostatak ovog sklopa je zavisnost izlaznog naponaod struje zasi$enja ID0, koja je eksponencijalna funkcijatemperature.

1.5.11. Sklop za mno)enje

Me)usobno mno%enje vi(e promjenljivih veli"ina semo%e ostvariti pomo$u: logaritamskog poja"ala, sklopaza sabiranje i antilogaritamskog poja"ala, kao (to jeprikazano na slici 1.37.

Slika 1.37. Sklop za mno%enje

Pretpostavimo da je potrebno pomno%iti dvijepromjenljive x i y.

Ako ove dvije promjenljive dovedemo na ulaze dva

logaritamska poja"ala, na njihovim izlazima $emo imatiln(x) i ln(y).

Ove dvije veli"ine treba sabrati, (to se i "ini u drugomstepenu, koji "ini sabira". Na izlazu iz sabira"a imamosignal jednak sumi logaritama signala x i y, tj.

ln(x)+ln(y). Kada ovu veli"inu privedemoantilogaritamskom poja"alu, na njegovom izlazu $e se

pojaviti antilogaritam te veli"ine odnosno proizvod.yxz !=

1.5.12. Sklop za dijeljenje

Sklop koji realizuje operaciju dijeljenja mogu$e je dobitina sli"an na"in kao i za operaciju mno%enja. Jedino jelogaritmu djelitelja potrebno promijeniti znak.

To se posti%e pomo$u invertora.

R

i

2

3

A 6

U(t) I(t)

I(t)

U(t)o

dU

R2

3

A6

D

1U

R2

3

A6

D

U

2

3

6

R R

R

R

2

3

A6

o2

1U = U U

1 2

logaritmovanje sabiranje antilogaritmovanje

2

2

2

2

1D

1

1

1

1

A

ln(U ) +2

ln(U )

2ln(U )

ln(U )1


24/65



23

Prema tome, iza logaritamskog poja"ala djelitelja trebaubaciti invertor, koji $e logaritmu djelitelja promijenitiznak, kao na slici 1.38.

Tada $e se na izlazu iz sabira"a dobiti razlikalogaritama dijeljenika i djeltelja ln(x)-ln(y), tako da $e sena izlazu antilogaritamskog poja"ala dobiti .

Slika 1.38. Sklop za dijeljenje

1.5.13. Sklop za stepenovanje i korjenovanje

Slika 1.39. Skop za stepenovanja i korjenovanje

Stepenovanje neke promjenljive x cijelim brojem a,

mo%e se ostvariti tako da se kratko spoji onoliko ulazamno%a"a koliki je stepen a, pa se na taj zajedni"ki ulazdovede promjenljiva x. Na izlazu mno%a"a $e biti

z xa

= .

Me)utim, ukoliko anije cio broj, ili je manji od jedinice(korjenovanje), pomo$u ovakvog sklopa nije mogu$eizvr(iti stepenovanje. Tada se uvodi sklop dat na slici1.39.

Pomo$u logaritamskog poja"ala dobije se logaritamveli"ine x. Ovaj logaritam se pomno%i sa izlo%iocem apomo$u mno%a"a konstantom, pa se na izlazu izmno%a"a dobije veli"ina )xln(a! .

Pomo$u antilogaritamskog poja"ala kona"no se dobije

veli"ina axz = .

Ukoliko je veli"ina1

2

R

Ra = ve$a od jedinice imamo

stepenovanje, a ukoliko je manja od jedinice imamo

korjenovanje.

1.6. PRIMJERI KOLA SAOPERACIONIM POJA$AVA$IMA

1.6.1. Senzor svjetla

Slika 1.30. Senzor svjetla

Kad svjetlost ne pada na senzor, relej je zatvoren. Kadsvjetlost padne na svjetlosno zavisan otpornik, relej se

otvara. Da bi se funkcija kola promjenila, trebazamijeniti R1 i svjetlosno zavisan otpornik (LDR). Ovo

kolo se primjenjuje u mra"nim komorama, za

y/xz =

R 2

3

A6

D

1U

R2

3

A6

D

U

2

3

6

R R

R

R

2

3

A6

o2 2

logaritmovanje sabiranje antilogaritmovanje

2

2

2

2

1D

1

1

1

1

A

-1

invertor

1U = U : U

ln(U )1

2ln(U )

-ln(U )2

1 2ln(U )ln(U ) -

R2

3

A6

D

1U

2

3

6

R

R

R

2

3

A

6

o

1

1

antilogaritmovanje

22

2

1D

1

1

logaritmovanje mno!enje konstantom

kln(U )1

U = Ukkln(U ) =ln(U )1

k


25/65



24

automatsko zaklju"avanje vrata, paljenje svjetla udvori(tu itd.

1.6.2. Automatsko uklju"ivanje ventilatora

u automobilu

Slika 1.41. Uklju"ivanje ventilatora u automobilu

Kori(tenjem NTC otpornika (Negative TemperatureCoefficient) za uklju"ivanje ventilatora na jednoj iisklju"ivanje na drugoj temperaturi

1.6.2. Monitor stanja baterije od 12V

Slika 1.42. Provjera baterije od 12 V

Trimer 100 K/kontroli(e postavnu ta"ku ovog kola nagornji nivo (npr. 12.5V ili sli"no). Da se posmatra nizaknivo napona, i da se LED upali kad se baterija isprazniispod odre)enog nivoa, treba spojiti LED prekootpornika od 330/ na masu.

