Otázky ke klasifikovanému zápočtu z předmětu REN · Web viewSprávná volba budicího proudu...

Otázky ke klasifikovanému zápočtu z předmětu REN

Základy elektrotechniky:

1. VA charakteristika lineárního a nelineárního rezistoru, Ohmův zákon, definice statického a dynamického (diferenciálního) odporu nelineárního rezistoru.

VA charakteristika lineárního a nelineárního rezistoru: skripta Elektrotechnika a Elektronika (Hammer) str.16V libovolném pracovním bodě je možno definovat statický odpor Rs a dynamický (diferenciální) odpor Rd:

Statický odpor vyjadřuje, jaký odpor v daném pracovním bodě klade prvek stejnosměrnému proudu.

Dynamický (diferenciální) odpor vyjadřuje, jaký odpor v daném pracovním bodě klade prvek malým dynamickým střídavým

změnám proudu.

2. Chápání pojmů derivace, neurčitý integrál, určitý integrál, vysvětlení významu graficky - na obrázku (na příkladu).

Derivace je směrnice tečny.

Neurčitý integrál je funkce F, jejíž derivací je funkce f.

Určitý integrál je roven ploše obrazce omezeného přímkami x = a, x = b, osou x a křivkou definovanou grafem funkce f.

3. Používání prvního a druhého Kirchhofova zákona v obvodové praxi, vysvětlení na několika příkladech.

1.Kirchhoffův zákon: Algebraický součet všech proudů v uzlu je roven 0 neboli součet proudů vstupujících do uzlu se rovná

součtu proudů z uzlu vystupujících. Matematicky:

2.Kirchhoffův zákon: Algebraický součet všech napětí ve smyčce je roven 0 neboli součet úbytků napětí na spotřebičích se v uzavřené části obvodu (smyčce) rovná součtu elektromotorických napětí zdrojů v této části obvodu.

Matematicky:

4. Zavedení fázorového počtu, podmínky použitelnosti (jaký časový průběh musí mít napětí a proudy a proč), vysvětlení

pojmu impedance - co představuje její modul a její fáze. Vysvětlení pojmu přenos - co představuje jeho modul a jeho fáze.

Fázorový počet lze zavádět pro harmonické průběhy proudu/napětí.Impedance je komplexní veličina popisující zdánlivý odpor součástky při průchodu harmonického střídavého elektrického proudu

dané frekvence, definovaná vztahem Modul představuje

velikost neboli

absolutní hodnotu impedance. Fáze představuje fázový posun mezi fázory napětí a proudu.

Přenos je komplexní veličina definovaná vztahem ■ ■ ■

, kde U1 je vstupní

a U2 výstupní napětí. Modul představuje velikost neboli absolutní hodnotu přenosu.

Fáze představuje fázový posun mezi fázory vstupního a výstupního napětí. Je-li přenos větší než 1,

pak je výstupní napětí (proud, výkon) vyšší než vstupní a dvojbran zesiluje. Je-li přenos menší než 1, pak je výstupní napětí (proud, výkon) nižší než vstupní a dvojbran zeslabuje.

5. Obecně platný derivační resp. integrální vztah mezi průběhem napětí u(t) a proudu i(t) u ideální cívky (nikoliv speciální případ harmonických průběhů). Dynamická definice indukčnosti. Vztah mezi proudem a magnetickým tokem v jádře. Statická definice indukčnosti. Vztah mezi napětím u(t) a magnetickým tokem.

Statická definice indukčnosti (pro 1 závit) [Wb] udává závislost magnetického toku na velikosti proudu I v uzavřeném závitu.Uvažujeme-li časově proměnný proud i a také časově proměnný magnetický tok, pak se v závitu indukuje elektromotorické napětí

, který je dynamickou definicí indukčnosti (pro 1 závit)

Vztah mezi napětím a magnetickým tokem:

6. Odvození vztahu pro časový průběh napětí u(t) na ideální cívce, je-li proud harmonický. Fázor napětí a proudu. Definice reaktance cívky.

Fázor napětí předbíhá fázor proudu

o úhel

Reaktance cívky (indukční reaktance/induktance): [Ω]Reaktance je imaginární částí impedance součástky. Reaktance indukčního charakteru se nazývá induktance: Induktance je zdánlivý odpor součástky s indukčností (nejčastěji cívky) proti průchodu střídavého elektrického proudu. Induktance není důsledkem změny elektrické energie v součástce na tepelnou energii (tak jako elektrický odpor), ale je důsledkem změny elektrické energie na energii magnetického pole cívky. Velikost induktance závisí přímo úměrně na indukčnosti a na úhlové frekvenci střídavého proudu. V obvodech stejnosměrného proudu se induktance neprojevuje.

