kol_elekronika

1 Badanie Filtrów
Cel stosowania filtrów: Filtry te stosuje się w celu wytłumienia napięć i natężeń poza określanym pasmem częstotliwości w
urządzeniach radiowych, telekomunikacyjnych i elektroakustycznych. Filtry takie poprawiają sprawność układu i zmniejszają
tętnienia (okresowe zmiany napięcia wokół wartości średniej). Rozróżniamy pasma przepustowe i pasma tłumieniowe.
Wady i zalety filtrów: RC: Lepsza sprawność i mniejsze tętnienie w układach małej mocy. Filtracja jest, więc tym lepsza, im
większa będzie pojemność kondensatora, wahania napięcia na odbiorniku będą tym mniejsze im stała czasowa układu RC
będzie większa. Zaletami są także taniość i małe wymiary zastosowanych elementów. Wadami takiego układu są duże spadki
napięcia na włączonych szeregowo rezystorach oraz duże prądy przepływające przez diody prostownicze. Przy włączeniu, gdy
kondensator nie jest jeszcze naładowany płynie duży prąd ładowania. należy go uwzględnić przy doborze diody i prostownika.
Ograniczamy to przez wstawienie dodatkowych rezystorów. możemy go stosować tylko w układach małej mocy (setki woltów).
RL: Stosuje się przy dużych prądach obciążenia gdyż właściwości filtracyjne tego układu poprawiają się wraz ze wzrostem
obciążenia. Napięcie spada liniowo wraz ze wzrostem obciążenia. Zjawisko przeciągania prądu poza przedział dodatnich
chwilowych wartości napięcia zasilania istnieje nawet wtedy, gdy obciążenie jest czysto rezystancyjne. Związane to jest z
faktem, że w przypadku zasilania układu z transformatora, w obwodzie zawsze występuje reakcja rozproszenia jego uzwojeń,
związana ze strumieniem rozproszenia.
1. Cel i sens stosowania filtrów RC i RL w układach prostowników ?
Filtry RC i RL stosuje się w celu wytłumienia napięć i natężeń poza określanym pasmem częstotliwości w urządzeniach
radiowych, telekomunikacyjnych i elektroakustycznych. Filtry takie poprawiają sprawność układu i zmniejszają tętnienia
(okresowe zmiany napięcia wokół wartości średniej). Rozróżniamy pasma przepustowe i pasma tłumieniowe.
2. Narysować schemat filtru RL lub RC.
Układ filtru RC – rezystancja R i pojemność C
R1
Prostownik
C1
Obciążenie
Układ filtru RL –rezystancja R i Solenoid L (zwojnica).
R1
Prostownik
L1
Obciążenie
3. Wady i zalety filtrów RC i RL.
-Filtr RC:
Lepsza sprawność i mniejsze tętnienie w układach małej mocy. Filtracja jest, więc tym lepsza, im większa będzie pojemność
kondensatora, wahania napięcia na odbiorniku będą tym mniejsze im stała czasowa układu RC będzie większa. Zaletami są
także taniość i małe wymiary zastosowanych elementów.
Wadami takiego układu są duże spadki napięcia na włączonych szeregowo rezystorach oraz duże prądy przepływające przez
diody prostownicze. Przy włączeniu, gdy kondensator nie jest jeszcze naładowany płynie duży prąd ładowania. należy go
uwzględnić przy doborze diody i prostownika. Ograniczamy to przez wstawienie dodatkowych rezystorów. możemy go
stosować tylko w układach małej mocy (setki woltów).
-Filtr RL:
Stosuje się przy dużych prądach obciążenia gdyż właściwości filtracyjne tego układu poprawiają się wraz ze wzrostem
obciążenia. Napięcie spada liniowo wraz ze wzrostem obciążenia.
Zjawisko przeciągania prądu poza przedział dodatnich chwilowych wartości napięcia zasilania istnieje nawet wtedy, gdy
obciążenie jest czysto rezystancyjne. Związane to jest z faktem, że w przypadku zasilania układu z transformatora, w obwodzie
zawsze występuje reakcja rozproszenia jego uzwojeń, związana ze strumieniem rozproszenia.
4. Narysować na przebiegu sinusoidalnie przemiennym okres przebiegu , wartość maksymalną, średnią i
skuteczną.
0
Im
IsrIs
/2