1.7. LABORATORIJSKE VJE!BEIZ OPERACIONIH POJA$AVA$AVje)ba I: Diferencijalno poja"alo

Na ulaze poja"ava"a sa slike 1.43 spojiti sinusoidalniizmjeni"ni napon amplitude 1 mV, frekvencije 1 kHz.

Osciloskopom snimiti, izmjeriti i nacrtati:

a)

dobivene vrijednosti napona ulaza Uul1prema

naponu na izlazu Uiz1,

b) dobivene vrijednosti napona ulaza Uul1prema

naponu na izlazu Uiz2,

c)

dobivene vrijednosti napona na izlazu Uiz1,prema izlazu Uiz2 (diferencijalni izlaz)?

Za svako mjerenje:

1.

Snimiti (emu spoja i karakteristike saosciloskopa u izvje(taj,

2. Izra"unati odgovaraju$e poja"anje u dB,

3. Napisati kratki komentar.

(Tr1=Tr2=Tr3=BC237, RC=2,2k/, RE=1,5k/, RB=10k/,Psim=1k//50% (potenciometar za simetriranje),UCC=UEE=12V)

Slika 1.43. Diferencijalno poja"alo

Vje)ba II: Invertiraju&i poja"ava"

Za invertiraju$i poja"ava"sa slike 1.44 realiziran sa #A741 izra"unati:

Slika 1.44. Invertiraju$i poja"ava"sa #A 741(R1=10k/, R2=100k/)

a) Poja"anje ako je R1=10k/, R2=100k/(U=15V, Uul=10mV, f=1kHz). Izvr(iti simulacijuEWB ili Multisim softverom i prikazati

rezultate?

b) Poja"anje ako je R1=10k/, R2=1M/(U=15V,Uul=10mV, f=1kHz). Izvr(iti simulaciju EWB iliMultisim softverom i prikazati rezultate?

c) Za poja"ava"sa R1=10k/, R2=100k/(U=15V, Uul=10mV, f=1kHz) izmjeriti napone i

izra"unati poja"anje )U

Ulog(20A

ul

iz= u dB

na slijede$im frekvencijama:f (kHz) 1 4 8 10 20 40 80 100 200

A (dB)


26/65



25

Na osnovu izmjerenih vrijednosti nacrtati frekventnu

karakteristiku poja"ava"a (x-osa frekvencija (kHz), y-osa poja"anje A (dB)). Karakteristiku nacrtati uMicrosoft Excel.

Odrediti donju i gornju grani"nu frekvenciju poja"ava"a(mjesto na frekventnoj karakteristici gdje poja"anje

po"inje padati za vi(e od 3 dB) i napisati koje su tovrijednosti.

Vje)ba III: Ispitivanje uticaja frekvencijena rad integratora

Slika 1.45. Elektronska (ema integratora

Spojiti (emu prema slici 3. na ulaz integratora priklju"itipravougaoni napon amplitude 2V, frekvencije 1kHz i

osciloskopom ustanoviti odnose ulaznog i izlaznog

napona. Prikazati dobivene vremenske dijagrame.

Mijenjaju$i frekvenciju ulaznog signala, premaprilo%enoj tabeli, ustanoviti kakve promjene se sede(avaju i napisati kratki komentar. Prikazati svedobivene vremenske oblike?

f (Hz) 100 500 1.000 2.000 10.000

Vje)ba IV: Ispitivanje uticaja kapaciteta Cna rad diferencijatora

Spojiti (emu prema slici 1.46. Na ulaz diferencijatoraprilju"iti trouglasti napon amplitude 1V, frekvencije1kHz.

Slika 1.46. Elektronska (ema diferencijatora

Mijenjati kapacitet kondenzatora prema prilo%enojtabeli:

C 1 pF 100 pF 0,33 nF 33 nF

Prikazati dobivene vremenske oblike sa osciloskopa za

svaku vrijednost C.

Kako promjena C uti"e na rad diferencijatora? Napisatikratki komentar.


27/65

Stati"ka karakteristika tiristora

2

poglavlje


28/65


29/65

TIRISTORI


28

Na karakteristici zapa%amo tri podru"ja rada:

- u I. kvadrantu podru"je vo)enja i podru"jeblokiranja,

- u III. kvadrantu podru"je zapiranja.

Podru"je blokiranja: Na anodu je priklju"en pozitivni,

a na katodu negativni pol izvora napona (anoda jepozitivnija od katode), a napon je manji od napona na-

pon prekretanja UPR: 0


30/65

TIRISTORI


29

Kad je potencijal anode manji od potencijala katode,

tiristor ne vodi struju. Kad je potencijal anode ve$i odpotencijala katode, tiristor dr%i blokirni napon manjim odnapona prekretanja ukoliko na upravlja"koj elektrodinije priklju"en pozitivni impuls. Dovo)enjem pozitivnogimpulsa na upravlja"ku elektrodu, tiristor provede struju,nakon "ega je na njemu mali pad napona (tipi"no 1-

3V). Kad tiristor provede struju, nije potreban impuls naupravlja"koj elektrodi. Tiristor prestaje voditi prirodnimprolaskom struje kroz nulu.

Slika 2.5 prikazuje strujno-naponsku karakteristiku

jednosmjemog triodnog tiristora.

Kao i diodni tiristor, triodni tiristor se mo%e nalaziti u:- stanju blokiranja,

- stanju vo)enja i- stanju zapiranja.

