Elektron III

Javna ustanova Mješovita srednja elektrotehni ka škola Tuzla

Jasmina Omerdi , Sejfudin Agi

ELEKTRONIKA III

za stru na zvanja TEHNI AR RA UNARSTVA,

ELEKTRONIKE I MEHATRONIKE

-skripta-

Tuzla, septembar/rujan 2010.

SADRŽAJ UVOD 2. 1. OPERACIONI POJA AVA I 4. 1.1. IDEALNI OPERACIONI POJA AVA 5. 1.2. KONSTRUKCIJA OPERACIONOG POJA AVA A 6. 1.2.1. Strujno ogledalo 7. 1.2.2. Diferencijalni poja ava 8. 1.3. OPERACIONO POJA ALO µA 741 9. 1.4. OSNOVNI SKLOPOVI SA OPAMP 11. 1.4.1. Invertuju i poja ava 11. 1.4.2. Neinvertuju i poja ava 11. 1.4.3. (Diferencijalni) poja ava sa simetri nim ulazom 12. 1.5. ANALOGNE OPERACIJE SA OPERACIONIM POJA AVA EM 12. 1.5.1. Invertor 13. 1.5.2. Množa sa realnom konstanom 13. 1.5.3. Sabira 13. 1.5.4. Pomjera faze 14. 1.5.5. Integrator 14. 1.5.6. Diferencijator 15. 1.5.7. Naponski ponavlja (slijedilo) 15. 1.5.8. Logaritamsko poja alo 15. 1.5.9. Antilogaritamsko poja alo 16. 1.5.10. Sklop za množenje 16. 1.5.11. Sklop za dijeljenje 16. 1.5.12. Sklop za stepenovanje i korjenovanje 17. 1.6. PRIMJERI KOLA SA OPERACIONIM POJA AVA IMA 17. 1.6.1. Senzor svjetla 17. 1.6.2. Automatsko uklju ivanje ventilatora u automobile 18. 1.6.3.Monitor stanja baterije od 12V 18. 1.7. LABORATORIJSKE VJEŽBE IZ OPERACIONIH POJA AVA A 18.

Vježba I: Diferencijalno poja alo 18. Vježba II: Invertiraju i poja ava 18. Vježba III: Ispitati uticaj frekvencije na rad integratora? 19. Vježba IV: Ispitati uticaj kapaciteta kondenzatora na rad diferencijatora? 19. 2. POLUPROVODNI KI SVJETLOSNI DETEKTORI 21. 2.1. FOTOOTPORNIK 21. 2.2. FOTODIODA 23. 2.2.1. Fotodioda kao fotogenerator 23. 2.2.2. Fotodioda kao detektor svjetlosti 23. 2.3. FOTOTRANZISTOR 25. 2.4. FOTOTIRISTOR 27. 2.5. SUN ANE ELIJE 28. Pregled karakteristika fotodetektora 30. 3. POLUPROVODNI KI SVJETLOSNI IZVORI 32. 3.1. SVJETLE E – LED DIODE 32. 3.1.1. 7-segmentni displej 33. 3.1.2. Stup ani diplej 34. 3.2. LASERSKA DIODA 35. 3.3. OPTOKAPLERI 37. Osnovne izvedbe optokaplera 39. Posebne izvedbe optokaplera 40. 3.4. LABORATORIJSKE VJEŽBE IZ OPTOELEKTRONIKE 40. Vježba I: Osnovne osobine fotoodiode 40. Vježba II: Uklju ivanje tranzistorske sklopke pomo u fotodiode 40. Vježba III: Fototranzistor kao sklopka 41. Vježba IV: LED diode 41. Vježba V: Osobine LED diode 41. Vježba VI: Indikacija stanja tranzistorske sklopke svjetle om diodom 41. Vježba VII: Optokapleri 41. 4. POVRATNA SPREGA KOD POJA AVA A 44. 4.1. PRINCIP POVRATNE SPREGE 44. 4.2. UTICAJ NA STABILNOST POJA ANJA 46. 4.3. UTICAJ NA GRANI NE FREKVENCIJE I ŠIRINU PROPUSNOG OPSEGA 46. 4.4. UTICAJ NA IZOBLI ENJA I SMETNJE 47. 4.5 LOKALNA I TOTALNA POVRATNA SPREGA 48. 5. OSCILATORI PROSTOPERIODI NIH OSCILACIJA 51. 5.1. RC OSCILATORI 51. 5.2. OSCILATOR SA VINOVIM (WIEN) MOSTOM 52. 5.3. LC OSCILATOR SA INDUKOVANOM POVRATNOM SPREGOM 52. 5.3.1. LC oscilator sa fetom 52. 5.3.2. LC oscilator sa tranzistorom 52. 5.4. LC OSCILATORI U TRI TA KE 53. 5.4.1. Hartlijev oscilator 54. 5.4.2. Kolpicov oscilator 54. 5.5. STABILNOST FREKVENCIJE OSCILATORA 55. 5.5.1. Klapov oscilator 55. 5.6. PIEZOELEKTRI NI EFEKAT 56. 5.6.1. Stabilizacija frekvencije pomo u kristala kvarca 57. 5.7. GENERATORI NESINUSOIDALNIH TALASNIH OBLIKA 58. 5.7.1 Generatori impulsnih i kvadratnih talasnih oblika 58. 5.7.2 Kvadratni talasi iz sinusnih talasa i otkrivanje prijelaza kroz nulu 59. 5.7.3. Relaksacioni oscillator 60. 5.7.4. Generator trokutnog talasnog oblika 60. 5.8. LABORATORIJSKE VJEŽBE IZ OSCILATORA 62. Vježba I: RC oscilator 62. Vježba II: Hartlijev oscilator 62. Vježba III: Kolpicov oscilator 62. 6. TIRISTORI 64. 6.1. OSOBINE I PODJELA 64. 6.2 JEDNOSMJERNI DIODNI TIRISTOR 64. 6.3 JEDNOSMJERNI TRIODNI TIRISTOR 65. 6.3.1. Isklopivi tiristor - GTO tiristor 66. 6.3.2. Regulacija struje jednosmjernim triodnim tiristorom 66. 6.4 DIJAK - DVOSMJERNI DIODNI TIRISTOR 67. 6.5. TRIAC - DVOSMJERNI TRIODNI TIRISTOR 68. 6.5.1. Regulacija struje trijakom 68. 6.6. UKLJU ENJE I ISKLJU ENJE TIRISTORA 69. 6.6.1. Sklopovi za uklju enje tiristora 69. 6.6.2. Isklju enje tiristora 69. 6.6.3. Sklopovi za isklju enje 69. 6.7. PRIMJENA TIRISTORA 70. 6.7.1. Sklop za uklju enje tiristora s UJT 70. 6.8. LABORATORIJSKE VJEŽBE IZ TIRISTORA 70. 7. JEDNOSPOJNI TRANZISTOR 72. 8. LITERATURA 74.

UVOD

ELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehni ke škole

2

UVOD

Prvobitno zna enje rije i elektronika odnosilo se na oblast fizike u kojoj su se prou avale fizi ke pojave u vezi sa kretanjem elektrona, i to prvenstveno u vezi sa kretanjem elektrona u vakuumu i gasovima, a kasnije sa kretanjem elektrona i u metalima.

Za vrijeme drugog svjetskog rata, elektronikom je po ela da se naziva i oblast primjene elektronskih cijevi, elektronskih kola.

Danas elektronika prou ava pojave i u elementima elektronskih kola i u samim elektronskim kolima. Po etak datira od polovine XIX vijeka sa prvim prou avanjima poluprovodnika.

Slika 1.1 Vanjski izgled poluprovodni ke diode

Slika 1.2 Dioda Fiber Opto SPR SFH 350

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 pojavio ta kasti tranzistor i otpo ela masovna proizvodnja i upotreba tranzistora u elektronskim kolima.

Slika 1.3. Bipolarnih tranzistor BC 160/16 (PNP – 40V 1A)

Na žalost, a zahvaljuju i zahtjevima armije i vasionskih istraživanja, elektronika se naglo razvijala prema kritetijumima: što manje dimanzije, što manja težina i što je mogu e pouzdaniji rad elektronskih sistema.

Slika 1.4 Bipolarni tranzistor za ve e snage

Proizvodnja planarnih tranzistora, pri kojoj se na jednoj plo ici silicijuma istovremeno pravi veliki broj tranzistora, ukazala je na mogu nost izrade itavogkola na jednoj silicijumskoj plo ici jer su se pored tranzistrora mogli realizirati i diode, kondenzatori i otpornici.

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 svim tehni kim disciplinama, ve je u životu susre emo na svakom koraku. Razvijaju i se sama i nalaze i primjenu u nauci i tehnici, elektronika je doprinijela razvoju nauke i tehnike uopšte.

Slika 1.7 IC Eprom 27 C 256 DIP 28

Pošto nije napisan prihvatljiv udžbenik za predmet Elektronika za III razred ova skripta predstavlja doprinos autora da prevazi u taj problem i omogu iu enicima i svim zainteresiranim lakše pra enje i savla ivanje nastave iz ovog predmeta.

Skripta je napisana prema modularnom Nastavnom planu predmeta Elektronika za 3. razred po GTZ modelu, za stru na zvanja tehni ar ra unarstva, elektronike i mehatronike i odlukom Nastavni kogvije a Elektrotehni ke škole u Tuzli dozvoljena za internu upotrebu.

OPERACIONIPOJA AVA I

Invertiraju i poja ava sa operacionim poja alom

1poglavlje

OPERACIONI POJA AVA I


4

1. OPERACIONI POJA AVA I

Operacioni poja ava i su jedna vrsta direktno spregnutih poja ava a. Prema tome oni poja avajujednosmjerne signalne i naizmjeni ne do svoje grani nefrekvencije. Ovakav poja ava ima simetri an ulaz, a nesimetri an izlaz.

Operacioni poja ava je prvobitno korišten u analognim ra unskim mašinama za vršenje analognih operacija, kao što su: sabiranje, množenje, diferenciranje, integrisanje itd. Po tome je dobio naziv: OPERACIONI POJA AVA .

Danas se operacioni poja ava izra uje u integrisanoj tehnici.

Dimenzije same silicijumske plo ice nisu ve e od dimenzija plo ice prvih tranzistora. Plo ica je montirana u isto ku ište kao i tranzistor (npr. TO5). Cijena operacionog poja ava a je jedva nešto ve a od cijene tranzistora. Budu i da je montiran u jedno ku ište,možemo ga tretirati kao poseban elemenat sa odre enim karakteristikama. Ovdje emo definisati i objasniti karakteristike operacionog poja ava a i dati izvjesna osnovna kola u kojima se primjenjuje. Osim primjene za matemati ku operaciju u analognim ra unskim mašinama, poslije usavršavanja, našao je primjenu i u mnogim drugim oblastima, tako da je danas jedan veoma esto upotrebljavani nezamjenljiv elemenat 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 široke primjene, ijufunkciju definiše spoljašnja povratna sprega. Naziv poti e iz vrijemena analognih ra unara, gdje je ozna avao kolo koje je vršilo neku ra unsku operaciju.

U današnje vrijeme operacioni poja ava i sa veoma visokim poja anjem koriste spoljašnje komponente koje u kolu povratne sprege definišu odziv, a time i funkciju celog kola. Za operacioni poja ava bez kola povratne sprege kaže se da radi u otvorenoj petlji (open-loop). Ovaj termin obi no se vezuje za idealni operacioni poja ava sa beskona nim poja anjem, ulaznom impedansom i propusnim frekventnim opsegom, i nultom izlaznom impedansom. U praksi ni jedan

operacioni poja ava nema ovakve idealne karakteristike, tako da se u prora unu kola sa operacionim poja ava ima mora uzeti u obzir i njihovo manje ili ve e odstupanje od idealnih karakteristika.

Termin "operacioni poja ava " prvi put se pojavio 1943 u radu Johna R. Ragazzinnija "Analysis of Problems in Dynamics", gdje je opisan prakti an rad Georgea A. Philbricka.

Na slici 1.1 vidi se prvi operacioni poja ava sa elektronskim cjevima nazvan K2-W, koji je konstruisala firma George A. Philbrick Research. Ovaj model je nastao 1952, više od decenije pre prve tranzistorske verzije. Prvi monolitni operacioni poja ava , koji je razvio Bob Widlar, pod imenom µA702 (proizvo aFairchild Semiconductor), ponu en je tržištu 1963. Sastojao se od devet tranzistora i koštao je oko 300 ameri kih dolara, što je ograni ilo njegovu primjenu na vojne primjene i na avijaciju.

Slika 1.1 Operacioni poja ava sa elektronskim cijevima

Bob Widlar je 1965, razvio poja ava µA709, tako e za Fairchild Semiconductor. Ovaj poja ava je imao ve epoja anje, ve i propusni opseg i manje ulazne struje. Veliki obim proizvodnje smanjio je troškove, tako da je cijena ovog poja ava a brzo pala sa po etnih 70 na 10, pa zatim i na 2 ameri ka dolara, što je doprinelo širokoj primeni i daljem razvoju novih tipova operacionih poja ava a, sa razli itim karakteristikama, sa bipolarnim, FET, MOSFET tranzistorima, razli itim konfiguracijama, itd.

Slika 1.2. Opšti oblik i simbol operacionog poja ava a sa detaljnom elektri na šema sa priklju cima



5

Operacioni poja ava i pokrivaju opseg napona napajanja 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, kondicioneri signala, drajveri motora i drugih aktuatora, strujni i naponski izvori i u mnogim drugim aplikacijama.

Na slici 1.2 dat je grafi ki simbol operacionog poja ava a. Lijeva slika je simbol koji se upotrebljava kad nam je bitno da se samo istakne poja ava ko osobina 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 1 ozna ava da se izlazni napon U0 ne invertuje (ne obr e) u odnosu na fazu ulaznog signala U1. Taj ulaz se naziva neinvertiraju i ulaz.

Znak – (minus) na ulazu 2, ozna ava da je izlazni napon U0 fazno pomjeren u odnosu na ulazni naponU2, ozna ava da je izlazni napon U0 fazno pomjeren u odnosu 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 prikažu kolo polarizacije (napajanje UCC), kolo frekventne kompenzacije (FK) i drugo, crtaju se priklju ci kao što je prikazano na slici 1.1b.

Pošto se ovo vrši kod crtanja kompletne šeme ure aja u 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 umjesto oznake A stavlja oznaka konkretnog operacionog poja ava a, kao što je ovdje stavljena oznaka poja ava a µA741.

Slika 1.3. Najprostiji operacioni poja ava

Na slici 1.3 dat je najprostiji operacioni poja ava .Na injen je samo sa jednim diferencijalnim poja ava em. Ima simetri an ulaz, a nesimetri an izlaz. O igledno je da, pored priklju ka za ulaz i izlaz, mora postojati i priklju ak za napajanje kolektora UCC i emitora UEE.

1.1.IDEALNI OPERACIONI POJA AVA

Današnji operacioni poja ava i imaju veoma dobre radne karakteristike. Prilikom analize elektronskih kola sa operacionim poja ava ima esto emo njegove karakteristike idealizovati, kako je prilazano na slici 1.4, kako bismo uprostili analizu.

Slika 1.4. Idealni operacioni poja ava

Idealan operacioni poja ava ima:

1. Beskona no veliko diferencijalno (AUd= )poja anje, koje ne zavisi od amplitude izlaznog 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 širok propusni opseg (B= ).

Operacioni poja ava obi no radi sa povratnom spregom, pa e poja anje poja ava a zavisiti od koeficijenta povratne sprege, ako je samo poja anje dovoljno veliko uvijek je ßA>>1, što je jedan od uslova za negativnu povratnu spregu (drugi je protufaznost signala).

Ako predpostavimo da izlazni signal ne e biti suviše velik, nelinearnost prenosne karakteristike ne treba uzimati u obzir.

Prema tome prva pretpostavka je opravdana. Na slici 1.5 prikazana je idealizovana i realna prenosna karakteristika operacionog poja ava a. IdealIzovana treba da se poklapa sa ordinatom, jer smo predpostavili da je poja anje beskona no veliko, dok je karakteristika realnog poja ava a nagnuta, a napon ograni en.

Poja anje srednje vrijednosti možemo zanemariti, jer je ono mnogo manje od diferencijalnog poja anja.

Ulazni otpor se može smatrati beskona no velikim, zato što je mnogo ve i od spoljašnjeg, sa njim vezanim serijskim otporom, a izlazni otpor jednak nuli, ako je mnogo manji od otpora optere enja.

Beskona no veliki opseg može se pretpostaviti, ako je radna frekvencija mnogo manja od grani ne frekvencije.

Termin "operacija" odnosi se na matemati ku operaciju, kao što je sabiranje, integracija itd. Idealni operacioni



6

poja 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 je nulator (nema ni napona ni struje), a izlazni dio je

norator (bilo koji napon i struja). Ove dvije komponente daju zamišljenom operacionom poja ava u idealne karakteristike.

Slika 1.5. Idealna i realna prenosna karakteristika operacionog poja ava a

1.2. KONSTRUKCIJA OPERACIONOG POJA AVA A

Da bi operacioni poja ava imao karakteristike blizu idealnih, treba obezbjediti:

da ulazna struja bude minimalna da šum i smijetnje usljed zajedni kog (common-mode) napona budu minimalni (što se postiže primjenom diferencijalnog ulaznog stepena) poja anje treba da bude dovoljno veliko (što se postiže primjenom poja ava a sa

zajedni kim emiterom uz aktivno optere enje (strujno ogledalo) obezbediti dovoljno struje na izlazu kako ne bi bio "oboren" kad se priklju i potroša (što se postiže primjenom izlaznog poja ava a koji obezbje uje dovoljnu izlaznu struju i malu izlaznu otpornost

Imaju i navedeno u vidu, možemo da smatramo da je jako uproš ena šema operacionog poja ava a data na slici 1.6.



7

Slika 1.6. Uproštena šema operacionog poja ava1.2.1. Strujno ogledalo

U operacionim poja ava ima strujna ogledala koriste se kao strujni izvori i kao aktivna optere enja. Osnovna primjena je u strujnim izvorima. U idealnom slu aju,struja je nezavisna od optere enja.

U prostom strujnom izvoru o igledno je:

Za fiksno R ova struja se ne mijenja. Kada bismo mogli da "kopiramo" ovu struju u neku drugu granu kola u kojoj želimo da definišemo struju, tada bismo mogli da kažemo da smo napravili strujni izvor u toj, drugoj, grani kola sa vrijednoš u IREF.

To emo uraditi tako da koristimo podatak da je kolektorska struja bipolarnog tranzistora zavisna samo od napona VBE.

Slika 1.7. Princip napajanja iz strujnog izvora

Slika 1.8. Princip napajanja iz strujnog ogledala

Ako je uzemljen strujno ozvor koriste se NPN tranzistori,a za uzemljeni potroša koriste se PNP tranzistori.

Slika 1.9. Primjena NPN i PNP tranzistora u strujnom ogledalu

U idealnom slu aju, nezavisno od razli itih vrijednosti otpornosti u kolektorskom kolu, struja bi trebalo da bude nepromjenjena.

Pošto se napon kolektor-emiter drugog tranzistora, a napon kolektor-emiter prvog tranzistora je fiksiran na 0.7V, kolektorska struja drugog tranzistora se mijenja sa otpornoš u potroša a.

Name e se prosto rješenje: ukoliko obezbedimo da se naponi kolektor-emiter ne mijenjaju sa vrijednoš upotroša a, ne e se mijenjati ni kolektorske struje. Pri tom naponi kolektor-emiter ne moraju da budu jednaki, dovoljno je da se ne mijenjaju sa promjenom potroša a. Jedno rješenje koje obezbe uje da se kolektorski napon ne mijenja sa promjenom potroša adato je na slici desno. Ovaj strujni izvor zove se



8

Wilsonovo strujno ogledalo. Za uzemljene potroša ekoriste se PNP tranzistori.

Slika 1.10. Varijante Wilsonovog strujnog ogledala

Ako želimo da napravimo strujni izvor ija e struja biti mnogo manja od referentne IREF, napon VBE2 treba da bude manji od VBE1. Pošto je zavisnost kolektorske struje od napona baza-emiter eksponencijalna, male razlike u naponu baza-emiter prouzrokova e velike razlike kolektorskih struja. Sljede e kolo zove se Widlarovo strujno ogledalo i koristi se kao izvor malih struja.

Slika 1.11. Widlarovo strujno ogledalo

1.2.2. Diferencijalni poja ava

Diferencijalni poja ava poja ava razliku dva napona, slika 1.12.

izlaz = A(ulaz1 - ulaz2)

Slika 1.12. Diferencijalni poja ava

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

Diferencijalni poja ava poja ava razliku dva napona. Primjenom Kirhofovih zakona za naponsnku konturu (slika 1.13) koja uklju uje baze tranzistora dobijamo:

Slika 1.13. Elektronska šema diferencijalnog poja ava a

Kirhofov zakon za vor spoja emitera dva tranzistora

Grafi ki prikaz gornjih jedna ina daje uvid u prenosnu karakteristiku ovakvog diferencijalnog poja ava a. Posmatrajmo vi,dm kao ulaz i vo,dm kao izlaz. Diferencijalni poja ava koji je prikazan na slici može sa dobrom aproksimacijom da se smatra dobrim poja ava em razlike dva signala ukoliko je:



9

Slika 1.14. Grafi ki prikaz rada diferencijalnog poja ava a

Ulazni signal ne smije da bude veliki, da bi ovo kolo radilo kao diferencijalni poja ava .

Pošto je za nulti ulazni napon izlazni napon tako ejednak nuli, prikazana konfiguracija poja ava aomogu ava povezivanje više ovakvih kola u kaskadu bez unošenja jednosmjernog ofset napona u kolo. Da bi se poboljšala linearnost i pove ao opseg ulaznog napona, dodaje se otpornik u kolo emitera oba tranzistora. Cijena koja se pla a je znatno smanjeno poja anje ovakvog kola.

Slika 1.15. Pove anje opsega ulaznog napona sa RE

1.3. OPERACIONO POJA ALO µA 741

Proizvo a i elektronskih komponenata proizvode vrlo veliki broj razli itih izvedbi operacionih poja ava a.Ovdje emo prikazati osnovne osobine onog koji nosi oznaku µA 741.

Elektronska šema na slici 1.19 pokazuje da se poja ava µA 741 sastoji od:

- 22 tranzistora, 11 otpornika, jednog kondenzatora i jedne diode.

Slika 1.16. Simbol i JG ku ište (pogled odozgo) µA 741

Slika 1.17. Fizi ke dimenzije µA 741 (JG ceramic dual-in-line), dimenzije su u in ima (milimetrima)



10

Slika 1.18. U, J i FK ku išta µA 741

Slika 1.19. Elektri na šema µA 741

Tabela 1.1. Elektri ne karakteristike µA 741 (UCC=15V, T=25ºC)



11

1.4. OSNOVNI SKLOPOVI SA OPAMP

1.4.1. Invertuju i poja ava

Invertuju i operacioni poja ava je poja ava sa povratnom spregom kod koga se ulazni signal dovodi na invertuju i ulaz. Ovo je osnovno poja ava ko kolo operacionog poja ava a. Kod njega je izvedena naponsko paralelna povratna sprega, kako je prikazano na slici 1.20. Kako se u analognom ra unaru operacioni poja ava i vezuju kaskadno, izlazni otpor poja ava a je jednak nuli, te da bi se moglo ostvariti paralelno dovo enje vra enog signala, mora se staviti otpor R1,jer ina e povratne sprege ne bi bilo.