7. Reálná cívka, sériový ztrátový odpor, celková impedance, fázorový diagram, ztrátový činitel, činitel jakosti.

Elektronika Maťátko str.64-65, skripta Elektrotechnika a elektronika (Hammer) str. 23

sériový ztrátový odpor:

celková impedance:

ztrátový činitel:

činitel jakosti cívky:

8. Obecně platný derivační resp. integrální vztah mezi průběhem napětí u(t) a proudu i(t) u ideálního kondenzátoru (nikoliv speciální případ harmonických průběhů). Definice kapacity. Vztah mezi proudem a nábojem, vztah mezi napětím a nábojem.

Proud v kapacitoru:

Napětí v kapacitoru:

(Upoč.... případné počáteční napětí, analogie konstanty c u integrálů)

Kapacita vyjadřuje schopnost vodiče uchovat elektrický náboj. Jedná se o množství náboje na deskách kondenzátoru, je-li mezi deskami napětí 1V. Hodnota kapacity je závislá pouze na geometrii obou elektrod kondenzátoru (na velikosti, tvaru a jejich vzájemné vzdálenosti), nikoli na náboji nebo na napětí kondenzátoru, a je vždy kladná.

Vztah mezi proudem a nábojem:

Vztah mezi napětím a nábojem: 9. Odvození vztahu pro časový průběh proudu i(t) ideálním kondenzátorem, je-li napětí harmonické. Fázor napětí a proudu.

definice reaktance kondenzátoru.

Fázor proudu předbíhá fázor napětí o úhel

Reaktance kondenzátoru (kapacitní reaktance/kapacitance): [Ω]

Reaktance je imaginární částí impedance součástky. Reaktance kapacitního charakteru se nazývá kapacitance: Kapacitance je zdánlivý odpor součástky s kapacitou (nejčastěji kondenzátoru) proti průchodu střídavého elektrického proudu. Kapacitance není důsledkem změny elektrické energie v součástce na tepelnou energii (tak jako elektrický odpor), ale je důsledkem změny elektrické energie na energii elektrického pole kondenzátoru. Velikost kapacitance závisí nepřímo úměrně na kapacitě a úhlové frekvenci střídavého proudu. V obvodech stejnosměrného proudu se kapacitance projevuje jako nekonečně velký odpor, při kterém elektrický proud obvodem neprochází.

10. Reálný kondenzátor, sériový ztrátový odpor, ztrátový činitel, činitel jakosti, celková impedance, fázorový diagram.

Elektronika Maťátko str.56-61, skripta Elektrotechnika a elektronika (Hammer) str. 24

sériový ztrátový odpor:

celková impedance:

ztrátový činitel:

činitel jakosti cívky:

11. Ideální zdroj napětí - VA charakteristika, vnitřní odpor, ideální zdroj proudu - VA charakteristika, vnitřní odpor, reálný zdroj napětí s nenulovým vnitřním odporem - VA charakteristika.

Elektronika Maťátko str.26-27, skripta Elektrotechnika a elektronika (Hammer) str. 17-18

Ideální zdroj napětí (zdroj konstantního napětí) neklade proudu žádný odpor, jeho vnitřní odpor je nulový a svorkové napětí (napětí na svorkách zdroje) má vždy stejnou velikost jako elektromotorické napětí. U reálných zdrojů napětí se projevuje jejich vnitřní odpor a napětí na svorkách zatíženého zdroje je menší než elektromotorické napětí.

Ideální zdroj proudu (zdroj konstantního proudu) má nekonečný vnitřní odpor.

Reálný zdroj napětí s nenulovým vnitřním odporem se vyskytuje úbytek napětí na vnitřním odporu zdroje.

12. Theveninova věta- schopnost prakticky ji použít.

Libovolný lineární obvod můžeme z hlediska jedné uzlové dvojice nahradit skutečným zdrojem napětí. Napětí náhradního zdroje je rovno napětí naprázdno a velikost náhradního rezistoru je rovna odporu, který by byl mezi touto uzlovou dvojicí, kdybychom všechny zdroje napětí zkratovali a všechny zdroje proudu rozpojili.

13. Přenos nezatíženého odporového děliče, odvození.

Bipolární tranzistory:

14. Vstupní charakteristika bipolárního tranzistoru, prahové napětí báze-emitor. Výstupní charakteristiky - sepnutý stav (saturace), mezní přímka, saturační napětí, vypnutý stav, lineární oblast, hyperbola maximální kolektorové ztráty.

skripta Průmyslová elektronika (Vorel) str. 10-11

Výstupní charakteristika:Oblast napěťové saturace – sepnutý stav tranzistoru – tj. minimální možné napětí mezi C a E při daném proudu. Ve spínacím režimu, konkrétně v sepnutém stavu, je žádoucí, aby pracovní bod tranzistoru ležel co nejvíce vlevo až na mezní přímce (samozřejmě nelze mezní přímku překročit směrem k ose kolektorového proudu). Prakticky se sepnutého stavu dosáhne tím, že při předpokládaném maximálním proudu zátěže IZ = ICmax je báze napájena velikým proudem IB, daleko větším, než by odpovídalo přirozenému proudovému zesilovacímu činiteli. Tranzistor je tak úmyslně přebuzen.