-

Podru"je blokiranja: Triodni tiristor nalazi se upodru"ju blokiranja ako je izme)u anode i katode

priklju"en pozitivni napon manji od napona prekretanja:0


31/65

TIRISTORI


3

Slika 2.7. Regulacija struje jednosmjernm tiristorom

Slika 2.8. Vremenski dijagrami naponaa) na izvoru, b) na potro(a"u, c) na tiristoru

Kad jednosmjerni triodni tiristor ne vodi struju, na njemu

je napon izvora, a na potro(a"u je napon nula. Kadnapon na kondenzatoru postigne vrijednost napona

prekretanja jednosmjemog diodnog tiristora, on provedestruju, a na upravlja"ku elektrodu triodnog tiristora do)estrujni impuls. Jednosmjerni tiristor provede struju i na

njemu je mali pad napona (1-3V), a potro(a" dobivanapon izvora.

Ugao upravljanja triodnog tiristora pode(ava sepromjenjivim otpornikom, a mo%e biti izme)u 0 i 180.

Prolaskom sinusnog napona kroz nulu triodni tiristor

prestaje voditi struju, napon na potro(a"u je ponovnonula, a napon izvora vlada na tiristoru. Ugao vo)enjatiristora mo%e biti od 0 do 180.

'to je ve$i ugao vo)enja triodnog tiristora, to je ve$asnaga predana potro(a"u. Upravlja"ki impulsi za

okidanje triodnog tiristora mogu se dobiti iz posebnih

sklopova "iji se rad mora sinhronizirati s izmjeni"nimnaponom.

2.4 DIJAK - DVOSMJERNI DIODNITIRISTOR

Naziv dijak dolazi od engleskog naziva DIAC (diode foralternating current). Simbol i strukturu dijaka prikazuje

slika 2.9. Dijak je petoslojna NPNPN struktura s dvije

elektrode koje se nazivaju anoda A1i A2.

Slika 2.9. Struktura i simbol dijaka

Razlikuje se od jednosmjernog diodnog tiristora po

tome (to vodi struju u oba smjera. Dijak je simetri"nakomponenta, pa naponi prekretanja u oba smjera imaju

jednaku vrijednost, a suprotni polaritet.


dijaka. Karakteristika je u prvom kvadrantu identi"nakarakteristici jednosmjernog diodnog tiristora, a utre$em kvadrantu je istog oblika, ali za negativnevrijednosti napona i struje.

Slika 2.10. Strujno-naponska karakteristika dijaka

Prvi kvadrant je podru"je u kojem je elektroda A1pozitivnija od elektrode A2. Obrnuto vrijedi za tre$ikvadrant; elektroda A2je pozitivnija od elektrode A1.

Dvosmjerni diodni tiristor koristi se za okidanje tiristora i

trijaka.


32/65

TIRISTORI


31

2.5. TRIAC - DVOSMJERNI TRIODNITIRISTOR

Dvosmjerni triodni tiristor je poluvodi"ka komponenta stri elektrode koja mo%e voditi struju u oba smjera.

Za dvosmjerni triodni tiristor koristi se naziv trijak (engl.

TRlAC - triode for alternating current).

Dvosmjerni triodni tiristor ima dvije elektrode koje se

nazivaju anoda A1 i A2, te tre$u upravlja"ku elektroduG. Slika 2.11 prikazuje simbol i strukturu trijaka.

Slika 2.11. Struktura i simbol Triac

Struktura trijaka zasniva se na PNPN tiristorskoj

strukturi, ali je podru"je oko upravlja"ke elektrode ne(toslo%enije.

Dovo)enjem upravlja"kog impulsa na upravlja"kuelektrodu trijak mo%e provesti struju i za jedan i za drugipolaritet napona. Struja upravlja"ke priklju"nice mo%ebiti pozitivna ili negativna. Kad jednom provede struju,

impuls na upravlja"koj elektrodi nije vi(e potreban.Tiristor prestaje voditi struju smanjenjem struje ispod

minimalne struje dr%anja ili prolaskom napona kroznulu.


trijaka.

Slika 2.12. Strujno-naponska karakteristika Triac

Karakteristika je u prvom kvadrantu identi"nakarakteristici jednosmjernog triodnog tiristora, a u

tre$em kvadrantu je istog oblika, ali za negativne

vrijednosti napona i struje. Prvi kvadrant je podru"je ukojem je elektroda A2 pozitivnija od elektrode A1

Obrnuto vrijedi za tre$i kvadrant, elektroda A1 jepozitivnija od elektrode A2.

Trijak se koristi za regulaciju snage u izmjeni"nimstrujnim krugovima, npr. za upravljanje strujom grija"a,

%arulja, motora, itd.

2.5.1. Regulacija struje trijakom

Slika 2.13 prikazuje strujni krug s regulacijom snage

pomo$u trijaka, a slika 2.14 dijagrame napona napotro(a"u, tiristoru i struju upravlja"ke elektrode.

Slika 2.13. Strujni krug sa regulacijom pomo$u trijaka

Slika 2.14. Vremenski dijagrami napona

a) na izvoru, b) na potro(a"u, c) na trijaku

Dvosmjerni tiristor (dijak) se napaja iz izvora

izmjeni"nog napona. Radom trijaka upravlja se strujnimimpulsom na upravlja"koj elektrodi preko dijaka.Potro(a"je spojeno u anodnom krugu tiristora.

Kad trijak ne vodi struju, na njemu je napon izvora, a napotro(a"uje napon nula.

Kad za vrijeme pozitivnog poluvala napon izvora, tj.napon na kondenzatoru postigne vrijednost napona

prekretanja dijaka, on provede struju i na upravlja"ku


33/65

TIRISTORI


32

elektrodu trijaka do)e strujni impuls. Trijak provedestruju i na njemu je mali pad napona (1-3V), a potro(a"dobiva napon izvora. Prolaskom sinusnog napona kroz

nulu trijak prestaje voditi struju.