3/2
2
T
T – okres
Im – natężenie maksymalne
Is – natężenie skuteczne
Isr – natężenie średnie
Is = Im/2
Isr = 2 Im / 
Budowa i działanie tranzystora bipolarnego?
Składa się z 3, wytworzonych w płytce półprzewodnika, warstw, kolejno n–p– n (tranztstor typu N) lub p– n–p
(tranztstor typu P), stanowiących elektrody nazywane zgodnie z ich działaniem: emiter E - dostarczająca mniejszościowych
nośników ładunku (N- elektrony, P- dziury) do bazy; baza B -warstwa wspólna (podstawa) i kolektor C zbierający nośniki
wstrzykiwane z emitera do bazy. Strumień nośników wstrzykiwanych z emitera do bazy stanowi prąd emitera IE, strumień
nośników odbieranych przez kolektor — prąd kolektora IC . Stosunek wartości obu prądów określa tzw. współczynnik
wzmocnienia prądowego α = IC/IE
Działanie: umożliwia wzmacnianie mocy sygnałów elektr., tj. stanowi element czynny układów elektron.; pełni funkcję
wzmacniacza, przełącznika, detektora itp.
Narysować charakterystyki wejściową, przejściową i wyjściową.
Zastosowanie tranzystorów bipolarnych w elektronice:
- radioodbiorniki, telewizory, komputery,
- czujniki fotoelektr.,
- w układach pomiarowych,
- w połączeniu z kondensatorem stanowi element pamięci półprzewodnikowej
1. Budowa i działanie tranzystora bipolarnego mocy BJT.
ma strukturę trzywarstwową n-p-n lub p-n-p, która stanowi przeciwstawne połączenie
szeregowe dwóch złączy p-n. Warstwa środkowa jest wspólna dla dwóch złączy i nosi nazwę
bazy
W strukturze p-n-p strumieniem nośników są elektrony a w n-p-n dziury – z tego
względu tranzystory nazywamy bipolarnymi
pracuje niemal wyłącznie dwustanowo [ w zależności od znaku sygnału sterującego jest
wprowadzany w stan przewodzenia (nasycenia) o małym spadku napięcia miedzy emiterem
a kolektorem lub w stan nieprzewodzenia o dużej rezystancji wewnętrznej.



Przełączenie do stanu przewodzenia i utrzymywanie tranzystora w tym stanie odbywa się
poprzez sygnał prądowy bazy [dodatni dla tranzystora n-p-n a ujemny dla p-n-p ]

Przełączenie ze stanu przewodzenia do stanu nieprzewodzenia wymaga doprowadzenia do
bazy sygnału prądowego w kierunku przeciwnym [ujemnym dla n-p-n a dodatnim dla p-n-p]
Działanie – Na przykładzie NPN Gdy złącze po lewej stronie jest spolaryzowane w kierunku
przewodzenia bariera potencjału obniża się i nośniki są wstrzykiwane z emitera do bazy. Ponieważ
baza jest bardzo cienka – niemal wszystkie wstrzyknięte nośniki przedostają się do obszaru
kolektora. Stosunek liczby nośników wpływających do kolektora do liczby nośników wstrzykiwanych
przez zlącze emiter baza jest nazywany WSPÓŁCZYNNIKIEM WZMOCNIENIA PRĄDOWEGO W UKŁADZIE WSPÓLNEJ
BAZY
0
2. Parametry tranzystora bipolarnego
Zestaw parametrów katalogowych tranzystora dzieli się najogólniej na parametry dopuszczalne
graniczne i parametry charakterystyczne. W grupie parametrów dopuszczalnych granicznych podaje
się przede wszystkim sześć następujących parametrów (w nawiasach podano oznaczenia stosowane
w katalogach wydawanych w języku angielskim): l
- UCBO - maksymalne napięcie kolektor-baza przy rozwartym emiterze; to ograniczenie wynika ze
zjawiska przebicia
- UCEO- maksymalne napięcie kolektor-emiter przy rozwartej bazie; to napięcie ma zwykle wartość o
kilkadziesiąt procent mniejszą niż UCBO
- UEBO -maksymalne napięcie na złączu emiter-baza spolaryzowanym w kierunku zaporowym przy
rozwartym kolektorze; wartość tego napięcia wynika zwykle z przebicia Zenera i wynosi zaledwie
kilka woltów;
- IC- maksymalny prąd kolektora;
- Pstr - całkowita moc tracona w tranzystorze;
- Tj - maksymalna temperatura pracy złączy w tranzystorze.
W grupie parametrów charakterystycznych rozróżnia się kilka podgrup parametrów, tj.: statyczne,
małosygnałowe, częstotliwościowe, przełączania oraz inne. Wśród parametrów statycznych
najważniejsze są trzy następujące parametry:
- prądy zerowe, najczęściej /cm -prąd kolektora przy polaryzacji złącza C-B w kierunku zaporowym i
rozwarciu obwodu emitera;
- ßN często oznaczane h21E lub hFE - współczynnik wzmocnienia prądowego dla układu WE przy pracy
z dużymi sygnałami, czyli IC/IB,
- UCE sat - napięcie nasycenia kolektor-emiter przy określonych wartościach prądów IB , IC
3. Narysowac charakterystyke wejsciowa, wyjsciowa i przejsciowa
Ic – prad wyjściowy, prad kolektorowy
Ube – przyłożone napiecie wejściowe, napiecie baza emiter
Uce – napiecie wyjściowe, napiecie kolektor emiter
Ib – prad bazy – prad wejsciowy
4. Opis tranzystora bipolarnego jako czwórnika
Równania opisujące czwornik : U1 = h11*I1 + h12*U2
I2 = h21*I1 + h22*U2 - Układ parametrow mieszanych lub typu h
U1
U 2 0 - zwarciowa impedancja wejsciowa
I1
U1
H12E I 10 - rozwarciowy współczynnik napięciowy sprzężenia zwrotnego
U2
I
H21E - 2 U 20 - zwarciowy współczynnik napięciowego wzmocnienia pradu
I1
I
H22E - 2 I 10 - rozwarciowa admitancja wyjsciowa
U2
H11E -
5.Definicja wzmocnienia prądowego parametrów konduktancji wyjściowej
Wzmocnienie prądowe :
Ki =
IC
IB
U CE U CEQ