Slika 1.20. Šema i ekvivalentna šema operacionog poja ava au spoju sa invertovanim ulazom

Usljed beskona no velikog poja anja A0o, pri kona nom izlaznom naponu U0o ulazni diferencijalni napon Ud je jednak nuli, jer je:

0Uo

AoUo

Ud

1.1Usljed beskona no velikog ulaznog otpora Ri

operacionog poja ava a, a i zbog toga što je ulazni diferencijalni napon jednak nuli, i ulazna struja Id

jednaka je nuli. Prema tome posmatrano sa ulazne strane, poja ava se ponaša kao da mu je ulaz kratko spojen. Zato kažemo da je ta ka 2 "virtualna nula". Virtualna nula zbog toga, što je struja kroz nju jednaka nuli, a ne jednaka struji kratkog spoja.

Posmatrajmo sad ekvivalentna šema poja ava a. Kako je Ud=0, lako možemo da izra unamo ulaznu struju:

IRiUi

Ii

Ova struja, budu i da je Id = 0, sva proti e i kroz otpor R2, preko kog se vrši povratna sprega, te je izlazna struja:

IIo ,

a izlazni napon:

i

i2o2o R

URIRU

Prema tome poja anje operacionog poja ava a u ovakvoj konfiguraciji je:

1

2

RR

A

Ulazni otpor, usljed prisustva virtualne nule jednak je otporu R1.

1.4.2. Neinvertuju i poja ava

TAnal Tranzistorskom poja ava u sa uzemljenim kolektorom, može se na initi odgovaraju a konfiguracija sa operacionim 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 povratna sprega na invertuju i. Ako bi se povratna sprega izvela na invertuju i ulaz, ona bi bila pozitivna.

Šemai konfiguracija neinvertuju eg operacionog poja ava a je data na slici 1.21.

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

i

i

RU

I.

Pošto je struja kroz otpor R2 jednaka struji kroz otpor R1, to je izlazni napon:

21o RRIU ,

te je poja anje poja ava a:

1

2

1

21

i

o

RR

1RI

RRIUU

A

Slika 1.21. Operacioni poja ava sa neinvertuju im ulazom i povratnom spregom preko invertuju eg ulaza



12

Dakle sa istim elementima, ako se signal dovodi na neinvertuju i ulaz poja anje e biti ve e za jedinicu, a faza izlaznog signala bi e jednaka fazi ulaznog signala. Kada treba upotrebljavati dva napona ili kada treba poja ati naponsku razliku izme u dvije ta ke u nekom kolu, od kojih jedna nije uzemljena, koristi se operacioni poja ava sa simetri nim ulazom.

1.4.3. (Diferencijalni) poja ava sa simetri nim ulazom

U ovu svrhu se može koristiti neposredno operacioni poja ava u spoju sa slike 1.2.

Ulazni otpor poja ava a mora biti simetri an i za neinvertiraju i i za invertuju i ulaz.

Na slici 1.22 prikazana je šema ovakvog poja ava akoji se naziva i diferencijalni poja ava .

Ovaj spoj se koristi kada treba poja avati razliku dva napona. Tada je poja anje operacionog poja ala vrlo veliko i relativno nestabilno, pa se mora uvesti negativna povratna sprega radi stabilizacije poja anja.

Ulazni otpor poja ava a je isti za invertiraju i i neinvertiraju i ulaz. Uz uslov da je 0II 2d1d , 0Ud i da je 'RR 11 i

'RR 22 na i emo poja anje uzevši da se ulazni

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

Neka je Uu2=0, tada je izlazni napon:

221

1u

1

21i R

RRU

RR

1U .

Prvi lan na desnoj strani je poja anje neinvertiraju eg poja ala, a drugi slabljenje dovedenog signala. Sre ivanjem prethodnog izraza za izlazni napon se dobije:

1u1

21i U

RR

U .

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

2u1

22i U

RR

U .

Ako istovremeno dovedemo napone na oba ulaza, na izlazu e se pojaviti zbir napona:

2u1u1

22i1ii UU

RR

UUU .

Poja anje ovakvog diferencijalnog poja ala je:

1

2

2u1u

i

RR

UUU

A .

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

1.5. ANALOGNE OPERACIJE SA OPERACIONIM POJA AVA EM

U analognim ra unarima se analogne matemati ke operacije ostvaruju pomo u operacionog poja ava a.Osnovna konfiguracija kola sa operacionim poja ava em dat je na slici 1.23. Ova šema je ista kao ona na slici 1.20, samo su otpori R1 i R2 zamjenjeni impedansama Z1 i Z2.

Prema tome, osnovna konfiguracija operacionog poja ava a je poja ava sa invertuju im ulazom.

Njegovo poja anje iznosi: 1

2

ZZ

A .

Ve ina matemati kih operacija se ostvaruje pogodnim izborom ovih impedansi.

Slika 1.23. Opšta šema operacionog poja ava a

Zbog univerzalnosti upotrebe operaciono poja alo je najvažniji linearni integrisani sklop. Osim osnovnih spojeva postoji još itav niz primjena. Pri narednom razmatranju je uvedena pretpostavka da je operaciono poja alo po osobinama sli no idealnom.



13

1.5.1. Invertor

Za promjenu znaka neke matemati ke veli ine potrebno je da ta veli ina po apsolutnoj vrijednosti ostane ista, ali da joj se promjeni samo znak. Ako je bila pozitivna da postane negativna, ako je bila negativna da postane pozitivna. Prema tome, poja anje operacionog poja ava a treba da je jednako jedinici, ali da je izlazni napon suprotnog znaka od ulaznog.

Ovo možemo ostvariti sa invertuju im poja ava em sa slike 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 1.24. Mjenja znaka ili invertor

Poja anje poja ava a sa slici 1.24 je:

1RR

ZZ

A1

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. Množa sa realnom konstanom

Ukoliko je Z1=R1, a Z2=R2 prema slici 1.23, poja anjee biti:

kRR

A1

2 ,

pa je izlazni napon: io kUU

Ukoliko je:

k>1, izlazni napon je ve i od ulaznog, a za k<1, izlazni napon je manji od ulaznog.

Operacija je ispravna samo ako je konstanta sa kojom se množi negativna. Da bi operacija bila ispravna i u slu aju kada treba množiti pozitivnom konstantom. u kaskadi sa množa em. treba vezati invertor koji enaponu promjeniti znak, te e biti:

io kUU ,

jer je invertor promjenio znak.

1.5.3. Sabira

Slika 1.25. Sklop za sabiranje

Kolo predstavljeno na slici 1.10 služi za zbrajanje elektri nih signala.

Ulazni signali imaju trenutne vrijednosti u1, u2,...,un.Zbog beskona no velike ulazne otpornosti operacionog poja ala struja u operaciono poja alo je jednaka nuli. Radi toga je struja i koja te e kroz otpornik R jednaka sumi ulaznih struja i1, i2, ..., in.

Napon ui iznosi:

n

n

2

2

1

1i R

u...

Ru

Ru

RiRu .

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

n

1kk

1i u

RR

u .

Izlazni napon je proporcionalan sumi ulaznih napona.

Ako odaberemo da su otpori R1 i R2 jednaki dobija se:

n

1kki uu .

Prema prethodnoj relaciji izlazni napon je jednak negativnoj vrijednosti sume ulaznih napona, te se ovaj sklop može koristiti za realizaciju operacije sabiranja.

Sklop za sabiranje se može realizovati i tako da se operacija sabiranja izvodi bez promjene predznaka. Za to koristimo sklop prikazan na slici 1.26.

Lako je uo iti da ovaj sklop predstavlja varijantu neinvertiraju eg spoja operacionog poja ala. Ako je R1

’=R2’=...=Rn

’ vrijedi relacija:

.unR

RRu

n

1kk'

1

21i



14

Slika 1.26. Sklop za sabiranje bez promjene predznaka

Pri tome je izlazni napon proporcionalan sumi ulaznih napona. Ako se ispuni uslov:

1'nRRR

1

21

izlazni napon e biti jednak sumi ulaznih napona.

Za operacione poja ava e sa FET tranzistorima i umjerenim 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 V1, V2 i V3, ponderisanih položajem kliza apotenciometara. Poja ava i 1, 2 i 3 su jedini ni kad su prekida i otvoreni, a imaju poja anje 10 kada su prekida i zatvoreni.

1.5.4. Pomjera faze

U dosadašnjim primjerima Z1 i Z2 su bile realne impedanse (otpori). Ukoliko izaberemo impedanse Z1 i Z2 jednake po apsolutnoj vrjednosti, one e biti jednake i ulaznom naponu, ali e biti fazno pomjeren u zavisnosti od toga kolika je faza poja anja.

U zavisnosti od impedanse Z1 i Z2 može se ostvariti fazni pomjeraj od 0 – 360°.

1.5.5. Integrator

Matemati ku operaciju integriranja obavlja operaciono poja alo u spoju datom na slici 1.28.

Slika 1.28. Sklop za integriranje

Zbog prividnog kratkog spoja na ulazu operacionog poja ala struja i(t) iznosi:

Rtu

ti u .

Izlazni napon ui(t)odre en je relacijom:

noA

AarctgZZ

real

imaginarno21



15

dttuRC1

dttiC1

tu ui .

I ovdje napon tui može biti bilo koja funkcija

vremena t.

Izlazni napon je proporcionalan integralu ulaznog napona pa se ovaj sklopzove sklop za integriranje ili integrator.

U posebnom slu aju, kada je .konstUtui , izlazni

napon e biti:

.tRCU

UdtRC1

tui

Pri tome izlazni napon linearno raste sa vremenom. Ovakav sklop se zove Milerov integrator i njime se generišu vremenske baze u katodnoj cijevi osciloskopa.

1.5.6. Diferencijator

Operaciono poja alo dato u spoju na slici 1.29 služi za obavljanje matemati ke operacije deriviranja.

Slika 1.29. Sklop za deriviranje

Zbog prividnog kratkog spoja struja kroz kondenzator je:

dttdu

Cti u .

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

dttdu

RCRtitu ui .

Izlazni napon je, kako vidimo, proporcionalan vremenskoj derivaciji ulaznog napona, sa faktorom proporcionalnosti jednakim vremenskoj konstanti RC kola u sklopu. Ulazni napon uu(t) može biti bilo koja funkcija vremena.

1.5.7. Naponski ponavlja (slijedilo)

Izvjesni pretvara i ili senzori da bi pravilno radili moraju raditi sa malim optere enjem i moraju biti izolovani od mjernog ure aja ili upravljanog ure aja. Operacioni poja ava , vezan sli no tranzistoru sa uzemljenim kolektorom, kako je prikazano na slici 1.30, ima

naponsko poja anje prakti no jednako jedinici i vrlo veliku ulaznu impedansu, ali zato može na izlazu dati veliku struju jer mu je izlazni otpor, prakti no jednak nuli.

Slika 1.30. Naponski ponavlja (slijedilo)

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

Kako je poja anje poja ava a vrlo veliko to je diferencijalni napon jednak nuli, pa pošto su izlazi i neinvertuju i ulaz kratko spojeni, to je izlazni napon prakti no jednak ulaznom naponu.

Za jedini no naponsko poja anje izra uju se specijalni operacioni poja ava i, koji imaju odli ne karakteristike i vrlo veliki ulazni otpor.

1.5.8. Logaritamsko poja alo

Sklop kod kojeg je izlazni napon proporcionalan logaritmu ulaznog napona dat je na slici 1.31.

Slika 1.31. Sklop za logaritmiranje

Struja kroz diodu je:

1eIi T

DUu

0D ,

pri emu je ID0 inverzna struja zasi enja.

Istovremeno za struju vrijedi:

i=uu/R.



16

Zbog prividnog kratkog spoja na ulazu operacionog poja ala je iD uu .

Iz prethodnih relacija slijedi:

0D

uTi RI

u1lnUu .

Ako je ispunjen uslov 0Du RIu , tada je:

0D

uTi RI

ulnUu ,

pa je izlazni napon proporcionalan prirodnom logaritmu ulaznog napona.

1.5.9. Antilogaritamsko poja alo

Kod antilogaritamskog poja ala osnovni element koji omogu ava njegov rad je element sa PN spojem. Obrnuto od logaritamskog poja ala, u kojem je struja kroz element odre ivala izlazni napon, ovdje ulazni napon treba da odre uje izlaznu struju. Radi toga je potrebno da dioda i otpornik zamijene mjesta, kao što je prikazano na slici 1.32.

Struja kroz diodu je odre ena relacijom:

T

uUu

0D eIi ,

pa je izlazni napon odre en relacijom:

T

uUu

0Di eRIRiu .

Slika 1.32. Sklop za antilogaritmiranje

Kao što se vidi iz posljednjeg izraza, izlazni napon je eksponencijalna funkcija ulaznog napona, te može poslužiti i u spoju antilogaritamskog, i u spoju eksponencijalnog poja ala.

Nedostatak ovog sklopa je zavisnost izlaznog napona od struje zasi enja ID0, koja je eksponencijalna funkcija temperature.

1.5.10. Sklop za množenje

Me usobno množenje više promjenljivih veli ina se može ostvariti pomo u: logaritamskog poja ala, sklopa za sabiranje i antilogaritamskog poja ala, kao što je prikazano na slici 1.33.

Slika 1.33. Sklop za množenje

Pretpostavimo da je potrebno pomnožiti dvije promjenljive x i y.

Ako ove dvije promjenljive dovedemo na ulaze dva logaritamska poja ala, na njihovim izlazima emo imati ln(x) i ln(y).

Ove dvije veli ine treba sabrati, što se i ini u drugom stepenu, koji ini sabira . Na izlazu iz sabira a imamo signal jednak sumi logaritama signala x i y, tj. ln(x)+ln(y). Kada ovu veli inu privedemo

antilogaritamskom poja alu, na njegovom izlazu e se pojaviti antilogaritam te veli ine odnosno proizvod

.yxz

1.5.11. Sklop za dijeljenje

Sklop koji realizuje operaciju dijeljenja mogu e je dobiti na sli an na in kao i za operaciju množenja. Jedino je logaritmu djelitelja potrebno promijeniti znak. To se postiže pomo u invertora. Prema tome, iza logaritamskog poja ala djelitelja treba ubaciti invertor,



17

koji e logaritmu djelitelja promijeniti znak, kao na slici 1.34.

Slika 1.34. Sklop za dijeljenje

Tada e se na izlazu iz sabira a dobiti razlika logaritama dijeljenika i djeltelja ln(x)-ln(y), tako da e se na izlazu antilogaritamskog poja ala dobiti y/xz .

1.5.12. Sklop za stepenovanje i korjenovanje

Slika 1.35. Skop za stepenovanja i korjenovanje

Stepenovanje neke promjenljive x cijelim brojem a,može se ostvariti tako da se kratko spoji onoliko ulaza množa a koliki je stepen a, pa se na taj zajedni ki ulaz dovede promjenljiva x. Na izlazu množa a e biti

z xa

.

Me utim, ukoliko a nije cio broj, ili je manji od jedinice (korjenovanje), pomo u ovakvog sklopa nije mogu eizvršiti stepenovanje. Tada se uvodi sklop dat na slici 1.35.

Pomo u logaritamskog poja ala dobije se logaritam veli ine x. Ovaj logaritam se pomnoži sa izložiocem apomo u množa a konstantom, pa se na izlazu iz množa a dobije veli ina )xln(a .

Pomo u antilogaritamskog poja ala kona no se dobije veli ina axz .

Ukoliko je veli ina1

2

RR

a ve a od jedinice imamo

stepenovanje, a ukoliko je manja od jedinice imamo korjenovanje.

1.6. PRIMJERI KOLA SA OPERACIONIM POJA AVA IMA

1.6.1. Senzor svjetla

Slika 1.36. Senzor svjetla

Kad svjetlost ne pada na senzor, rele je zatvoren. Kad svjetlost padne na svjetlosno zavisan otpornik, rele se otvara. Da bi se funkcija kola promjenila, treba zamijeniti R1 i svjetlosno zavisan otpornik (LDR). Ovo kolo se primjenjuje u mra nim komorama, za automatsko zaklju avanje vrata, paljenje svjetla u dvorištu itd.



18

1.6.2. Automatsko uklju ivanje ventilatora u automobilu

Slika 1.37. Uklju ivanje ventilatora u automobilu

Korištenjem NTC otpornika (Negative Temperature Coefficient) za uklju ivanje ventilatora na jednoj i isklju ivanje na drugoj temperaturi

1.6.2. Monitor stanja baterije od 12V

Slika 1.38. Provjera baterije od 12 V

Trimer 100 K kontroliše postavnu ta ku ovog kola na gornji nivo (npr. 12.5V ili sli no). Da se posmatra nizak nivo napona, i da se LED upali kad se baterija isprazni ispod odre enog nivoa, treba spojiti LED preko otpornika od 330 na masu.

1.7. LABORATORIJSKE VJEŽBE IZ OPERACIONIH POJA AVA A

Vježba I: Diferencijalno poja alo

Na ulaze poja ava a sa slike 1.39 spojiti sinusoidalni izmjeni ni napon amplitude 1 mV, frekvencije 1 kHz.

Osciloskopom snimiti, izmjeriti i nacrtati:

a) dobivene vrijednosti napona ulaza Uul1 prema naponu na izlazu Uiz1,

b) dobivene vrijednosti napona ulaza Uul1 prema naponu na izlazu Uiz2,

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

Za svako mjerenje:

1. Snimiti šemu spoja i karakteristike sa osciloskopa u izvještaj,

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 1.39. Diferencijalno poja alo

Vježba II: Invertiraju i poja ava

Za invertiraju i poja ava sa slike 1.40 realiziran sa µA 741 izra unati:

Slika 1.40. Invertiraju i poja ava sa µA 741 (R1=10k , R2=100k )

a) Poja anje ako je R1=10k , R2=100k(U=15V, Uul=10mV, f=1kHz). Izvršiti simulaciju EWB ili Multisim softverom i prikazati rezultate?

b) Poja anje ako je R1=10k , R2=1M (U=15V, Uul=10mV, f=1kHz). Izvršiti simulaciju EWB ili Multisim 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 )UU

log(20Aul

iz u dB

na slijede im frekvencijama:

f(kHz)

1 4 8 10 20 40 80 100 200

A(dB)



19

Na osnovu izmjerenih vrijednosti nacrtati frekventnu karakteristiku poja ava a (x-osa frekvencija (kHz), y-osa poja anje A (dB)). Obavezno koristiti Microsoft Excel.

Odrediti donju i gornju grani nu frekvenciju poja ava a(mjesto na frekventnoj karakteristici gdje poja anje po inje padati za više od 3 dB) i napisati koje su to vrijednosti.

Vježba III: Ispitati uticaj frekvencije na rad integratora?

Slika 1.41. Elektronska šema integratora

Spojiti šemu prema slici 3. na ulaz integratora priklju iti pravougaoni napon amplitude 2V, frekvencije 1kHz i osciloskopom ustanoviti odnose ulaznog i izlaznog napona. Prikazati dobivene vremenske dijagrame.

Mijenjaju i frekvenciju ulaznog signala, prema priloženoj tabeli, ustanoviti kakve promjene se se dešavaju i napisati kratki komentar. Prikazati sve dobivene vremenske oblike?

f (Hz) 100 500 1.000 2.000 10.000

Vježba IV: Ispitati uticaj kapaciteta kondenzatora na rad diferencijatora?

Spojiti šemu prema slici 1.42. Na ulaz diferencijatora prilju iti trouglasti napon amplitude 1V, frekvencije 1kHz.

Slika 1.42. Elektronska šema diferencijatora

Mijenjati kapacitet kondenzatora prema priloženoj tabeli:

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? Napisati kratki komentar.

POLUPROVODNI KISVJETLOSNIDETEKTORI

Princip rada sun eve elije

2poglavlje

POLUPROVODNI KI SVJETLOSNI DETEKTORI


21

2. POLUPROVODNI KI SVJETLOSNI DETEKTORI

Optoelektronika je grana elektrotehnike koja se, osim elektri nim signalom u elektri nom obliku, bavi prou avanjem i primjenom signala u opti kom obliku svjetlosti i u bliskom infracrvenom zra enju.

Optoelekroni ke komponente koriste fotoelektri nepojave u poluprovodnicima.

Fotoelektri ne pojave koje se javljaju u poluprovodni-cima su:

- fotovodljivost, - fotonaponski efekat i - elektroluminiscencija.

Fotovodljivost je pojava elektri ne vodljivosti poluprovodnika pod utjecajem svjetlosti. Djelovanjem svjetlosti pove ava se i zaporna struja PN-spoja.

Fotonaponski u inak je pojava napona na PN-spoju poluprovodnika zbog apsorpcije svjetlosti ili drugog elektromagnetskog zra enja. Djelovanjem svjetlosti nastaje difuzija nosilaca naboja, pa se PN-spoj može upotrijebiti kao pretvara svjetlosne energije u elektri nu.

Elektroluminiscencija je pojava pretvorbe elektri neenergije u svjetlosnu. Prolaskom struje kroz PN-spoj nastaje emitiranje svjetlosti pri emu se PN-spoj može upotrijebiti kao pretvara elektri ne energije u svjetlosnu.

Slika 2.1. Spektar elektromagnetnih talasa

Optoelektroni ke komponente dijelimo u slijede eskupine:

- poluprovodni ki svjetlosni detektori koji svjetlosnu energiju pretvaraju u elektri nu, a

to su: fotootpomici, fotodiode, fototranzistori, fototiristori i sun ane elije;

- svjetlosni izvori koji elektri nu energiju pretvaraju u svjetlosnu, a to su: LED diode i poluprovodni ki laseri;

- optokapler ili optoelektroni ki veznik/sprežnik je elektroni ka komponenta sastavljena od LED diode kao izvora svjetlosti i fotodiode ili fototranzistora kao prijemnika svjetlosti.

Osnovni materijali za optoelektoni ke komponente su: silicij, germanij, galijev arsenid, i drugi.

U optoelektroni kim komponentama koristi se vidljivi i infracrveni spektar elektromagetskih talasa. Ljudsko oko zapaža samo elektromagnetsko zra enje u podru ju talasnih dužina od 380 nm do 760 nm.

Slika 2.1 prikazuje spektar elektromagnetskih talasa zavisno o talasnoj dužini i pripadaju im frekvencijama.

2.1. FOTOOTPORNIK

Fotootpornik je elektroni ka komponenta kojoj se djelovanjem svjetlosti mijenja elektri ni otpor. Porastom jakosti svjetlosti smanjuje se otpor.

Za fotootpornik se esto koristi kratica LDR (engl. light dependent resistors, skra eno LDR, photoresistors, photoconductive cell, njem. Fotowiderstand) element je iji elektri ni otpor ovisi o osvjetljenosti njegove

površine.

Slika 2.2 prikazuje simbol i izvedbu fotootpornika.

Slika 2.2 Izgled i izvedba fotootpornika

Osvjetljavanjem fotootpornika stvaraju se parovi nosilaca naboja elektron-šupljina, a time se pove ava vodljivost materijala, tj. smanjuje elektri ni otpor.

Slika 2.3. Ku ište fotootpornika

Za izradu fotootpornika primjenjuju se kadmijev sulfid (CdS), kadmijev selenid (CdSe), gerrnanij (Ge), olovni sulfid (PbS), indijev antimonid (InSb) i olovni selenid



22

(PbSe). Izra uju se tako da se kadmijev sulfid rasporedi u vijugavom obliku na kerami koj podlozi kako bi se postigla ve a površina (slika 2.3). Ako neki ure aj treba djelovati u vidljivu dijelu svjetlosnoga spektra, upotrijebit e se fotootpomici od kadmijeva sulfida ili kadmijeva selenida. Koji se smješta u metalnom ku ištu ili plasti nom sa staklenim prozor i em kroz koji se osvjetljava.