Za vrijeme negativnog poluvala napona izvora, trijak

ponovno provede kad napon na kondenzatoru dostigne

vrijednost napona prekretanja dijaka.

Ugao vo)enja trijaka mo%e biti od 0 do 180 u svakompoluvalu sinusnog napona. 'to je ve$i ugao vo)enjatiristora, to je ve$a snaga predana potro(a"u.

U usporedbi s jednosmjernim triodnim tiristorom, s

trijakom se mo%e dobiti dvostruko ve$a snaga.

Trijak se koristi za manje snage.

2.6. UKLJU$ENJE I ISKLJU$ENJETIRISTORA

2.6.1. Sklopovi za uklju"enje tiristora

Za praksu su najprihvatljiviji sklopovi koji proizvode

impulse za uklju"enje tiristora, jer se impulsnimupravljanjem to"no odre)uje trenutak uklju"enja.

Ovisno o vrsti aktivnih elemenata koji se upotrebljavajuu sklop ovima, razlikujemo tranzistorske, tiristorske,

optoelektroni"ke i druge uobli"iva"e strujnih impulsa.

Slika 2.15. Sklop za uklju"enje tiristorasa galvanski odvojenim ulazom

Slika 2.16. Sklop za uklju"enje tiristorasa Zener diodom koja odre)uje prag uklju"enja

Na slici 2.15 i 2.16 prikazani su tranzistorski sklopovi zaoblikovanje impulsa.

Takvi se sklopovi obi"no upotrebljavaju za dobivanjeimpulsnih struja do 5A trajanje koje nije kra$e od100#s. Njihova je prednost u visokoj pouzdanosti i uvelikoj brzini rada tranzistora.

2.6.2. Isklju"enje tiristora

Prekidanje struje koja te"e kroz propusno polariziranitiristor mo%e se ostvariti na razli"ite na"ine. Kada jeNPNP-struktura u propusnome stanju, sva su tri PN-

prelaza polarizirana propusno. Stoga obje baze, a u

nekim slu"ajevima jedno ili oba emiterska podru"ja,sadr%e vi(ak sporednih i glavnih nositelja naboja, kojiraste pove$anjem propusne struje. Da bi tiristor biopreveden u nepropusno stanje, nagomilani vi(aknaboja, odre)en razlikom izme)u pokretnoga naboja uelementu polariziranom propusno i naboja prisutnoga u

elementu polariziranom nepropusno, nu%no ga jeeliminirati elektri"nim poljem ili rekombinacijom.

Kada se tiristor napaja iz izvora istosmjernoga napona,njegovo isklju"enje nije toliko jednostavno kao u slu"ajunapajanja izmjeni"nim naponom. Naime, uizmjeni"nome strujnom krugu napon u svakojpoluperiodi prolazi kroz nulu, pa se isklju"enje postizeuklanjanjem impulsa s upravlja"ke elektrode, odnosnoblokiranjem upravlja"kog sistema. U istosmjernomestrujnom krugu isklju"enje se mo%e ostvariti samouvo)enjem odgovaraju$ega protunapona kojim seistosmjerna struja svodi na nulu.

Osim dovo)enja struje na nulu, tiristoru je potrebnoosigurati dovoljno vremena za njegov oporavak.

2.6.3. Sklopovi za isklju"enje

U prakti"noj primjeni tiristora postoji nekoliko razli"itihna"ina prisilne komutacije:

- pomo$u oscilacijskoga kruga,- pomo$u prethodno nabijenoga kondenzatora i- pomo$u vanjskoga izvora.

Ipak, naj"e($e se susre$u sklopovi za isklju"enjetiristora s prethodno nabijenim kondenzatorom koji se

uklju"uje pomo$nim tiristorom.

Na slici 2.17 prikazan je sklop za isklju"enje spomo$nim tiristorom.

Slika 2.17. Sklop za isklju"enje glavnog tiristora Th1sa

pomo$nim tiristorom Th2U po"etnome trenutku tiristori Th1 i Th2nisu uklju"eni ikondenzator C je prazan. Za po"etak rada pretvara"a


34/65

TIRISTORI


33

nu%no je da upravlja"ki sistem da pozitivan upravlja"kiimpuls na upravlja"ku elektrodu pomo$nog tiristora Th2.

Kada se tiristor Th2 uklju"i, kormutacijski sekondenzator C po"inje nabijati iz izvora istosmjernoganapona E. Na kraju procesa nabijanja kondenzator

dosegne napon UE, pribli%no jednak naponu izvora E s

polaritetom ozna"enim u zagradama. Nakon nabijanjakondenzatora sklop je pripremljen za rad.

