Zavojnica
Zavojnica (svitak)
Zavojnica je elektronički element koji se koriste u kolima izmjenične struje, izrađuje se
od bakarne žice izolirane lakom, koja se namotava na izolaciono tijelo ili na feromagnetno
jezgro uz prethodno izoliranje jezgre papirom. Zavojnica može biti izrađena sa zračnom
jezgrom bez izolacionog tijela. Zavojnica električnu energiju pretvaraju u magnetnu za
vrijeme izgradnje magnetnog polja, odnosno, magnetnu energiju pretvaraju u električnu za
vrijeme razgradnje magnetnog polja. U stacionarnom stanju ona u kolima istosmjerne struje
(ako je djelatni otpor veoma mali) predstavlja kratki spoj.
Slika 1.48. Primjer zavojnica male induktivnosti.
Zavojnice dijelimo prema vrsti jezgre na: zavojnice bez feromagnetne jezgre i zavojnice
sa feromagnetnom jezgrom. Prema nazivnoj frekvenciji zavojnice dijelimo na:
visokofrekventne (VF) i niskofrekventne (NF) zavojnice.
VF zavojnice su one koje se primjenjuju na frekvencijama reda ;< i ,;<, namotaji
izrađuju od jednožilne ili višežilne žice. Namotaji se obično motaju bifilarno kako bi
smanjili parazitni kapaciteti zavojnice. Jezgra se izrađuju kao feritna i karbonilna. Jezgra
izrađuje na taj način što se feromagnetni materijal pretvori u prah (samelje se), miješa
izolacionim sredstvom, sabija u željeni oblik, suši i peče na temperaturi većoj od 2000 °C.
se
se
se
sa
NF zavojnice su prigušnice i transformatori, primjenjuju se na frekvencijama ispod
10 ;<, a naročito u elektroenergetici, kao transformatori i prigušnice.
Parametri zavojnice su: induktivnost (}), induktivni otpor (c~ ), faktor dobrote (P~ ),
nazivni napon (8) i nazivna struja (:).
Induktivnost, je svojstvo zavojnice da se u njoj inducira elektromagnetna sila (napon),
zbog promjenljivog magnetnog toka koji stvara promjenljiva struja. Induktivnost je
geometrijska osobina zavojnice, jer zavisi od broja navoja (•), presjeka jezgre (€), dužine
zavojnice ( ) i vrste materijala od kojeg je izrađena jezgra (bR ). Računamo je pomoću
jednadžbe:
•H ∙ €
} = b ∙ bR ∙
b - magnetna propustljivost vakuuma, koja iznosi 4E ∙ 10(• = 1,256 ∙ 10( [;⁄*];
bR - relativna magnetna propustljivost materijala od kojeg je izrađena jezgra zavojnice
(iznosi od 1 za zrak do 25000 za specijalne dinamo limove sa velikim koercitivnim
poljem), nema dimenzije, tj. to je neimenovan broj;
• – broj navoja zavojnice (neimenovan broj);
€ – poprečni presjek jezgre (*H );
– dužina zavojnice (*).
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Faktor dobrote, definiramo kao odnos induktivnog otpora zavojnice c~ (kad zanemarimo
parazitni kapacitet zavojnice - ƒ , koji je veoma mali) i djelatnog otpora zavojnice S~ (svaka
realna zavojnica ima djelatni otpor):
P~
c~
S~
Nazivni napon, je najveća efektivna vrijednost napona za koji je zavojnica konstruirana
da trajno radi. Ako se nazivni napon prekorači
prekora i za duži vremenski period dolazi do proboja
izolacije među
u namotajima zavojnice ili njenog uništenja. Visinu napona, odnosno broj navoja
po jednom voltu možemo izračunati
izrač
po empirijskoj (iskustvenoj) jednadžbi koja glasi:
45 ] 60
6„F 3 .
€‚
3
€‚ – presjek željezne jezgre (d*H ).
⁄ 7
Nazivna struja, je najveća
ća efektivna vrijednost izmjenične struje koja može trajno da teče
te
kroz zavojnicu, a da ne izazove pregrijavanje namotaja i jezgra zavojnice.
Jačinu
inu struje možemo izrač
izračunati ako poznajemo poprečni
ni presjek žice (+) od koje je
izrađen
en namotaj zavojnice i preporučljivu
preporu
gustoću struje (…), koja treba da se kreće
kre
u
H
granicama 3 ] 56+⁄** 7, odnosno:
:
†
6+7.
h
Zavojnica (svitak) u krugu izmjenične struje
Zavojnica ima sposobnost da pri protjecanju izmjenične struje vrši koncentraciju
magnetne energije u prostoru oko zavojnice i unutar zavojnice. Zbog toga zavojnica, pored
djelatnog otpora, pruža izmjeničnoj
zmjenič
struji dodatni otpor.
Slika 1.49. Vani oblici struje i napona za krug sa zavojnicom.
Ako kroz zavojnicu } teče
teč sinusna struja dobiva složenim matematičkim
čkim postupkom:
:9 ∙ 2-3LA, tada se napon na zavojnici
∆L ∙ } ∙ d 2LA 89 ∙ d 2LA
∆A
Vidimo da za maksimalne vrijednosti struje i napona vrijedi Ohmov zakon, odnosno:
0~
}∙
89
L ∙ } ∙ :9
tj.
:9
_V
‡~
Veličina L} ima karakter otpornosti i izražava protivljenje (reakciju) zavojnice promjeni
jačine
ine struje u njoj, pa se zbog toga naziva reaktivna induktivna otp
otpornost
ornost ili induktivna
reaktansa:
c~
L}
2E=}
Zavojnica
Dakle, za maksimalne i efektivne vrijednosti struje i napona vrijedi Ohmov zakon u
obliku:
:9 =
_V
sˆ
odnosno
:
@
=
_‰Š
sˆ
Sa slike 1.49. je vidljivo da u kolima izmjenične struje, sa čisto induktivnom otpornošću,
napon na zavojnici fazno prednjači struji za 90°, odnosno, struja kroz zavojnicu faz no kasni
za naponom za 90°.
Otpor idealne zavojnice u krugu istosmjerne struje je nula (= = 0⇒L} = c~ = 0), pa se
idealna zavojnica u krugu istosmjerne struje ponaša kao kratak spoj.
Mjerenje induktivnosti zavojnica U-I metodom
a)
b)
Slika 1.50. Mjerenje induktivnosti zavojnice U-I metodom.
Mjerenjem istosmjernog napona 8 i struje : kroz zavojnicu možemo odrediti djelatni
otpor realne zavojnice S~ (slika 1.50a).
8
:
Mjerenjem izmjeničnog efektivnog napona 8~ i struje :~ možemo odrediti impedanciju
realne zavojnice ‹ (slika 1.50b).
S~ =
‹=
8~
:~
Pomoću S~ i ‹ možemo izračunati induktivni otpor zavojnice c~ , induktivnost zavojnice }
i kosinus kuta faznog pomaka d 2\.
c~ = Œ‹ H − S~H
c~ = L} = 2E=}⇒} =
d 2\ =
•‹ H − S~H
c~
=
2E=
2E=
S~
S~
⇒\ = Fdd 2
‹
‹
Kondenzator
Kondenzator
Kondenzator je spremnik statičkog elektriciteta i energije električnog polja koje nastaje u
prostoru između dva električki vodljiva tijela zbog razdvajanja električnog naboja.
Slika 1.51. Primjer različitih vrsta kondenzatora.
Osnovna veličina kondenzatora je njegov električni kapacitet ƒ, koji je određen odnosom
količine elektriciteta P i napona 8 na oblogama kondenzatora:
P
8
Nazivni kapacitet jeste kapacitet pri normalnim radnim uvjetima i označen je na samom
kondenzatoru. Kapacitet se izražava u faradima (q). Međutim, s obzirom da je farad vrlo
velika jedinica, kapacitet se obično izražava u mikrofaradima (bq), nanofaradima (3q) i
pikofaradima ( q).
ƒ=
Kapacitet kondenzatora zavisi od vrste dielektrika, geometrijskog oblika, dimenzija, itd.