Fotootpomici od kadmijeva sulfida su prili no neprecizni, ali imaju vrlo velik raspon vrijednosti, od otprilike 100 na jakoj svjetlosti do nekoloko M u mraku. Fotootpomici su osjetljivi na veliki dio spekra svjetlosti, uklju uju i vidljivu, infracrvenu i ultraljubi astu svjetlosti. Slika 2.4. prikazuje zavisnost otpora fotootpornika o jakosti svjetlosti.

Slika 2.4. Zavisnost otpora fotootpornik NORP12 od svjetlosti

Spektralna osjetljivost S (engl. spectral sensitivity) je osjetljivost materijala fotootpornika na pojedini dio spektra svjetlosti.

Slika 2.5. Osvjetljeni i neosvjetljeni fotootpornik

Relativna spektralna osjetljivost Srel je osjetljivost na nekoj talasnoj dužini u odnosu na osjetljivost pri referentnoj talasnoj dužini pri kojoj je osjetljivost maksimalna. Pri referentnoj talasnoj dužini relativna spektralna osjetljivost je najve a, a jednaka je 1 ili, iskazano u postocima, 100 %.

Slika 2.6 prikazuje spektralnu osjetljivost fotootpornika NORPI2, koji ima najve u osjetljivost za svjetlost talasne dužine 550 nm.

Fotootpomici se koriste kao svjetlosne prepreke, komponente za upravljanje plamenom, mjerenje

osvjetljenosti, vatrodojavu, u sklopovima za regulaciju svjetlosti kao sklopka za zatamnjenje, kao strujni prekida i i dr.

Slika 2.6. Spektralna osjetljivost fotootpornika NORP12

Fotootpornici se upotrebljavaju za mjerenje osvjetlje-nosti, osobito u fotografiji i kao sklopke u ure ajima za brojenje, automatsko zatvaranje vrata, automatsko osvjetljavanje i u alarmnim ure ajima. U takvim ure-ajima fotootpornik je ugra en u djelilo napona baze

tranzistora za uklju ivanje (slika 2.7).

Slika 2.7. Uklju ivanje tranzistorske sklopke pomo ufotootpornika

Napon izme u baze i emitera ovisanje o osvjetljenosti fotootpornika:

FB

FCCBE RR

RUU

Kad je fotootpornik neosvjetljen, njegov otpor je velik. Zato je napon UBE dovoljno velik da tranzistor dobiva struju baze koja ga drži u zasi enju pa djeluje kao uklju ena sklopka. Kad se fotootpornik osvjetli, njegov otpor se smanji pa se smanjuje i napon UBE. Tranzistor ne dobiva potrebnu struju baze i djeluje kao isklju ena sklopka.

Ako je sklopkom potrebno uklju ivati potroša a ve esnage, umjesto potroša a RC u kolektorski strujni krug spaja se namot relea koji svojim radnim kontaktom uklju uje potroša (slika 2.8).



23

Slika 2.8 prikazuje šemu spoja u kojoj fotootpornik djeluje u krugu baze tranzistora. Porastom jakosti svjetlosti smanjuje se otpor fotootpornika, raste napon na bazi, a time i struja baze. Uz odre enu jakost svjetlosti tranzistor provede i aktivira rele. Napon kod kojeg e tranzistor provesti podešavamo promjenljivim otpornikom P. Kad rele privu e, u kontaktnom krugu djeluje na uklju enje alarma vatrodojave.

Slika 2.8. Primjena fotootpornika

2.2. FOTODIODA

Fotodioda je poluprovodni ki svjetlosni senzor koji generira elektri ni signal kad na njega djeluje svjetlost.

Fotodioda je poluprovodni ki element strukture sli neispravlja koj diodi. Ku ište ima prozor i kroz koji se može osvjetliti PN spoj.

Na slici 2.9 prikazan je presjek fotodiode i simbol. To je dioda kod koje je anodni kontakt izveden samo na dijelu P-poluprovodnika, tako da je samo mali dio površine zaklonjen kontaktom. Katodni kontakt je na N-tipu poluprovodnika.

Slika 2.9. Princip rada i simbol fotodiode

Fotodioda se u strujni krug spaja tako da je inverzno polarizirana (slika 2.10). Kad je fotodioda neosvjetljena, njome te e vrlo mala tamna struja (engl. dark current, njem. Dunkelstrom) koju ini inverzna struja (struja manjinskih nosilaca naboja). Ta struja iznosi za silicijske fotodiode nekoliko nA, a za germanijske nekoliko µA.

Slika 2.10. Struja neosvjetljene i osvjetljene fotodiode

2.2.1. Fotodioda kao fotogenerator

Kada osvjetlimo površinu poluprovodnika, u blizini PN-spoja fotoni svjetlosti ostvaruju joniziranje atoma kristala. Kao posljedica toga generiraju se novi parovi elektron-šupljina kao slobodni nosioci naboja. Pod djelovanjem ugra enog elektri nog polja, šupljine prelaze u P-podru je, a elektroni u N-podru je. Nastaje gomilanje nosilaca pozitivnog naboja u poluprovodniku P-tipa, a negativnog naboja u poluprovodniku N-tipa.

Izme u elektroda nastaje razlika potencijala, odnosno elektromotoma sila fotodiode koja za posljedicu može imati struju fotodiode ako je u krug spojeno potrošaRT (slika 2.11). Kažemo da fotodioda radi u režimu fotogeneratora jer dioda daje elektri nu energiju bez vanjskog izvora napona.

Slika 2.11. Fotodioda kao generator

2.2.2. Fotodioda kao detektor svjetlosti

Fotodiodu možemo spojiti i na vanjski izvor (slika 2.12) tako da pozitivni pol preko otpornika RT spojimo na katodu, a negativni pol na anodu. Na taj na infotodioda je inverzno polarizirana i kada nije osvjetlje-na, kao što smo rekli, kroz nju te e samo mala, tzv. tamna struja (engl. dark current) koja odgovara inverznoj struji. Kada fotodiodu osvjetlimo, naraste koncentracija nosilaca naboja u diodi te struja u vanjskom krugu. Porast struje fotodiode proporcionalan je jakosti svjetlosti. Jakost struje fotodiode ovisi i o talasnoj dužini upadne svjetlosti.



24

Slika 2.12. Fotodioda kao detektor svjetlosti

Slika 2.13 prikazuje stati ku karakteristiku fotodiode koja daje zavisnost struje diode o naponu na diodi uz stalnu vrijednost svjetlosnog toka.

Slika 2.13. Stati ke karakteristike fotodiode (prikazane u III kvadrantu)

Važnije karakteristike fotodiode su:

- spektralna osjetljivost (engl. spectral sensitivity) - osjetljivost diode na talasnu dužinu svjetlosti;

- karakteristika usmjerenosti - prikazuje osjetljivost fotodiode o kur; upada svjetlosti za odre enu talasnu dužinu;

- talasna dužina maks - talasna dužina svjetlosti za koju fotodioda imz najve u osjetljivost, a može biti u podru ju vidljive ili infracrvene svjetlosti;

- tamna struja - struja koja te e kroz zapornu polariziranu neosvijet1jenu fotodiodu, a može biti reda vrijednosti od pA do u A;

- zaporni napon - može biti od lOm V do 50 V.

Slika 2.14 prikazuje relativnu spektralnu osjetljivost fotodiode BP104F koja ima najve u osjetljivost na talasnoj dužini svjetlosti =950 nm.

Karakteristika usmjerenosti fotodiode (slika 2.15) prikazuje relativnu osjetljivost u odnosu na ugao upada svjetlosti za odre enu talasnu dužinu.

Prema konstrukciji fotodiode mogu biti: PN-fotodiode, Schottkyjeve fotodiode, PIN fotodiode i lavinske fotodiode - APD (engl. avalanche photodiodey).

Materijali koji se koriste za izradu fotodiode moraju imati osobina da fotoni svjetlosti odre enog spektra

imaju dovoljno energije za pobudu elektrona preko inverznog sloja i proizvodnju dovoljne struje na potroša u.

Slika 2.14. Relativna spektralna osjetljivost fotodiode BP104F zavisno o talasnoj dužini svjetlosti

Slika 2.15. karakteristika usmjerenosti fotodiode BP104F

Tipi ni materijali su:

- silicij za spektar od 190 nm do 1 100 nm; - germanij za spektar od 400 nm do 1 700 nm; - indij-galijev arsenid za spektar od 800 nm do

2600 nm.

Ku išta fotodioda imaju stakleni prozor i kroz koji se može osvjetliti PN-spoj (slika 2.16).

Slika 2.16. Ku išta fotodiode

Fotodioda u primjeru prema slici 2.17 koristi se za detekciju dima.

Svjetlost koja se reflektira od estica dima prema fotodiodi utje e na njezinu vodljivost. Što je dim guš i,to e reflektirana svjetlost biti ja a i porast e struja kroz diodu. Porastom struje raste i napon na otporniku



25

R. Kad napon na otporniku dostigne vrijednost ve u od referentnog napona, komparator koji je izveden s operacionim poja alom promijeni stanje na svom izlazu na pozitivnu vrijednost UCC Tranzistor provede struju i ode u stanje zasi enja te se uklju i alarm.

Slika 2.17. Komora za skupljanje i detekciju dima sa ekvivalentnom elektronskom šemom

Fotodioda se upotrebljava za detekciju svjetlosnog signala i njegovo pretvaranje u elektri ni signal. Fotodiode se primjenjuju u daljinskim upravlja ima za televizor i video ure aje, u opti kim komunikacijama, automatima, automatskom upravljanju, za daljinsku kontrolu za razli ite ure aje, kod preciznih mjerenja jakosti svjetlosti u nauci i industriji, itd.

Fotodioda kao i fotootpornik može poslužiti za uklju ivanje tranzistorske sklopke. Fotodioda se u strujni krug spaja tako da je inverzno polarizirana (slika 2.18).

Slika 2.18. Uklju ivanje tranzistorske sklopke pomo u diode Tranzistor djeluje kao uklju ena sklopka kad je dioda osvjetljena jer struja kroz fotodiodu te e u bazu tranzistora.

Kad je dioda neosvjetljena, smanji se njezina vodljivost pa tranzistor više ne dobiva dovoljnu struju da bi bio u zasi enju te djeluje kao isklju ena sklopka.

Znatno ve u osjetljivost na svjetlost u usporedbi s fo-todiodom imaju fototranzistori (od nekoliko µA/lx do nekoliko stotina µA/lx). Me utim, brzina rada im je znatno manja od brzine rada fotodiode. Vrijeme uklju-enja, a posebno isklju enja, znatno je duže, reda veli-ine nekoliko µs, dok kod fotodioda može biti manje od

ns.

2.3. FOTOTRANZISTOR

Fototranzistor je svjetloš u upravljivi bipolarni tranzistor.

Slika 2.19 prikazuje simbol i presjek fototranzistora. Fototranzistor nalikuje fotodiodi kojoj je dodan još i emiter te je dobiven tranzistor koji ima veliku površinu baznog spoja.

Slika 2.19. Presjek i simbol fototranzistora

Fototranzistor je konstruiran tako da je širina osiromašenog podru ja baza-emiter sasvim mala, a širina osiromašenog podru ja baza-kolektor velika. Svjetlost djeluje uglavnom na površinu baze i apsorbira se u osiromašenom podru ju baza-kolektor. Iz presjeka fototranzistora vidljivo je da inverzno polarizirani PN-spoj baza-kolektor služi kao fotodioda.



26

Slika 2.20. Polarizacija fototranzistora Djelovanje fototranzistora sli no je djelovanju obi nih bipolarnih tranzistora s tim da se struja baze stvara osvjetljavanjem PN spoja baza-kolektor. Fototranzistor se može predstaviti s pomo u spoja bipolarnoga tranzi-stora i fotodiode spojene izme u kolektora i baze (slika 2.20). na istoj slici je prikazan na in povezivanja fototranzistora u strujni krug, tj. njegovu polarizaciju.

Struja I =IB, koja nastaje djelovanjem svjetlosti, odgovara struji baze tranzistora te je ukupna kolektorska struja lC:

lC = I + lC' = I + I = (1+ )I = (1+ )IB,

Prema tome, fototranzistor je (1+ ) puta osjetljiviji od fotodiode koja ima istu efektivnu površinu.

Kad fototranzistor nije osvjetljen, njime te e vrlo mala tamna struja, odnosno inverzna struja zasi enja baza-kolektor, reda vrijednosti nekoliko nA do nekoliko desetaka nA.

Fototranzistori mogu biti izvedeni s tri izvoda (kolektor, emiter i baza) ili sa samo dva (kolektor i emiter) (slika 2.24). Fototranzistor s tri izvoda, kad je neosvjetljen, djeluje poput obi noga bipolarnog tranzistora. Ako se primjenjuje kao fototranzistor, spajanjem otpornika iz-me u baze i emitera može mu se podešavati fotoosjetljivost (slika 2.21). Uz ve i otpor RB ve a je osjetljivost.

Slika 2.21. Podešavanje fotoosjetljivosti fototranzistora

Primjenom fototranzistora postiže se pove anje osjetljivosti u odnosu na fotodiodu. Brzina odziva fototranzistora na svjetlosnu pobudu je manja nego za fotodiodu. Fotodioda se koristi kod viših frekvencija, npr. u telekomunikacijama. Fototranzistor se koristi na nižim frekvencijama u senzorima u procesnoj tehnici, gdje nije bitna brzina.

Slika 2.22 prikazuje izlaznu karakteristiku fototranzistora koja daje zavisnost IC od naponu UCE uzjakost svjetlosti kao parametar. Ona je potpuno nalik tipi noj izlaznoj karakteristici NPN-tranzistora, pri emu

se umjesto IB na svakoj krivulji pojavljuje jakost svjetlosti izražena u luksima.

Slika 2.22. Izlazna karakteristika fototranzistora SFH3310

Fototranzistor nije jednako osjetljiv na razli ite talasne dužine svjetlosti i svaki tip tranzistora ima svoju krivulju spektralne osjetljivosti. Slika 2.23 prikazuje relativnu spektralnu osjetljivost fototranzistora SFH3310 koji ima maksimalnu spektralnu osjetljivost za talasnu dužinu svjetlosti = 550nm.

Slika 2.23. Spektralna osjetljivost fototranzistora SFH3310

Tranzistor je zatvoren u prozirno ku ište konkavnog oblika prema slici 2.24, kako bi fokusirana svjetlost mogla prodrijeti do tranzistorskog ipa.

Slika 2.24. Ku ište fototranzisora

U primjeru prema slici 2.25 alarm se uklju uje nestankom svjetlosti.

Dok je svjetlost odre ene jakosti, fototranzistor je u stanju zasi enja napon na upravlja koj elektrodi



27

tiristora je malen te tiristor ne vodi struju. Smanjenjem jakosti svjetlosti tranzistor odlazi u stanje zako enja. Preko otpomog djelila R1 i R2 tiristor se uklju uje i aktivira alarm.

Slika 2.25. Detekcija nestanka svjetlosti fototranzistorom

Za potrebe uklju ivanja potroša a koja zahtijevaju ve estruje (npr. elektromagneti) proizvode se fototranzistori u Darlingtonovom spoju (slika 2.26).

Slika 2.26. Uklju ivanje relea pomo u fototranzistora u Darlingtonovom spoju

Fototranzistor se primjenjuje u industrijskoj elektronici, u krugovima za kontrolu i upravljanje, za detekciju svjetlosti, svjetlosni senzor, senzor za pozadinsko osvjetljenje (npr. kod LCD ekrana), itd.

2.4. FOTOTIRISTOR

Fototiristor je tiristor koji se okida svjetlosnim impulsom.

Fototiristor (engl. light activated ailicon controlled rectifter, skra eno LASCR, njem. Fotothyristor) djeluje sli no jednosmjernom triodnom tiristoru s time da ima dvije upravlja ke elektrode, a u stanje vo enja dovodi se osvjetljenjem PN-spoja upravlja ke elektrode G2.

Dobro je osobina fototiristora, u usporedbi s ostalim optodetektorima, što izlazna struja nije zavisna o jakosti osvjetljenja. Svjetloš u se fototiristor samo dovodi u stanje vodljivosti, a nakon toga je njegova struja nezavisna o osvjetljenosti.

Fototiristor djeluje kao obi an jednosmjeni triodni tiristor, koji se zasniva na PNPN strukturi, s tim da se u

stanje vo enja može dovesti osvjetljenjem P-podru ja do katode (slika 2.27).

Slika 2.27. Struktura i simbol fototiristora

Svjetlosnim se impulsom fototiristor samo dovodi u stanje vo enja. Kad fototiristor provede struju, nije mu više potreban svjetlosni impuls. Vodljivi tiristor se isklapa prirodnim prolaskom elektri ne struje kroz nulu. Mnogi fototiristori imaju dostupnu upravlja kuelektrodu na koju se može dovesti impuls za okidanje tiristora, ali je najosjetljiviji uz otvorenu upravlja ku elektrodu.

Slika 2.28. Strujno naponska karakteristika tiristora

Slika 2.28 prikazuje strujno-naponsku karakteristiku fototiristora. Oblik karakteristike odgovara obi nom tiri-storu. Kod fototiristora trenutak uklju enja ovisi o jakosti svjetlosti.

Kao i druge fotoosjetljive komponente, fototiristor se ugra uje u ku ište s prozor i em kroz koji svjetlost djeluje, a i izra uje se na bazi aluminij-galijevog arsenida (AlGaAs).

Tako er se izra uje i fototrijak, koji u na elu radi kao i fototiristor.

Slika 2.29 prikazuje spoj fototiristora kojem se svjetlosni impuls dovodi na upravlja ku elektrodu. Izvor svjetlosti je laserska dioda koja je spojena na kraju svjetlovoda. Potroša je spojen u krug visokog napona.

Slika 2.29. Struni krug sa fototiristorom



28

Prednost ovakve pobude fototiristora je jednostavnost pobude na upravlja koj elektrodi. Na ovaj na inostvarena je elektri na izolacija izme u upravlja kog kruga i strujnog kruga potroša a.

U anodnom krugu može se spojiti visoki napon jer svjetlovod preko kojeg dolazi svjetlost nije osjetljiv na elektromagnetske smetnje.

Potroša Rp može se spojiti u krug anode ili upravlja ke elektrode G1. U krugu izjeni ne struje (slika 2.30) fototiristor prestaje voditi kad struja padne ispod vri-jednosti struje držanja.

Slika 2.30. Izmjeni ni strujno krug sa fototiristorom

Slika 2.31. Istosmjerni strujni krug sa fototiristorom

Da bi se fototiristor isklju io, u istosmjernom strujnom krugu mora se napon anode smanjiti na vrijednost nižu od napona držanja (slika 2.31). Spajanjem vanjskog otpora RG reda veli ine nekoliko desetaka kilooma izme u upravlja ke elektrode G2 i katode, regulira se osjetljivost fototiristora i sprije ava mogu asamopobuda zbog inverzne struje.

Fototiristor se uglavnom koristi u sklopovima energetske elektronike.

2.5. SUN ANE ELIJE

Sun eva svjetlost se u tehnologiji Sun eve energije koristi za dobivanje topline i elektri ne energije.

Sun ana elija je poluprovodni ka naprava za izravno pretvaranje sun eve energije ili druge svjetlosti u elektri nu energiju. Sun ana elija je izvor istosmjernog napona.

Proizvodi se od monokristalnog ili amorfnog silicija. Površina sun anih elija je velika kako bi se dobili što ve i napon i struja.

Sun ana elija se izvodi kao PN-dioda (slika 2.32). Djelovanjem Sun evog zra enja generiraju se parovi nosilaca naboja. Zbog elektri nog polja u osiromašenom podru ju, generirani parovi naboja se razdvajaju, slobodni elektroni kre u se u smjeru N-poluprovodnika, a šupljine u smjeru P-poluprovodnika. Na priklju cima PN-diode stvara se fotonapon, odnosno istosmjeni napon vrijednosti od 0,4 do 0,5 V.

Slika 2.32. Princip rada i simbol sun eve elije

Sun ana elija naziva se i fotonaponska (FN) elija. Spajanjem više sun anih elija dobiju se sun ane plo e(slika 2.33).

Slika 2.33. Paneli od sun evih elija

Serijskim povezivanjem više sun anih elija dobije se ve i napon, a paralelnim povezivanjem ve a struja. Sun ane plo e slažu se u kolektore. Dodavanjem pretvara a, regulatora i ostalih potrebnih komponenti dobije se fotonaponski sistem.



29

Ako se u vanjski krug tako izvedeno ga PN spoja pri-klju i potroša , kroz njega e te i struja (slika 2.34). Napon na potroša u i struja kroz njega ovise o osvjetljenosti. PN spoj izveden kao fotogenerator naziva se sun ana elija ili fotoelement (engl. solar cell, njem. Solarzelle, Fotoelernente).

Slika 2.34. Napajanje potroša a iz sun eve baterije

Kad su fotoelementi neosvjetljeni, potroša dobiva struju iz akumulatora. Kad su fotoelementi osvjetljeni, njihov napon napaja potroša i puni akumulator napona U. Dioda D sprije ava izbijanje akumulatora preko fotoelemenata za vrijeme dok je sun ana baterija neosvjetljena.

Sun eve elije imaju dug vijek trajanja (preko 30 godina), visoku efikasnost (karakteristi no za elije od monokristalnog silicija), veliku mehani ku otpornost i robusnost, jednostavnost instaliranja, ne emitiraju nikakva zra enja, ne proizvode nusprodukte, u radu ne troše nikakve tvari, nemaju pokretnih dijelova i ne zahtijevaju nikakvo gorivo.

Na slici 2.35 prikazan je primjer tranzistorske sklopke upravljane svjetlom s pomo u fotoelementa. Napon UBE

jednak je zbiru pada napona na otporu R2 i napona koji daje fotoelement UF:

F21

2CCBE U

RRR

UU

Otpori R1 i R2 tako su odabrani da je napon UBE<0,5 V dok je fotoelement neosvjetljen. U tom slu aju tranzistor je u zako enju. Kad se fotoelement osvjetli, napon UF i pad napona na R2 daju napon UBE>0,7 V što dovodi tranzistor u zasi enje.

Slika 2.35. Tranzistorska sklopka upravljana sun evom elijom

Nedostatak sun anih elija je nemogu nost funkcioni-ranja bez prisutnosti svjetlosti.

Sun ane elije koriste se za napajanje satova, kalkulatora, prometnih znakova na cestama, željezni kesignalizacije, parkirnih satova, telefona, pokretnih radijskih i televizijskih stanica, ure aj a za navigaciju, satelita, svemirskih stanica, itd.

Sun ani kolektori postavljaju se na krovove ku a i koriste se za zagrijavanje vode za potrebe ku anstava.

Na slici 2.36 dat je pregled karakteristika fotodetektora koje smo obradili u ovome poglavlju.



30

Slika 2.36. Pregled karakteristika fotodetektora



31

POLUPROVODNI KISVJETLOSNI IZVORI

Stup asti displej

3poglavlje

POLUPROVODNI KI SVJETLOSNI IZVORI


32

3. POLUPROVODNI KI SVJETLOSNI IZVORI

3.1. SVJETLE E – LED DIODE

Svjetle a – LED dioda je optoelektroni ki izvor koji pretvara elektri nu energiju u svjetlosnu.

Komercijalni naziv za takve svjetle e diode je LED (engl. light emitting diode). Svjetle a dioda je posebna vrsta poluprovodni ke diode koja emitira fotone svjetlosti kada je propusno polarizirana. Osobina emisije svjetlosti LED diode naziva se injektirana elektroluminiscencija. Ona se doga a kada se manjinski nosioci rekombiniraju s nosiocima suprotnog tipa u osiromašenom podru ju. Jakost elektromagnetskog zra enja proporcionalna je jakosti struje.

Slika 3.1 prikazuje simbol LED diode i njen pojednostavljeni presjek.