U trenutku kada na upravlja"ku elektrodu tiristora Th1dovedemo upravlja"ki impuls, tiristor provede.Opteretna struja postupno raste. Istodobno nastaje

proces rezonantnoga oscilovanja i ponovnog nabijanja

komutacijskog kondenzatora preko induktiviteta L idiode D. Taj proces traje u toku polovice periode

vlastitih oscilacija kruga i blokira se diodom D

Da bi tiristor uklju"en u istosmjerni srujni krug bioisklju"en, struja koja kroz njega te"e mora postatimanja od struje dr%anja, To se posti%e energijom

izbijanja kondenzatora, jer nabijeni je kondenzator izvornapropusnog napona zanemarivo maloga unutra(njegotpora pa kroz njega mo%e protjecati dovoljno velikainverzna struja. Stoga, kada na upravlja"ku elektrodutiristora Th2primijenimo upravlja"ki impuls, on provede injegova struja prakti"no trenutno postane jednakaopteretnoj struji, dok struja (to prolazi kroz tiristor Th1postane jednaka nuli. Istodobno kao rezultat zapo"etaprocesa izbijanja komutacijskog kondenzatora C, na

tiristoru Th1 vlada zaporni napon koji ubrzava

uspostavljanje blokirnih svojstava tiristora,

2.7. PRIMJENA TIRISTORA

Tiristori se kao sklopni beskontaktni elementi (irokoprimjenjuju. Jedna takva primjena prikazana je na slici

2.18.

Slika 2.18. Regulacija srednje vrijednosti ispravljene struje

tiristorom

Prema slici 2.18 tiristor se napaja iz izvora

izmjeni"noga napona (npr. elektri"ne mre%e).Radom tiristora upravlja se iz generatora upravlja"kihimpulsa. Ovisno o uglu upravljanja a, na potro(a"u

ROPT pojavljivat $e se razli"ite srednje vrijednostiistosmjernoga napona, odnosno istosmjerne struje.

Ve$em uglu 0odgovara manja, a manjem uglu 0ve$asrednja vrijednost izlazne veli"ine na optere$enju ROPT.

2.7.1. Sklop za uklju"enje tiristora s UJT

Sklop s jednoprelaznim tranzistorom (UJT) zauklju"enje tiristora prikazan je na slici 2.19.

Slika 2.19. Uklju"ivanja tiristora jednospojnim tranzistorom

Pri niskim emiterskim naponima kroz jednoprelazni

tranzistor te"e samo slaba napropusna struja. Ako jeemiterski napon dovoljno visok, prelaz E-B1 postaje

polariziran propusno, odnosno njegov se otpor smanji.Emiterska struja ograni"ena je samo otporom RB1.

Napon napajanja sklopa odr%ava se na stalnojvrijednosti s pomo$u Zenerove diode ZD. Kapacitet CTnabija se preko promjenjivog otpora RT. Kada napon UC

na kondenzatoru dostigne vrijednost napona

prebacivanja UBO jednoprelaznog tranzistora, koji jeodre)en naponom napajanja U i otporima RB1 i RB2,prelaz E-B1polariziran je propusno, pa se kapacitet CT

izbija preko upravlja"kog kruga E-B1i otpora RB1. OtporRB1 reda nekoliko desetaka *, prenosi impuls zauklju"enje iz kruga jednoprelaznog tranzistora uupravlja"ki krug tiristora.

Preko otpora RS i diode D postavlja se struja dr%anjatiristora, (to rezultira neosjetljivo($u sklopa naoptere$enje.

2.8. LABORATORIJSKE VJE!BE IZ

TIRISTORAPlanirane su slijede$e laboratorijske vje%be, za koje $epripreme biti distribuirane u vrijeme izvo)enja vje%bi:

1. Snimanje karakteristika tiristora,

2. Fazna regulacija sa dijakom i trijakom,3.

Ispravlja"sa tiristorom,4.

Okidanje tiristora sa UJT tranzistorom.


35/65

Okidanje tiristora UJT tranzistorom

3

poglavlje


36/65

JEDNOSPOJNI TRANZISTOR


35

3. JEDNOSPOJNI TRANZISTOR

Jednospojni tranzistor (UJT) sastoji se od N-tipa

poluvodi"a, koji "ini bazu tranzistora i na krajevima imadva priklju"ka (B1 i B2), te od P-tipa poluvodi"a nakojem je priklju"ak emitera E.

Slika 3.1 prikazuje konstrukciju i simbol tranzistora. UJT

se naziva i dvobazna dioda jer je po konstrukciji todioda s dva priklju"ka na bazi.

Slika 3.1. Struktura i simbol jednospojnog tranzistora

Baza je napravljena od visokoomskog materijala te je

zato otpor izme)u priklju"aka B1i B2relativno velik.

Slika 3.2. Polarizacija jednospojnog tranzistora

Slika 3.2 prikazuje polarizaciju jednospojnog

tranzistora. Tranzistor je prikazan ekvivalentnom

(emom, gdje je emiterski spoj predstavljen diodom, aotpor od katode diode do prve baze promjenjivim

otporom RB1 i od katode diode do druge baze stalnimotporom RB2. Izme)u baza je priklju"en napon UBB, a uemiterskom krugu UEE.

Jednospojni tranzistor radi na na"elu mijenjanja otporazbog gomilanja nosilaca naboja pri protjecanju struje

kroz PN-spoj. Pri protjecanju struje izme)u emitera E ibaze B1nagomilavaju se (upljine u bazi. U istom brojunagomilavaju se i elektroni kako bi se odr%alaravnote%a naboja. Izme)u emitera i prve baze B1smanjuje se otpor RB1s pove$anjem struje emitera lE.

Princip rada jednospojnog tranzistora mo%emo najbolje

opisati pomo$u strujno-naponske karakteristike (slika3.3), i to za: UBB=0 i UBB>0.

Slika 3.3. Ulazna karakteristika UJT tranzistora

- Uz napon UBB=0, struja IB2 = O. Ulazna

karakteristika je karakteristika emiterske dio de

koja se razlikuje od obi"ne diode po tome (toima ve$i otpor.