Aktivní oblast – téměř lineární oblast, ve které pracuje tranzistor jako zesilovač – není zcela maximálně sepnut (tj. není minimální napětí mezi C a E), ale ani vypnut (tj. není ani maximální napětí mezi C a E a nulový kolektorový proud).

Oblast prvního průrazu (1.P) – týká se především vypínacího děje ve spínacím režimu. Její poloha je dána koleny charakteristik ležícími v oblasti UCB0. První průraz je považován za nedestruktivní (nemusí to být vždy pravda!).

Oblast druhého průrazu (2.P) – týká se rovněž vypínacího děje ve spínacím režimu. Její poloha je dána koleny charakteristik v oblasti UCE. Druhý průraz probíhá za spoluúčasti tepelných jevů (velký součin UCE×IC = velký tepelný výkon) a je považován za destruktivní (je to pravda).

Mezní přímka ve výstupní charakteristice vymezuje maximální kolektorový proud iCmax při daném napětí mezi C a E nebo také minimální možné napětí mezi C a E při daném kolektorovém proudu

Prahové napětí přechodu B-E je přibližně stále „konstantní“ při „libovolné“ hodnotě protékajícího bázového proudu. Pro křemíkový tranzistor je toto napětí: Samozřejmě lze s citem, podle velikosti bázového proudu, rozlišovat hodnoty 0,5V až 0,7V.

15. Nastavení pracovního bodu pomocí odporu RC a RB.


Pojmem pracovní bod rozumíme nastavenou hodnotu stejnosměrného kolektorového proudu, stejnosměrného napětí mezi kolektorem a emitorem a stejnosměrného proudu báze odpovídajícího proudu kolektoru. Volba stejnosměrného pracovního bodu tranzistoru, pracujícího v aktivní oblasti jako zesilovač, tedy sestává ze dvou kroků:

Volba klidového kolektorového proudu IC: V signálových nevýkonových aplikacích se volí v intervalu (0,01mA až 15mA). V běžných situacích bývá typická hodnota 1mA. Kritériem bývají tyto souvislosti:

Menší proud IC → menší šum tranzistoru. Menší proud IC → menší zesilovací činitel h21E. Menší proud IC → menší proud IB → větší vstupní impedance h11E.

Volba klidového kolektorového napětí UCE: Ve střídavě vázaných zesilovačích (tj. když jednotlivé tranzistorové stupně jsou odděleny vazebními kondenzátory, které zabraňují, aby se stejnosměrné poměry navazujících tranzistorů

jakkoli vzájemně ovlivňovaly) se často volí . Tím se umožňuje maximální možný rozkmit výstupního

signálu. Ve stejnosměrně vázaných zesilovačích si obvykle nelze vybírat, velikost kolektorového napětí může často nabývat dvou extrémních hodnot: buď (následujícího tranzistoru) = 0,6V, nebo

Kritériem bývají tyto souvislosti: Menší napětí UCE → větší parazitní mezielektrodové kapacity → menší horní mezní

kmitočet zesilovače. Větší napětí UCE → nevýrazně větší šum tranzistoru.

Ve střídavě vázaném zesilovači je poloha pracovního bodu X určena třemi hodnotami UCE, IC, IB. S uvažováním napájecího napětí Ucc, kolektorového odporu RC a bázového odporu RB jsou všechny veličiny svázány následujícími vztahy:

Napěťové zesílení zesilovače s daným konkrétním tranzistorem je tím větší, čím větší je kolektorový odpor RC. Požadujeme-li např. velké napěťové zesílení, musí být odpor RC velký, tj. při daném napájecím napětí Ucc musí být malý kolektorový proud IC pracovního bodu. Celý problém tedy spočívá v tom, že odporem RC neovlivňujeme jen stejnosměrný pracovní bod, ale i střídavé parametry zesilovače – konkrétně napěťové zesílení a výstupní odpor

16. Linearizovaný model bipolárního tranzistoru pomocí h-parametrů. Rovnice, náhradní schéma, vysvětlení významu jednotlivých parametrů.


Vychází se z následujících rovnic:

Vstupní impedance při výstupu střídavě nakrátko: ...(1 kΩ – 20

kΩ), typicky 2 kΩParazitní zpětnovazební napěťový přenos při vstupu střídavě naprázdno:

...((-10 = -5) – (-10-3)), typicky -10-4

Proudový zesilovací činitel při výstupu střídavě nakrátko: ...(50-900),

typicky 250 (= β)

Výstupní admitance při vstupu střídavě naprázdno: ...(10-6 S - 3·10-5 S),

typicky 5·10-5 S

...(1 MΩ – 30 kΩ), typicky 20 kΩ

17. Zapojení SE - schéma, vysvětlení funkce, náhradní schéma ze střídavého hlediska (tranzistor nahrazen h-parametry), vlastnosti zapojení SE.