Slika 3.1. Pojednostavljeni presjek i simbol LED diode

Djelovanje LED diode pokazano je na slici 3.2. Dioda svjetli kad je propusno polarizirana. Otpornik R sprije ava porast struje kroz diodu iznad dopuštene vrijednosti. Kad je dioda nepropusno polarizirana ne svjetli i na njoj je napon priklju enog izvora (inverzni napon).

Slika 3.2. Direktni i inverzni spoj LED diode

Talasna dužina emitirane svjetlosti, odnosno boja svjetlosti, mijenja se zavisno o upotrijebljenom poluprovodni kom materijalu. Boja emitirane svjetlosti varira od infracrvenog preko vidljivog do ultraljubi astog dijela spektra. Izra uju se LED diode koje emitiraju crvenu, naran astu, žutu, zelenu, plavu ili bijelu svjetlost.

Tipi ni složeni poluprovodni ki materijal koji se koristi je GaAs1-xPx (gallijev arsenid fosfid), gdje x predstavlja omjer fosfora i arsena, o emu ovisi talasna dužina emitirane svjetlosti.

Tabela 3.1. Materijali za LED diode

Tabela 3.1 prikazuje tipi ne poluprovodni ke materijale za LED diode, za odre ene talasne dužine svjetlosti, kao i propusni napon na diodi pri struji 20mA.

Kao što smo rekli za izradu LED dioda primjenjuju se spojevi galija s arsenom i fosforom. Zavisno o sastavu, LED diode mogu dati infracrveno, crveno, žuto, zeleno ili plavo svjetlo odgovaraju ih strujo-naponskih karaktristika (slike 3.3 i 3.4)

Slika 3.3. Strujno naponska karakteristika LED diode

Slika 3.4. Relativna spektralna emisija LED diode



33

Najjednostavnija izvedba LED diode je njezina upotreba kao žarulje ili indikatora. Osim toga, LED diode upotrebljavaju se kao signalni i kontrolni elementi te izvori svjetlosti u razli itim ure ajima. U usporedbi sa žaruljicama znatno su boljih svojstava, posebno s obzirom na vijek trajanja, mogu nost rada s malim naponima, mali utrošak snage i otpornost na udare i vibracije. Nedostatak im je mali dopušteni inverzni napon, svega nekoliko V.

Osnovna izvedba LED diode indikatora sastoji se od kristala, izvoda s ku ištem gdje je smješten kristal i epoksi-ku išta koje sve drži zajedno, štiti kristal i fokusira svjetlost (slika 3.5). Udubljenje u kojem se nalazi kristal oblikovano je tako da svjetlost fokusira prema naprijed. Svjetlost diode ne vidi se iz svih smjerova podjednakom jakoš u.

Slika 3.5. Ku išta LED diode

Slika 3.6. Svjetiljka sa svjetle im diodama

Važnije veli ine LED diode su:

- jakost emitirane svjetlosti kod odre ene struje propusne polarizacije. Slika 3.7 prikazuje relativnu zavisnost jakosti svjetlosti o struji LED diode;

- talasna dužina zra ene svjetlosti pri maksimalnom zra enju;

- spektralna širina zra enja, pri kojoj je zra enje jednako polovini maksimalnog. Slika 3.8 prikazuje relativnu jakost zra enja zavisno o talasnoj dužini svjetlosti;

- ugao zra enja pri kojem je zra enje jednako polovini maksimalnog, a ovisi o tipu ku išta. Slika 3.9 prikazuje karakteristiku usmjerenosti za jednu svjetle u diodu, koja daje zavisnost jakosti zra enja o kutu. U primjeru je ugao zra enja 15°.

Propusna strujno-naponska karakteristika LED diode sli na je karakteristici PN-diode, pri emu napon praga otvaranja ima vrijednost od 1,5 do 3,5 V, zavisno o tipu.

O ekivani vijek trajanja (MTBF - srednje vrijeme otkaza) LED diode kre e se u rasponu od 100.000 do preko 1.000.000 sati. Pritom se smatra da je LED dioda završila svoj vijek upotrebe kada zra enje svjetlosti padne na polovicu prvobitnog zra enja. Vijek trajanja diode ovisi o materijalu, struji vo enja, temperaturi i vlazi.

Slika 3.7. Relativna zavisnost ja ine svjetlosti od struje

Slika 3.8. Relativna jakost zra enja od talasne dužine zra ene svjetlosti

Slika 3.9. Usmjerena karakteristika LED diode

3.1.1. 7-segmentni displej

Tipi na primjena LED diode je u 7-segmentnom displeju gdje je integrirano 7 LED dioda za prikaz broj/znamenke i jedna dioda za prikaz decimalne to ke.

7-segmentni pokaznici (engl. 7-segment indicator, 7-se-gment display, njem. Siebensegmentanzeige) izra eni su od sedam LED segmenata. Prema tome koji su segmenti aktivirani, na displeju se dobije jedan od



34

brojeva decimalnoga brojnog sistema (slika 3.10). Primjenjuju se za pra enje stanja digitalnih sklopova (brojila, registara i drugih). Kao svjetle i segmenti vrlo esto se koriste LED diode.

Slika 3.10. 7-segmentni displej

Prema slici 3.10 u ku ištu su katode spojene zajedno, a na anode dolazi signal. Tako er postoji spoj gdje su anode spojene zajedno. Zavisno o signalu koji dolazi na pojedine anode, LED diode na displeju prikazuju se kao odre ena znamenka.

7-segmentni displej mogu e je izvesti upotrebom pojedina nih dioda. Serijskim spajanjem dviju ili više dioda ujedan segment mogu se dobiti pokaznici potrebnih dimenzija. Kod 7-segmentnog displeja sa svjetle im diodama diode mogu biti spojene na dva na ina (slika 3.11).

Slika 3.11. na in spajanja 7-segmentnog displeja

Za displej u kojem su katode spojene na zajedni ku to ku (engl. common-cathode type, njem. gemeinsame Katodenanschluss), pojedini segmenti na ulazima a-g aktiviraju se naponom iznosa UCC. Zajedni ka elektroda, tj. katoda spaja se na uzemljenu to ku (minus pol izvora napajanja). Napon UCC na ulazima a-g tjera struju kroz diode prema uzemljenoj to ki i te diode svjetle.

Kod displeja u spoju zajedni ke anode (engl. common-anode type, njem. gemeinsame Anodenanschluss) segmenti na ulazima a-g aktiviraju se naponom 0V. Zajedni ka elektroda, tj. anoda spaja se na napon napajanja. Napon napajanja tjera struju kroz one diode ije su katode na potencijalu 0V i te diode svjetle.

LED diode koriste se kao indikatori stanja na instrumentima, pokaziva i u automobilima, daljinskim upravlja ima, a u novije doba upotreba LED diode proširila se na baterijske svjetiljke, svjetla na automobilima, prometne znakove, ku ne žarulje, mobitele i drugo.

Jedna od važnih primjena LED dioda je u opti kim telekomunikacijama, gdje LED dioda služi kao izvor svjetlosti za prenos signala svjetlovodom.

Slika 3.12. Primjeri izvedbe 7-segmentnog displeja

3.1.2. Stup ani diplej

Stup ani displej (engl. bargraph display) sastoji se od segmenata (LED dioda) koji su postavljeni jedan iznad drugoga. Zavisno o vrijednosti priklju enoga napona svjetli ve i ili manji broj segmenata ime slikovito pokazuje promjene napona na nekoj mjernoj to ki. Na slici 3.13 to je izmjeni ni sinusoidni napon niske frekvencije.

Signal se na stup ani displej priklju uje preko dekodera BGD (slika 13.14) koji se sastoji iz onoliko komparatora koliko segmenata ima displej. Na neinvertiraju e ulaze komparatora dovodi se referentni napon Uref preko otpornoga djelitelja, a na neinvertiraju e ulaze izravno napon koji se promatra.

Komparatori kojima je napon na neivertiraju em ulazu ve i od napona na invertiraju em ulazu (referentni napon) daju na izlazu napon koji aktivira pripadne segmente.



35

Slika 3.13. Djelovanje stup anog displeja

Slika 3.14. Dekoder za stup ani displej

Slika 3.15. Primjeri izvedbi stup anog displeja

3.2. LASERSKA DIODA

Laserska dioda je posebno projektirana PN-dioda. koja polarizaciji generira koherentnu svjetlost vrlo uske širine spektra.

Svjetlost koju emitira laserska dioda je monohromatska, tj. samo jedne talasne dužine i usmjerena je u uskom snopu. Snop je koherentan, što zna i da su elektromagnetski talasi me usobno u istoj fazi i šire se istom brzinom.

Rije laser je kratica od engleskog naziva light amplification by stimulated emission of radiation.

Spojimo li lasersku diodu na izvor napajanja tako da je propusno polarizirana (pozitivni pol na P-, a negativni pol na N-stranu), šupljine iz P-podru ja i elektroni iz N-podru ja bit e injektirani u PN-prijelaz.

Elektroni i šupljine rekombiniraju se uz emisiju fotona (spontana emisija). Dolazi do stvaranja fotonske lavine jer svaki ovako stvoreni foton uzrokuje stvaranje slijede ih koji imaju iste opti ke osobine (istu fre-kvenciju, smjer, stanje polarizacije), pa dolazi do pojave tzv. stimulirane emisije. Fotoni koji dolaze do lijevog kraja poluprovodni kog kristala prikazanog na slici 3.15 odbijaju se od ogledala nazad u kristal. Kada fotoni do u do ogledala na desnom kraju kristala, dio napušta kristal kroz emitiraju i otvor kao jak snop



36

svjetlosti, a dio se reflektira nazad i poti e nastanak novih fotona.

Slika 3.15. Gra a i simbol laserske diode

Kao što vidomo laserske diode se sastoje od PN spojeva složenih struktura. Za izradu se primjenjuju kombinacije poluprovodni kih materijala kao što su galij, arsen, indij i aluminij. Izvori laserskog tipa emitiraju uski snop koherentne svjetlosti modulacijske frekvencije od nekoliko stotina MHz (za LED diode nekoliko desetaka MHz).

Postoje tri tipa poluprovodni kih lasera:

- monoprijelazni laser, - jednostruki heterostrukturni i - dvostruki heterostrukturni laser.

Na slici 3.16 prikazana je gra a jednostruke heterostrukturne laserske diode.

Slika 3.16. Gra a heterostrukturnog lasera

Slika 3.17. Nastajanje laserske svjetlosti

Otpušteni fotoni osloba aju sve ve i broj drugih fotona iste talasne dužine i frekvencije. Fotoni udaraju okomito na "poliranu" reflektiraju u površinu i kre u se duž osi-romašenoga podru ja prema djelomi no reflektiraju oj površini. Tako nastaje laserska svjetlost (slika 3.17).

Pove anjem broja struktura unutar laserske konfiguracije poboljšavaju se osobine laserske diode, tj. pove ava se indeks loma i izlazna snaga. Dijagram sa slike 3.18 pokazuje zavisnost izlazne snage o struji dvostrukoga heterostrukturnog lasera i LED diode.

Slika 3.18. Pore enje karakteristika LED diode i lasera

Korištenjem razli itih tipova poluprovodni kih materijala može se dobiti svjetlost razli itog (veoma uskog) opsega frekvencija. Me utim, stvarna frekvencija svjetlosti koju laser zra i odre ena je veli inom opti kog rezonatora, tj. razmakom izme u ogledala na krajevima postavljenih okomito na PN-spoj.

Izra uju se poluprovodni ki laseri vrlo složene poluprovodni ke strukture. Npr. složena struktura na bazi galijeva arsenida daje svjetlost talasne dužine 750 do 900 nm, a indijev galijev arsenid fosfid daje svjetlost talasne dužine 1200 do 1 700 nm.

Oblik ku išta laserske diode zavisi o primjeni. Sva ku išta imaju prozirni otvor za lasersku svjetlost. Slika 3.19 i 3.20 prikazuje presjek jednog ku išta i izvedbu.

Slika 3.19. Presjek ku išta laserske diode

Slika 3.20. Primjer izvedbe laserske diode



37

Laserske diode postale su gotovo najvažniji proizvod optoelektroni ke industrije. Prednosti laserske diode su mnogostruke, naime, to je monohromatski, koherentni izvor svjetlosti. Laserska dioda je lagana, dugog životnog vijeka te male potrošnje elektri ne energije. Osim toga, što je vrlo važno u komunikacijama, može se izravno modulirati, i to vrlo visokim frekvencijama, jer je talas nosilac oko 500 THz.

Upotrebljavaju se u lokalnim telekomunikacijskim sistemima, zemaljskom interkontinentalnom prenosu podataka, lokalnim (ra unalnim) mrežama (local area network, LAN), modernim upravlja kim sistemima, u avionima i drugim vozilima te u suvremenim sistemima za prenos videosignala.

Koriste se i u audiovizualnoj tehnici za proizvodnju kompaktnih diskova (CD-a i CD-RlRW-a) i DVD ure aja. Veliku primjenu imaju li mjernoj i kontrolnoj tehnici te u medicini.

3.3. OPTOKAPLERI

Fotovezni elementi (engl. optocoupler, optically-coupled-isolator, njem. optoelektronische Koppel-elemente, Optokoppler) kombinacija su svjetlosnoga izvora (LED dioda) i fotodetektora (naj eš e fotodioda, ili fototranzistor) u jednome ku ištu.

Primjenjuju se kad je u nekom ure aju potrebno galvanski odvojiti dva strujna kruga. U tu svrhu optokapleri sve više potiskuju primjenu transformatora i relea. Dobre osobine optokaplera jesu vrlo veliki otpor izme u ulaznoga i izlaznoga kruga, frekvencijsko podru je rada do nekoliko stotina kHz, nema mehani kih kontakata, male dimenzije, otpornost na udare i vibracije, vrlo dugi vijek trajanja, mogu nostizravnoga spoja s integriranim digitalnim sklopovima, visoki izolacijski napon izme u ulaznoga i izlaznoga dijela. Primjenjuju se za nadzor visokonaponskih izvora napajanja, u sklopovima za prijelaz s integriranih digitalnih na druge sklopove, za nadzor brzine vrtnie itd.

Osnovna namjena optokaplera je galvanski odvojiti jedan strujni krug od drugog. Poluprovodni ki svjetlosni izvor obi no je GaAs infracrvena LED dio da, a fotodetektor je naj eš e fotodioda ili fototranzistor. Izra uju se optokapleri kojima je fotodetektor tiristor, trijak, MOSFET i CMOS, zavisno o primjeni.

Kad je ulazni napon O V, LED dioda optokaplera je inverzno polarizirana i ne osvjetljava fototranzistor.

Tranzistor je u zako enju pa je napon UCE prakti no jednak naponu napajanja tranzistorske sklopke. Kad ulazni napon dostigne vrijednost koja propusno polarizira svjetle u diodu optokaplera, ona osvjetljava fototranzistor. Tranzistorom te e struja kolektora IC, a napon UCE je mali (tranzistor u zasi enju).

Slika 3.22 prikazuje optokapler sa svjetle om diodom i fototranzistorom u jednom ku ištu.

Slika 3.21. Djelovanje optokaplera

Slika 3.22. Optokapler sa svjetle om diodom i tranzistorom

Dovo enjem elektri nog signala na ulaz, LED dioda pretvara elektri ni signal u svjetlosni - emitira svjetlost. Svjetlost pada na bazu tranzistora koji svjetlosni signal pretvara u elektri ni.

Slika 3.23. Odnos struje kolektora i struje LED diode



38

Fototranzistor pod djelovanjem svjetlosti odlazi u stanje zasi enja, a vrijednost kolektorske struje ovisi o ulaznoj struji ID kroz svjetle u diodu (slika 3.23). Kada isklju imo struju kroz svjetle u diodu, ona prestaje svjetliti i izlazni fototranzistor odlazi u stanje zako enja. Prema tome, optokapler prenosi digitalni signal.

Za upotrebu optokaplera, osim ve spomenutih podataka za LED diode i fototranzistore, zna ajanpodatak je izolacijski napon (engl. isolation voltage, njem. Isolationsspannung). To je najve a dopuštena razlika napona izme u ulaznoga i izlaznoga dijela optokaplera. Kre e se u rasponu od 0,5 pa do nekoliko kV.

Svjetlosni izvor i fotodetektor integrirani su u istom neprozirnom ku ištu koje ima tipi no 6 (slika 3.24) ili 8 izvoda za dvostruki optokapler. Svjetlosni izvor i fotodetektor odvojeni su prozirnim izolatorom koji onemogu ava protiecanje bilo kakve struje izme u njih. Optokapler mora izdržati ispitni napon izme u predajne i prijemne strane od 500 do 7500 V, zavisno o tipu.

Slika 3.24. Ku išta optokaplera

Optokapleri su malih dimenzija, bez mehani kih dijelova, imaju veliku brzinu rada te dug vijek trajanja.

Važniji parametri optokaplera su:

- istosmjema struja LED diode, - maksimalni zaporni napon LED diode, - probojni napon fototranzistora, - maksimalna kolektorska struja fototranzistora, - izolacijski ispitni napon i - omjer struje kolektora tranzistora i struje

diode, IC/ID (slika 3.23).

Proizvo a daje izlaznu karakteristiku tranzistora kojem je parametar struja diode umjesto struje baze (slika 3.25) i zavisnost omjera struje kolektora i struje diode (slika 3.23).

Npr. odaberemo li struju kroz ulaznu svjetle u diodu ID=2mA, u to ki A na slici 3.23, o itamo da je IC/ID=50%, uz UCE=5V. Iz toga proizlazi da je maksimalna kolektorska struja izlaznog tranzistora IC=1mA.

Slika 3.25. Izlazna karakteristika optokaplera TLP733

Slika 3.26 prikazuje primjer strujnog kruga s optokaplerom kakav se koristi u telekomunikacijama.

Uz pozitivan impuls na ulazu, koji se invertira, LED dioda provede struju i emitira svjetlost koja pada na bazu fototranzistora. Tranzistor provede struju i odlazi u stanje zasi enja. Na otporniku R1 je pozitivni impuls amplitude približno UCC2. Izlazni impuls odgovara ulaznom impulsu, a ostvareno je galvansko odvajanje predajnog i prijemnog strujnog kruga, pri emu su izvori napajanja UCC1 i UCC2 dva nezavisna naponska izvora.

Slika 3.26. Strujni krug sa optokaplerom

Optokapleri se koriste u proizvodnji razli itih ure aja, od ku anskih aparata i automobila, u komunikacijama, daljinskim vezama i upravljanje te LAN mrežama, pa sve do mikroprocesora, pulsno-širinskih energetskih pretvara a, brojila okretaja motora, itd.



39

Slika 3.27. Osnovne izvedbe optokaplera



40

Slika 3.28. Posebne izvedbe optokaplera

3.4. LABORATORIJSKE VJEŽBE IZ OPTOELEKTRONIKE

Vježba I: Osnovne osobine fotoodiode

Prou iti tvorni ke podatke fotodiode BPW43. Navedite talasnu dužinu najve e osjetljivosti i dopuštene vrijednosti inverznoga napona i utroška snage.

Za fotodiodu BPW43, a prema slici 3.29 izmjeriti:

a) Otpor propusno polarizirane fotodiode u osvjetljenom i neosvjetljenom stanju.

b) Otpor inverzno polarizirane fotodiode u osvjetljenom i neosvjetljenom stanju.

c) Na osvjetljenu fotodiodu priklju iti otpornik R prema slici. Izmjerite jakost struje koja te estrujnim krugom i napon na otporniku za vri-jednosti R: 10k , 4,7k i 1k .

d) Rezultate mjerenja prikazati tabelom. e) Kako se u ovom slu aju ponaša dioda?

Slika 3.29. Mjerenje struje i napona na fotodiodi

Vježba II: Uklju ivanje tranzistorske sklopke pomo u fotodiode

Spojite elektronski sklop prema slici 3.30 a zatim:

a) Izmjerite napone UBE i UCE, te struje IB i IC kad je fotodioda osvjetljena i kad je neosvjetljena. Rezultate mjerenja prikažite tabelom.

b) U kojem se slu aju tranzistor može smatrati uklju enom, a u kojem slu aju isklju enom sklop-kom?



41

Slika 3.30. Uklju ivanje sklopke fotodiodom

Vježba III: Fototranzistor kao sklopka

Prou iti tvorni ke podatke fototranzistora BPW40. Navedite talasnu dužinu najve e osjetljivosti i dopuštene vrijednosti napona UCE i struje kolektora IC.

Spojite elektronsku šemu prema slici 3.31 a zatim:

Slika 3.31. Tranzistor kao sklopka

a) Izmjerite struje lC i napon UCE kad je foto-tranzistor osvjetljen i kad je neosvjetljen. Rezultate mjerenja prikažite tabelom.

b) Kada se fototranzistor može smatrati uklju enom, a kada isklju enom sklopkom?

Vježba IV: LED diode

Slika 3.32. Indikacija izlaza tranzistorke sklopke

Prou iti tvomi ke podatke LED diode LR5420. Navedite iznose uobi ajenih vrijednosti za dopušteni iznos inverznoga napona i struje pri propusnoj polarizaciji, vrijednosti utroška snage, te pada napona na diodi pri propusnoj polarizaciji i talasnu dužinu za svjetlost pri najve oj emisiji.


a) Izra unajte približan iznos jakosti struje kroz svjetle u diodu kad je na ulazu tranzistorske sklopke 0V i 5V.

Vježba V: Osobine LED diode


Slika 3.33. Propusno polarizirana LED dioda

a) Izmjerite struju kroz svjetle u diodu, napon na diodi i otporniku R. Rezultate mjerenja prikažite tabelom.

b) Za spoj diode prema slici 3.34 izmjerite struju kroz svjetle u diodu, napon na diodi i otporniku R. Rezultate mjerenja pri kažite tabelom.

Slika 3.34. Nepropusno polarizirana LED dioda

Vježba VI: Indikacija stanja tranzistorske sklopke svjetle om

diodom

a) Izmjerite jakost struje kroz svjetle u diodu i pado-ve napona na svjetle oj diodi, otporniku 150 i tranzistoru (slika 3.32) kad je ulazni napon sklopke 0V.

b) Izmjerite jakost struje kroz svjetle u diodu i padove napona na svjetle oj diodi, otporniku 150 i tranzistoru kad je ulazni napon sklopke 5V.

Vježba VII: Optokapleri

Prenosna karakteristika

Prou ite tvorni ke podatke optokaplera 4N25. Navedite iznose karakteristi nih podataka za izolacijski napon, dopuštenu struju propusne polarizacije, dopušteni inverzni napon i dopušteni utrošak snage svijetle e diode, dopušteni napon UCE, dopuštenu struju kolektora i dopušteni utrošak snage fototranzistora.




42

Slika 3.35. Snimanje prenosne karakteristike optokaplera

a) Snimite prenosnu karakteristiku optokaplera. Rezultate mjerenja prikažite tabelom.

b) Na temelju izmjerenih vrijednosti nacrtajte prenosnu karakteristiku optokaplera.

Dinami ke osobine optokaplera


Slika 3.36. Ispitivanje karakteristika optokaplera

a) Na ulaz sklopa prema priklju ite izvor pravougaonih impulsa frekvencije 1kHz i amplitude 5V. Osciloskopom ustanovite oblike ulaznoga i izlaznoga napona.

b) Ustanovite utjecaj promjene frekvencije ulaznoga napona na oblik izlaznoga napona.