Utjecaj dielektrika na kapacitet je uvjetovan intenzitetom polarizacije samog dielektrika.
Sposobnost dielektrika da se polarizira u električnom polju karakterizira se dielektričnom
propustljivošću, koja se još zove i dielektrična konstanta:
• = •R ∙ •
gdje je •R − relativna dielektrična konstanta dielektrika, a • − dielektrična konstanta
vakuuma i ona iznosi 8,85 ∙ 10(>H [q ⁄*].
Vrijednosti kapaciteta kondenzatora (ako nije posebno naglašeno, u q), kao i
dozvoljena odstupanja kapaciteta od nazivne vrijednosti, nazivni napon i drugi parametri
ispisuju se na samom tijelu kondenzatora. Dozvoljena odstupanja kapaciteta od nazivne
vrijednosti, koja se izražavaju u procentima, definirana su klasama točnosti. Ta odstupanja
mogu biti simetrična (±10%, ±20%) i nesimetrična (−10%, +30%). S obzirom da veoma
često, zbog malih dimenzija kondenzatora, na njima nema mjesta za ispisivanje tolerancije
kapaciteta, uveden je sistem slovnog označavanja (isti standard važi i za označavanje
tolerancije otpornosti otpornika).
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Kondenzator u krugu izmjenične
struje
izmjeni
Ako na kondenzator priključimo
priključ
izmjenični
ni napon, s obzirom da se vrijednost tog napona
struje sa
stalno mijenja po zakonu sinusa, možemo zaključiti
zaklju
da će se u krugu izmjenične
izmjeni
kondenzatorom vršiti trajan proces periodičnog
periodi nog „punjenja“ i „pražnjenja“ kondenzatora. U
krugu sa kondenzatorom teče
teč izmjenična struja, ali to ne znači
či da struja prolazi kroz
dielektrik kondenzatora većć da je ona posljedica trajne periodi
periodične
ne izmjene odre
određene količine
elektriciteta između izvora električne
ektri
struje i kondenzatora. S obzirom da se polaritet ploča
plo
kondenzatora mijenja proporcionalno frekvenciji, to se i smjer električnog
električnog polja mijenja isto
toliko puta, pa nastaje oscilatorno pomicanje naelektriziranih čestica
estica koje na taj na
način čine
tzv. struju dielektričnog pomicanja.
Dakle, u krugu izmjenične
čne struje sa kondenzatorom, pored provodne struje u vodičima
kruga, postoji i struja dielektričnog
dielektrič
pomicanja u dielektriku kondenzatora.
Slika 1.52. Vremenski oblicu struje i napona za krug sa kondenzatorom.
Ako se na kapacitet ƒ priključi sinusni napon 0g
kapacitet dobija složenim matematičkim
matemati
postupkom:
89 ∙ 2-3LA, tada se struja kroz
∆0g
∆‘
ƒ∙
L ∙ ƒ ∙ 89 ∙ d 2LA :9 ∙ d 2LA
∆A
∆A
Vidimo da za maksimalne vrijednosti struje i napona vrijedi Ohmov zakon, odnosno:
-g =
:9
L ∙ ƒ ∙ 89
tj.
89
UV
‡g
Veličina 1⁄Lƒ ima karakter otpornosti i naziva se reaktivna kapacitivna otpornost ili
kapacitivna reaktansa:
cg
1
Lƒ
1
2E=ƒ
Dakle, za maksimalne i efektivne vrijednosti struje i napona vrijedi Ohmov zakon u
obliku:
:9
_V
s’
odnosno
:
@
_‰Š
s’
Sa slike 1.52. je vidljivo da u kolima izmjenične struje, sa čisto
isto kapacitivnom otpornoš
otpornošću,
struja na kondenzatoru fazno prednjači
prednja i naponu za 90°, odnosno, napon na k ondenzatoru
fazno kasni za strujom za 90°.
Otpor idealnog kondenzatora u krugu istosmjerne struje je ∞ (= 0⇒ 1⁄Lƒ
∞) pa se idealni kondenzator u krugu istosmjerne struje ponaša kao prekid kruga.
cg
Kondenzator
Mjerenje kapaciteta kondenzatora U-I metodom
Slika 1.53. Shema za mjerenje kapaciteta kondenzatora U-I metodom.
Mjerenjem izmjeničnog efektivnog napona na kondenzatori 8g i struje kroz kondenzator
:g možemo odrediti kapacitet kondenzatora ƒ.
Djelatni ili omski otpor kondenzatora Sg možemo zanemariti pa je kapacitivni otpor cg
jednak prividnom otporu ‹g .
‹g = cg =
8g
:g
Budući da kapacitivni otpor ovisi o kapacitetu kondenzatora i o kružnoj frekvenciji L,
možemo ga izračunati i pomoću tih elemenata:
cg =
1
1
=
Lƒ 2E=ƒ
8g
1
:g
:g
=
⇒ƒ =
=
:g
Lƒ
L ∙ 8g 2E=8g
RLC spojevi
Serijski spoj otpornika, zavojnice i kondenzatora
Za serijski RLC spoj, je karakteristično da se priključeni napon raspodjeljuje na pad
napona na aktivnom otporu 8^ , pad napona na zavojnici 8~ i pad napona na kondenzatoru
8g .
Slika 1.54. Shema serijskog RLC kruga.
Pad napona 8^ je u fazi sa strujom koja protječe kroz krug, pad napona 8~ fazno
prednjači struji kroz krug za 90°, dok pad napona 8g fazno kasni za strujom kroz krug za 90°.
Znajući takve naponske odnose možemo nacrtati međusobne ovisnosti napona i otpornosti
(trokuti napona i otpornosti).
a)
b)
c)
Slika 1.55. Trokuti napona i otpornosti: a) c~ > cg ; b) c~ < cg ; c) c~ = cg .
U zavisnosti od odnosa reaktivnih otpora c~ i cg postoje tri karakteristična slučaja:
1.
2.
3.
Ako je c~ > cg , tada je 8~ > 8g pa kažemo da je spoj induktivnog karaktera, a
napon 8 prednjači struji za ugao \ > 0.
Ako je c~ < cg , tada je 8~ > 8g pa kažemo da je spoj kapacitivnog karaktera, a
napon 8 kasni iza struje za ugao \ < 0.
Ako je c~ = cg , tada je 8~ = 8g pa kažemo da je spoj u naponskoj rezonanci, jer
su napon 8 i struja : u fazi (\ = 0).
Pretpostavimo da je induktivna otpornost veća od kapacitivne. Napon 8 se određuje
primjenom Pitagorine teoreme za trokut kao:
8 H = 8^H Z Y8~ − 8g [H
8 = •8^H Z Y8~ − 8g [H
odnosno
Na temelju Ohmovog zakona možemo pisati:
8^ = : ∙ S;
8~ = : ∙ c~ ;
8g = : ∙ cg
Uvrštavanjem ovih vrijednosti u jednadžbu za napone dobivamo:
8 = •Y: ∙ S[H Z Y: ∙ c~ − : ∙ cg [H = •: H ∙ [S H Z Yc~ − cg [H ] = : ∙ •S H Z Yc~ − cg [H
Iz ove jednadžbe dobivamo izraz za efektivnu vrijednost struje u krugu:
:=
_
•^W yYsˆ (s’ [W
tj.
:=
_
•
Izraz u nazivniku predstavlja ukupni otpor ili impedanciju kruga:
‹ = •S H Z Yc~ − cg [H
Pri poznatim vrijednostima ‹, S, c~ i cg primjenom trigonometrijskih funkcija za trokut
dobivamo:
^
\ = Fd2-3
\ = Fdd 2 • ;
sˆ (s’
;
•
\ = FdA–
sˆ (s’
.
^
Kod serijskog RLC kruga pri c~ = cg u krugu nastupa serijska ili naponska rezonancija.
Fizikalna suština naponske rezonancije je potpuna razmjena reaktivne energije između
magnetnog polja namotaja zavojnice i električnog polja dielektrika kondenzatora, pri čemu
nastaje osciliranje energije koje podržava izvor. Prema tome, kada bi djelatni otpor kruga bio
jednak nuli (S = 0), dovoljno bi bilo pobuditi LC krug i u njemu bi primljena energija trajno
oscilirala vlastitom frekvencijom (LQ ) bez prisutnosti izvora.