Ic – wartość skuteczna prądu kolektora
Ib – wartość skuteczna prądu bazy
Wzmocnienie napięciowe :
K u=  
Rc
h11e
H11e – spadek napiecia na rezystancji Rc
Współczynnik wzmocnienia struktury struktury trzywarstwowej
IE – prąd emitera
n 
IC
IE
IC – prąd wyjściowy
W rzeczywistości współczynnik wzmocnienia jest nieco mniejszy od 1 ze względu na prąd zerowy –
prąd generacji termicznej i wynosi 0,95-0,999.
6. Zastosowanie tranzystorów BJT i IGBT [tranzystor z izolowana bramka]

wszędzie tam gdzie pojawiają się duże prądy obciążenia i napięcia do 3300 V

w układach energoelektronicznych małej i średniej mocy ( nawet powyżej 500kW), w których
wymagana jest komutacja wewnętrzna zaworów – ze względu na małe spadki napięcia na
przyrządach w stanie przewodzenia oraz krótkie czasy przełączeń

na chwile obecna rozwój techniczny tranzystorów IGBT z izolowana bramką [połączenie
tranzystora bipolarnego z unipolarnym MOSFET] spowodował ze przyrządy te mają obecnie
szersze zastosowanie niż tranzystory bipolarne mocy, zadecydowała o tym : łatwość
sterowania
większą obciążalność
krótsze czasy przełączeń
Z najważniejszych urządzeń energoelektronicznych, w których wykorzystywane są tranzystory
mocy można wymienic :