POVRATNA SPREGA

KOD POJA AVA A

Na ini izvo enja povratne sprege

4poglavlje

POVRATNA SPREGA KOD POJA AVA A


44

4. POVRATNA SPREGA KOD POJA AVA A

Povratna sprega kod poja ava a sastoji se u tome, što se dio izlaznog napona ili dio izlazne struje vra a na ulaz poja ava a. Ova povratna sprega može biti slu ajna i nepoželjna, ili se može namjerno izvesti. Slu ajno povratna sprega može biti preko povratnih parametara poja ava kih elemenata (npr. h12, y12), preko zajedni kih vodova za više poja iva kih stepeni, preko unutrašnjeg otpora izvora za napajanje, preko parazitnih kapaciteta.

Povratna sprega kod poja ava a uti e na poja anje, tako da ono može biti ve e ili manje od poja anja poja ava a bez povratne sprege. Uslijed povratne sprege propusni opseg poja ava a može da se pove aili smanji. Izobli enja koja se stvaraju u poja ava umogu se tako e smanjiti ili pove ati povratnom spregom. Zbog smanjenja izobli enja povratna sprega se namjerno izvodi kod poja ava a. Ukoliko je povratna sprega dovoljno jaka, a fazni stav vra enog signala takav da poja ava sam sebe pobu uje, poja ava se pretvara u generator koji daje signal na izlazu poja ava a i ako na ulaz ne dovodimo spolja signal. Ovakav poja ava koji sam sebe pobu uje nazivamo oscilatorom.

Sa povratnom spregom ve smo se sretali. Prvom prilikom kada smo govorili o stabilizaciji radne ta ke, a drugom kada smo analizirali poja anje na visokim frekvecijama.

4.1. PRINCIP POVRATNE SPREGE

Kao što smo rekli, princip povratne sprege se sastoji u tome da se sa izlaza vra a dio napona ili struje na ulaz. Na slici 4.1. je pokazana blok šema poja ava a sa povratnom spregom.

Slika 4.1. Princip povratne sprege

Poja ava prenosi i poja ava signal sa ulaza na izlaz. Obilježimo signal na ulazu u poja ava sa X, na izlazu poja ava a sa Xo, a na ulazu poja ava a zajedno sa povratnom spregom sa Xi. Na ulazu kola povratne sprege imamo izlazni signal iz poja ava a Xo, a na izlazu kola preko koga se ostvaruje povratna sprega signala jeXr. Kolo povratne sprege na ulaz poja ava aje priklju eno tako da je:

ri XXX

Dakle, signal na ulazu poja ava a jednak je zbiru ulaznog i vra enog signala.

Prenosna funkcija poja ava a je:

XX

A o

U zavisnosti od toga šta je ulazni i šta izlazni signal (napon ili struja) prenosna funkcija A može biti: poja anje napona Au, poja anje struje Ai, prenosni otpor Rm ili prenosna provodnost Gm.

Prenosnu funkciju povratnog kola:

o

r

XX

nazivamo koeficijent povratne sprege. U zavisnosti od toga šta je Xo i Xr, ona je: odnos dva napona (slabljenja napona) odnos struja (slabljenje struje), povratni otpor ili povratna provodnost.

Prenosna funkcija poja ava a sa povratnom spregom je:

i

or X

XA

Uzevši u obzir prethodne jedna ine može se napisati:

A1A

A r

U opštem slu aju prenosna funkcija ne mora biti realna. Ona može biti vrlo složena funkcija, naro ito, ako je poja ava složen, ako se sastoji iz više poja ava kih stepeni. Me utim, da bi uprostili analizu i bolje shvatili suštinu povratne sprege analizirati emo povratnu spregu u podru ju srednjih frekvencija u kom je poja anje realna veli ina sa znakom + ako je izlazni signal u fazi sa ulaznim, odnosno se znakom - , ako je izlazni pomjeren za 180 u odnosu na ulazni. Isto tako emo smatrati da je i realna veli ina sa znakom + ako

su u povratnom kolu ne mijenja faza, a sa znakom -, ako se faza mijenja za 180 . Osim toga, ograni i emose na analizu kola kod kojih možemo smatrati da se kroz poja ava signal prenosi samo od ulaza ka izlazu, a kroz kolo povratne sprege samo od izlaza na ulaz poja ava a. Pretpostavi emo još da faktor povratne sprege ne zavisi od otpora generatora i potroša a.

Analizom poslijednje jedna ine se vidi da poja anje poja ava a sa povratnom spregom zavisi od proizvoga A. Ovaj proizvod nazivamo kružnim poja anjem

poja ava a. Otka imo na ulazu povratnu spregu, i izra unajmo poja anje od ulaza poja ava do izlaza iz kola povratne sprege.



45

AX

XXX

XX o

o

rr

Budu i da je izlaz kola povratne sprege vezan za ulaz poja ava a i na taj na in na injen zatvoren krug, to se proizvod poja anja A naziva: kružno poja anje.

0< A<1 Uzmimo sada da je A veli ina ve a od nule - pozitivna veli ina, ali manja od jedinice. Tada je imenitelj na desnoj strani jedna ine za poja anje kola sa reakcijom Ar, manji od jedinice, pa je poja anje sa povratnom spregom ve a od poja anja poja ava a bez povratne sprege. U tom slu aju vra eni signal sa izlaza ima ve ufazu kao i ulazni signal, pa je signal na samom ulazu u poja ava pove an, što dovodi do pove anja i izlaznog napona.

Povratnu spregu kod koje je A pozitivno i vra enisignal pozitivan nazivamo pozitivnom povratnom spregom. Ukoliko je kružno poja anje ve e, toliko je poja anje sa povratnom spregom Ar ve e. Najve epoja anje e se imati kada je kružno poja anje Ajednako jedinici. Tada je imenitelj u jedna ini za Ar

jednak nuli, pa je poja anje Ar beskona no veliko. To zna i da ulazni signal može biti jednak nuli, a da ipak, na izlazu postoji signal. Drugim rije ima, poja avasam sebe pobu uje, te se pretvara u oscilator.

A>1 Za A>1, poja anje sa povratnom spregom je suprotnog znaka od poja anja poja ava a bez povratne sprege, što zna i da izlazni napon promjeni fazu za radijana. Fizi ki to nema smisla. Da bismo vidjeli šta e tada da se desi po nimo ponovo da pove avamo

povratnu spregu polaze i od A =0. Odražavamo pri tome konstantan dovedeni ulazni signal. Pove avaju iA, odnosno pove avaju i vra eni signal, sve je ve i

signal na ulazu poja ava a A pa e biti ve i signal i na izlazu. Rastu i, amplituda izlaznog signala e dosti iveli inu napona napajanja, pa daljim pove anjem povratne sprege tj. pove anjem vra enog signala, izlazni signal se ne može pove avati.

To zna i, da e se efektivno poja anje poja ava asmanjiti. Aeff je manje od A uslijed nelinearnosti prenosne karakteristike poja ava a. Prema tome, pove anje faktora povratne sprege dovodi do smanjenja poja anja A, tako da A ne može biti ve aod 1.

FA1

Veli inu F nazivamo funkcijom povratne sprege. Kod pozitivne povratne sprege, funkcija povratne sprege F je manja od jedinice. Kada je funkcija povratne sprege jednaka nuli, poja ava se pretvara u oscilator.

Drugi slu aj povratne sprege emo imati kada je vra eni signal sa izlaza na ulaz poja ava a negativan, tako da je ukupna veli ina signala na ulazu poja ava asa povratnom spregom manja od privedenog signala koji želimo poja ati. U tom slu aju kružno poja anje je negativno, pa se dodaje jedinici u imenitelju jedna ine

za Ar, odnosno funkcija povratne sprege je ve a od jedinice, pa je poja anje poja ava a sa povratnom spregom manje od poja anja bez povratne sprege. Ukoliko je takva povratna sprega ja a, tj. ukoliko je –A, ve e, utoliko je poja anje sa povratnom spregom

manje. Ovu vrstu povratne sprege koja smanjuje poja anje nazivamo negativnom povratnom spregom.

Signal sa izlaza koji se uzima radi povratne sprege može biti proporcionalan naponu. U tom slu aju se ulaz kola za poratnu spregu priklju uje paralelno potroša u. Takvu povratnu spregu nazivamo naponskom ili paralelnom povratnom spregom.

Izlazni signal koji se uzima za povratnu spregu može biti proporcionalan izlaznoj struji. Tada se ulaz povratnog kola vezuje na red sa potroša em. Takvu spregu nazivamo strujnom, rednom ili serijskom povratnom spregom.

Izlaz iz kola povratne sprege može se tako e na dva na ina priklju iti na ulaz poja ava a. U seriju sa generatorom, te se na ulaz u poja ava naponi generatora i naponi povratne sprege sabiraju. Tada kažemo da se povratna sprega dovodi serijski ili naponski.

Kada izlaz iz kola povratne sprege dovodimo paralelno ulazu poja ava a, tako da se struje sabiraju, govorimo o paralelno ili strujno vra enom signalu.

Prema tome, po na inu uzimanja i dovo enjupovratnog signala, povratnu spregu možemo podijeliti na etiri vrste:

1. Naponsko-serijska ili naponsko-naponska ili paralelno-serijska povratna sprega (slika 4.2a). Kod nje se uzima signal paralelno izlazu, tako da je proporcionalan izlaznom naponu, a na ulaz se dovodi serijski sa generatorom, tako da se naponi na ulazu poja ava a sabiraju (napon generatora i vra eni dio izlaznog napona).

2. Naponsko-paralelna ili naponsko-strujna ili paralelno-paralelna (slika 4.2b). Kod ove vrste sprege, povratni signal je struja proporcionalna izlaznom naponu i dovodi se paralelno ulazu, pa se struje generatora i povratne sprege sabiraju.

3. Strujno-serijska ili strujno-naponska ili strujno-povratna sprega (slika 4.2c). Povratno kolo je na izlazu priklju eno serijski sa potroša em pa je vra eni signal proporcionalan izlaznoj struji, a signal iz kola povratne sprege vezuje se u seriju sa generatorom, pa se naponi generatora i naponi iz kola povratne sprege sabiraju.

4. Strujno-paralelna ili strujno-strujna ili serijsko-paralelna povratna sprega (slika 4.2d). Povratni signal je struja, proporcionalna izlaznoj struji. Izlaz poja ava a je vezan redno sa ulazom kola za povratnu spregu, a vra eni signal se dovodi paralelno ulazu poja ava a, te se struja generatora i vra ena struja na ulazu sabiraju.



46

Slika 4.2. Na ini izvo enja povratne sprege: a) naponsko-serijska, b) naponsko-paralelna, c) strujno-

serijska i d) strujno-paralelna povratna sprega

U daljoj analizi zadrža emo samo prve nazive povratne sprege: naponsko-serijska, naponsko-paralelna, strujno-serijska i strujno-paralelna. Ovi nazivi su najpogodniji, jer se najlakše pamte i najbolje odražavaju karakteristike poja ava a. Prva rije govori o tome šta se stabiliše kod poja ava a, a druga kakvo je stanje na ulazu poja ava a.

4.2. UTICAJ NA STABILNOST POJA ANJA

U prethodnom poglavlju smo pokazali da se poja anjesa povratnom spregom mijenja. Ako je povratna sprega pozitivna poja anje se pove ava, a ako je negativna smanjuje.

Samo poja anje poja ava a bez povratne sprege zavisi od temperature, napona izvora za napajanje, od poja ava kih elemenata koje smo stavili (pri proizvodnji ili popravci poja ava a), a ako je poja ava izveden u integrisanoj tehnici, poja anje poja ava a ne e biti isto za sva na injena kola uslijed tolerancije parametara nastalih tokom proizvodnje.

Pretpostavimo da je faktor povratne sprege konstantan i nezavisan od svih navedenih uzroka promjene poja anja i na imo kako povratna sprega uti e na stabilnost poja anja poja ava a (izražen kao odnos dAr/Ar). Da bismo našli relativnu promjenu

poja anja sa povratnom spregom u zavisnosti od relativne promjene poja anja poja ava a bez povratne sprege, primjenimo diferencijalni ra un na izraz za Ar.Odgovaraju i izraz je sada:

AdA

F1

AdA

A11

AdA

r

r

Dakle, promjena poja anja poja ava a sa povratnom spregom razlikuje se od promjene poja anja poja ava a bez povratne sprege za 1/F puta.

Ako je povratna sprega pozitivna F je manje od jedinice, pa povratna sprega pogoršava stabilnost poja ava a. Kod negativne povratne sprege F je ve eod jedinice, pa povratna sprega poboljšava stabilnost poja ava a jer su promjene poja anja sa povratnom spregom F puta manje.

Da bi pokazali koliko negativna povratna sprega stabiliše poja anje uzimamo da je kružno poja anje negativno (negativna povratna sprega) i da je – A>>1.Tada u izrazu 1- A broj jedan možemo zanemariti, pa je kod takvog poja anja sa negativnom povratnom spregom

1A r

Kako može biti stabilno, ako kolo povratne sprege ostvarimo pomo u otpora, to poja anje poja ava a sa povratnom spregom sve dok je – A>>1 ne zavisi od promjene poja anja A.

4.3. UTICAJ NA GRANI NEFREKVENCIJE I ŠIRINU PROPUSNOG OPSEGA

Vidjeli smo da e poja anje poja ava a sa povratnom spregom Ar biti nezavisno od promjene poja anja poja ava a A sve dotle dok je – A mnogo ve a od jedinice (negativna povratna sprege). Iznad gornje i ispod donje grani ne frekvencije poja anje poja ava aopada, ali to se na poja anje sa povratnom spregom ne e odraziti sve dotle dok se – A ne približi jedinici. Prema tome, negativnom povratnom spregom gornja grani na frekvencija se pomijera na više, a donja snižava, te se propusni opseg smanjuje. Ovo emo pokazati na jednostavnom primjeru.

Uzmimo jednostepeni poja ava sa kapacitivnom spregom koji ima gornju grani nu frekvenciju fv i donju fn. Poja anje takvog poja ava a na visokim frekvencijama je:

v

sv

ff

j1

AA ,

gdje je: Av poja anje na visokim frekvencijama, As poja anje na srednjim frekvencijama, fv gornja grani na frekvencija



47

Uvrštavanjem u gornju jedna inu, dobijamo da je poja anje na visokim frekvencijama poja ava a sa povratnom spregom:

vr

sr

vs

sr

v

vr

ff

j1

A

fA1f

j1

AA1

AA

gdje je:

vvsvr FffA1f )( - gornja grani na frekvencija

poja ava a sa povratnom spregom.

Prema tome, gornja grani na frekvencija poja ava a sa povratnom spregom je F puta ve a od gornje grani nefrekvencije istsog poja ava a bez povratne sprege. Ukoliko je F ve e od jedinice fvr e biti ve e od fv, a ukoliko je manje, grani na frekvencija sa povratnom spregom e biti manja od grani ne frekvencije poja ava a bez povratne sprege.

Dakle, pozitivna povratna sprega smanjuje, a negativna pove ava gornju grani nu frekvenciju, kako je prikazano na slici 4.3.

Slika 4.3 – Uticaj povratne sprege na frekventnu arakteristiku poja ava a (poja anje, širinu propusnog opsega, donju i

gornju grani nu frekvenciju)

Poja anje jednostepenog poja ava a na niskim frekvencijama sa kapacitivnom spregom, uzevši u obzir samo uticaj kapaciteta za spregu je:

ff

j1

AA

n

sn

Ponovnim uvrštavanjem dobijamo:

ff

j1

A

A1f

f1

j1

AA1

AA

nr

sr

s

n

sr

n

nnr

gdje je:

Ff

A1f

f n

s

nnr - donja grani na frekvencija

poja ava a sa povratnom spregom.

Pozitivnom povratnom spregom (F<1) donja grani nafrekvencija se pove ava, a negativnom (F>1) donja grani na frekvencija se smanjuje (sl. 4.3).

Propusni opseg je:

nv ffB

Za poja ava sa povratnom spregom:

Ff

FfB nvr

pa kako se sa pozitivnom povratnom spregom donja grani na frekvencija pove ava, a gornja smanjuje, to se pozitivnom povratnom spregom širina propusnog opsega smanjuje. Negativnom povratnom spregom gornja grani na frekvencija se pove ava, a donja smanjuje, pa se širina propusnog opsega negativnom povratnom spregom pove ava (sl. 4.3).

Budu i da je donja grani na frekvencija mnogo manja od gornje grani ne frekvencije, to možemo smatrati da je širina propusnog opsega približno jednaka gornjoj grani noj frekvenciji, tj. B fv.

Na imo proizvod iz širine propusnog opsega Br i poja anja Ar kod poja ava a sa povratnom spregom

svs

svsrvrrr Af

A1A

fA1AfAB

Dakle, proizvod propusni opseg – poja anje ne zavisi od ja ine povratne sprege i jednako je proizvodu propusnog opsega i poja anja istog poja ava a bez povratne sprege.

4.4. UTICAJ NA IZOBLI ENJA I SMETNJE

Uslijed nelinearnosti karakteristika tranzistora nastaju nelinearna izobli enja. Ukoliko je izlazni signal ve i, utoliko je i izobli enje ve e. Ako je signal vrlo mali, nelinearnu karakteristiku u podru ju rada možemo aproksimirati pravom, te nema izobli enja. To je utoliko ta nije ukoliko je signal manji. Kod izlaznih poja ava a težimo da dobijemo što je mogu e ve usnagu, odnosno što je mogu e ve i izlazni signal. Me utim, ukoliko je ve a izlazna snaga, ve a su i izobli enja.

Izobli enja se mogu smanjiti povratnom spregom i to negativnom povratnom spregom, kao što smo napomenuli u po etku.

Uzmimo da smo izlazni poja ava maksimalno pobudili, tako da smo dobili maksimalnu izlaznu snagu. Neka je tada izlazni signal Xo. Uslijed izobli enja ovaj signal ne e biti sinusoidalan iako je pobudni, ulazni signal ista sinusoida. Na izlazu e se pojaviti osim prvog

harmonika Xo1 i viši harmonici: drugi harmonik Xo2, tre iXo3 itd.

Xo = Xo1 + Xo2 + Xo3 + . . . + Xon + . . .



48

Pored toga, promijenit e se i srednja vrijednost istosmjernog napona, što ovdje nismo uzeli u obzir.

Da bi se dobio izlazni signal Xo, na ulazu poja ava a je bio signal X. Taj signal je bio toliki da se dobije na izlazu prvi harmonik koji je

Xo1 = AX.

Napravimo li povratnu spregu, smanji e se poja anje, pa e se smanjiti i izlazni signal. Kako je poja anjesmanjeno za veli inu funkcije povratne sprege, to e se i izlazni signal smanji za tu veli inu.

...F

X...

FX

FX

FX

X on2o1ooor

Da bi na izlazu dobili maksimalan signal prvog harmonika neophodno je da na ulazu pove amo signal. Ako na ulazu pove amo signal za F puta, pove a e se i izlazni signal. Me utim, na ulazu pove avamo samo prvi harmonik, pa e se i na izlazu pove ati samo prvi harmonik.

Izlazni signal e biti:

...F

XF

XXX 3o2o

1oor

Dakle, povratnom spregom smo smanjili izobli enje, ali smo smanjili i poja anje, pa se to mora nadoknaditi u prethodnom poja ava u. Prethodni poja ava je poja ava malih snaga, koji ima vrlo mala izobli enja. Na taj na in smo dobili maksimalnu izlaznu snagu izlaznog poja ava a sa smanjenim izobli enjem.

Kod poja ava a sa pozitivnom povratnom spregom je F<1, pa e izobli enja biti ve a nego kad nema povratne sprege.

Uslijed izobli enja, na izlazu poja ava a se pojavljuju viši harmonici. Ovi harmonici su nepoželjni i razli iti od ulaznog signala. Nepoželjni signal na izlazu poja ava ase može pojaviti i uslijed nekih smetnji kao što su smetnje uslijed varni enja, slu ajnih prekida i uklju enja potroša a na gradsku mrežu, parazitnih induktivnih i kapacitivnih sprega izme u raznih ure aja, lošeg filtriranja usmjerenog napona itd. Negativnom povratnom spregom smanjuju se i ove smetnje. Smanjenje smetnji negativnom povratnom spregom mogu e je samo ako na ulazu možemo pove ati signal, tj. samo ako ispred poja ava a u kojem se pojavljuje smetnja imamo neki drugi poja ava koji nema smetnji, kao što kod poja ava a koji ima izobli enje, moramo imati ispred poja ava sa negativnom spregom koji ne izobli uje signal, kako je prikazano na slici 4.4.

Ako je na ulazu poja ava a signal Xi, a signal smetnje Xs, oba e se jednako poja ati bilo da nema ili ima povratne sprege, te e na izlazu njihov odnos biti isti, bez obzira da li ima ili nema povratne sprege.

Ako se smetnja pojavljuje samo na izlazu poja ava a, onda zadržavši isti ulazni signal Xi, povratna sprega ena izlazu smanjiti F puta i korisni signal i smetnju.

Ukoliko se može korisni signal na ulazu pove atinezavisno od veli ine smetnje, na izlazu e se dobiti ve i odnos signal/smetnja, odnosno, negativnom povratnom spregom smanjuje se uticaj smetnje na izlazni signal.

Slika 4.4 – Lokalna povratna sprega na izlaznom stepenu poja ava a

Na slicii 4.4 prikazana je blok šema poja ava a koji ima predpoja ava A1 i izlazni poja ava A2. Povratna sprega je izvedena samo na izlaznom poja ava u. Ako su Xs1 i Xs2 smetnje nezavisne od veli ine korisnog signala, onda e za isti koristan signal na izlazu, bez povratne sprege na izlazu biti signal smetnje Xs2 i A2Xs1.Sa negativnom povratnom spregom na izlazu e biti F puta manji i jedan i drugi signal, tj. Xs2/F2 i A2Xs1/F2.Ukupno poja anje signala sa povratnom spregom je:

22

21r A1

AAA

Da bi se dobilo željeno poja anje Ar, obi no se poja anje predpoja ava a može podešavati.

4.5 LOKALNA I TOTALNA POVRATNA SPREGA

Govore i o smanjenju izobli enja, zaklju ili smo da se smanjuje i poja anje, pa da moramo signal poja ati u prethodnom poja ava kom stepenu. Na slici 4.4 pokazan je takav poja ava .

Na ulazu imamo poja ava ki stepen poja anja A1, koji ili nema ili su mu izobli enja zanemarljivo mala i dobro je blokiran od smetnji. Izlazni stepen ima poja anje A2,a kako izobli enja nastaju u njemu i kako je podložan smetnjama, to je povratna sprega izvedena lokalno – samo na izlaznom stepenu.

Izobli enja i smetnje se mogu još više potisnuti ako se na ini totolna povratna sprega, od izlaza do ulaza u prvi stepen poja ava a, kako je prikazano na slici 4.5. Tada se smanjuju i eventualna izobli enja u prvom poja ava u.

Neka su poja ava i A1 i A2 na slikama 4.4 i 4.5 isti. Da bi efekat povratne sprege bio isti potrebno je da je funkcija povratne sprege u oba slu aja ista.

Ukupno poja anje bez povratne sprege u oba slu aja je isto i iznosi:

A=A1A2.



49

Slika 4.5. Totalna povratna sprega

Poja anje sa povratnom spregom poja ava a sa slike 4.5 je:

21

21r AA1

AAA ,

uz uslov da je:

F=1– A1A2 =1– 2A2=F2, za 2 = A1

Kako je u oba slu aja funkcija povratne sprege ista, a oba dijela poja anja (A1 i A2) ista, to su i izobli enja i smetnje na izlazu u oba slu aja isti, naravno ako su izobli enja poja ava a A1 zanemariva.

Kod višestepenog poja ava a, kod koga se smetnje javljaju u svakom poja ava kom stepenu, kao na slici 4.6, smetnja e imati utoliko ve i efekat ukoliko je bliže ulazu.

Budu i da je signal najve i u izlaznom stepenu i izobli enje e u tom stepenu biti najve a.