Vlastitu frekvenciju oscilatornog kruga pri režimu naponske rezonance određujemo kao:
c~ = cg ⇒L} =
1
⇒LQ
Lƒ
=
1
√}ƒ
Frekvencija izvora pri kojoj nastupa naponska rezonanca naziva se rezonantna
frekvencija:
LR
v
=
>
√~g
;
=R
v
= HI
>
√~g
;
5 = 2E√}ƒ.
Dakle, rezonantna frekvencija izvora jednaka je frekvenciji slobodnih oscilacija
oscilatornog kruga. Impedancija serijskog oscilatornog kruga pri rezonanci je minimalna i
jednaka je aktivnoj otpornosti, a amplituda električnih oscilacija pri rezonanci dostiže
maksimum.
Zadatak vježbe
•
Spojiti elemente prema shemi. Izmjeriti struju kroz serijski RLC krug, izmjeriti
napone na otporniku S, zavojnici }, kondenzatoru ƒ i na rednoj vezi RLC. Na
osnovu izmjerenih vrijednosti odrediti impedanciju cijelog kruga. Odrediti
induktivni otpor zavojnice i kapacitivni otpor kondenzatora.
Slika 1.56. Shema serijskog RLC kruga.
Tabela 1.8. Mjerenje parametara serijskog RLC kruga.
=[ ;<]
0,5
1
5
10
:[*+]
8[ ]
8^ [ ]
8~ [ ]
8g [ ]
‹[|]
S[|]
c~ [|]
}[*;]
cg [|]
ƒ[bq]
RLC spojevi
Paralelni spoj otpornika, zavojnice i kondenzatora
Za paralelni RLC spoj, je karakteristično da se ukupna struja : dijeli, prema prvom
Kirhofovom zakonu, na struje :^ , :~ i :g .
Slika 1.57. Sema paralelnog RLC kruga.
Struja :^ je u fazi sa naponom 8, struja :~ fazno kasni za naponom 8
8 za 90°, dok struja
:g fazno prednjačii naponu 8 za 90°. Znaju ći takve strujne odnose možemo nacrtati
međusobne
usobne ovisnosti struja i provodnosti (trokute struja i provodnosti).
a)
b)
c)
Slika 1.58. Trokuti struja i provodnosti: a) 1~ > 1g ; b) 1~ < 1g ; c) 1~~
1g .
U zavisnosti od odnosa reaktivnih provodnosti 1~ i 1g postoje tri karakteristična
karakteristi
slučaja:
1.
2.
3.
Ako je 1~ > 1g , tada je :~ > :g pa kažemo da je spoj induktivnog karaktera, a
napon 8 prednjači struji za ugao \ > 0.
Ako je 1~ < 1g , tada je :~ ” :g pa kažemo da je spoj kapacitivnog karaktera, a
napon 8 kasni iza struje za ugao \ ” 0.
Ako je 1~ = 1g , tada je :~ :g pa kažemo da je spoj u strujnoj rezonanciji, jer su
napon 8 i struja : u fazi (\ 0).
Pretpostavimo da je induktivna provodnost veća od kapacitivne. Struja : se određuje
primjenom Pitagorine teoreme za trokut kao:
: H = :^HH Z Y:~ ] :g [H
odnosno
Na temelju Ohmovog zakona možemo pisati:
:^
C ∙ 8;
:~
•:^H ] Y:~ ] :g [H
:
1~ ∙ 8;
:g
1g ∙ 8
Uvrštavanjem ovih vrijednosti u jednadžbu za struje dobivamo:
:=8
8 ∙ •C H Z Y1~ ] 1g [H
tj.
U
8
•— W yYpˆ (p’ [W
Izraz u nazivniku predstavlja ukupnu provodnost ili admitansu kruga:
`
•C H Z Y1~ ] 1g [H
Pri poznatim vrijednostima `, C, 1~ i 1g primjenom trigonometrijskih funkcija za trokut
dobivamo:
—
Fdd 22 t;
\ = Fdd
\
Fd2-3
pˆ (p’
;
t
\
FdA–
pˆ (p’
.
—
Kod paralelnog RLC kruga pri 1~ = 1g u krugu nastupa paralelna ili strujna rezonancija.
Fizikalna suština strujne rezonancije je potpuna razmjena reaktivne energije između
magnetnog polja namotaja zavojnice i električnog polja dielektrika kondenzatora, pri čemu se
energija izvora troši samo na pokrivanje djelatnih gubitaka.
Vlastitu frekvenciju oscilatornog kruga pri režimu strujne rezonance određujemo kao:
1~ = 1g ⇒
1
= Lƒ⇒LQ
L}
=
1
√}ƒ
Frekvencija izvora pri kojoj nastupa strujna rezonancija naziva se rezonantna
frekvencija:
LR
v
=
>
√~g
;
=R
v
=
>
;
HI√~g
5 = 2E√}ƒ.
Dakle, rezonantna frekvencija izvora jednaka je frekvenciji slobodnih oscilacija
oscilatornog kruga. Provodnost paralelnog oscilatornog kruga pri rezonanci je minimalna i
jednaka je djelatnoj provodnosti, a reaktivne struje grana su jednake i fazno pomjerene za
180°.
Zadatak vježbe
•
Spojiti elemente prema shemi. Izmjeriti ukupnu struju kroz paralelni RLC krug,
izmjeriti struje kroz otpornik S, zavojnicu }, kondenzator ƒ. Izmjeriti pad napona
na paralelnom RLC krugu. Na osnovu izmjerenih vrijednosti odrediti impedanciju
cijelog kruga. Odrediti induktivni otpor zavojnice i kapacitivni otpor kondenzatora.
Slika 1.59. Shema paralelnog RLC kruga.
Tabela 1.10. Mjerenje parametara paralelnog RLC kruga.
=[ ;<]
0,5
1
5
10
8[ ]
:[*+]
:^ [*+]
:~ [*+]
:g [*+]
‹[|]
S[|]
c~ [|]
}[*;]
cg [|]
ƒ[bq]
Transformator
Transformator
Transformator je statički elektromagnetski stroj koji pretvara izmjenični napon i struju
jedne vrijednosti u izmjenični napon i struju druge vrijednosti uz istu frekvenciju. Sastoji se od
dva svitka koji nisu povezani galvanskom vezom. Veza se ostvaruje isključivo preko
magnetskog polja uz direktnu primjenu principa međuindukcije. Transformator je na
primarnoj strani priključen na izmjenični izvor, a na sekundarnoj opterećen trošilom.
Slika 1.60. Princip rada transformatora.
Transformatori se primjenjuju za vjerno prenošenje oblika strujnih i naponskih impulsa
male snage, prilagođavanje struje i napona i njihovu transformaciju, promjenu impedancije,
kao i za izolaciju električnih krugova (galvansku izolaciju).
Idealni transformator (bez gubitaka) prenosi snagu jednaku dovedenoj. U praktičnim
izvedbama transformatora gubici se stvaraju u zavojima i jezgri transformatora, tako da se
samo dio dovedene snage prenosi na trošilo. Gubici stvoreni na djelatnom otporu zavoja
svitka nazivaju se gubicima u bakru ˜ge , a gubici u jezgri nastali zbog vrtložnih struja i
histereze feromagnetskog materijala su gubici u željezu ˜‚ . Dodatni gubici mogu nastati u
zračnom rasporu na poprečnom presjeku jezgre, koji se postavlja radi poboljšanja svojstava
transformatora.
Transformatori mogu biti realizirani sa i bez feromagnetske jezgre, što bitno određuje
njihova svojstva. Naime, induktivnost svitka } bez jezgre ne ovisi o struji koja teče kroz
svitak. Induktivnost je konstantna i određena je geometrijskim karakteristikama svitka. Krug s
takvim svitkom je linearan. Međutim, za svitak s feromagnetskom jezgrom ne vrijedi linearna
ovisnost između struje i magnetskog toka, pa ni induktivnost takvih svitaka nije konstantna,
već zavisi od veličine struje. Električni krugovi koji sadržavaju svitke s feromagnetskom
jezgrom nelinearni su, što znači da izobličuju strujni signal.