Zapojení SE je základní a nejdůležitější, obrací fázi (posouvá o 180°, invertuje)

Popis činnosti zesilovače:Budíme-li vstupní svorky harmonickým signálem u1, nasuperponuje se toto napětí na klidové stejnosměrné předpětí báze-emitor (0,6V). K tomu slouží vazební kondenzátor Cv1. Bázový proud je mírně zkreslený harmonický průběh nasuperponovaný na stejnosměrné hodnotě bázového proudu v pracovním bodě. Díky tranzistorovému jevu (zesílení proudu) bude procházet kolektorový proud přímo úměrný proudu bázovému (přibližně β-krát větší než proud bázový). Maximální hodnota kolektorového

proudu je omezena Ohmovým zákonem na hodnotu V případě překročení této hodnoty dojde k oříznutí. Oříznutí

kolektorového proudu na nulovou hodnotu v záporné půlvlně a na hodnotu v kladné půlvlně se nazývá limitace zesilovače.

Je zřejmé, že limitace nastává při velkém vstupním signálu a že souvisí s volbou pracovního bodu zesilovače. Průběhu kolektorového proudu pak dále odpovídá průběh napětí kolektor-emitor. V kladné půlvlně proudu (nad IC) vzniká na kolektorovém rezistoru větší úbytek napětí a tak se napětí kolektor-emitor zmenšuje (součet napětí na kolektorovém rezistoru a napětí kolektor-emitor zůstává konstantní, rovný napájecímu napětí Ucc. V záporné půlvlně proudu je tomu naopak. Výstupní vazební kondenzátor CV2 zajistí, že výstupní napětí u2 s nulovou střední hodnotou bude totožné se střídavou složkou napětí kolektor-emitor.

Filtrační kondenzátor CF má zajistit, aby na napájecí svorce bylo oproti zemi čistě stejnosměrné napětí +Ucc tj. s nulovou střídavou nasuperponovanou složkou. Musí mít dostatečně velkou kapacitu tak, aby jeho reaktance bylo co nejmenší i na minimálním uvažovaném kmitočtu zesilovaného signálu.Vazební kondenzátor CV1 je nabit na napětí 0,6V a slouží k oddělení stejnosměrné složky napětí UBE – zabraňuje tomu, aby z obvodu báze tranzistoru mohl protékat nějaký stejnosměrný proud do zdroje signálu. Tím je zajištěno, že připojení zdroje signálu nijak neovlivní stejnosměrný pracovní bod zesilovače. Musí být trvale nabit na 0,6V a toto napětí se nesmí „stihnout“ měnit vlivem průchodu signálového proudu – kondenzátor se nesmí stačit nabíjet a vybíjet ani při „nejpomalejším“ signálu – musí mít dostatečně velkou kapacitu.Vazební kondenzátor CV2 zabraňuje průchodu stejnosměrného proudu z obvodu kolektoru tranzistoru do zátěže a tím zajišťuje v ustáleném stavu nulovou stejnosměrnou složku napětí na zátěži. Sám se proto musí nabít na napětí UCE. Ze střídavého hlediska opět požadujeme nulovou (resp. dostatečně malou) reaktanci kondenzátoru tj. dostatečně velkou kapacitu, aby průchodem výstupního signálového proudu nevznikalo na kondenzátoru žádné střídavé napětí.

Vstupní impedance: (h11E - 2kΩ, RB - stovky kΩ)

Výstupní impedance: (1/h22E - 20kΩ, RC - jednotky Ω)

Fázor výstupního napětí:

Fázor vstupního napětí:

Napěťové zesílení:

Maximální zesílení: (v jednom stupni zesílení řádově 2000)

Zesílení naprázdno: (Z → ∞)

Návrh vazebních kondenzátorů:

(fd...mezní kmitočet derivačních článků, fmin...minimální zpracovávaný kmitočet signálu)

...vstupní derivační článek

...výstupní derivační článek

18. Vliv neblokovaného a blokovaného emitorového odporu na zapojení SE, náhradní schéma ze střídavého hlediska, vlastnosti.


Emitorový odpor zavádí do zapojení SE místní zápornou zpětnou vazbu – stejnosměrnou i střídavou. Střídavá záporná zpětná vazba má následující vlivy:

omezuje napěťové zesílení na definovanou hodnotu velmi zvyšuje vstupní odpor zesilovače snižuje zkreslení zesilovače zvyšuje šířku pásma zesilovače

Emitorový odpor způsobuje úbytek napětí, jenž působí proti vstupnímu napětí – pokud vstupní napětí roste, tranzistor se otevírá – roste i úbytek na emitorovém odporu a tím vlastně „brzdí“ proces otevírání, neboť úbytek se odečítá od vstupního napětí. Jde tedy zjevně o zápornou zpětnou vazbu.