Na izlazu se pojavljuje najve i signal od smetnje na ulazu u prvi stepen, jer se množi sa ukupnim poja anjem poja ava a A. Svaka smetnja koja se pojavljuje dalje od ulaza, poja ava se samo onim stepenima poja ava a koji se nalaze desno od mjesta uticaja smetnje. Smetnja koja se javlja na izlazu poja ava a uopšte se ne poja ava.

Slika 4.6. Uticaj totalne povratne sprege na smetnje koje se pojavljuju na raznim mjestima poja ava a

OSCILATORIPROSTOPERIODI NIHOSCILACIJA

LC oscilator sa uzemljenom bazom

5poglavlje

OSCILATORI PROSTOPERIODI NIH OSCILACIJA


51

5. OSCILATORI PROSTOPERIODI NIH OSCILACIJA

Oscilacije, kao što smo vidjeli, mogu nastati u poja ava u sa pozitivnom povratnom spregom. Pozitivna povratna sprega treba da bude takva, da je vra eni signal u fazi sa pobudnim signalom i iste amplitude. Tada e, iako se ulazni signal isklju i,poja ava sam sebe pobu ivati, odnosno, u poja ava ue se održavati oscilacije.

Vra eni signal e biti jednak pobudnom signalu, ako je kružno poja anje poja ava a jednako jedinici ili ako je funkcija povratne sprege jednaka nuli.

Poja ava obi no u sebi ima i reaktivne elemente, tako da poja anje nije realna veli ina. Isto tako i faktor povratne sprege ne mora biti realna veli ina. Prema tome ni kružno poja anje nije realna veli ina. Zbog toga e oscilacije u poja ava u biti one frekvencije pri kojoj je kružno poja anje jednako jedinici (ili ve e od jedinice), ali realno. Odnosno, one frekvencije pri kojoj je vra eni signal u fazi sa pobudnim signalom.

Kružno poja anje ne treba da je ve e od jedinice, ili bar ne mnogo ve e od jedinice, jer tada poja ava radi u oblasti zakrivljenosti svoje prenosne karakteristike, pa e oscilacije biti izobli ene. Oscilator e, pored

osnovnog harmonika, davati i više harmonike. Ukoliko se za oscilator upotrijebi poja ava sa oscilatornim kolima, oscilatorno kolo (ili oscilatorna kola) e prigušiti više harmonike. Ovakvi oscilatori mogu raditi i sa ja om povratnom spregom.

Nije dobro ni kada je kružno poja anje jednako jedinici. Tada je povratna sprega kriti na, pa e bilo kakve promjene parametara elemenata u oscilatoru, koje dovede do smanjenja kružnog poja anja u initi da oscilator prestane sa radom, jer e povratna sprega biti nedovoljna za održavanje oscilacija.

Na kraju možemo izvesti opšti zaklju ak: povratna sprega mora biti takva da je kružno poja anje za male signale ve e od jedinice ( A>1), kako bi poja avaradio stabilno, ali ne i suviše ve e od jedinice, kako izlazni signal ne bi bio izobli en.

Oscilatori prostoperiodi nih oscilacija mogu biti na injeni i sa elementima koji imaju negativnu otpornost, kao što su tunelske diode, jednospojni tranzistori (samo ulazno kolo) i termistori. Kako su ovi elementi dvopoli, to nema povratne sprege sa izlaza na ulaz. Princip rada ovih oscilatora je u tome da se poja ava ki elementi priklju uju kolima u kojima se mogu pojaviti oscilacije. Sa svojim negativnim otporom, oni umanjuju ukupan otpor u tim kolima. Kada je ukupan efektivan otpor u kolima jednak nuli, oscilacije e biti neprigušene. Ukoliko ukupan efektivan otpor u

kolu nije jednak nuli, kolo e raditi kao poja ava . Da bi na izlazu imali signal mora se dovoditi na ulaz signal za pobu ivanje.

Tiristor, tako e, ima negativan otpor. Kako taj otpor nije definisan, to je teško ostvariti prostoperiodi neoscilacije sa tiristorima.

5.1. RC OSCILATORI

Najjednostavniji oscilator sa jednim poja ava kim elementom je RC oscilator. Uzmimo da analiziramo jedan takav oscilator sa fetom, slika 5.1. To je obi anpoja ava sa uzemljenim sorsom, kod koga se povratna sprega izvodi preko RC filtra, koji obr e fazu za 180°. Sam poja ava obr e fazu za 180°, te je tako vra eni signal u fazi sa pobudnim signalom. Frekvenciju oscilacija odre uje RC filtar.

Ulazni otpor je vrlo veliki, tako da njegov uticaj možemo zanemariti. Kako za pobu ivanje nije potrebna snaga, to otpori R u filtru mogu biti veliki. Ako pretpostavimo da je R»RD, to optere enje uslijed filtra možemo zanemariti.

Slika 5.1. Šema RC oscilatora sa fetom

Analiti ki prora un (ovdje izostavljen) pokazuje da bi se mogle nastati oscilacije poja anje poja ava a treba biti po apsolutnoj vrijednosti ve e od 29.

Isto tako se dobije da je rezonantna frekvencija ovog oscilatora jednaka:

RC6

1, tj

RC

f

62

1

RC oscilator možemo na initi i sa tranzistorom. Na slici 5.2. date su šema i ekvivalentna šema RC oscilatora sa tranzistorom.

Kod tranzistora ulazni otpor nije beskona no velik, jer postoji bazna struja. Filtar ne može biti sa vrlo velikim otporima R. Otpor R je istog reda veli ine kao otpor RC.Zbog toga optere enje koje poti e od filtra ne možemo zanemariti. Otpore R1 i R2 možemo uzeti dovoljno velike, tako da ih možemo smatrati mnogo ve im od ulaznog otpora tranzistora hi, i smatrati da struja koja proti e kroz otpor R3 proti e i kroz bazu tranzistora, odnosno, da je struja I3=Ib.



52

Slika 5.2. RC oscilator sa tranzistorom

Najmanja vrijednost za faktor strujnog poja anja sa kojim se može posti i uslov za nastajanje oscilacija u RC oscilatoru sa tranzistorom bi e za neku optimalnu vrijednost koja iznosi:

min=44,5,

što se dobije za rezonantnu frekvenciju od:

RC41

, tj RC

f8

1

Da bi oscilacije bile neizobli ene, fet i tranzistor moraju raditi u podru ju pravolinijskog dijela svoje prenosne karakteristike. To zna i da moraju raditi u klasi A.

RC oscilatori se obi no prave tako da im se frekvencija po želji može mijenjati. Frekvencija se može mijenjati promjenom parametara elemenata od kojih frekvencija zavisi. Ovdje, kao što smo vidjeli, frekvencija zavisi od veli ine R i C. Kako uslov za nastajanje oscilacija ne zavisi od veli ine kapaciteta, to je najbolje radi promjene frekvencije mijenjati veli inu kapaciteta C.

Prakti no se tako i radi, i to istovremeno se mijenjaju kapaciteti sva tri kondenzatora. Promjenom otpora R se mijenjaju uslovi oscilovanja, pa e se mijenjati i amplituda oscilacija. Pri manjim ili ve im vrijednostima od optimalne oscilacije mogu i prestati.

RC oscilatori se obi no prave za niske frekvencije. Oni imaju prednosti nad oscilatorima sa L i C, o kojima emo govoriti kasnije, jer su otpornici jeftiniji od

zavojnica, pogotovu za vrlo velike frekvencije. Osim toga sa promjenom kapaciteta ovdje se mnogo mijenja frekvencija. Odnos maximalne i minimalne frekvencije je:

min

max

min

max

min

max

f

f

C

C.

Dakle, jednak je odnosu maximalnog prema minimalnom kapacitetu.

5.2. OSCILATOR SA VINOVIM (WIEN) MOSTOM

Oscilator sa Vinovim mostom ima kolo sa povratnom spregom u vidu Vinovog mosta. Kod ovog mosta, samo na jednoj frekvenciji je izlazni napon u fazi sa ulaznim naponom poja ava a. Šema ovog oscilatora je data na sl. 5.3. U ovom slu aju za paja ava je diferencijalni (operacioni) poja ava , koji ima simetri an ulaz.

Slika 5.3. Oscilator sa Vinovim mostom

Da bi oscilator radio, kružno poja anje treba da je jednako jedinici. To zna i da je

Ui=U1-U2=Ur

Frekvencija osciliranja zavisi od otpora R i kapaciteta C lijeve grane mosta na slici 5.3. i iznosi:

RC

1, tj

RCf

21

Za ovu vrijednost frekvencie dobijemo da je:

31

21

2

ZZ

Z

Odnosno da je: R1=2R2.

Promjena frekvencije i kod ovog oscilatora se izvodi promjenom kapaciteta C. Kako ovdje imamo samo dva kondenzatora, to je ostvarenje ove promjene jeftinije i jednostavnije. Odnos maximalne i minimalne frekvencije i ovdje je jednak odnosu maximalnog i minimalnog kapaciteta, tj.

min

max

min

max

min

max

f

f

C

C, isto kao i kod RC oscilatora.

Kod oscilatora sa Vinovim mostom može se izvršiti stabilizacija amplitude oscilacija. Ova stabilizacija se postiže promjenom povratne sprege.



53

Poja anje poja ava a nije beskona no veliko, ve je kona na veli ina, koja je još i nestabilna. Tokom vremena poja anje obi no opada. Promjena može nastati i usljed promjene napona napajanja. U slu ajuda poja anje opadne, opaš e i izlazni napon Uo. Ako pak poja anje poraste izlazni napon e porasti. Porast može biti i tolika da nastupi izobli enje. Zbog toga je neophodno da se sa porastom izlaznog napona smanji povratna sprega i obrnuto, sa smanjenjem izlaznog napona treba da se pove a povratna sprega.

Prilikom smanjenja poja anja Au, smanjio se i izlazni napon Uo. Usljed toga smanjila se i struja I1 kroz otpornike R1 i R2, te i disipacija snage odnosno temperatura ovih otpora. Ukoliko veli ine otpora zavise od temperature i to tako da se povratna sprega pove akada se poja anje smanji, dobi e se stabilisan izlazni napon. Kao što smo vidjeli, prilikom smanjenja poja anja, odnosno, smanjenja disipacije na otporima, treba otpor R1 da se pove a ili otpor R2 da se smanji. Da bi se to postiglo smanjenjem temperature, otpor R1

treba da ima negativan, a R2 pozitivan temperaturni koeficijent. Prema tome, za stabilizaciju izlaznog nmapona oscilatora sa Vinovim mostom, za otpor R1

treba uzeti termistor, ali za otpor R2 otpor sa pozitivnim temperaturnim koeficijentom, na primjer sijalicu.

5.3. LC OSCILATOR SA INDUKOVANOM POVRATNOM

SPREGOM

Kod ovih oscilatora frekvenciju oscilovanja odre uje oscilatorno kolo i ona je približno jednaka rezonantnoj frekvenciji tog kola.

5.3.1. LC oscilator sa fetom

Šema LC oscilatora sa fetom data je na sl. 5.4. U kolu drejna nalazi se oscilatorno kolo. Povratna sprega je ostvarena induktivno me uinduktivnoš u M izme uzavojnice L oscilatornog kola i zavojnice Lg za koju je vezan gejt feta. Kapacitet Cg je vrlo velik, tako da na frekvenciji rada oscilatora pretstavlja kratku vezu. Pomo u Rg i Cg ostvaruje se polarizacija gejta.

Slika 5.4. LC oscilator sa fetom i induktivnom povratnom spregom

Da bi oscilator radio, odnosno stvarao neprigušene oscilacije, povratna sprega mora biti pozitivna i kružno poja anje jednako jedinici. Drugim rije ima napon povratne sprege Ur mora i po fazi i po amplitudi biti jednak pobudnom naponu UG.

Na rezonantnoj frekvenciji oscilatorno kolo se ponaša kao otpor RD. Prema tome napon Ud je pomjeren za 180° u odnosu na napon Ug. Struja kroz induktivitet zaostaje za naponom za 90°. Indukovana elektromotorna sila u zavojnici Lg pomjerena je unaprijed u odnosu na struju IL. Na taj na in napon Ur

bi bio u protivfazi sa naponom Ug pa bi dobili negativnu umjesto pozitivne povratne sprege. Me utim, ako krajeve zavojnice Lg zamjenimo, promjeni emo fazu napona Ur za 180° i tako dobiti pozitivnu povratnu spregu. Sa ta kama je na šemi osna eno kako treba priklju iti krajeve zavojnice Lg.

Pretpostavi emo da je efektivan Q-faktor oscilatornog kola mnogo ve i od jedinice pa je rezonantna frekvencija jednaka frekvenciji oscilovanja oscilatora i vrlo približno jednaka:

LC

10 , tj

LC2

1f0

5.3.2. LC oscilator sa tranzistorom

LC oscilator sa povratnom spregom na injen sa tranzistorom dat je na sl. 5.5. Analiziraju i rad oscilatora sa fetom, vidjeli smo da je prenosna karakteristika najstrmija ili bar vrlo strma u po etnojradnoj ta ki. Sa pove anjem amplitude strmina se smanjuje. Da bi tranzistor mogao po eti sa oscilacijama, neophodno je da po etna radna ta kabude u radnom podru ju. Ovo e se posti ipolarizacijom tranzistora. Ova polarizacija je izvedena na uobi ajan na in pomo u otpora RE, i razdelnika napona RB1–RB2. Da ovi otpori ne bi uticali na naizmjeni an signal, otpornik RE je blokiran vrlo velikim kapacitetom Ce, a ta ka A razdjeljnika za napajanje baze tako e je uzemljena velikim kapacitetom Cb.

Slika 5.5. LC oscilator sa tranzistorom i induktivnom povratnom spregom



54

Pri vrlo slaboj povratnoj sprezi, tranzistor e raditi u klasi A, kao što radi i oscilator sa fetom. Pove avaju ispregu, amplituda naizmjeni nog baznog napona sve više raste. Zbog usmjeriva kog dejstva emitorskog spoja tranzistora, ostvari e se samopolarizacija kao kod feta. Napon na otporu RB2 i kondenzatoru Cb se mijenja, tako da tranzistor po inje da radi u klasi AB, B i C, ve prema tome kolika je sprega. Za analizu rada tranzistora kao oscilatora u ini emo slijede epretpostavke:

Frekvencija oscilacija oscilatora je mnogo manja od grani ne frekvencije tranzistora, pa parazitne kapacitete tranzistora možemo zanemariti.

Kako je bazno kolo periodi no, a induktivitet Lb

relativno mali, to emo u analizi pretpostaviti da je XLb= Lb mnogo manja od aktivnog otpora u baznom kolu (hi+Rb).

Otpor zavojnice u baznom kolu Rb je tako e mali, pa i njega u odnosu na hi možemo zanemariti.

Na sl. 5.6 data je ekvivalentna šema oscilatora. Da bi pojednostavili analizu pretvorili smo strujni generator u naponski generator i nactrali novu ekvivalentnu šemu, koja ima tri zatvorene petlje.

Slika 5.6. Ekvivalentna šema oscilatora sa slike 5.5.

Za nalaženje uslova za oscilovanje i frekvencije oscilacija u dosadašnjoj analizi smo tražili kružno poja anje i stavljali da je ono jednako jedinici, tj. izjedna ili smo Ir sa Ib. Ovaj put emo uraditi na slede ina in. Umjesto, da pretpostavimo da je kružno poja anje jednako jedinici, pretpostavi emo da je funkcija povratne sprege jednaka nuli, što je isto. Ako je funkcija povratne sprege jednaka nuli, onda je poja anje poja ava a sa povratnom spregom beskona no veliko. Pri beskona no velikom poja anju i pri minimalnom slu ajnom pobudnom signalu izlazna struja e biti beskona no velika.

Dobije se da je frekvencija osciliranja oscilatora jednaka:

LC

10 , tj

LC

f

2

10 , kao kod feta.

Slika 5.7. LC oscilatora sa tranzistorom u spoju ZB

Na sl. 5.7 data je šema tranzistorskog oscilatora sa uzemljenom bazom. Ovakav oscilator se esto koristi u radioprijemnicima, pri emu isti tranzistor služi i za

miješanje. Tada se ulazni signal dovodi na bazu tranzistora.

Treba zapaziti da se kod oscilatora sa uzemljenom bazom ne obr u krajevi zavojnice za povratnu spregu (uporedi slike 5.5 i 5.7).

5.4. LC OSCILATORI U TRI TA KE

Umjesto induktivne povratne sprege, oscilator se može na initi i na taj na in, što e se aktivan element priklju iti na tri ta ke oscilatornog kola. Aktivan element može biti fet tranzistor ili operacioni poja ava .

Na slici 5.8 data je principijelna, a na slici 5.9. ekvivalentna šema ovakvog oscilatora. Oscilatorno koli je na injeno od tri elementa ije su impedanse Z1, Z2 i Z3. Poja ava ki element je u ovom slu aju operacioni poja ava poja anja praznog hoda Au i izlaznog otpora Ro. Ulazni otpor je vrlo velik tako da njegov uticaj možemo zanemariti.

Slika 5.8. LC oscilator u tri ta ke



55

Slika 5.9 Ekvivalentna šema LC oscilator u tri ta ke

Da bi Z1 ,Z2 i Z3 inili oscilatorno kolo sve tri impedanse moraju biti reaktivne. Zanemarimo li aktivan otpor svake impedanse imamo da je:

Z1=jX1, Z2=jX2, Z3=jX3

5.4.1. Hartlijev oscilator

Oscilatori kod kojih su Z1 i Z2 induktivnosti nazivaju se Hartlijevi oscilatori (Harltey). Na slici 5.10 date su šeme Hartlijevih oscilatora sa fetom i tranzistorom.

Slika 5.10. Hartlijev oscilator sa fetom i tranzistorom

5.4.2. Kolpicov oscilator

Oscilatori kod kojih su Z1 i Z2 kapacitivnosti, nazivaju se Kolpicovi (Colpitz) oscilatori. Primjer Kolpicovih oscilatora dati su na slikama 5.11. i 5.12.

Fet ima vrlo veliku ulaznu impedansu, pa se izvedena analiza rada oscilatora može prihvatiti kao relativno ta na. Kod tranzistora ulazni otpor nije velik. On optere uje oscilatorno kolo, te se impedansa Z1 ne može smatrati za istu reaktansu, što bi jako komplikovalo analizu.

Analiza bi bila još komplikovanija kada bi oscilator radio na vrlo visokim frekvencijama, tako da reaktivne parametre tranzistora ne možemo zanemariti. Tada bi morali koristiti komplikovaniju ekvivalentnu šemu tranzistora.

Slika 5.11. Kolpicov oscilator sa fetom

LITERATURA


56

Slika 5.12. Kolpicov oscilator sa tranzistorom

5.5. STABILNOST FREKVENCIJE OSCILATORA

Prilikom analize LC oscilatora sa povratnom spregom, vidjeli smo da ako se uzmu u obzir i aktivne komponente, frekvencija oscilatora zavisi i od njih. Kako, parametri tranzistora, zavise od napona napajanja, kolektorske struje, temperature, to e i frekvencija zavisiti od ovih veli ina. Ove veli ine se obi no tokom vremena mijenjaju, pa e se i frekvencija mijenjati. Prilikom analize rada oscilatora, parazitne kapacitivnosti tranzistora i feta smo zanemarili, odnosno, pretpostavili da se oni nalaze u kapacitetu C oscilatornog kola. Ovi parazitni kapaciteti tako e zavise od temperature, napona i struje, pa e oni doprinositi promjeni frekvencije.

Prema tome, i zbog aktivnih i reaktivnih parametara poja ava kih elemenata oscilatora, neophodno je zbog stabilnosti frekvencije, stabilisati napon napajanja i temperaturu okoline oscilatora.

Promjena temperature može uticati i na parametre samog oscilatornog kola, pa je potrebno, kondenzatore i zavojnice izabrati takve, da im se parametri što manje mijenjaju sa temperaturom.

Frekvencija oscilatora e biti stabilnija i ako je Q-faktor oscilatornog kola ve i. Ukoliko je Q-faktor velik, promjena faze u blizini rezonantne frekvencije je ve a,pa se uslove za oscilovanje ( A=1) prilikom promjene parametara, postiže za manje promjene frekvencije.

Sva prethodna analiza ukazuje na to, da e frekvencija oscilatora biti stablinija ukoliko je uticaj parazitnih elemenata manji, a Q-faktor oscilatornog kola što je mogu e ve i. Efektivan Q-faktor e biti velik, ako je Q-faktor samog oscilatornog kola velik. Osim toga, on ebiti velik i ako se optere enja oscilatornog kola priklju e

na izvod zavojnice, odnosno na dio ukupne reaktanse u jednoj grani oscilatornog kola. Ukoliko se tranzistor ili fet priklju eni na dio reaktanse, to e se njihovi parametri priklju iti paralelno maloj reaktansi, pa enjihove promjene procentualno manje uticati na promjenu cijele reaktanse, te i na frekvenciju oscilatora.

Oscilatori se, pogotovu ako se želi stabilna amplituda oscilacija, prave za male snage. Ukoliko nam je potrebna ve a snaga, vrši se naknadno poja anje snage. Stabilnost ovih oscilatora zavisi e i od povratnog dejstva narednih poja ava kih stepeni, odnosno od optere enja oscilatora nastalog priklju enjem poja ava kog stepena, odnosno promjene ulazne impedanse poja ava a. Zbog toga se za prvi stepen poja anja koristi poja ava sa velikom ulaznom impedansom (poja ava sa uzemljenim kolektorom) ili poja ava kod koga je povratna sprega mala (kaskodni poja ava ).

5.5.1. Klapov oscilator

Oscilator kod koga se poja ava ki element priklju uje na dio reaktanse oscilatornog kola je Klapov (Clapp) oscilator. Ovaj oscilator je vrlo sli an Kolpicovom oscilatoru (slike 5.11. i 5.12.). Razlika je u tome što C1 i C2 ne ine ukupan kapacitet oscilatornog kola, ve su samo dio kapaciteta (slika 5.13. i 5.14.).

Slika 5.13. Klapov oscilator sa fetom

Ukupan kapacitet oscilatornog kola je

321

1111CCCC

Uslijed promjene parametara poja ava kih elemenata mijenjaju se i C1 i C2, jer smo pretpostavili da oni sadrže u sebi i parazitne kapacitete poja anih

LITERATURA


57

elemenata. Osim toga, na njihovu efektivnu veli inu uti u i realni parametri poja ava kih elemenata.

Slika 5.14. Klapov oscilator sa tranzistorom

Frekvencija oscilovanja Klapovog oscilatora je:

LC

1, tj

LC

f

2

1,

5.6. PIEZOELEKTRI NI EFEKAT

Kistal kvarca ima piezoelektri nu osobinu. Naime, pod uticajem deformacije molekuli kristala se polarišu, tako da se na suprotnim stranama kristala pojavljuje naelektrisanje i obrnuto, ako se površina kristala naelektriše, kristal e se deformisati.

Ovu njegovu osobinu možemo iskoristiti za dobijanje mehani ko-elektri nih oscilacija. U tu svrhu kristalu kvarca dajemo pravilan geometrijski oblik (paralelopiped, disk) na ije dvije suprotne strane nanesemo metal i napravimo kontakte na tom metalu. Tanak sloj metala je debljine nekoliko mikrona i služi kao elektroda, kako je prikazano na slici 5.15.

Slika 5.15. Izgled kristala kvarca

Uslijed deformacije, izme u elektroda se javlja potencijala razlika, a ako se uspostavi potencijalana razlika kristal e se deformisati.

Na slici je 5.16. je oznaka za kristal kvarca na elektri nim šemama.