Transformatori se od bakarne žice izolirane lakom. Željezna jezgra je sastavljena od
međusobno izoliranih limova, na taj način postiže se veliki električni otpor vrtložnim strujama
u jezgru. Željezni limovi su „U“, „E“ i „I“ profila. Na stupove transformatora se stavljaju već
formirani namotaji i jezgro se zatvara paketom limova „I“ profila. Kod „U” profila namotaji su
na zasebnom, a kod jezgra „E” profila na istom stubu. Namotaji mogu imati i više izvoda.
Odnos broja namotaja sekundara i primara naziva se koeficijent transformacije ili
prijenosni omjer:
™
3 = ™š .
›
Ako se zanemare gubici snaga u transformatoru, tada je snaga sekundara približno
jednaka snazi primara.
˜œ = ˜O ⇒8œ ∙ :œ = 8O ∙ :O
Uš
U›
_
= _› =
š
™›
™š
Opterećenje kojim transformator opterećuje izvor na koji se priključuje je:
gdje je SO =
_š
Uš
•œ
8œ 8O •O
•œ H SO
=
= SO ∙ • ž = H
Sœ =
•
:œ
•O
3
:O •O
œ
opterećenje sekundara, a Sœ reducirani otpor sekundara u primarni krug.
Zadatak vježbe
•
Spojiti elemente prema shemi. Za navedene položaje preklopke izmjeriti napone
na primaru i sekundaru transformatora. Izmjerene vrijednosti unijeti u tabelu i na
osnovu njih odrediti prijenosni omjer transformatora.
Slika 1.61. Shema za određivanje prijenosnog omjera transformatora sa dva primara.
Tabela 1.12. Rezultati mjerenja prijenosnog omjera transformatora.
Položaj
preklopke
Frekvencija
napona [;<]
1
100
2
100
1
1k
2
1k
Napon primara
8œ [ ]
Napon sekundara
8O [ ]
Omjer transformacije
3
Označavanje poluvodičkih elemenata
Označavanje poluvodičkih elemenata
Iako poluvodičke strukture imaju dosta standardiziran način označavanja, tako da je iz
oznake jasno o kojoj komponenti se radi, s obzirom na veliki broj komponenti najbolji način
da odgonetnemo o kojoj komponenti se radi i sa kojim karakteristikama, je korištenje
kataloških podataka.
Postoji veliki broj sistema označavanja poluvodičkih elemenata, a najčešće se koriste
Europski, Američki i Japanski označavanja poluvodiča.
Europski sistem (Pro-elektron)
Format: dva slova, (opcija treće slovo), serijski broj (sufiks)
Primjer: BC107, BZX12, AC109, BC547B.
Prvo slovo označava materijal od kojeg je poluvodič izrađen. Značenje je sljedeće:
A – germanij,
B – silicij,
C – galij-arsenid,
D – indij-antimonid,
R - poluvodiči bez ispravljačkog djelovanja (foto elementi).
Drugo slovo označava primarnu upotrebu elemenata. Značenje je sljedeće:
A – detektorske, ispravljačke i diode za miješanje;
B – diode sa promjenjivim kapacitetom (varikap diode);
C – NF tranzistori;
D – NF tranzistori snage;
E – tunel dioda;
F – VF tranzistor;
G – kombinirani elementi;
H – elementi osjetljivi na magnetska polja;
K – Hall modulatori i umnožitelji;
L – VF tranzistori snage;
N – Optokapler;
P – elementi osjetljivi na radijacije, svjetlosni detektor;
Q – elementi koji emitiraju radijacije, svjetlosno emitiranje;
R – elementi za električnu kontrolu i okidanje, tiristor, dijak, UJT tranzistor;
S – tranzistori male snage za prekidačke namjene;
T – snažni prekidači i kontrolni elementi, tiristor, trijak;
U – tranzistori za prekidačko napajanje
X – diode za umnožavanje, varikap dioda;
Y – ispravljačke diode i regulatori;
Z – naponski stabilizatori i regulatori, zener dioda;
Opcionalno treće slovo označava da je komponenta namijenjena za industrijsku ili
profesionalnu uporabu. Obično su to slova W, X, Y i Z.
Broj kao treći element oznake, označava registarski broj proizvoda i on može biti
dvocifreni ili trocifreni. Često se iza broja nalazi i još jedno slovo, npr A, koje označava da se
radi o jednoj od varijanti osnovnog tipa, koji se razlikuje po nekom parametru.
Diode za stabilizaciju, ispravljačke diode i tiristori mogu imati dodatna slova i brojeve. Za
zener diode često se iza oznake nalazi slovo koje označava toleranciju:
A - 1%, B - 2%, C - 5%, D - 10% i E - 15%.
Iza ove oznake slijedi broj koji označava nazivni radni napon. Decimalni zarez u ovoj
oznaci je označen sa slovom V.
Npr. BZY 93-C7V5 je oznaka diode za stabilizaciju, koja ima toleranciju 5% i predviđena
je za radni napon 7,5V.
Kod ispravljačkih dioda iza standardne oznake može se nalaziti jedan broj koji označava
maksimalni reverzni napon npr. BYX34-500 je ispravljačka dioda sa reverznim naponom od
500V.
Kod oznake za tiristore dodatni broj označava maksimalni reverzni napon.
Američki sistem (JEDEC - Join Electron Device Engineering Council)
Format: broj, slovo, serijski broj, (sufiks).
Primjer: 2N2222A, 2N904, 1N4148.
Američki proizvođači označavaju poluvodiče sa tri elementa. Prvi element je broj koji
pokazuje broj PN spojeva. Broj 1 označava jedan PN spoj, odnosno to je oznaka za diode.
Broj 2 označava dva PN spoja, odnosno tranzistore. Broj 3 označava tri PN spoja, odnosno
tiristore.
Drugi element je slovo N.
Treći element je broj koji označava pod kojim je element registriran.
Često se iza broja nalaze i slova A, B, C, koja označavaju da se radi o varijanti
osnovnog tipa tranzistora, koji se razlikuje po nekom parametru:
A – malo pojačanje;
B – srednje pojačanje;
C – veliko pojačanje.
Japanski sistem (JEITA - JIS C7012)
Format: broj, dva slova, serijski broj, (sufiks).
Primjer: 2SC65, 2SC1213AC.
Prvi element je broj koji pokazuje broj PN spojeva (1) ili tranzistor (2).
Drugi element se sastoji od dva slova. Prvo slovo je S, koje označava da je to poluvodič.
Drugo slovo ima sljedeće značenje:
A – PNP VF tranzistor;
B – PNP NF tranzistor;
C – NPN VF tranzistor;
D – NPN NF tranzistor;
F – element od silicija;
H – tiristor;
J – P kanalni unipolarni tranzistor;
K – N kanalni unipolarni tranzistor.
Treći element je broj pod kojim je registriran proizvod.
Opcionalno se dodaje sufiks koji označava reviziju osnovnog modela elementa.
Npr. 2SC65 je VF tranzistor NPN tipa, registarski broj 65.
Označavanje poluvodičkih elemenata
Kao što se vidi iako je označavanje
ozna
poluvodičkih
kih komponenti dosta standardizirano s
obzirom na veliki broj tih komponenti najbolji način
na
je ipak korištenje
rištenje kataloga. Na kraju ove
vježbe dati su kataloški podaci za neke komponente koje ćemo
emo koristiti, za svaku novu
komponentu koja se prvi puta koristi potrebno je pronaći
prona i njene kataloške podatke na
internetu te ih priložiti kao dodatak vježbi.
Kućišta poluvodičkih
kih elemenata
Velika većina komponenti je ugrađena u određene
ene tipove kućišta.
kuć
Kućišta su,
prvenstveno, neophodna da bi se sama komponenta, odnosno njen funkcionalni dio zaštitio
od vanjskih utjecaja (vlage, temperature, mehaničkih
mehani
oštećenja).
enja). Pored toga, sama ku
kućišta
su tako izvedena da se preko njih komponenta vezuje (lemi)
(lem u određeni
đeni elektroni
elektronički krug.