Ze stejnosměrného hlediska představuje záporná zpětná vazba emitorovým odporem stabilizaci pracovního bodu.

19. Zapojení SC - schéma, vysvětlení funkce, náhradní schéma ze střídavého hlediska (tranzistor nahrazen h-parametry), vlastnosti zapojení SC.


Zapojení SC se také nazývá emitorový sledovač, protože má napěťové zesílení prakticky přesně rovno jedné a výstupní signál odebíraný z emitoru proto přesně sleduje signál vstupní. Emitorový odpor vnáší do zapojení velmi silnou zápornou zpětnou vazbu. SC neobrací fázi. Velmi velký vstupní odpor (stovky kΩ), velmi malý výstupní odpor.

Popis činnosti zesilovače:Vstupním signálem pro emitorový sledovač je zde stejnosměrný zdroj U1, který zároveň určuje i pracovní bod. Nepotřebujeme tedy ani odpor RB a nejsou přítomny žádné vazební kondenzátory. Pro stejnosměrné výstupní napětí U2 platí: U2 = U1 - UBE

Jakmile dosáhne vstupní napětí U1 hodnoty prahového napětí UBE tj. 0,6V, začne procházet bázový proud. Začne tedy téci i kolektorový proud a to o takové velikosti, aby se na rezistoru RE vytvořilo přesně takové napětí U2, které splňuje výše uvedenou rovnici. Velikostí odporu RE lze tedy velikost kolektorového proudu při dané hodnotě vstupního napětí nastavit. Z popisu je vidět, že výstupní napětí je pak stále o 0,6V menší než napětí vstupní a směrnice převodní charakteristiky je přesně rovná jedné – to dokazuje, že napěťové zesílení zesilovače SC je rovno jedné.

20. Zapojení SB - schéma, vysvětlení funkce, náhradní schéma ze střídavého hlediska (tranzistor nahrazen h-parametry), vlastnosti zapojení SB.


Zapojení SB na rozdíl od SE neobrací fázi signálu. Vstupem zesilovače je emitor. Velmi malá vstupní impedance a veliká výstupní impedance a malé (žádné) proudové zesílení. Výhodou je dosažení podstatně vyššího kmitočtu zesilovače oproti zapojení SE.

Popis činnosti zesilovače:Ze střídavého hlediska má tranzistor bázi uzemněnu blokovacím kondenzátorem CV. Signál je přiváděn do emitoru. Zapojení SB má dosti společného se zapojením SE. V obou zapojeních je střídavá složka napětí B-E přímo rovna střídavému vstupnímu napětí zesilovače. U SB má ovšem opačnou polaritu, protože uzemněna je báze a signál vedeme do emitoru (u SE byl uzemněn emitor a signál veden do báze). Z toho také plyne fakt, že zapojení SB na rozdíl od SE neobrací fázi signálu. Kolektorový obvod a výstup

zesilovače jsou pak již u obou zapojení stejné.

21. Bipolární tranzistor ve spínacím režimu. Vysvětlení zapojení. Proč tvoříme dělič RBE a RB? Postup návrhu RBE a RB. Vliv RC na strmost náběžné hrany kolektorového napětí. Zapojení a vliv antisaturační diody.


Už se nejedná o lineární režim, proto zde už neplatí vztah

Zapojení a): naprosto nesprávný a nepoužitelný způsob vypínání tranzistoru. Báze vypnutého tranzistoru nesmí zůstat nikam nezapojena, jinak může při zahřátí dojít ve vypnutém stavu k lavinovému nárůstu zbytkového proudu a zničení tranzistoru. Tranzistor bude mít navíc extrémně dlouhou vypínací dobu toff.

Zapojení b): Velmi dobrý způsob pro případ, že napětí U0 je malé (asi do 2-3 V).

Zapojení c): Velmi dobrý způsob vhodný i pro napětí U0 velké velikosti.

Podle Theveninovy věty si můžeme zdroj U0 (nebo 0 V při vypnutí) a dělič R1-RBE nahradit sériovou kombinací zdroje daleko

menšího napětí a malého vnitřního odporu daného paralelní kombinací R1 a RBE. Tím dosáhneme napěťového

buzení báze (při sepnutí i vypnutí) s malým vnitřním odporem a přitom budící napětí U0 smí být velké, aniž by to způsobilo příliš velký bázový proud tj. hlubokou saturaci. Odpor RBE je velmi malý (desítky – stovky Ω).