Slika 5.16. Simbol kristala kvarca

Kristal kvarca je odli an dielektrik. Priklju imo li elektrode na istosmjerni napon, prakti no ne e te ielektri na struja.

Dovo enjem izmjeni nog napona kvarc e oscilirati u ritmu dovedenog napona. Kako je kapacitet kristala relativno mali, to e i struja i amplituda mehani kih oscilacija biti mala. Ipak e se izvjesna energija trošiti na održavanje tih oscilacija. Pove avaju i frekvenciju izmjeni nog napona, dosti i emo mehani kurezonanciju oscilacija kristala. Pri toj frekvenciji oscilacije e biti najve e, pa e i utrošena energija biti najve a, odnosno i izmjeni na struja e biti najve a. Daljim pove anjem frekvencije, pošto se udaljujemo od rezonancije, amplituda mehani kih oscilacija se smanjuje, pa e se smanjiti i izmjeni na struja.

Prema tome, kristal kvarca se ponaša kao serijsko oscilatorno kolo. Posmatraju i spolja samo izvode i mjere i napone i struju, umjesto kvarca možemo nacrtati njegovu ekvivalentnu šemu, koja se sastoji od jedne grane sa induktivnoš u L, otporom R i Kapacitetom C vezanim u seriju. Dubljom analizom se može pokazati da induktivnost L zavisi od mase kristala, kapacitet C od elesti nosti, a otpor R od na ina i kvaliteta izrade i pri vrš avanja kristala u sredinu u kojoj se nalazi (vazduh, vakuum ...).

Osim toga, krista sa svojim metalnim elektrodama predstavlja kondenzator kapacitivnosti C´, koji se crta u drugoj grani, paralelno serijskom oscilatornom kolu LRC.

Da bismo imali predstavu o veli ini parametara kristala kvarca navedimo primjer:

Kvarcna plo ica dimenzija 3x4x1,5 mm ima: - rezonantnu frekvenciju oko 90 kHz, - induktivnost L=137H, - kapacitet C=0,0235 pF, - serijski otpor R=15 k ,- paralelni kapacitet C´=3,5 pF, - faktor dobrote Q=5500.

Kao što se vidi induktivitet je vrlo veliki pa je zato veliki i Q-faktor.

Uslijed prisustva paralelnog kapaciteta C´ u podru ju u kojem je serijsko oscilatorno kolo induktivnog karaktera može nastati paralelna rezonancija. Prema tome, kvarc se ponaša i kao serijsko i kao paralelno oscilatorno kolo.

Na slici 5.17 je prikazana zavisnost reaktanse kristala kvarca od frekvencije.

LITERATURA


58

Slika 5.17. Zavisnost reaktanse kristala kvarca od frekvencije

Karakteristi ne ta ke su r – serijska rezonacija i p – paralelna rezonancija.

Razliika frekvencija r– p se kre e od nekoliko Hz do nekoliko stotina Hz: Za tako malu promjenu frekvencije induktivitet se mijenja u vrlo velikim granicama, pa je radno podru je kristala kvarca upravo u tom opsegu frekvencija.

5.6.1. Stabilizacija frekvencije pomo ukristala kvarca

Stabilnost frekvencije kod Klapovog osclikatora postigli smo na taj na in, što smo kolo oscilatora modifikovali tako da se promjena poja ava kih elemenata što manje odrazi na promjenu paramaetara oscilatornog kola. Primjenom kvarca, stabilizacija frekvencije se postiže kompenzacijom promjena poja ava kog elementa.

U svin oscilatrima ssa kvarcom, kvarc zamjenjuje induktivitet. Kako se kvarc ponaša kao induktivitet samo u uskom opsegu frekvencija od fr do fp, to i oscilator može raditi samo u tom uskom opsegu frekvencija. Prema rtome, ma kako da se mijenjaju ostali parametri oscilatora, frekvencija ne može iza i iz tog opsega. Van tog opsega oscilatro ne radi. U praksi je taj "radni" oseg još uži.

Kod obi nih oscilatora je stabilnost frekvencije reda f/f=10-2. To zna i da se parametri kola prakti no ne

mijenjaju više od 1-2%.

Uzmimo sad da smo napravili oscilator sa kvarcom dimenzioniraju i ga tako da kvarc radi u podru ju gdje je najve a promjenainduktivne otpornosti sa promjenom frekvencije. Promjeni li se bilo koji parametar, promijeni e se i frekvencija. Neka se npr. kapacitet ekvivalentrnog oscilatornog kola smanji pa dolazi do pove anja frekvencije. Neka je smanjenje bilo oko 2% i ako se induktivnost ne bi mijenjala frekvencija bi se pove ala za oko 1%, npr. sa 100 na 101 kHz.

Dakle za itav 1 kHz. Me utim, sa pove anjem frekvencije induktini otpor mnogo brže raste. Za daleko manje pove anje od 1 kHz induktivitet se pove a za 2%, te se nova rezonantna frekvencija mnogo manje razlikuje od prethodne. Umjesto 1 kHz, promjena e biti svega nekoliko Hz.

Da bi se postigla što ve a stabilizacija frekvencije pomo u kvarca, neophodno je:

1. Dimenzionisati parametre oscilatora tako da kvarc radi u podru ju frekvencija fr dofp i to na frekvenciji kod koje je najve a promjena induktivnog otpora sa promjenom frekvencije.

2. Obezbjediti takve uslove rada pri kojima su promjene parametara oscilatora minimalne, kao šro su stabillnost napona napajanja, istosmjerni radni režim, temperatura okoline...

3. Izabrati kvarc koji ima najmanji temperaturni koeficijent promjene frekvencije.

4. Stavit cjeli oscilator u termostat, kako bi radna temperatura ostala konstantna.

Frekvencija oscilatora sa kvarcom je odre ena samim kvarcom. Me utim, u uskim granicama ona se može dostjerivati promjenom veli ine ostalih parametara kola. Pri ovome se mora voditi ra una da se ne do e u podru je rada kvarca sa malom promjenom induktivne otpornosti, jer e tada biti mala stabilnost frekvencije.

Oscilator sa kvarscnom stabilizacijom frekvencije možemo dobiti kada bilo kojem LC oscilatoru zamjenimo zavojnicu sa kvarcom. Na slici 5.18 i 5.19 prikazane su dvije varijante Pirsovog (Pirce) oscilatora.

Slika 5.18. Pirsov oscilator sa fetom

LITERATURA


59

Slika 5.19. Pirsov oscilator sa tranzistorom

Ovi oscilatori odgovaraju kolpicovim oscilatorima (slike 5.13. i 5.14) u kojim je zavojnica zamijenjena kvarcom. Na slikama su otpori RD i RC zamijenjeni prigušnicama LD i LC. Prigušnice imaju vrlo veliku induktivnost, pa prakti no za izmjeni ni signal predstavljaju beskona ni otpor, a za istosmjerni kratki spoj. Pomo u njih se postiže visok istosmjerni napon (nema nikakvog pada napona), a izbjegnuto je optere enje oscilatronog kola koje bi se imalo da su ostali otpornioci RD i RC.

Još ve a stabilnost frekvencije bi se postigla ako se kao osnova upotrijebi Klapov oscilator umjesto kolpicovog.

Na slikama 5.20 i 5.21 su date šeme oscilatora stabilisanih kvarcom, koji su dobijeni polaze i od Hartlijevog oscilatora.

Slika 5.20. Oscilator sa fetom i kvarcom u ulaznom kolu

Slika 5.21. Oscilator sa tranzistorom i kvarcom u ulaznom kolu

5.7. GENERATORI NESINUSOIDALNIH TALASNIH

OBLIKA

5.7.1 Generatori impulsnih i kvadratnih talasnih oblika

Generator periodi kog slijeda impulsa, astabilni multivibrator, prikazan je na slici 5.22a. Talasne oblike u pojedinim vorovima sklopa prikazuje slika 5.22b.

Pravilnim izborom komponenata sklop proizvodi signale kvadratnog talasnog oblika.

Neka se po etno tranzistor Tr1 nalazi u stanju vo enja (zasi enja), a tranzistor Tr2 u stanju zapiranja. Nedugo poslije t=0 naponi na kolektoru i bazi tranzistora Tr1

poprimaju vrijednosti zasi enja, napon na kolektoru oko 0.2 V, a napon na bazi oko 0.8 V.

Budu i se Tr2 nalazi u stanju zapiranja, napon na bazi Tr2 ima visoku negativnu vrijednost (oko -UCC uve anoza napone zasi enja baze i kolektora). To zna i da je napon na C1 velik i negativan na strani baze Tr2. Budu ise Tr2 nalazi u stanju zapiranja, vu e malo struje, te izvor puni kondenzator C1 strujom koja nabija C1 do razine izvora UCC.

Nabijanjem kondenzatora C1 preko RB2 podiže se napon uB2 dok ne dosegne napon praga tranzistora Tr2 (oko 0.6 do 0.7 V). Kada je napon praga dosegnut, Tr2

provede te se napon uC2 smanji, ime se smanjuje i napon uB2 jer se pad napona na C2 ne može naglo promijeniti. Promjene se odvijaju vrlo brzo, i dovode do brzog smanjenja napona uB2 na veliku negativnu vrijednost (oko -UCC uve ano za napone zasi enja baze i kolektora), te zapiranja tranzistora Tr1, dok tranzistor Tr2 vodi.

Promjene se doga aju u vremenskom intervalu T1 i prikazane su na slici 5.22b.

LITERATURA


60

Slika 5.22. (a) Astabilni multivibrator i (b) talasni oblici

Vremenski interval T1 traje približno

uz uvjet da je UCC dovoljno velik u odnosu na napone zasi enja kolektora i baze te napon praga baze. Pretpostavka je da su obadva tranzistora jednakih karakteristika.

U vremenskom intervalu od T1 do T1 + T2 djelovanje astabilnog multivibratora je jednako prethodno opisanom, osim što u opisu treba zamijeniti tranzistore, tj. Tr2 je sada u stanju vo enja, a Tr1 u stanju zapiranja. Vremenski interval nabijanja koji mijenja iznos napona uB1 sada je odre en izrazom

Perioda oscilacija T0 iznosi T1 + T2, dakle

Za generiranje uskih impulsa izabire se T2 < T1 i napon uC1 je izlazni napon. Dobar rad sklopa se postiže niskom

vrijednoš u vremenske konstante RC1C1 koja odre uje vrijeme porasta impulsa. Za impulse dugog trajanja (duže od T0/2) za izlaz se izabire napon uC2 i mala vremenska konstanta RC2C2.

Za generiranje signala kvadratnog talasnog oblika prakti no je uzeti RC1=RC2, RB1=RB2=RB, C1=C2=C, te je:

5.7.2 Kvadratni talasi iz sinusnih talasa i otkrivanje prijelaza kroz nulu

Signale kvadratnog talasnog oblika mogu e je generirati iz signala sinusoidalnog talasnog oblika. Sinusoidu treba propustiti kroz sklop ograni iva a ili sklop uspore iva a. Dodavanjem visokopropusnog filtera i ispravlja a, dobiva se sklop za otkrivanje prolaza kroz nulu. Slika 5.23 prikazuje generator i odgovaraju e talasne oblike signala u slu aju upotrebe uspore iva a. Ako sinusni val predstavlja ulazni signal uul, izlaz iz uspore iva a uiz je signal kvadratnog talasnog oblika.

Slika 5.23. Sklop za otkrivanje prolaza kroz nulu i odgovaraju italasni oblici

Ako je RC << T0, izlaz iz visokopropusnog filtera je izmjeni ni slijed pozitivno i negativno polariziranih vrhova, što je vidljivo na slici 5.23. Ispravljenjem se zadržavaju samo pozitivni vrhovi. Vrhovi se javljaju kod prijelaza pozitivnog poluvala sinusoide kroz nulu.

Zamjenom smjera diode dobiva se sklop za otkrivanje prolaza kroz nulu negativnog poluvala signala.

LITERATURA


61

3.7.3. Relaksacioni oscilator

Sklop za generiranje signala kvadratnog talasnog oblika nižih frekvencija prikazuje slika 5.24a.

Slika 5.24. (a) Relaksacioni oscilator i (b) talasni oblici

Sklop koristi operaciono poja alo i naziva se relaksacionim oscilatorom. Operaciono poja alo djeluje kao uspore iva . Za opis djelovanja, pretpostavlja se da je po etni napon uiz = Uiz, pri emu je U0 vrijednost napona zasi enja operacionog poja ala. Napon u1 ima visoku negativnu vrijednost, te je u2 = UizR1/(R1 + R1) i u1 < u2, ime se održava izlazna razina na Uiz. Me utim kondenzator C se teži nabiti preko otpornika R na napon Uiz. Kada napon u1 prije e iznos napona u2 = U1

= UizR1/(R1 + R1), napon uiz operacionog poja ala se naglo mijenja od Uiz na -Uiz.

Poslije vremena promjene, kondenzator se teži nabiti od napona U1 na napon -Uiz. Me utim, kada dostigne iznos -U1, opada ispod u2 i izlazni napon se ponovo mijenja na Uiz, kao što je prikazano na slici 5.24b. Poslije toga, postupak se periodi ki ponavlja.

Može se pokazati da je perioda kvadratnog talasnog oblika relaksacionog oscilatora ode ena izrazom

Za frekvencije f0=1/T0 iznad kojih se operaciono poja alo ponaša kao širokopojasni uspore iva (tipi noiznad nekoliko desetaka kH), za izvedbu se koriste drugi sklopovi.

5.7.4 Generator trokutnog talasnog oblika

Talasni oblik signala u1 sklopa na slici 5.25a približno odgovara trokutu, kao što je prikazano na slici 5.24b. Me utim, poluperiodni segmenti talasnog oblika su

zakrivljeni i nisu potpuno linearni. Bolja linearnost se postiže nabijanjem kondenzatora C preko izvora stalne struje, a ne preko otpornika R. U stvari teži se zamijeniti povratnu granu sastavljenu od otpornika R i kondenzatora C idealnim integratorom.

Korištenjem neinvertiraju eg integratora dobije se sklop generatora trokutnog talasnog oblika prikazan na slici 5.25a. Korištenjem invertiraju eg integratora i vra anjem njegovog izlaza na pozitivnu ulaznu stezaljku operacionog poja ala relaksacionog oscilatora dobiva se generator prikazan na slici 5.25b.

Može se pokazati da izraz za periodu oscilacija generatora na slici 5.25b glasi

Izlazni napon uiz se mijenja u obliku trokuta izme ukrajnjih vrijednosti napona

pri emu je Uiz razina zasi enja operacionog poja ala broj 1 i jednaka je izlazu relaksacionog oscilatora.

Slika 5.25. Generator trokutnih talasnih oblika sastavljen od (a) neinvertiraju eg integratora i (b) invertiraju eg integratora

LITERATURA


62

3.8. LABORATORIJSKE VJEŽBE IZ OSCILATORA

Vježba I: RC oscilator

Za prikazani RC oscilator sa slike 5.26 izra unati frekvenciju izlaznog napona za zadane RC elemente. Na izlaz spojiti osciloskop i snimiti odgovaraju e talasne oblike:

a) U prvih desetak perioda uspostavljanja oscilacije.

b) Nakon uspostavljanja stabilnog oscilatornog režima rada.

c) Izmjeriti sa osciloskopa veli inu frekvencije i porediti je sa izra unatom vrijednoš u.

2.4k 2.4k 2.4k

33nF 33nF33nF

220k

15k

180

2.4k

Ucc

10V

C4

4.7uF

47uF

C5

4.7uF

T1

BC109BP

Slika 5.26. RC oscilator

Vježba II: Hartlijev oscilator

Za prikazani Hartlijev oscilator sa slike 5.27:

a) Izra unati rezonantnu frekvenciju oscilatornog kola prema odgovaraju em obrascu?

b) Izmjeriti frekvenciju oscilovanja na izlazu i porediti je sa izra unatom vrijednoš u?

c) Snimiti talasne oblike na ulazu i izlazu oscilatora i pokazati da je signal protufazan?

Q1

BC107BP

R1

220k

R2

2.4k

R3

15k

R4

180

C1

22nF

C2

4.7uF

VCC

15V

L1

1mH

L2

100uH

C3

10uF

0

1

VCC

0

2

C4

4.7uF

5

3

4

Slika 5.27. Hartlijev oscilator sa tranzistorom u spoju ZE

Vježba III: Kolpicov oscilator

Za prikazani Kolpicov oscilator sa slike 5.28:

a) Izra unati rezonantnu frekvenciju oscilatornog kola prema odgovaraju em obrascu?

b) Izmjeriti frekvenciju oscilovanja na izlazu i porediti je sa izra unatom vrijednoš u?

c) Snimiti talasne oblike na ulazu i izlazu oscilatora i pokazati da je signal protufazan?

220k

15k

180

2.4k

Ucc

15VUcc

C4

4.7uF

10uF

C5

4.7uF

6

0

T1

BC107BP

C1

4.7nF

C2

4.7nF

5

0L1

100uH

1

3

7

Slika 5.28. Kolpicov oscilator sa tranzistorom u spoju ZE

TIRISTORI

Stati ka karakteristika tiristora

6poglavlje

TIRISTORI


64

6. TIRISTORI

6.1. OSOBINE I PODJELA

Zajedni ka svojstva/osobine svih tiristora su:

- imaju dva stabilna stanja - vodljivo i nevodljivo, - mogu držati blokirni napon.

Tiristori koji imaju samo dvije elektrode, anodu i katodu, promjenu stanja postižu promjenom priklju enog napona napajanja. Tiristori koji imaju tri elektrode, anodu, katodu i upravlja ku elektrodu, promjenom struje upravlja ke elektrode prebacuju se iz nevodljivog u vodljivo stanje.

Prema smjeru vo enja struje tiristore dijelimo na:

- istosmjerne i - dvosmjerne.

Prema na elu rada, razlikujemo sljede e tiristore:

- jednosmjerni diodni tiristor, - jednosmjerni upravljivi triodni tiristor (SCR), - dvosmjerni diodni tiristor (DIAC) i - dvosmjerni upravljivi triodni tiristor (TRIAC).

Slika 6.1. Ku išta tiristora

Tiristori se koriste kao prekida ke komponente (elektroni ki ventili) i kao ispravlja i, pretežno u energetskoj elektronici. Imaju sposobnost upravljanja signalima velikih snaga uz istovremeno malu potrošnju,

odnosno malu snagu za upravljanje radom tiristora. Izra uju se tiristori koji mogu voditi anodnu struju od nekoliko stotina mA kao i oni za struju od nekoliko hiljada A, koji mogu držati zaporni i blokirni napon od nekoliko desetaka V do nekoliko kV.

Oblik ku išta tiristora zavisi o snazi. Slika 6.1 prikazuje jedno ku išta za tiristore sa dva i tri izvoda.

6.2 JEDNOSMJERNI DIODNI TIRISTOR

Jednosmjerni diodni tiristor zasniva se na tiristorskoj PNPN strukturi unutar monokristala silicija s dvije elektrode koje se nazivaju anoda (A) i katoda (K). Od katode prema anodi izmjenjuju se N- i P-slojevi (slika 6.2), tako da dioda ima tri PN-prelaza.

Slika 6.2. Struktura i simbol jednosmjernog diodnog tiristora

Jednosmjerni diodni tiristor može se uklopiti (uklju iti) samo pri pozitivnom naponu izme u anode i katode, prekora enjem tzv. napona prekretanja. Vodljivi tiristor se isklapa (isklju uje) prirodnim prolaskom struje kroz nulu.

Slika 6.3 pokazuje strujno-naponsku karakteristiku jednosmjernog diodnog tiristora.

Slika 6.3. Strujno naponska karakteristika jednosmjernog diodnog tiristora

TIRISTORI


65

Na karakteristici zapažamo 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 je pozitivnija od katode), a napon je manji od napona na-pon prekretanja UPR: 0<UAK<UPR. Vanjski PN-prelazi su propusna polarizirani, a srednji je napropusno polariziran. Diodni tiristor je u stanju blokiranja i te ezanemariva napropusna struja pa se nalazi u stanju visokog otpora.

Vrijednost napona prekretanja UPR zavisi o tipu tiristora i može varirati u granicama 20-2000V. Radna ta ka nalazi se u dijelu 0A karakteristike.

Podru je vo enja: Jednosmjerni diodni tiristor provede struju kad priklju eni napon dostigne vrijednost ve u od napona prekretanja UPR - anoda je pozitivnija od katode. Kad provede struju, struja naglo poraste i napon izme u anode i katode poprimi malu vrijednost (oko 0,6-2V, ovisno o tipu), te ima vrlo mali otpor. Prelaz iz stanja blokiranja u stanje vo enja odvija se brzim prolaskom kroz podru je negativnog otpora. U stanju vo enja sva tri PN-prelaza propusno su polarizirana. Radna ta ka nalazi se u dijelu BC karakteristike.

Vodljivi jednosmjerni diodni tiristor prestaje voditi struju kad struja padne ispod odre ene vrijednosti struje držanja IH kad anodni napon padne ispod napona držanja UH ili promjenom polariteta napona, tj. uz UAK<0.

Podru je zapiranja/proboja: Na anodu je priklju ennegativni, a na katodu pozitivni pol izvora napona (anodaje negativnija od katode): UPROB<UAK<0.

Vanjski PN-prelazi su napropusno polarizirani, a srednji PN-prelaz je propusno polariziran. Diodni tiristor ne vodi struju te se nalazi u stanju visokog otpora. Te e vrlo mala napropusna struja.

Porastom napona inverzne polarizacije kod probojnog napona UPROB nastupa proboj.

U napropusnom podru ju karakteristika je sli na karakteristici diode. Jednosmjerni diodni tiristor koristi se za okidanje tiristora.

6.3 JEDNOSMJERNI TRIODNI TIRISTOR

Jednosmjerni triodni tiristor je poluvodi ka komponenta s tri elektrode koja može voditi struju samo u jednom smjeru, a zasniva se na tiristorskoj PNPN strukturi.

Triodni tiristor se od diodnog tiristora razlikuje po tome što pored anode (A) i katode (K) ima izvedenu upravlja ku elektrodu G (gate) iz podru ja P2 slika 6.4. esto se naziva silicijeva upravljiva ispravlja ica - SCR

(engl. silicon controlled rectifier) ili samo tiristor.

Slika 6.4. Struktura i simbol jednosmjernog triodnog tiristora

Slika 6.5. Strujno naponska karakteristika jednosmjernog triodnog tiristor

TIRISTORI


66

Kad je potencijal anode manji od potencijala katode, tiristor ne vodi struju. Kad je potencijal anode ve i od potencijala katode, tiristor drži blokirni napon manjim od napona prekretanja ukoliko na upravlja koj elektrodi nije priklju en pozitivni impuls. Dovo enjem pozitivnog impulsa 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 na upravlja koj elektrodi. Tiristor prestaje voditi prirodnim prolaskom struje kroz nulu.

Slika 6.5 prikazuje strujno-naponsku karakteristiku jednosmjemog triodnog tiristora.

Kao i diodni tiristor, triodni tiristor se može nalaziti u: - stanju blokiranja,- stanju vo enja i - stanju zapiranja. -

Podru je blokiranja: Triodni tiristor nalazi se u podru ju blokiranja ako je izme u anode i katode priklju en pozitivni napon manji od napona prekretanja: 0<UAK<UPRO a na upravlja koj elektrodi nije priklju ennapon. Kroz tiristor te e vrlo mala inverzna struja.

Podru je vo enja: Kada napon UAK postane ve i od napona blokiranja, tiristor prelazi u stanje vo enja. Struja poraste do vrijednosti koju odre uje vanjski otpor serijski spojen s tiristorom i vanjskim izvorom napona. Napon na tiristoru poprimi malu vrijednost. Kad je struja upravlja ke priklju nice nula (IG=0), a napon jednak naponu preklapanja, tiristor se ponaša kod diodni tiristor.