Drugim riječima, kućišta
išta omogu
omogućuju da se preko njih pričvrste
vrste električni izvodi kojima se
ostvaruje električna
na veza sa drugim komponentama.
Slika 2.1. Različite
Razli
vrste kućišta poluvodičkih
kih dioda i tranzistora.
Često
esto se prema vanjskom izgledu kućišta
ku išta može prepoznati vrsta elektronske
komponente, to se posebno može reći
re i za komponente sa izvodima. Međ
Međutim, kod SMD
komponenti, kada su komponente paralelopipednog, odnosno cilindričnog
cilindričnog oblika vrlo je teško
vizualno razlikovati otpornik od kondenzatora, odnosno otpornik ili kondenzator od diode.
Slika 2.2. Usporedba SMD sa klasičnim
klasi
elektroničkim
kim komponentama.
U našem radu ćemo koristiti samo poluvodičke
poluvodi ke komponente u klasi
klasičnim kućištima.
Izgled kućišta najčešće
će korištenih poluvodi
poluvodičkih
kih elemenata je prikazan na sljede
sljedećim slikama.
Označavanje poluvodičkih elemenata
Primjer dokumentacije proizvođača za poluvodički element:
Označavanje poluvodičkih elemenata
Poluvodičke diode
Poluvodičke diode
Diode su poluvodičke
čke
ke komponente sastavljene od PN spoja i imaju izvode anodu i
katodu. Struja pozitivnog polariteta može teći
te i samo u jednom smjeru, od anode prema
katodi. U suprotnom smjeru struja neće
ne tećii kod idealne diode, dok u stvarnosti postoji mala
struja od nekoliko *+ do nekoliko b+. Curenje je nepoželjno i što je manje to je bolje. Pošto
diode imaju određeni
eni otpor, napon će lagano pasti kako struja teče
če kroz diodu. Tipi
Tipični pad
napona na diodi je oko 0,6 ] 1 , i to: 0,7 za silicijsku, a 0,3 za germanijsku diodu.
Granični
ni napon i struja se moraju uzeti u obzir, npr. kada se dioda koristi za ispravljanje, ona
mora izdržati reverzni napon kako ne bi došlo do proboja diode.
Slika 2.3. Simboli različitih vrsta poluvodičkih dioda.
Ovisnost struje diode o priključenom
priklju
naponu, odnosno strujno-naponsku karakteristiku
(U-I karakteristiku), opisuje Shocklyeyeva jednadžba:
:
:Q ¦
_
_§
] 1¨
Na strujno-naponskoj karakteristici postoje tri područja:
podru
područje
čje zapiranja, područje
podru
vođenja i područje
je proboja. Napon koljena, koji se nekada naziva i napon uklju
uključenja diode, je
onaj napon u području vođenja
đenja u kojem dioda naglo po
počinje
inje voditi struju. Napon koljena ovisi
o materijalu izrade, te iznosi 0,7 za silicij, 0,3 za germanij, 1 za galij-arsenid i 0,2 za
spoj metal-poluvodič.
Slika 2.4. Strujno naponska karakteristika diode.
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Najvažniji podaci za poluvodičku
poluvodi
diodu su:
Nominalna propusna (direktna) struja – :‚ je maksimalna dozvoljena trajna struja diode
pri kojoj se ne prekorači
či dozvoljeno zagrijavanje pri nominalnim uvjetima hlađenja.
hlađ
Nominalni propusni (direktni) napon – 8‚ je pad napona na propusno polariziranoj diodi
pri nominalnoj propusnoj struji (0,3 za germanij, 0,7 za silicij).
Nominalni nepropusni (zaporni) napon – 8^ je maksimalna vrijednost napona kojeg
nepropusno polarizirana dioda može podnijeti trajno bez opasnosti da će nastupiti proboj.
Nominalna nepropusna (zaporna) struja – :^ je struja koja teče
teč kroz diodu pri
nominalnom reverznom naponu 8^ .
Brzina prekidanja – ARR maksimalno vrijeme oporavka kod nepropusne polarizacije.
Slika 2.5. Različiti oblici poluvodičkih dioda
Većina
ina dioda ima valjkast oblik i tada je katoda označena
ena sa prstenom, ukoliko to nije
slučaj na tijelu diode je oznaka elektroda. Ako ne možemo nikako identificirati elektrode po
natpisu ili obliku onda možemo to pokušati instrumentom. Spojimo + kraj instrumenta na
elektrodu za koju pretpostavljamo da je anoda, a - kraj na katodu.
Koristimo područje
čje na instrumentu označeno
ozna eno znakom diode. Instrument će pokazati
napon direktno polariziranog PN spoja (za Si diode oko 0,7 ). Ukoliko pretpostavljeni smjer
nije dobar instrument će pokazivati da ne može izmjeriti ( I ), tada okrenemo polaritet diode i
ako je dioda ispravna dobiti ćemo traženi napon.
Slika 2.6.
6. Mjerenje napona direktno polariziranog PN spoja.
Pored standardnih dioda postoje i mnoge
mnoge specijalne diode kao što su: zener diode
(Zenerove diode) , LED diode, tunel diode, varikap diode itd. Mi ćemo koristiti zener diode i
LED diode te ćemo
emo ovdje dati osnovne karakteristike tih dioda.
Poluvodičke diode
Zener diode isto tako imaju nelinearnu strujno-naponsku karakteristiku, pri čemu je ona
identična običnoj diodi za direktnu polarizaciju a razlikuje se u dijelu reverzne polarizacije. Ta
razlika je osnovna odlika karakteristike zener diode i ona se koristi upravo u ovom dijelu. Na
sljedećoj slici data je tipična karakteristika zener diode i naznačeni su osnovni parametri koji
je određuju.
Slika 2.7. Strujno naponska karakteristika zener diode.
Kao što vidimo bitan nam je zenerov napon 8• , radna struja u oblasti zenerovog napona
:, minimalna :9u© i maksimalna struja u oblasti zenerovog napona :9 l , dinamički otpor S• .
Pored navedenih karakteristika koje su opisane na samom dijagramu važna je još disipacija
snage. Ovaj podatak se nalazi u katalogu i o njemu treba voditi računa kada formiramo
električne krugove sa zener diodama. Jednostavno vodimo računa da radna struja bude
manja od maksimalne, a maksimalnu određujemo iz poznate disipacije snage prema
jednadžbi:
:9
l
œ
=_ .
ª
Kod označavanja zener dioda važan je raspored elektroda i on se označava na isti način
kao kod običnih dioda, i važan je zenerov napon. Zenerov napon se obično ispisuje na tijelo
diode u obliku 6V8 (6,8 ), 12V (12 ) itd.
Slika 2.8. Zener dioda male snage.
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Kod LED dioda karakteristika je po obliku ista kao kod ispravljačke
čke diode pri čemu
napon PN spoja u provodnom smjeru zavisi od tipa
tipa LED diode. On se kreće
kreć od 1,5 do 2
što zavisi od boje korištene diode. Kod LED dioda katoda se označava
označava isječ
isječkom na tijelu.
Mi ćemo
emo uglavnom koristiti crvene, zelene i žute LED diode sa 5** razmaka među
izvodima elektroda i radnom strujom od 10*+.
Testiranje ispravnosti i polarizacije dioda
Kod analognog voltmetra koristi se ljestvica za manji otpor (do 2 Ω). Obična signalna
dioda ili ispravljačka
ka dioda treba pokazati mali otpor (tipi
(tipično 2/3 ljestvice ili nekoliko stotina
oma) u jednom smjeru, dok u drugom treba pokazati beskonačni
beskona ni otpor. Otpor ne bi trebao
biti blizu 0Ω (kratki spoj) ili u prekidu u oba smjera.
sm
Germanijska dioda će pokazati niži otpor,
zbog nižeg pada napona na njoj.
Slika 2.9. Ispitivanje ispravnosti diode pomoću
pomo analognog mjernog instrumenta.
Na digitalnom instrumentu, obično
obi
postoji područje
je za ispitivanje dioda. Silicijska dioda
će pri tom pokazati 0,5 do 0,8 u propusnom smjeru i prekid u nepropusnom smjeru.