Przemienniki częstotliwości i falowniki do regulacji silników prądu przemiennego przeznaczone
do napędów trakcyjnych i przemysłowych
Przekształczniki impulsowe [czopery] - stosowane w napedach pradu stalego np. w
elektrycznej trakcji kolejowej tudzież miejskiej
W źródłach bezprzewodowego zasilania
Tranzystory są podstawowymi składnikami niemal każdego układu elektronicznego począwszy
od najprostszego układu wzmacniającgo, a skończywszy na najbardziej skomplikowanych
układach opartych na mikroprocesorach. Mimo panowania wszechobecnych układów scalonych
tranzystory jako elementy dyskretne nadal pozostają ważnymi, a czasami
niezastąpionymi czy też najbardziej skutecznymi, chociażby jako elementy sprzęgające różne
układy między sobą.
7. Porównanie parametrów tranzystorow bipolarnych i polowych.
Graniczne parametry współcześnie wytwarzanych tranzystorów polowych mocy
ID = 20 – 100 A
- PRĄD DRENU
UDS = 200 – 50 V [wieksze wartości prądów odpowiadają niższym napięciom znamionowym]
Ton ≥ 0,09 μs
Toff ≥ 0,14 μs - Czasy przełączeń tranzystor polowych
Dopuszczalna stromość narastania napiecia > 20kV/ μs
Dopuszczalna stromość narastania prądu
> 10kA/ μs
Zakres parametrow tranzystorow germanowych i krzemowych
Tranzystor
Napięcie
Prąd IZBO
Napięcie UCE
Prąd IC
Współczynnik
Moc PC
wsteczne
wzmocnienia
URE
prądu
V
μA
V
A
W
Ge
0 - 60
1 – 100
30 - 60
0,01 - 25
10 - 100
0,05 – 25
Si
0–5
10 -8 – 1
60 – 600
0,01 – 150
10 – 1400
0,05 - 800
Parametry graniczne tranzystorow polowych SA podobne do odpowiednich parametrow tranzystorow
bipolarnych . W tranzystorach polowych nie wystepuje jednak drugie przebicie. Dlatego tez
tranzystory polowe mocy maja wiecej zalet niż tranzystory bipolarne mocy.
W tranzystorach polowych należy uważać na to aby nie przekraczac maxymalnego dopuszczalnego
napiecia bramki.
Tranzystor bipolarny mocy nie jest odporny na napiecie wsteczne [ujemne napiecie kolektor emiter
dla tranzystorow p-n-p] Graniczne napiecia wsteczne wynosza 5 – 20 V [związane jest to z wysokim
domieszkowaniem warstwy emitera w celu uzyskania dużego wzmocnienia pradowego ]
Duza odporność tranzystora na napiecia blokowania do 1200 V
Czas magazynowania – czas po którym tranzystor przechodzi w stan quasi-nasycenia a nastepnie w
obszar aktywny
Cwiczenie # 3
Pytania kontrolne
Tyrystor (sterowana dioda krzemowa) składa się z płytki krystaliczno- krzemowej zbudowanej z 4 warstw o rożnym
domieszkowaniu tworząc 3 złącza: katodowe, anodowe, i środkowe. Złącze anodowe i środkowe cechuje wysoka wytrzymałość
napięciowa przy polaryzacji wstecznej, natomiast złącze katodowe z uwagi na budowę, takiej cechy nie wykazuje. Niezbędna
jest też hermetyczna obudowa, która będzie ja chroniła.
Dzialanie: przykładając napięcie miedzy anodę i katodę polaryzujemy złącza (PjNj) i (NtP2) w przeciwnych
kierunkach. Gdy anoda ma potencjał- względem katody to złącze (P1N1) jest spolaryzowane wstecznie a złącze (N1P1) w
kierunku przewodzenia. W obwodzie anoda- katoda płynie niewielki prąd wsteczny. W miarę zwiększania napięcia przy pewnej
jego wartości następuje przebicie złącza (P1N1) a następnie (P2N2). Ten stan pracy nazywamy stanem wstecznym. Natomiast
przy polaryzacji anody napięciem dodatnim względem katody możliwe są 2 stany: blokowania i przewodzenia.
Zaleta- możliwość sterowania przełączeń.
Wady: diody są bardziej wytrzymale od tyrystorów pod względem przepiec, diody maja mniejszy spadek napięcia w
kierunku przewodzenia.
Parametry: max średni prąd przewodzenia(prąd graniczny) max dopuszczalny prąd skuteczny. Niepowtarzalny
szczytowy prąd przewodzenia. Prąd podtrzymania(wyłączenia). Min prąd załączania. Powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne.
Niepowtarzalne szczytowe napięcie wsteczne. Powtarzalne szczytowe napięcie blokowania. Niepowtarzalne szczytowe napięcie
blokowania.
Odmiany: Dioda Shockley’a (dynistor), dwukierunkowa dioda Shockley’a (diak), tyrystor dwukierunkowy (triak),
tyrystor asymetryczny(ASCR), tyrystor przewodzący wstecznie (RCT), tyrystor o wspomaganym wyłączeniu (GATT), tyrystor
wyłączany (2TO), tyrystor wyłączany prądem bramki OTO, tyrystor sterowany tranzystorami MOS (MCT), tyrystor polowy
(Sith, FCT).
Zastosowanie: sterowniki napięcia przemiennego, prostowniki sterowane do napędów przekształnikowych wielkiej
mocy, falowniki o komutacji napięcia przemiennego, grzanie indukcyjne w układach wielkiej mocy, w specjalnych
urządzeniach oświetleniowych.
Współczynnik tętnień to stosunek amplitudy w składowej podstawowej tętnień na wyjściu Uo1m i składowej
stałej Uos
Prostownik jednopołówkowy.
Układ ten jest najprostszym prostownikiem prądu przemiennego. Zbudowany jest z transformatora- który
obniża napięcie sieciowe na niższe, diody prostowniczej- która prostuje prąd i napięcie, obciążenia.
Na wyjściu transformatora otrzymujemy napięcie sinusoidalne. W dodatniej półfali napięcia prąd płynie
przez uzwojenie wtórne transformatora, diodę (znajduje się ona teraz w stanie przewodzenia) oraz przez
obciążenie. W ujemnej półfali prąd nie płynie ponieważ dioda nie przewodzi ponieważ znajduje się w stanie
zaporowym (spolaryzowana jest w kierunku zaporowym). Przez rezystancję płynie prąd jednokierunkowy,
tętniący.
Prostownik jednofazowy, dwupołówkowy, z wyprowadzonym środkiem uzwojenia wtórnego transformatora.
Charakterystyki czasowe prostownika półfalowego:


sygnał napięciowy podawany na wejście prostownika;
sygnał napięciowy na wyjściu prostownika.
Prostownikiem dwupołówkowym lub pełnookresowym nazywamy taki prostownik w którym po procesie
prostowania pozostają części przebiegu, które są jednego znaku i dodają się do nich- po zmianie znaku
części, które miały znak przeciwny w okresach czasu, w którym na anodzie diody D1 występuje napięcie
dodatnie, a na anodzie diody D2 występuje napięcie ujemne i odwrotnie.
Wynika to z faktu że środek uzwojenia wtórnego transformatora jest uziemiony a więc znajduje się on na
potencjale zerowym. Przy połówce dodatniej napięcia na uzwojeniu wtórnym transformatora mamy sytuację
w której dioda D1 przewodzi a dioda D2 nie przewodzi. Przy połówce ujemnej przewodzi dioda D2, a nie
przewodzi dioda D1.
Układ czteroprostownikowy układ Gretza.
Układ mostkowy stosuje się w przypadku prostowania dużych prądów W pierwszej połowie okresu, gdy
biegunowość napięcia zasilającego jest dodatnia, przewodzą diody D1 i D2, płynie prąd i1. Po zmianie
biegunowości napięcia zasilającego tzn. w drugiej połowie okresu przewodzą diody D3 i D4, płynie prąd i2.
Diody D1 i D2 znajdują się w tym czasie w stanie zaporowym. W rezultacie przez odbiornik płynie prąd o tym
samym zwrocie w obu połowach okresu.
Schemat zasilacza z wbudowanym mostkiem Gretza
współczynnik tętnień (iloraz wartości skutecznej składowej zmiennej i składowej stałej napięcia wyprostowanego)
Filtrem prostowniczym nazywamy układ włączany między prostownikiem a obciążeniem, dla obniżenia wartości składowej
zmiennej (tętnień, pulsacji) napięcia wyprostowanego. Filtr prostowniczy jest typowym przykładem filtru dolnoprzepustowego.
Działanie filtru polega na uśrednianiu w funkcji czasu, energii dostarczanej do obciążenia. Uśrednianie jest efektem chwilowego
magazynowania i następnie zwracania energii przez takie elementy filtru jak dławiki lub kondensatory.
Istotnymi współczynnikami dla oceny jakości filtru są:
- skutecznosć filtru określana jako stosunek amplitudy składowej zmiennej na wyjściu prostownika (obciążenie rezystancyjne,
bez filtru) do amplitudy składowej zmiennej wyjściowego przebiegu filtru (po dołączeniu do prostownika),
- współczynnik tętnień określany jako stosunek wartości skutecznej składowej zmiennej wyjściowego przebiegu filtru do
wartości średniej składowej stałej tego przebiegu.
W literaturze technicznej można spotkać również inną definicję współczynnika tętnień, w której w liczniku występuje nie
wartość skuteczna ale amplituda składowej zmiennej przbiegu wyjściowego. Należy podkreślić, że wartości wymienionych
współczynników zależą w sposób istotny od wartości dołączonego do filtru obciążenia i przy porównaniu układów filtrujących
powinny być wyznaczone dla ściśle określonego prądu wyjściowego.
Ad 5
Tranzystor jest najprostszym elementem czynnym, to znaczy takim który posiada możliwość zmiany prądu płynącego ze źródła
zasilania do obciążenia. Umożliwia on sterowanie niewielkim sygnałem prądów o znacznie większej wartości, czyli umożliwia
wzmacniane sygnałów o niewielkich wartościach. Często takie elementy nazywa się sterowalnymi. Ze względu na budowę oraz
właściwości tranzystory dzieli się na dwie grupy: bipolarne oraz unipolarne (polowe). Główna różnica pomiędzy nimi polega na
sposobie sterowania. Tranzystory bipolarne sterowane są prądowo a unipolarne napięciowo. Inną różnicą jest sam proces
przewodnictwa, w tranzystorach polowych biorą udział nośniki jednego rodzaju (elektrony lub dziury), natomiast w
tranzystorach bipolarnych oba nośniki jednocześnie
Charakterystyka tyrystora