Postup návrhu v zapojení c):

1) Zjistíme velikost kolektorového proudu při stavu „sepnuto“:

2) Zvolíme βsat asi 10krát menší než je přirozený činitel β použitého tranzistoru (βsat 10 až 30). Tím tedy chceme vnucovat bázový

proud asi 10krát větší, než by pro daný kolektorový proud bylo třeba. Bázový proud bude:

3) Volíme co nejmenší R

BE

(rozumně, 30Ω - 800Ω podle požadavků na rychlost vypínání) a určíme jím tekoucí proud:

4) Určíme celkový budící proud tekoucí odporem R1:

5) Určíme velikost odporu R1:

Spínací tranzistor s antisaturační diodou:

Správná volba budicího proudu je vždy otázkou kompromisu mezi malým napěťovým úbytkem na tranzistoru a mezi rychlostí vypínacího děje. Tento kompromis lze vyřešit „samočinně“ pomocí antisaturační diody.

22. Zdroj proudu s bipolárním tranzistorem, schéma, vysvětlení činnosti, výpočet.


Úbytek napětí báze emitor je téměř konstantní (UBE = 0,6V). Zdroj Ur má také konstantní nastavené stejnosměrné napětí. Podle 2. Kirchhoffova zákona je napětí na emitorovém rezistoru RE dáno jako rozdíl Ur a UBE. Musí se tedy také jednat o konstantní napětí. Tedy i emitorový proud musí být konstantní, Zanedbáme-li malý proud bázový, pak kolektorový proud je roven proudu emitorovému a musí být tedy také konstantní – nezávislý na velikosti zátěže, kterou vřazujeme mezi kolektor a zdroj kladného

napájecího napětí. Pro tento proud tedy lze napsat:

Pokud je řídicí napětí Ur neměnné konstantní, jedná se o zdroj konstantního proudu, je-li napětí proměnní říditelné, jedná se o zdroj proudu řízený napětím (ZPŘN).

Unipolární tranzistory:

23. Typy unipolárních tranzistorů, ochuzovací a obohacovací kanál, převodní a výstupní charakteristiky.

skripta Průmyslová elektronika (Vorel) str. 58

Podle způsobu izolace řídicí elektrody (hradla) od polovodičové struktury rozlišujeme: MOS-FET: hradlo je izolováno od systému vrstvou SiO2 o tloušťce řádově 100nm. J-FET: hradlo je izolováno polovodičovým PN-přechodem polarizovaným v závěrném směru (dioda v závěrném

směru).

Podle typu vodivosti polovodiče tvořícího vodivý kanál na dráze kolektor-emitor: S kanálem N: polaritou napětí a proudů je to obdoba tranzistoru NPN. S kanálem P: obdoba tranzistoru PNP.

Podle činnosti kanálu: S obohacovaným kanálem: při UGS = 0 je kanál zcela zavřený, tranzistor je vypnut a neteče jím kolektorový proud.

Mají trojvrstvou strukturu NPN (PNP). Není tedy úplně pravda, že jejich struktura je ryze „unipolární“ v geometrickém smyslu.

S ochuzovaným kanálem: při UGS = 0 je kanál mírně cíleně pootevřený a teče jím kolektorový proud, pokud je mezi kolektor a emitor přiloženo napětí. Kanál je tvořen polovodičem jediného typu. Jejich struktura je tedy opravdu ryze „unipolární“.

24. Jednostupňový zesilovač se společným emitorem (source) s unipolárním tranzistorem s ochuzovacím a obohacovacím kanálem, zapojení, popis ze střídavého hlediska pomocí y-parametrů.


V případě a) s obohacovacím kanálem je nutno vytvořit pomocí děliče kladné předpětí o velikosti přibližně UGS ≥ UGS,th, kterým se nastaví kolektorový proud, tj. pracovní bod. Dělič snižuje vstupní impedanci (což může být nežádoucí), protože oba rezistory R1 a R2 leží ze střídavého hlediska paralelně ke vstupu zesilovače. Naštěstí lze použít velké odpory (stovky kΩ až jednotky MΩ).

V případě b) s ochuzovacím kanálem není dělič nutný, tranzistorem totiž teče kolektorový proud i při UGS = 0 (hradlo je tentokrát ze stejnosměrného hlediska zkratováno s emitorem přes malou vnitřní impedanci zdroje signálu). Vstupní impedance je proto větší.

Vychází se z následujících rovnic:

Vstupní admitance při výstupu střídavě nakrátko:

Parazitní zpětnovazební admitance při vstupu střídavě nakrátko:

...jedná se o parazitní parametr malé velikosti a při výpočtech ho obvykle lze zanedbat podobně jako

h12E u bipolárních tranzistorů (nevyšetřujeme-li ovšem stabilitu zesilovače).

Přenosová admitance při výstupu střídavě nakrátko: ...nejdůležitější parametr pro výpočet napěťového

zesílení, přímo popisuje převodní charakteristiku v pracovním bodě.

Výstupní admitance při vstupu střídavě nakrátko:

25. Problematika spínacího režimu výkonového tranzistoru MOS-FET. Korektní způsob spínání a vypínání, problematika rezistoru Rg.