Germanijeva dioda će pokazati manji napon, između
izme 0,2 i 0,4 u propusnom smjeru.
Većina
ina dioda (99 od 100) su u kratkom spoju kada su neispravne.
Slika 2.10. Ispitivanje ispravnosti diode pomoću
pomo digitalnog mjernog instrumenta.
Strujno-naponska karakteristika diode
Strujno-naponska karakteristika diode
Poluvodičke diode sastoje se od PN strukture, koja se pri priključenom naponu, ponaša
kao električni ventil, odnosno posjeduje ispravljačka svojstva. Dioda je, dakle, neupravljivi
ventil koji se u sklopu ponaša kao nelinearni aktivni otpor, a čija veličina ovisi o polaritetu i
veličini priključenog napona.
Osnovna svojstva diode dana su njenom statičkom strujno-naponskom karakteristikom
koja prikazuje ovisnost struje kroz diodu o priključenom naponu. Osnovni nazivni parametri
diode jesu:
nazivna propusna struja «¬ - maksimalna dopuštena trajna struja diode pri kojoj se ne
prekorači dopušteno zagrijavanje pri nazivnim uvjetima hlađenja.
nazivni propusni napon -¬ - pad napona na propusno polariziranoj diodi pri nazivnoj
propusnoj struji. Za silicijske diode iznosi 0,75 − 1 , a za germanijske diode 0,3 − 0,6 .
nazivni nepropusni ili zaporni napon -® - maksimalna vrijednost napona kojeg može
podnijeti nepropusno polarizirana dioda bez opasnosti od proboja.
nazivna nepropusna ili zaporna struja «® - struja koja teče kroz diodu kod zapornog
napona 8^ .
Zadatak vježbe
•
Izvršiti spajanje ispitne opreme prema shemama za direktan i reverzan smjer
polarizacije diode.
•
Izmjeriti struje i napone pri direktnom i reverznom smjeru polarizacije diode, te
dobivene vrijednosti unijeti u tabelu.
•
Na osnovu tabelarnih vrijednosti nacrtati statičku karakteristiku diode, pri tome pazeći
na pravilan izbor razmjere koordinatnih osa.
•
Odrediti statičku i dinamičku otpornost diode u radnom području za radnu točku
određenu naponom na diodi od 0,75 i izmjeničnim naponom od 0,05 .
•
Odrediti vrijednost napona praga diode.
Slika 2.11. Izbor diode (1N4001) u programu Multisim.
Statički i dinamički otpor diode
U propusnom području kod nekog određenog napona 8f na izvodima diode, kroz diodu
teče neka struja :f . Time je određena statička radna točka diode, kao što je prikazano na
slici.
Slika 2.12. Određivanje statičkog i dinamičkog otpora diode.
U statičkoj radnoj točki mogu se definirati statički otpor diode i dinamički otpor diode.
Statički otpor diode određen je omjerom istosmjernog napona i struje u statičkoj radnoj
točki 5 diode:
SO? =
8f?
:f?
Dinamički otpor diode Ff je otpor koji dioda kao nelinearni element predstavlja
izmjeničnoj struji u nekoj radnoj točki 5. On je definiran kao omjer male promjene napona ∆8
oko radne točke i određene male promjene struje ∆:, koju je prouzrokovala promjena napona
∆8:
Ff =
Za primjer na slici vrijednosti su:
SO? =
Ff =
¯8f
¯:f
8f?
1,2
=
= 0,22|
:f?
5,46+
¯8f 66,2*
=
= 0.045|
¯:f
1,46+
Napon praga otvaranja diode je definiran kao napon u propusnom području pri kome
struja kroz diodu iznosi 1% od maksimalne struje pri direktnoj polarizaciji diode.
Strujno-naponska karakteristika diode
Direktna polarizacija diode
Slika 2.13. Shema spoja za direktnu polarizaciju diode.
8f [ ]
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
:f [*+]
Slika 2.14. Strujno-naponska karakteristika za direktnu polarizaciju diode.
1
Reverzna polarizacija diode
Slika 2.15. Shema spoja za reverznu polarizaciju diode.
−8f [ ]
40
45
48
49
49,5
50
50,5
51
51,5
:f [b+]
Slika 2.16. Strujno-naponska karakteristika za reverznu polarizaciju diode.
52
Strujno-naponska karakteristika zener diode
Strujno-naponska karakteristika zener diode
Zener dioda je dioda koja u radu koristi dio karakteristike koji odgovara reverznim
naponima nešto većim od probojnog napona. Napon koji određuje radnu točku , zove se
zenerov napon. Zener dioda se koristi za stabilizaciju istosmjernog napona, pa je potrebno
da ima što strmiji dio karakteristike za reverzne napone veće od probojnog napona. Pored
toga kako radi u području električnog proboja, ova dioda mora biti građena od takvog
poluvodiča da se u radnom području ne ošteti, tj. da je proces reverzibilan. Također se mora
voditi računa da se ne prekorači maksimalno dozvoljena snaga discipacije. Zener diode
izrađuju se od silicija sa povećanim postotkom primjesa u P i N području. Izrađuju se sa
probojnim naponima od 3 do 150 .
Zadatak vježbe
•
Izvršiti spajanje ispitne opreme prema shemama za direktan i reverzan smjer
polarizacije zener diode.
•
Izmjeriti struje i napone pri direktnom i reverznom smjeru polarizacije zener diode, te
dobivene vrijednosti unijeti u tabelu.
•
Na osnovu tabelarnih vrijednosti nacrtati statičku karakteristiku diode, pri tome pazeći
na pravilan izbor razmjere koordinatnih osa. Posebno obratiti pažnju prilikom crtanja
reverzne karakteristike.
•
Odrediti vrijednost napona praga diode u propusnom području.
•
Odrediti zenerov napon iz strujno-naponske karakteristike u reverznoj polarizaciji.
Slika 2.17. Izbor zener diode (BZX55C5V6) u programu Multisim.
Direktna polarizacija zener diode (BZX55C5V6)
Slika 2.18. Shema spoja za direktnu polarizaciju zener diode.
8• [ ]
0,1
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
:• [*+]
Slika 2.19. Strujno-naponska karakteristika za direktnu polarizaciju zener diode.
2
Strujno-naponska karakteristika zener diode
Reverzna polarizacija zener diode (BZX55C5V6)
Slika 2.20. Shema spoja za reverznu polarizaciju zener diode.
−8• [ ]
1
2
3
4
5
5,5
5,75
6
6,25
:• [b+]
Slika 2.21. Strujno-naponska karakteristika za reverznu polarizaciju zener diode.
6,5
Direktna polarizacija zener diode (1N4461)
Slika 2.22. Shema spoja za direktnu polarizaciju zener diode.
8• [ ]
0,1
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
:• [*+]
Slika 2.23. Strujno-naponska karakteristika za direktnu polarizaciju zener diode.
2
Strujno-naponska karakteristika zener diode
Reverzna polarizacija zener diode (1N4461)
Slika 2.24. Shema spoja za reverznu polarizaciju zener diode.
−8• [ ]
1
2
3
4
5
6
6,5
7
7,5
:• [b+]
Slika 2.25. Strujno-naponska karakteristika za reverznu polarizaciju zener diode.
8
Ispravljači
Ispravljači
Ispravljač je elektronički sklop koji služi za pretvaranje izmjenične struje (napona) u
istosmjernu. Najčešće se u ispravljačima koriste poluvodičke diode kao glavni elektronički
elementi kojima se vrši ispravljanje. Osim dioda, koriste se i tiristori.
Pod ispravljanjem izmjenične struje (napona) u istosmjernu često se podrazumijeva i
glađenje (filtraciju, smanjivanje valovitosti) izlaznog napona, te stabiliziranje napona. Često
se u sklopu ispravljača nalazi i transformator koji smanjuje napon na pogodnu vrijednost (na
primjer mrežnih 230 na 15 ).
Slika 2.26. Primjer sheme ispravljača.
Glađenje (filtracija) izlaznog napona
Filtracija izlaznog napona se izvodi s raznim spojevima kondenzatora i zavojnica.