-Kada je na UJT priklju"en napon UBB>0, primalom emiterskom naponu UE, emiterska

dioda je napropusno polarizirana i kroz nju

te"e samo mala inverzna struja IE0od pribli%no10#A. Tada tranzistor predstavlja otpor redavrijednosti desetak k*. Na dijelu otpora RB1postoji pad napona UR1koji stvara struja IB2, te

tranzistor ne vodi sve dok je UE


37/65

JEDNOSPOJNI TRANZISTOR


36

Napon napajanja obi"no ima vrijednost do 35V, a strujaemitera tipi"no 50A.

Jednospojni tranzistor koristi se za generiranje impulsa

i za pobudu tiristora.

U sklopu prema slici 3.4 (pogledaj sliku 2.19)

jednospojni tranzistor slu%i za dobivanje kratkotrajnogimpulsa koji se dovodi na upravlja"ku elektrodu tiristorakao okidni impuls. Promjenjivim otpornikom RPregulira

se ugao upravljanja tiristora u odnosu na sinusni

punovalni ispravljeni napon.

UJT provede kad je napon na kondenzatoru ve$i odnjegovog napona prekretanja, (to daje impuls na baziB1odnosno na upravlja"koj elektrodi tiristora.

Prolaskom ispravljenog napona kroz nulu tiristorprestaje voditi struju, a ponovno provede dolaskomnovog impulsa.

Slika 3.4. Okidanje tiristora jednospojnim tranzistorom


38/65

Uputstvo za kori(tenje za u"enike i nastavnike

4

poglavlje


39/65


40/65

51

MULTISIM 12.0 - Uputstvo za kori#tenje

Slika 4.1. Po"etni prozor NI Multisim 12.0

Nakon (to smo pokrenuli Multisim otvori$e seautomatski i radna povr(ina za modeliranje novogstrujnog kruga ili prazna datoteka sa ponu)enimimenom "Design 1".

Uputno je da se prije narednih aktivnosti u"ineodgovaraju$a pode(avanja. Prvo se odnosi na

promjenu standarda simbola putem padaju$eg menijaOptinons/Global preferences/Components/DIN, adrugo se mo%e izvr(iti odmah ili kasnije a odnosi se naveli"inu radne povr(ine. Ako znamo da $e (ema bitivelika pove$ajte povr(inu odmah koriste$i padaju$imeni Options/Sheet Properties/Workspace/ Sheet

size gdje je po%eljno izabrati neki od standardnihformata (npr. A4) ili neke druge dimenzije radne

povr(ine po volji.

Slika 4.2. Glavni prozor radna povr(ina NI Multisim 12.0

4.1. Kreiranje nove/

otvaranje postoje&ih datoteka(new design/open)

Ako %elimo (emu snimiti pod drugim imenom (razli"itimod ponu)enog), jednostavno kliknemo na File/Save Assa trake alata i upi(emo ime po izboru. Ako %elimootvoriti postoje$u datoteku kliknemo na File/Open satrake alata i izaberemo datoteku koju %elimo otvoriti.

Zapo"nimo izborom i stavljanjem dijelova na radnupovr(inu Multisim prozora od kojih $e biti sastavljena(ema strujong kruga za simuliranje jednostavnogdjelimolja napona.

4.2. Izbor i postavljanje komponenti

Sa trake alata izaberemo Place/Component, pojavi$ese prozor kao na slici 4.3.

Ovdje $emo prona$i sve komponente potrebne zasastavljanje strujnog kruga djelimolja napona kojeg

sastavljamo. U na(em slu"aju tra%imo: otpornike(Resistors), izvor istosmjerne struje (VDC) i

komponentu uzemljenja (ground). Uzemljenje je

neophodno velikom broju sklopova. Ako ga izostavimo,

bi$e prijavljena poruka o gre(ki.

U prozoru Group izaberemo Basic. Sada sa mi(em ilitipkama sa strijelicama izaberemo Resistor. U

srednjem dijelu prozora Component: vidimo listu

otpornika standardiziranih vrijednosti i tolerancija.


41/65

52


Slika 4.3. Izbor otpornika od 1k*, 5%

Radi jednostavnosti izaberimo otpornik 1k*, 5% ikliknemo na OK. Slobodno mo%emo vu$i komponentu(za cijelo vrijeme dok vu"emo komponentu bi$e vidljivinjeni obrisi), bez pritiskanja tipki na mi(u, do mjesta naradnoj povr(ini koje sami odredimo. Klikom na lijevutipku postavljamo komponentu na radnu povr(inuMultisim prozora, a klikom na desnu tipku poni(tavamoizbor i postavku.

U Multisim-u imamo i opciju br%eg postavljanjakomponenti. Potrebno je samo kliknuti mi(em na alatnojtraci na opciju Place Basickao na slici 4.4. Odmah sepojavi prozor sa slike 4.3.

Slika 4.4. Komotniji izbor komponenti

Vratimo se na(em strujnom krugu i postavimo jo(jedanotpornik 1k*, 5%. Sada $emo prona$i i postavitikomponente izvor istosmjerne struje (VDC) i uzemljenje

(ground).

Ponovo, na traci sa alatima izaberimoPlace/Component. U prozoru Group: izaberimoSources (izvori). U prozoru Family: izaberimoPower_Source. U prozoru Component: izaberimo

DC_Power. Postavimo ga na radnu povr(inu Multisim

prozora pa onda izaberimo komponentu Ground. Istomo%emo uraditi kori(tenjem direktnim izborom kao naslici 4.4.

4.3. Manipuliranje komponentom

Postavimo komponentu (otpornik) na radnu povr(inuMultisim prozora kao na slici 4.5. Desnim klikom mi(aotvara nam se prozor koji omogu$ava razli"ite operacijenad selektovanim otpornikom.