Výkonové spínací tranzistory se konstruují vždy s obohacovaným kanálem, aby při výpadku signálu na řídicí elektrodě (tj. UGS = 0) nedošlo k sepnutí tranzistoru (havárie).Pro tranzistor s kanálem N bývá prahové napětí přibližně UGS,th = +2V až +5V. Pak nutnou podmínkou pro spínací režim musí být:

Zapnuto: UGS >> UGS,th , UGS = +10V až +15V. Vypnuto: UGS << UGS,th , UGS = 0V až -15V.Tranzistory není nutno vypínat záporným napětím, ale u vysokonapěťových typů v oblasti 600V/8A se to doporučuje.

Tranzistory MOS-FET jsou extrémně rychlé, proto musí být zapínací a vypínací děj poněkud zpomalen. Toho se dosáhne odporem RG, který tvoří se vstupní kapacitou CGS (řádově nF) časovou konstantu, s níž narůstá napětí na řídicí elektrodě

pozvolněji, exponenciálně. Velikost odporu RG doporučuje výrobce tranzistoru, hodnota se pohybuje typicky v rozmezí RG = 5Ω až 100Ω.

Stabilizátory napětí:

Zdroje konstantního stejnosměrného napětí lze podle způsobu regulace výstupního napětí dělit na: Paralelní stabilizátory: regulační prvek je zapojen paralelně k zátěži. Sériové stabilizátory: regulační prvek je zapojen do série se zátěží.

26. Paralelní stabilizátor se Zenerovou diodou, schéma, grafické řešení, vysvětlení funkce, postup návrhu.


Mezi zdroj vstupního nestabilizovaného napětí a stabilizovaný výstup je zapojen pouze srážecí rezistor (lineární nebo nelineární s velkým dynamickým odporem). Paralelně k výstupním svorkám tj. k zátěži je však zapojen regulační prvek. Ten se chová jako „samočinně a cíleně“ proměnný rezistor. „Měří“ hodnotu napětí na svorkách. Má-li tato hodnota tendenci být příliš velká (např. z důvodu odlehčení zátěže nebo nárůstu vstupního napětí, pak zmenší svůj odpor, tím vzroste jeho proud a na srážecím rezistoru tedy vzroste úbytek a výstupní napětí zůstane nezvýšeno. Podobně v případě tendence k poklesu výstupního napětí regulační prvek zvýší svůj odpor (sníží svůj proud) a tak k poklesu nedojde.

Návrh stabilizátoru: Je zadáno: UZ, I2max (nebo R2min), vstupní napětí U1min až U1max

1) Volíme pracovní bod Zenerovy diody pro případ maximálního zatížení I2max: Tehdy je dioda nejvíce odlehčena a teče jí minimální proud IZmin. Proud IZmin musí ležet nad kolenem IK (asi 1mA):

2) Výpočet odporu R1:

3) Kontrola namáhání diody při odpojení zátěže:

Tato hodnota musí ležet pod maximální dovolenou katalogovou hodnotou dané diody, resp. podle toho je třeba diodu nadimenzovat.

27. Sériový stabilizátor s tranzistorem v zapojení SC a se Zenerovou diodou, schéma, vysvětlení funkce, postup návrhu.


Návrh stabilizátoru: Zadána je maximální hodnota výstupního proudu , dále požadované výstupní napětí a rozsah vstupního napětí U1min až Umax.

1) Spočteme maximální hodnotu bázového proudu (tj. při plném proudu zátěže):

2) Volíme napětí Zenerovy diody:

3) Volíme minimální proud Zenerovou diodou (tj. při IBmax):

4) Stanovíme R1: ■

5) Kontrolujeme výkonové namáhání Zenerovdy diody při odlehčení stabilizátoru (nebude kritické v případě dostatečného zesilovacího činitele tranzistoru):

6) Zjistíme maximální ztrátový výkon (tj. tepelné namáhání) tranzistoru:

Na takový výkon je třeba dimenzovat chladič tranzistoru.

Operační zesilovače:

1. Ideální operační zesilovač - vlastnosti, reálný operační zesilovač -vlastnosti. Rychlost přeběhu - souvislost maximálního kmitočtu a rozkmitu výstupního napětí.


Diferenční napětí:

Napěťové zesílení OZ:

Vlastnosti ideálního operačního zesilovače:1) Napěťové zesílení je kladné reálné a nekonečně velké číslo a to nezávisle na kmitočtu.2) Proudy do obou vstupů zesilovače jsou nulové.3) Z předchozího bodu plyne nekonečná impedance obou vstupů.4) Výstupní odpor zesilovače je nulový – tj. výstup se chová jako ideální napěťový zdroj – při změně zatížení se napětí na výstupní svorce nemění.5) Velikost výstupního napětí není ničím omezena, může dosahovat hodnot od -∞ do +∞.