Najjednostavnija filtracija je provedena s jednim kondenzatorom paralelno spojenim na izlaz
ispravljača, dok se za bolje karakteristike ispravljača mogu koristiti L, π ili T LC spojevi.
Slika 2.27. Filtarski spojevi za glađenje ispravljenog napona.
Osnovne karakteristike ovakvih spojeva jest da su oni niskopropusni filtri, tako da se
kondenzatori uvijek spajaju paralelno, a zavojnice serijski.
Igor Prša, ing. el.
Tabela 2.1. Osnovne karakteristike filtarskih spojeva. Približni izrazi, gdje je C [bq], R [Ω], L [;].
Tip ispravljača
Filtar na
slici 2.
Poluvalni
Izlazni napon
89 −
a)
b)
Faktor valovitosti
5774
ƒ ∙ Sœ
89 −
c)
d)
10000
∙ 89
ƒ ∙ Sœ
Punovalni
89 − •
Izlazni napon
89 −
0,64 ∙ 89
-
10000
∙ 89
ƒ ∙ Sœ
10000 S
Z ž8
ƒ ∙ Sœ Sœ 9
45611
∙ } ∙ Sœ
ƒH
3,6 ∙ 10
ƒ H ∙ S ∙ Sœ
10000
∙ 89
ƒ ∙ Sœ
89 −
89 − •
10000
∙ 89
ƒ ∙ Sœ
10000 S
Z ž8
ƒ ∙ Sœ Sœ 9
Faktor valovitosti
2887
ƒ ∙ Sœ
1,19
ƒ∙}
5701
∙ } ∙ Sœ
ƒH
1,44 ∙ 10•
ƒ H ∙ S ∙ Sœ
Najčešće se kao filtar koristi elektrolitski kondenzator spojen paralelno sa potrošačem.
Za vrijeme pozitivne poluperiode kondenzator C se puni preko diode D, a za vrijeme
negativne poluperiode kondenzator se prazni preko otpora R. Kondenzator ne dozvoljava
velike varijacije napona na trošilu, na taj način što u sebi akumulira naboj i predaje ga
potrošaču za vrijeme dok dioda ne propušta struju.
Što je kapacitet kondenzatora veći to je i napon valovitosti manji. Napon valovitosti se
definira kao razlika između maksimalne i minimalne vrijednosti ispravljenog napona.
Valovitost
Prilikom ispravljanja i filtriranja napona, nije u moguće u potpunosti potisnuti
komponente izmjeničnog napona, tj. nije moguće dobiti idealni istosmjerni napon, već on ima
neku valovitost. Valovitost je osciliranje vrijednosti napona oko srednje vrijednosti i definira
se kao omjer vrijednosti između dva vrha i srednjeg napona. Valovitost ovisi o tipu
ispravljača (bolja je, naravno, za punovalne ispravljače), upotrjebljenom filtru, te opterećenju
ispravljača.
Slika 2.28. Valni oblici napona na ispravljaču.
Klasične primjene ispravljača su ispravljanje izmjeničnog mrežnog napona za
elektroničke uređaje koji za svoj rad zahtijevaju istosmjerni napon. Ispravljač obično
predstavlja drugi stupanj u realizaciji klasičnih istosmjernih napajanja - iza transformatora, a
prije stabilizatora. Ispravljači se nalaze i kao samostalni uređaj, poznat pod nazivom adapter
(AC/DC pretvarač).
Poluvalni ispravljači
Poluvalni ispravljači
Poluvalni ispravljač (engl. halfwave rectifier)
rectifier) je sklop koji služi za propuštanje samo
jedne poluperiode izmjeničnog
čnog napona. Tipičan
Tipi an predstavnik poluvalnih ispravlja
ispravljača je samo
jedna dioda spojena serijski s trošilom. Budućii da propušta samo jednu poluperiodu ulaznog
izmjeničnog napona, učinkovitost
činkovitost ovakvog sklopa je manja od 50%.
Slika 2.29. Poluvalni ispravljač.
Najjednostavniji poluvalni ispravljač
ispravlja se sastoji od elementa sa ispravljač
ispravljačkim svojstvom poluvodička
ka dioda i mrežnog transformatora. Na izlaz ispravlja
ispravljača
a spojen je potroša
potrošač R. Za
vrijeme pozitivne poluperiode, u sekundarnom krugu će tećii struja odre
određena naponom
sekundara i otporom potrošača.
potrošač Struja teče
e jer je dioda direktno polarizirana tj. anoda je na
višem potencijalu od katode. Kad nastupi negativna poluperioda tada je dioda nepropusno
polarizirana tj. katoda je na višem potencijalu u odnosu na anodu, pa neće
ne
teći struja u
sekundarnom krugu. Kako dioda provodi samo za vrijeme jedne poluperiode to ovakav
ispravljač nazivamo poluvalni ispravlja
ispravljač.
Slika 2.30. Shema poluvalnog ispravljača
ispravlja a za vježbu, bez kondenzatora i sa kondenzatorom.
Ovaj ispravljač ne možemo upotrijebiti za napajanje elektroničkih uređaja
uređ
koji zahtijevaju
konstantnu vrijednost istosmjernog napona. Da bi poboljšali oblik dobivenog istosmjernog
napona, iza diode ubacujemo filtarske elemente, čiji
iji je zadatak da je što mogu
moguće više smanje
trenutne promjene poluvalno ispravljenog napona.
a) napon na izvoru
b) napon nakon diode
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
c) napon nakon kondenzatora
d) usporedba napona izvora i napona na potrošaču
potroša
Slika 2.31. Valni oblici napona kod poluvalnog ispravljača.
ispravlja
Sa slike vidimo da napon ne postoji samo za vrijeme pozitivne poluperiode, tj. kad je
dioda propusno polarizirana. Vrijednost napona na potrošaču
potroša u je umanjena u odnosu na
napon generatora za pad napona na diodi (0,7 ). Za vrijeme negativne poluperiode dioda je
reverzno polarizirana (jako veliki otpor diode) pa je napon na potrošaču
potrošaču jednak nuli to jest
sav napon izvora je na diodi. Zbog toga moramo voditi računa
ra una da maksimalni napon izvora
bude manji od maksimalno dozvoljenog reverznog napona diode.
Zbog lakšeg proračuna
čuna pretpostavit će
e se da je dioda idealna (nema pada napona na
diodi), što znači da je 89 = 8œ9
.
œ9
Također
er dopuštena vrijednost napona zaporne polarizacije diode mora biti veća
ve od 89 .
Napon na potrošaču je:
0 YA[ = ±
89 2-3YLA[,0 ² A ² E ³
0,E ² A ² 2E
gdje je L
HI
?
Srednja vrijednost ispravljenog napona (istosmjerna komponenta) dana je izrazom:
89
0,318 ∙ 89 0,45 ∙ 8 @ 8fg
E
Efektivna vrijednost napona na potrošaču
potroša je dana izrazom:
8œQR
8œ
Napon na potrošaču
ču može se izraziti:
0
@
89
2
8œQR Z 0œ/
gdje je 0œ/ napon valovitosti na potrošaču.
potroša u. Kako je efektivna vrijednost nesinusoidalnih
veličina
ina jednaka drugom korijenu sume kvadrata vrijednosti pojedinih komponenti:
8œ
@
H
H
Z 8œ/
Œ´8œQR
@µ
efektivna vrijednost valovitosti je:
8œ/
@
Œ´8œH
@
H
] 8œQR
µ
1 1
8œ9 ¶ ] H
4 E
0,386 ∙ 8œ9
Kod ispravljača
a napona kvaliteta istosmjernog napona se mjeri faktorom valovitosti
(engl. ripple factor) koji je jednak omjeru efektivne vrijednosti napona valovitosti i srednje
vrijednosti napona, mjerenih na potrošaču:
potroša
F
8œ/ @
8œQR
0,386 ∙ 8œ9
0,318 ∙ 8œ9
1,21
Poboljšanje oblika izlaznog napona, povećanje
pove anje istosmjerne komponente uz smanjenje
valovitosti, postiže se postupkom filtriranja (glađenja)
(gla enja) ispravljenog napona.