Preklapanje tiristora u vodljivo stanje obi no se izvodi preko upravlja ke elektrode, na koji se dovodi pozitivni napon, odnosno struja odre ene jakosti IG. Ako priklju imo napon na tiristor tako da je anoda pozitivnija od katode (UAK>0), ali napon manji od napona prekretanja, tiristor provede dovo enjem napona na upravlja ku elektrodu. Tiristor prelazi u stanje vo enja te napon izme u anode i katode poprimi malu vrijednost. Što je struja upravlja ke priklju niceve a, to e tiristor provesti struju kod manjeg napona. Kad provede struju, nije mu više potreban napon na upravlja koj elektrodi.

Vodljivi diodni tiristor prestaje voditi kad struja padne ispod odre ene vrijednosti struje držanja IH kad anodni napon padne ispod napona držanja UH ili pak promjenom polariteta napona UAK<0.

Podru je zapiranja/proboja: Tiristor se nalazi u podru ju zapiranja uz priklju eni negativni napon UAK<0. Tiristor ne vodi, a kroz njega te e zanemariva inverzna struja zasi enja koja ne zavisi o priklju enom naponu. Za napone ve e od probojnog napona nastupa proboj i porast struje. Prekora enjem dopuštenog maksimalnog inverznog napona zbog zagrijavanja može do i do uništenja tiristora.

Kod jednosmjemog diodnog tiristora postoji ograni enadozvoljena vrijednost brzine porasta napona propusne polarizacije izme u anode i katode. Prekora enjem dozvoljene brzine tiristor može provesti struju i bez

upravlja kog impulsa, zbog parazitnih kapacitivnosti unutar tiristora. U strujnim krugovima tiristor se odre enim spojevima štiti od naglog porasta napona i struje.

U praksi se najviše upotrebljava upravo jednosmjerni diodni (SCR) tiristor, za regulaciju brzine vrtnje istosmjernih motora, za regulaciju rasvjete, u izmjenjiva ima i ispravlja ima, dakle uglavnom u ure ajima energetske elektronike.

6.3.1. Isklopivi tiristor - GTO tiristor

Za isklopivi tiristor koristi se naziv GTO tiristor, što je kratica od engleskog naziva gate turn-off thyristor.

Isklopivi tiristor ili GTO pripada potpuno upravljivim sklopkama. Isklopivi tiristor može voditi struju u jednom smjeru, a držati napon blokiranja oba polariteta.

Poput klasi nog tiristora, i GTO se iz stanja blokiranja dovodi u stanje vo enja kratkim pozitivnim impulsom struje upravlja ke elektrode i ostaje u stanju vo enja,ali je za vrijeme vo enja potrebna i dalje struja upravlja ke elektrode (nekoliko A, ovisno o tipu).

Me utim, za razliku od klasi nog tiristora, GTO se može isklopiti pomo u kratkotrajnog, ali snažnog negativnog impulsa struje upravlja ke elektrode. Amplituda negativnog strujnog impulsa tipi no iznosi 1/3 struje koja se isklapa.

Ne koristi se isklapanje prolaskom struje kroz nulu. Slika 6.6 prikazuje simbol isklopivog tiristora.

Slika 6.6. Simbol isklopivog (GTO) tiristora

6.3.2. Regulacija struje jednosmjernim triodnim tiristorom

Tiristori su pogodni za regulaciju struje u izmjeni nim strujnim krugovima. Regulacija ukupne snage postiže se mijenjanjem vremena vo enja tiristora.

Pri analizi strujnih krugova s tiristorom potrebno je definirati ugao upravljanja .

Ugao upravljanja je ugao pri kojem se na tiristor dovodi okidni strujni impuls koji prebacuje tiristor iz stanja blokiranja u stanje vo enja. Pritom je ugao vo enja tiristora =180°- .

Slika 6.7 prikazuje strujni krug s regulacijom snage pomo u jednosmjemog triodnog tiristora, a slika 6.8 dijagrame napona na potroša u, tiristoru i struju upravlja ke elektrode.

Tiristor se napaja iz izmjeni nog izvora napona. Radom tiristora upravlja se strujnim impulsom na upravlja kojelektrodi pomo u jednosmjernog diodnog tiristora.

TIRISTORI


67

Slika 6.7. Regulacija struje jednosmjernm tiristorom

Slika 6.8. Vremenski dijagrami napona a) na izvoru, b) na potroša u, c) na tiristoru

Kad jednosmjerni triodni tiristor ne vodi struju, na njemu je napon izvora, a na potroša u je napon nula. Kad napon na kondenzatoru postigne vrijednost napona prekretanja jednosmjemog diodnog tiristora, on provede struju, a na upravlja ku elektrodu triodnog tiristora do e strujni impuls. Jednosmjerni tiristor provede struju i na njemu je mali pad napona (1-3V), a potroša dobiva napon izvora.

Ugao upravljanja triodnog tiristora podešava se promjenjivim otpornikom, a može biti izme u 0° i 180°.

Prolaskom sinusnog napona kroz nulu triodni tiristor prestaje voditi struju, napon na potroša u je ponovno nula, a napon izvora vlada na tiristoru. Ugao vo enja tiristora može biti od 0° do 180°.

Što je ve i ugao vo enja triodnog tiristora, to je ve asnaga predana potroša u. Upravlja ki impulsi za

okidanje triodnog tiristora mogu se dobiti iz posebnih sklopova iji se rad mora sinhronizirati s izmjeni nim naponom.

6.4 DIJAK - DVOSMJERNI DIODNI TIRISTOR

Naziv dijak dolazi od engleskog naziva DIAC (diode for alternating current). Simbol i strukturu dijaka prikazuje slika 6.9. Dijak je petoslojna NPNPN struktura s dvije elektrode koje se nazivaju anoda A1 i A2.

Slika 6.9. Struktura i simbol dijaka

Razlikuje se od jednosmjernog diodnog tiristora po tome što vodi struju u oba smjera. Dijak je simetri nakomponenta, pa naponi prekretanja u oba smjera imaju jednaku vrijednost, a suprotni polaritet.

Slika 6.10 prikazuje strujno-naponsku karakteristiku dijaka. Karakteristika je u prvom kvadrantu identi na karakteristici jednosmjernog diodnog tiristora, a u tre em kvadrantu je istog oblika, ali za negativne vrijednosti napona i struje.

Slika 6.10. Strujno-naponska karakteristika dijaka

Prvi kvadrant je podru je u kojem je elektroda A1

pozitivnija od elektrode A2. Obrnuto vrijedi za tre ikvadrant; elektroda A2 je pozitivnija od elektrode A1.

Dvosmjerni diodni tiristor koristi se za okidanje tiristora i trijaka.

TIRISTORI


68

6.5. TRIAC - DVOSMJERNI TRIODNI TIRISTOR

Dvosmjerni triodni tiristor je poluvodi ka komponenta s tri elektrode koja može 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 elektrodu G. Slika 6.11 prikazuje simbol i strukturu trijaka.

Slika 6.11. Struktura i simbol Triac

Struktura trijaka zasniva se na PNPN tiristorskoj strukturi, ali je podru je oko upravlja ke elektrode nešto složenije.

Dovo enjem upravlja kog impulsa na upravlja ku elektrodu trijak može provesti struju i za jedan i za drugi polaritet napona. Struja upravlja ke priklju nicemože biti pozitivna ili negativna. Kad jednom provede struju, impuls na upravlja koj elektrodi nije više potreban. Tiristor prestaje voditi struju smanjenjem struje ispod minimalne struje držanja ili prolaskom napona kroz nulu.

Slika 6.12 prikazuje strujno-naponsku karakteristiku trijaka.

Slika 6.12. 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 u kojem je elektroda A2 pozitivnija od elektrode A1

Obrnuto vrijedi za tre i kvadrant, elektroda A1 je pozitivnija od elektrode A2.

Trijak se koristi za regulaciju snage u izmjeni nim strujnim krugovima, npr. za upravljanje strujom grija a, žarulja, motora, itd.

6.5.1. Regulacija struje trijakom

Slika 6.13 prikazuje strujni krug s regulacijom snage pomo u trijaka, a slika 6.14 dijagrame napona na potroša u, tiristoru i struju upravlja ke elektrode.

Slika 6.13. Strujni krug sa regulacijom pomo u trijaka

Slika 6.14. Vremenski dijagrami napona a) na izvoru, b) na potroša u, c) na trijaku

Dvosmjerni tiristor (dijak) se napaja iz izvora izmjeni nog napona. Radom trijaka upravlja se strujnim impulsom na upravlja koj elektrodi preko dijaka. Potroša je spojeno u anodnom krugu tiristora.

Kad trijak ne vodi struju, na njemu je napon izvora, a na potroša 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

TIRISTORI


69

elektrodu trijaka do e strujni impuls. Trijak provede struju i na njemu je mali pad napona (1-3V), a potrošadobiva 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 može biti od 0° do 180° u svakom poluvalu sinusnog napona. Što je ve i ugao vo enja tiristora, to je ve a snaga predana potroša u.

U usporedbi s jednosmjernim triodnim tiristorom, s trijakom se može dobiti dvostruko ve a snaga.

Trijak se koristi za manje snage.

6.6. UKLJU ENJE I ISKLJU ENJETIRISTORA

6.6.1. Sklopovi za uklju enje tiristora

Za praksu su najprihvatljiviji sklopovi koji proizvode impulse za uklju enje tiristora, jer se impulsnim upravljanjem to no odre uje trenutak uklju enja.

Ovisno o vrsti aktivnih elemenata koji se upotrebljavaju u sklop ovima, razlikujemo tranzistorske, tiristorske, optoelektroni ke i druge uobli iva e strujnih impulsa.

Slika 6.15. Sklop za uklju enje tiristora sa galvanski odvojenim ulazom

Slika 6.16. Sklop za uklju enje tiristora sa Zener diodom koja odre uje prag uklju enja

Na slici 6.15 i 6.16 prikazani su tranzistorski sklopovi za oblikovanje impulsa.

Takvi se sklopovi obi no upotrebljavaju za dobivanje impulsnih struja do 5A trajanje koje nije kra e od 100µs. Njihova je prednost u visokoj pouzdanosti i u velikoj brzini rada tranzistora.

6.6.2. Isklju enje tiristora

Prekidanje struje koja te e kroz propusno polarizirani tiristor može se ostvariti na razli ite na ine. Kada je NPNP-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, sadrže višak sporednih i glavnih nositelja naboja, koji raste pove anjem propusne struje. Da bi tiristor bio preveden u nepropusno stanje, nagomilani višak naboja, odre en razlikom izme u pokretnoga naboja u elementu polariziranom propusno i naboja prisutnoga u elementu polariziranom nepropusno, nužno ga je eliminirati elektri nim poljem ili rekombinacijom.

Kada se tiristor napaja iz izvora istosmjernoga napona, njegovo isklju enje nije toliko jednostavno kao u slu aju napajanja izmjeni nim naponom. Naime, u izmjeni nome strujnom krugu napon u svakoj poluperiodi prolazi kroz nulu, pa se isklju enje postize uklanjanjem impulsa s upravlja ke elektrode, odnosno blokiranjem upravlja kog sistema. U istosmjernome strujnom krugu isklju enje se može ostvariti samo uvo enjem odgovaraju ega protunapona kojim se istosmjerna struja svodi na nulu.

Osim dovo enja struje na nulu, tiristoru je potrebno osigurati dovoljno vremena za njegov oporavak.

6.6.3. 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 eš e se susre u sklopovi za isklju enje tiristora s prethodno nabijenim kondenzatorom koji se uklju uje pomo nim tiristorom.

Na slici 6.17 prikazan je sklop za isklju enje s pomo nim tiristorom.

Slika 6.17. Sklop za isklju enje glavnog tiristora Th1 sa pomo nim tiristorom Th2

U po etnome trenutku tiristori Th1 i Th2 nisu uklju eni i kondenzator C je prazan. Za po etak rada pretvara a

TIRISTORI


70

nužno je da upravlja ki sistem da pozitivan upravlja kiimpuls na upravlja ku elektrodu pomo nog tiristora Th2.

Kada se tiristor Th2 uklju i, kormutacijski se kondenzator C po inje nabijati iz izvora istosmjernoga napona E. Na kraju procesa nabijanja kondenzator dosegne napon UE, približno jednak naponu izvora E s polaritetom ozna enim u zagradama. Nakon nabijanja kondenzatora sklop je pripremljen za rad.

U trenutku kada na upravlja ku elektrodu tiristora Th1

dovedemo upravlja ki impuls, tiristor provede. Opteretna struja postupno raste. Istodobno nastaje proces rezonantnoga oscilovanja i ponovnog nabijanja komutacijskog kondenzatora preko induktiviteta L i diode 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 bio isklju en, struja koja kroz njega te e mora postati manja od struje držanja, To se postiže energijom izbijanja kondenzatora, jer nabijeni je kondenzator izvor napropusnog napona zanemarivo maloga unutrašnjeg otpora pa kroz njega može protjecati dovoljno velika inverzna struja. Stoga, kada na upravlja ku elektrodu tiristora Th2 primijenimo upravlja ki impuls, on provede i njegova struja prakti no trenutno postane jednaka opteretnoj struji, dok struja što prolazi kroz tiristor Th1

postane jednaka nuli. Istodobno kao rezultat zapo eta procesa izbijanja komutacijskog kondenzatora C, na tiristoru Th1 vlada zaporni napon koji ubrzava uspostavljanje blokirnih svojstava tiristora,

6.7. PRIMJENA TIRISTORA

Tiristori se kao sklopni beskontaktni elementi široko primjenjuju. Jedna takva primjena prikazana je na slici 6.18.

Slika 6.18. Regulacija srednje vrijednosti ispravljene struje tiristorom

Prema slici 6.18 tiristor se napaja iz izvora izmjeni noganapona (npr. elektri ne mreže). Radom tiristora upravlja se iz generatora upravlja kih impulsa. Ovisno o uglu upravljanja a, na potroša u ROPT

pojavljivat e se razli ite srednje vrijednosti istosmjernoga napona, odnosno istosmjerne struje. Ve em uglu odgovara manja, a manjem uglu ve asrednja vrijednost izlazne veli ine na optere enju ROPT.

6.7.1. Sklop za uklju enje tiristora s UJT

Sklop s jednoprelaznim tranzistorom (UJT) za uklju enje tiristora prikazan je na slici 6.19.

Slika 6.19. Uklju ivanja tiristora jednospojnim tranzistorom

Pri niskim emiterskim naponima kroz jednoprelazni tranzistor te e samo slaba napropusna struja. Ako je emiterski 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 održava se na stalnoj vrijednosti s pomo u Zenerove diode ZD. Kapacitet CT

nabija se preko promjenjivog otpora RT. Kada napon UC

na kondenzatoru dostigne vrijednost napona prebacivanja UBO jednoprelaznog tranzistora, koji je odre en naponom napajanja U i otporima RB1 i RB2,prelaz E-B1 polariziran je propusno, pa se kapacitet CT

izbija preko upravlja kog kruga E-B1 i otpora RB1. Otpor RB1 reda nekoliko desetaka , prenosi impuls za uklju enje iz kruga jednoprelaznog tranzistora u upravlja ki krug tiristora.

Preko otpora RS i diode D postavlja se struja držanja tiristora, što rezultira neosjetljivoš u sklopa na optere enje.

6.8. LABORATORIJSKE VJEŽBE IZ TIRISTORA

Planirane su slijede e laboratorijske vježbe, za koje epripreme biti distribuirane u vrijeme izvo enja vježbi:

1. Snimanje karakteristika tiristora, 2. Fazna regulacija sa dijakom i trijakom, 3. Ispravlja sa tiristorom, 4. Okidanje tiristora sa UJT tranzistorom.

UJT - JEDNOSPOJNI TRANZISTOR

Okidanje tiristora UJT tranzistorom

7poglavlje

UJT – JEDNOSPOJNI TRANZISTOR


72

7. JEDNOSPOJNI TRANZISTOR

Jednospojni tranzistor (UJT) sastoji se od N-tipa poluvodi a, koji ini bazu tranzistora i na krajevima ima dva priklju ka (B1 i B2), te od P-tipa poluvodi a na kojem je priklju ak emitera E.

Slika 7.1 prikazuje konstrukciju i simbol tranzistora. UJT se naziva i dvobazna dioda jer je po konstrukciji to dioda s dva priklju ka na bazi.

Slika 7.1. Struktura i simbol jednospojnog tranzistora

Baza je napravljena od visokoomskog materijala te je zato otpor izme u priklju aka B1 i B2 relativno velik.

Slika 7.2. Polarizacija jednospojnog tranzistora

Slika 7.2 prikazuje polarizaciju jednospojnog tranzistora. Tranzistor je prikazan ekvivalentnom šemom, gdje je emiterski spoj predstavljen diodom, a otpor od katode diode do prve baze promjenjivim otporom RB1 i od katode diode do druge baze stalnim otporom RB2. Izme u baza je priklju en napon UBB, a u emiterskom krugu UEE.

Jednospojni tranzistor radi na na elu mijenjanja otpora zbog gomilanja nosilaca naboja pri protjecanju struje kroz PN-spoj. Pri protjecanju struje izme u emitera E i baze B1 nagomilavaju se šupljine u bazi. U istom broju nagomilavaju se i elektroni kako bi se održala ravnoteža naboja. Izme u emitera i prve baze B1 smanjuje se otpor RB1 s pove anjem struje emitera lE.

Princip rada jednospojnog tranzistora možemo najbolje opisati pomo u strujno-naponske karakteristike (slika 7.3), i to za: UBB=0 i UBB>0.

Slika 7.3. 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 što ima ve i otpor.

- Kada je na UJT priklju en napon UBB>0, pri malom emiterskom naponu UE, emiterska dioda je napropusno polarizirana i kroz nju te e samo mala inverzna struja IE0 od približno 10µA. Tada tranzistor predstavlja otpor reda vrijednosti desetak k . Na dijelu otpora RB1

postoji pad napona UR1 koji stvara struja IB2,te tranzistor ne vodi sve dok je UE<UR1. Uz IE=0, napon na otporniku RB1 ra unamo prema izrazu:

BB21

1BB1R U

RRR

UU

Faktor naziva se unutarnji omjer (engl. intrinsic stand-off ratio) i ovisno o tipu tranzistora ima vrijednost od 0,5 do 0,8.

Vodljivost tranzistora mijenja se promjenom napona na emiteru. Porastom napona UE iznad UBB, dioda postaje propusno polarizirana te struja IE postaje pozitivna. Ona je i dalje mala, i to sve dok napon ne poprimi napon vrha ili napon prekretanja UP (ta ka A na slici 7.3). Za napone manje od napona prekretanja tranzistor je u stanju blokiranja (od 0 do ta ke A).

Od tog napona struja IE po inje naglo rasti, a napon UE

se po inje naglo smanjivati. Razlog tome je emiterska struja koja injektira nosioce naboja u podru je izme uemitera i baze B1 i na taj na in smanjuje otpor RB1 tj. pove ava se vodljivost. U podru ju izme u ta ke A i B tranzistor se ponaša kao negativni otpor jer se porastom struje IE smanjuje napon UE.

Daljnjim porastom struje emitera tranzistor prelazi u podru je zasi enja, a napon UE vrlo malo raste. Kako je struja emitera IE puno ve a od struje IB2, struju IB2

možemo zanemariti, te krivulja vrlo malo odstupa od krivulje pri struji IB2=0.

Napon prekretanja zavisi o priklju enom naponu UBB i dan je izrazom:

BBDBB1R UUUU

UJT – JEDNOSPOJNI TRANZISTOR


73

Napon napajanja obi no ima vrijednost do 35V, a struja emitera tipi no 50A.

Jednospojni tranzistor koristi se za generiranje impulsa i za pobudu tiristora.

U sklopu prema slici 7.4 (pogledaj sliku 2.19) jednospojni tranzistor služi za dobivanje kratkotrajnog impulsa koji se dovodi na upravlja ku elektrodu tiristora kao okidni impuls. Promjenjivim otpornikom RP regulira

se ugao upravljanja tiristora u odnosu na sinusni punovalni ispravljeni napon.

UJT provede kad je napon na kondenzatoru ve i od njegovog napona prekretanja, što daje impuls na bazi B1 odnosno na upravlja koj elektrodi tiristora.

Prolaskom ispravljenog napona kroz nulu tiristor prestaje voditi struju, a ponovno provede dolaskom novog impulsa.

Slika 7.4. Okidanje tiristora jednospojnim tranzistorom

LITERATURA


74

8. LITERATURA

1. Jasmina Kotur, Stanko Paunovi , Analogni elektroni ki sklopovi, Zagreb 2009. 2. T. Brodi , Analogna integrisana elektronika, Svjetlost, Sarajevo 1989. 3. Vojin Cveki , Elektronika II, Linearna elektronika, Nau na knjiga Beograd, Beograd 1987. 4. Vojin Cveki , Elektronika I, Poluprovodni ka elektronika, Nau na knjiga Beograd, Beograd 1986. 5. Sejfudin Agi , Predavanja na predmetu Elektronika za III razred, JU Mješovita srednja elektrotehni ka

škola Tuzla, školska 2005/06. godina. 6. Sejfudin Agi , Predavanja na predmetu Prakti na nastava za III razred, JU Mješovita srednja

elektrotehni ka škola Tuzla, školska 2009/10. godina. 7. Jasmina Omerdi , Predavanja na predmetu Impulsna Elektronika za III razred, JU Mješovita srednja

elektrotehni ka škola Tuzla, školska 2007/08. godina. 8. Ratko Opa i , Elektronika II, za III razred elektrotehni ke škole, Zavod za udžbenike i nastavna sredstva

Beograd, Beograd 1996. 9. Senad etovi , Božo Ljuboja, Živko Marjanovi , Osnovi elektronike, telekomunikacija i automatike,

Svjetlost, Sarajevo,1989. 10. I. Modlic, B. Modlic, Visokofrekvencijska elektronika – modulacija, modulatori, poja ala snage, Školska

knjiga Zagreb, 1982. 11. Infoelektronika, asopis za elektroniku i telekomunikacije, Agencija „Eho“, Niš, 2010. 12. Prakti na elektronika, asopis za elektronike, ETŠ Nikola Tesla, Beograd, 1998. 13. Slavoljub Marjanovi , Elektronika, diskretna i integrisana analogna kola, Nau na knjiga, Beograd, 1981. 14. Spasoje Teši , Integrisana digitalana elektronika, Nau na knjiga, Beograd 1981. 15. L.W.Turner, Electronic Engineers Reference Book, Newnes-Butterworth, London, 1976. 16. Katalog firme Intel, Component Data Catalog, Santa Clara, 1998. 17. Katalog firme Motorola, Analog Devices, Data-Acquisitio Databook, Norwood, 1982. 18. C. Jung, The New Penguin Dictionary of Electronics, London 1985. 19. P. Obradovi , Telekomunikacioni vodovi, Beograd, 1990. 20. International Telecommunication Union, Radio-relay systems, 1994. 21. International Telecommunication Union, Fixed-satelite service, 1994. 22. Z. Smrki , Mikrotalasna elektronika, Školska knjiga, zagreb, 1986. 23. D.F. Stout Handbook of Operational Amplifier CD (McGraw-Hill, 1976, ISBN 007061797X ) pp. 1–11. 24. Multisim 7, Education Users Guide, Interactive Image Technologies, Toronto 2003. 25. http://www.kelm.ftn.uns.ac.rs/literatura/mi/htm/Operacioni_pojacavac.htm26. www.diyaudio.com27. www.elektronika.ba28. www.sound.westhost.com29. www.analog.com30. www.conrad.com31. www.elektroniktutor.de

Documents

Elektron III