Všimněme si již nyní tří důležitých skutečností, které plynou z nekonečné velikosti napěťového zesílení:a) Přivedeme-li na oba vstupy libovolné, ale absolutně shodné napětí proti zemi (tj. jako bychom vstupy spolu navzájem

zkratovali, vstupní diferenční napětí je absolutně nulové), bude výstupní napětí zesilovače U0 nulové.b) Bude-li neinvertující vstup (+) mít proti zemi kladnější napětí než invertující (-), pak výstupní napětí bude +∞. Naopak

bude-li invertující vstup kladnější než neinvertující, bude výstupní napětí -∞. Nezáleží přitom na tom, jak velký je rozdíl obou vstupních napětí.

c) Je-li na výstupu ideálního OZ napětí U0 konečné a přitom nenulové, pak to nutně znamená, že vstupní diferenční napětí se limitně blíží nule.

Dynamické vlastnosti reálných OZ:Operační zesilovač má na rozdíl od ideálního vnitřní napěťové zesílení konečné velikosti, v rozmezí cca od 103 do 106. Toto zesílení (napěťový přenos) je navíc kmitočtově závislé – modul i fáze.

Rychlost přeběhu sR (Slew Rate) je maximální možná strmost du/dt, s jakou je schopno se měnit výstupní napětí operačního zesilovače. Rychlost přeběhu má závažný vlil na horní mezní kmitočet OZ.

Statické vlastnosti reálných OZ:Nulové diferenční vstupní napětí neodpovídá nulovému napětí na výstupu. Ten vstup, který je potenciálově kladnější, „prosadí“ na výstupu své znaménko (kladné nebo záporné výstupní napětí).

2. Proporcionální invertující zapojení - schéma, vstupní odpor, napěťové zesílení - odvození.


Proporcionální člen, nebo-li obyčejný invertující zesilovač vznikne z obecného zapojení tak, že obě impedance nahradíme rezistory.

Protože invertující vstup reprezentuje virtuální zem, nachází se pravý konec impedance Z1 trvale na potenciálu země. Z toho plyne, že vstupní impedance zesilovače je: Zvst = Z1

Odvození napěťového zesílení:Na invertujícím vstupu platí 1. Kirchhoffův zákon:

3. Princip vzniku nulového výstupního odporu u invertujícího zapojení vlivem záporné zpětné vazby a nekonečného zesílení operačního zesilovače.

skripta Průmyslová elektronika (Vorel) str. 86

Výstupní impedance zesilovače je rovna nule. To je vlastnost každého bodu, z něhož je vyvedena silná záporná zpětná vazba. Chtělo-li by totiž, vlivem zvýšeného proudového odběru, výstupní napětí u0(t) klesnout, zpětná vazba to nedovolí – jinak by se porušila nastavená rovnováha. Následující obvody vnímají tuto skutečnost jako nulovou výstupní impedanci: Zvýst = 0

4. Princip vytvoření virtuální nuly operačního zesilovače vlivem záporné zpětné vazby a nekonečného zesílení operačního zesilovače.

???

5. Integrační invertující zesilovač, odvození přenosu, modulová a fázová kmitočtová charakteristika, odvození průběhu výstupního napětí v časové oblasti.


Integrační člen neboli integrační zesilovač vznikne z obecného zapojení tak, že první impedanci nahradíme odporem, druhou impedanci kapacitou.

Integrační vztah mezi okamžitými hodnotami výstupního a vstupního napětí vyplyne z rovnice:

Oba proudy lze vyjádřit pomocí napětí na kapacitě a odporu. Protože invertující vstup se nachází na potenciálu virtuální země, na

kapacitu je přiloženo napětí u0, na odpor napětí u1:

Provedeme-li naznačenou integraci, dostáváme rovnici

která říká, že výstupní napětí je časovým integrálem napětí vstupního. Napětí Upoč má význam libovolné počáteční podmínky, tj. integrační konstanty. je to napětí, na které je nabit kondenzátor před zahájením integrace.

Napěťový přenos v operátorovém tvaru určíme snadno z rovnic a :

, kde se nazývá zesílení integrátoru.

6. Derivační invertující zesilovač, odvození přenosu, modulová a fázová kmitočtová charakteristika, odvození průběhu výstupního napětí v časové oblasti.


Derivační člen neboli derivační zesilovač vznikne z obecného zapojení tak, že první impedanci nahrdaíme kapacitou, druhou impedanci odporem.

Derivační vztah mezi okamžitými hodnotami výstupního a vstupního napětí vyplyne z rovnice:

Oba proudy lze vyjádřit pomocí napětí na odporu a kapacitě. Protože invertující vstup se nachází na potenciálu virtuální země, na

odpor je přiloženo napětí u0, na kapacitu napětí u1:

která říká, že výstupní napětí je derivací napětí vstupního.

Napěťový přenos v operátorovém tvaru určíme snadno z rovnic a :

, kde se nazývá zesílení derivačního členu.

Date post:	11-Feb-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	2 times
Download:	0 times

Otázky ke klasifikovanému zápočtu z předmětu REN · Web viewSprávná volba budicího proudu...

Documents