Slika 4.5. Operacije nad selektovanom komponentom

Pomicanje komponente: Kliknimo na komponentu da

biste je izabrali. Dr%imo i povucimo komponentu nanovo mjesto.

Okretanje komponente: Da biste komponentu

okrenuli 90 u smjeru kretanja kazaljke na satu

izaberimo 90 Clockwise ili to uradimo istovremenim

pritiskanjem na tipke [Ctrl+R], a za okretanje

komponente za 90 u smjeru suprotnom kretanju

kazaljke na satu izaberimo 90 CounterCW ili to

uradimo istovremenim pritiskanjem na tipke[Ctrl+Shift+R].


42/65

53


Prevrtanje komponente: Za prevrtanje komponente

horizontalno (oko njene vertikalne ose) izaberimo Flip

Horizontal [Alt+x]. Za prevrtanje komponente

vertikalno (oko njene horizontalne ose) izaberimo Flip

Vertical [Alt+y].

Brisanje komponente: Izaberimo Delete[Delete].

4.4. O)i"enje

Sa trake alata izaberimo Place/Wire. Promijeni se

oznaka kursora (to nam govori da mo%emo po"eti savezivanjem koponenti (o%i"enje) u funkcionalnuelektronsku (emu. Postavljanje %ice obavljamo tako (to$emo odrediti njeno po"etno mjesto postavljanjemkursora na to mjesto te klikom na lijevu tipku fiksiramo

po"etak a zatim slobodno povla"imo kursor do mjestagdje %ica treba da zavr(i i kliknete dvostruko na lijevutipku mi(a.

Ako u toku postavljanja %ice imamo potrebu istu lomiti,na mjestu prijeloma kliknimo jednom na tipku mi(a, azatim nastavimo ranije pomenutim postupkom. Ako se

komponente me)usobno povezuju %icom, jednostavno,pri postavljanju kursora na odgovaraju$i priklju"ak i pripojavi ta"ke, kliknimo lijevom tipkom mi(a a zatimslobodno vucimo kursor do %eljenog mjesta. Pri pojavita"ke na priklju"ku komponente ili neke ranijepostavljene %ice fiksirajte kraj %ice. Ako %ica treba imatislobodan kraj tada dvostruko kliknimo na lijevu tipku

mi(a.

4.4.1. Primjer - Djelitelj napona

Napravimo elektronsku (emu dijelitelja istosmjernognapona sa dva otpornika kao na slici 4.6.

Slika 4.6. Djelitelj napona

Ponovo napominjemo da obavezna komponenta na

svakoj (emi mora biti masa, ina"e simulacija nijeispravna ili pokazuje gre(ku (The circuit is notgrounded.) kao na slici 4.7.

Slika 4.7. Upozorenje da nismo spojili masu (uzemljenje)

Kao i drugi sli"ni softveri za simulaciju, Multisim mo%eprikazati rezultantne vrijednosti napona i struje nakon

obavljanja simulacije.

Kao i drugi sli"ni softveri za simulaciju, Multisim mo%eprikazati rezultantne vrijednosti napona i struje nakon

obavljanja simulacije.

Prvo, spasimo na(strujni krug izborom File/Save As iupisivanjem imena po na(em izboru (npr. Djeliteljnapona).

Sad pokrenimo simulaciju izborom Simulate/Run ilipritiskom na tipku [F5]. Simulaciju mo%emo pokrenuti iklikanjem na ikonu sa trake alata. Iz

Simulate/Instruments izaberimo Multimeter (slika

4.8). Postavimo ga u (emu i to na mjesto koje %elimoanalizirati. Multimetrom mo%emo mjeriti struju, napon,otpor i dB (decibele).

Slika 4.8. Multimetar pode(en za mjerenje istosmjerne struje

Na izabranom multimetru sa slike 8, klikom na tipku Set

dopu(teno vam je mijenjanje osnovnih parametarainstrumenta (to vam ne preporu"ujemo ako nematespecijalisti"ka znanja za takvu vrstu pode(avanja.

Mjerenje struje

Struja kroz otpornike od 1k*+1k* prema Omovomzakonu ra"una se kao:

I=U(V)

R(!)=

12

2000=6(mA)

a mjerenjem u Multisim-u dobivamo vrijednost od

6,001mA kao na slici 4.9. Primjetimo da je ispravno

vezivanje ampermetra u seriju sa ostalim elementima ukolu.

R1

1.0k!

R2

1.0k!

V1

12 V


43/65

54


Slika 4.9.. Mjerenje struje u strujnom kolu

Razlika u ra"unanju i mjerenju je 1 (1 promil), tj.Instrument mjeri sa ta"no($u od 10-6(to se ne mo%emoposti$i sa stvarnim instrumentima.

Mjerenje napona

Napon na jednom od otpornika mo%emo izmjerititako)er multimetrom samo ga setujemo za mjerenjenapona i postavimo u paralelu sa otpornikom "iji napon%elimo mjeriti kao na slici 4.10.

Slika 4.10. Mjerenje napona u strujnom kolu

Mjerenje mo%emo obaviti i upotrebom mjerne sonde(Measurement probe) ako izaberemo simulate/

instruments/measurement probe. Sonde mo%emopostaviti prije pokretanja simulacije na mjesta koja

%elimo analizirati ili prvo pokrenimo simulaciju a zatimkliknimo na ikonu mjerne sonde i povucimo istu do bilo

kojeg mjesta u strujnom krugu koje %elimo analizirati.

Ovaj drugi na"in je vjerna kopija mjerenja na stvarnimure)ajima pri $emu mjernu sondu premje(tamo odta"ke do ta"ke i pri tome o"itavamo odgovaraju$eelektri"ne veli"ine.

Slika 4.11. Mjerenje pomo$u mjernih sondi (probe)

Na slici 4.11 prikazane su sonde koje su postavljeneprije pokretanja simulacije. O"igledna je njihovauniverzalnost u mjerenje istosmjernih/izmjeni"nih strujai napona.

4.4.2. Primjer - Stabilizirani ispravlja"

Radi vje%be realizirajmo sada jednu kompleksnijuelektronsku (emu u Multisim-u.

Postupak je identi"an ve$opisanom. Jedini problem bimogao biti malo ve$i broj komponenti koje trebaprenijeti na radnu povr(inu.

Mo%da nam se "ini nemogu$om misijom na$i svekomponenete potrebne za realizaciju ovog sklopa, aliuvijek mo%emo koristiti mogu$nost izbora komponentipreko njenog katalo(kog naziva (npr. LM317K). Naprozoru Select a Component (slika 4.3) izaberemo

Group:All Families a napi(emo u Component:LM317K i Multisim $e odmah prona$i tu komponentu usvom katalogu.

Opet konstatiramo da su podaci dobiveni mjerenjem na

(emi realiziranoj u Multisim-u i mjerenja na raliziranompunja"u pududarna. Potenciometrom R3 mogu sesimulirani razli"iti nivoi optere$enja od kratkog spoja doskoro praznog hoda.

R1

1.0k!

R2

1.0k!

V1

12 V

XMM1

R1

1.0k!

R2

1.0k!

V1

12 V

XMM1

R1

1.0k!

R2

1.0k!

V1

12 V

Probe1

V: 12.0 V

V(p-p): 0 V

V(rms): 0 V

V(dc): 12.0 V

I: 6.00 mA

I(p-p): 0 A

I( rms): 0 A

I(dc): 6.00 mA

Freq.:

Probe2

V: 6.00 V

V(p-p): 0 V

V(rms): 0 V

V(dc): 6.00 V

I : 6.00 mA

I(p-p): 0 A

I (rms): 0 A

I(dc): 6.00 mA

Freq.:


44/65

55


Slika 4.12. Elektronska (ema stabiliziranog ispravlja"a sa LM 317

4.5. Virtualni instrumenti

U nastavku $u govoriti o mjernim instrumentima kojeposjeduje Multisim 12.0. Naravno, radi se o virtualnim

instrumentima. Neke od njih (multimetar) ve$ smopominjali i koristili.

Obzirom da ovaj softver pru%a mogu$nosti kori(tenjavelikog broja instrumenata i mjerenja koja se sa njima

vr(e, u ovom uputstvu pa%nju $emo usredoto"iti nanamjenu i opis rada nekih od njih kao i na"in upotrebe ukonkretnim slu"ajevima.

Instrumenti o kojima $emo govoriti, multimetar,ampermetar i voltmetar, koriste se za mjerenje

elektri"nih karakteristika i veli"ina strujnih kola koja sesastavljaju i "iji se rad simulira u Multisim-u.

Ovi instrumenti se postavljaju, koriste i o"itavaju upravokao ekvivalenti stvarnih instrumenata. Izgledaju kao

instrumenti koji se vi)aju i koristimo u laboratorijama.

Kori(tenje virtualnih instrumenata je najlak(i put zaispitivanje karakteristika strujnog kola i prikaz rezultata

simulacije.

Uz standardne instrumente koji dolaze uz Multisim,

mogu$e je kreirati instrumente kori(tenjem LabVIEW-a(Laboratory Virtual Instrumentation Engineering

Workbench). Ovo je programska platforma za razvoj

koristi vizualni programski jezik. Nastala je u firmi u

kojoj je nastao i Multisim (National Instruments).

LabVIEW se koristi i za prikupljanje i analizu podataka,kontrolu instrumenata, i industrijsku automatizaciju na

razli"itim platformama uklju"uju$i i MS Windows.

Virtualni instrument ima dva izgleda (slika 4.13):

- Ikonu instrumenta koja se spaja u elektri"no kolo,- Lice instrumenta preko koga su dostupne kontrolni

i upravlja"ki dijelovi instrumenta.

Lice instrumenta se poka%e ili sakrije dvostrukim klikomna ikonu instrumenta, a mogu$e ga je postaviti bilo gdjena radnu povr(inu. Dvostrukim klikom na ikonuinstrumenta sakrije se ranije prikazano lice. Prilikom

povratka, lice se postavlja na svoje ranije mjesto.

Pri snimanju realiziranog elektronskog kola, snimaju se

i pozicije lica kao i njihov status skriven/prikazan. Osim

pozicije, snima se i postavke kao i zate"enapokazivanja instrumenata.

Ikona instrumenta pokazuje kako je instrument spojen u

strujno kolo. Kada se instrument spoji pojavi se crna

ta"ka unutar indikatora priklju"enosti ulaza/izlaza kojaje vidljiva na licu instrumenta (slika 4.13).

Slika 4.13. Lice virtualnog multimetra

4.5.1. Dodavanje instrumenta u strujno kolo

1. Traka sa instrumentima je unaprijed postavljena

uz desnu stranu radne povr(ine. Ako se traka sainstrumentima ne vidi na radnoj povr(ini, klikanjems

Documents

Diferencijalno pojacalo - elektronika 3