Poluvalni ispravljači
Slika 2.32. Mjerenje napona valovitosti na osciloskopu.
Iznos napona valovitosti 8Ru
ili izračunati prema izrazu:
možemo očitati na osciloskopu (mjeren od vrha do vrha)
=
8Ru
89
=Ru ∙ S ∙ ƒ
gdje je =Ru frekvencija napona valovitosti koja za poluvalni ispravljač iznosi 50;<, a za
punovalni ispravljač 100;<.
Za ispravljače moguće je definirati i faktor ispravljanja (engl. ratio of retification) koji je
jednak omjeru srednje snage prema ukupnoj snazi predanoj potrošaču:
Fœ =
˜œQR 8œQR
=
˜œ
8œ @
Zadatak vježbe
•
Navesti najveći dopušteni zaporni napon i najveću dopuštenu struju pri propusnoj
polarizaciji za diodu 1N4001.
•
Izračunati srednju vrijednost ispravljenog napona poluvalnog ispravljača bez spojenog
kondenzatora uz napon na sekundarnom namotaju transformatora 8O = 24 .
•
•
Pomoću osciloskopa snimiti napon na potrošaču za različite vrijednosti otpora potrošača
R i kapaciteta kondenzatora C. Za svaku kombinaciju vrijednosti odrediti napon
valovitosti.
Nacrtati valne oblike napona na potrošaču i napona valovitosti za izmjerene vrijednosti.
Tabela 2.2. Rezultati mjerenja.
Napon
izvora
[ ]
Otpornik
R [Ω]
Kondenzator
C [bq]
1.
5
1000
-
2.
5
1000
1
3.
5
1000
470
4.
5
1000
4700
5.
5
10
470
6.
5
10
4700
Redni
broj
Napon na
potrošaču
8œQR [ ]
Napon valovitosti
8Ru [ ]
izračunato
izmjereno
Punovalni ispravljači
Punovalni ispravljači
Punovalni ispravljač (engl. fullwave rectifier) je sklop koji služi za propuštanje obje
poluperiode izmjeničnog
nog napona, ali tako da pozitivnu poluperiodu propusti, a negativnu
fazno pomakne za 180° tj. promijeni joj predznak na pona.
Slika 2.33. Punovalni ispravljač
ispravlja sa dvije diode i transformatorom sa srednjim izvodom.
Punovalni ispravljačč može biti realiziran s dvije diode i transformatorom s dva
sekundarna namotaja. Prilikom pozitivne poluperiode, na gornjem namotaju je također
tako
pozitivna poluperioda, pa vodi dioda D1, dok u drugom slučaju,
čaju, kada je negativna
poluperioda, voditi će dioda D2. Tako se osigurava punovalno ispravljanje izmjeničnog
izmjeni
napona.
Slika 2.34. Punovalni ispravljač u mosnom spoju.
Najjednostavniji punovalni ispravljač
ispravlja se sastoji od elementa sa ispravljač
ispravljačkim svojstvom četiri poluvodičke
ke diode vezane u mosnom spoju (Graetzov-om spoju) i mrežnog
transformatora. Na izlaz ispravljača
ispravlja spojen je potrošač R. Za vrijeme pozitivne poluperiode
vode diode D1 i D2. Kad nastupi negativna poluperioda tada vode diode D3 i D4. Kroz
potrošač R teče
e ispravljena struja za vrijeme obje poluperiode pa se ovaj ispravlja
ispravljač naziva
punovalni ispravljač.
Slika 2.35. Shema punovalnog ispravljača
ispravlja a za vježbu, bez kondenzatora i sa kondenzatorom.
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Ovaj ispravljač možemo upotrijebiti za napajanje elektroničkih uređaja koji zahtijevaju
konstantnu vrijednost istosmjernog napona. Da bi poboljšali oblik dobivenog istosmjernog
napona, iza diode ubacujemo filtarske elemente, čiji
iji je zadatak da je što mogu
moguće više smanje
trenutne promjene punovalno ispravljenog napona.
a) razlika napona izvora i napona nakon dioda
b) napon nakon punovalnog ispravljača
ispravlja
c) filtrirani napon nakon kondenzatora
d) usporedba napona izvora i napona na potrošaču
potroša
Slika 2.36. Valni oblici napona kod punovalnog ispravljača.
ispravlja
Na slici je prikazan oblik signala na generatoru (AC izvoru) i napon na potrošaču
potroša R.
Amplituda ispravljenog napona je manja od amplitude signala AC izvora za pad napona na
dvije direktno polarizirane diode (2 ∙ 0,7 1,4 ).
Napon na potrošaču,
ču, zanemaruju
zanemarujući pad napona na diodama, je:
0 YA[
|89 sinYLA[|,
0 ² A ² 2E
Srednja komponenta ispravljenog napona (istosmjerna komponenta), uz zanemariv pad
napona na diodama iznosi:
8œQR =
0,637 ∙ 89
H_V
V
I
Efektivna vrijednost napona valovitosti je:
8œ/
@
=Œ
Œ´8œH
@
H
] 8œQR
µ
0,9 ∙ 8
@
gdje je 89
1 1
8œ9 ¶ ] H
2 E
√2 ∙ 8
@
0,308 ∙ 8œ9
Faktor valovitosti (engl. ripple factor) iznosi:
F
8œ/ @
8œQR
0,308 ∙ 8œ9
0,637 ∙ 8œ9
0,483
Kao i kod poluvalnih ispravljača iznos napona valovitosti 8Ru
osciloskopu (mjeren od vrha do vrha) ili izračunati
izra
prema izrazu:
8Ru
89
=Ru ∙ S ∙ ƒ
možemo očitati
o
na
gdje je =Ru frekvencija napona valovitosti koja za punovalni
punovalni ispravljač iznosi 100;< (u
općem slučaju
aju frekvencija valovitosti je dvostruko ve
veća
a od frekvencije mreže na koju je
punovalni ispravljač spojen).
Stabilizatori napona
Stabilizatori napona
Stabilizatori su dio istosmjernih izvora napajanja. Nakon transformiranja, ispravljanja i
filtriranja izmjeničnog mrežnog napona, na izlazu ispravljača dobiva se ispravljeni napon. Taj
se napon sastoji od istosmjerne komponente i male izmjenične komponente napona
valovitosti, koja je posljedica nesavršenog filtriranja ispravljenog napona. Istosmjerna
komponenta može se mijenjati zbog promjene mrežnog napona i promjene opterećenja.
Zadaća stabilizatora je svesti te promjene na minimum. Također stabilizator dodatno
prigušuje izmjeničnu komponentu napona valovitosti.
Stabilizator se može prikazati blok-shemom na slici 2.37. Ulazni napon stabilizatora 0_~
je izlazni napon ispravljača i sadrži promjenjivu istosmjernu komponentu napona 8_~ i
izmjenični napon valovitosti 0e / . Na izlaz stabilizatora priključuje se realno trošilo, koje se
nadomjesti promjenjivim otporom S? .
Slika 2.37. Blok shema stabilizatora napona.
Nijedan stabilizator nije idealan i napon na njegovom izlazu mijenja se s promjenom
radnih uvjeta: ulazni napon, struja trošila i temperatura.
Osnovne značajke stabilizatora napona jesu:
-
područje vrijednosti napona koji se može dovesti na ulaz a da izlazni napon
ostane u zadanim granicama,
vrijednost izlaznoga napona,
dopušteno odstupanje izlaznoga napona,
vrijednost struje kojom se može opteretiti stabilizator, tj. izlazna struja.
Učinkovitost stabilizatora napona iskazuje se pomoću sljedećih parametara:
-
faktor stabilizacije,
izlazni otpor,
temperaturni koeficijent,
faktor potiskivanja brujanja.
Faktor stabilizacije je omjer promjene izlaznoga napona i promjene ulaznoga napona
koja uzrokuje promjenu izlaznoga napona uz stalnu vrijednost struje opterećenja i
temperature okoline:
q€ =
∆8U•
∆8_~
Prema gornjoj definiciji, za dobar stabilizator faktor stabilizacije treba biti što manji broj
kako bi za određenu promjenu ulaznoga napona bila što manja promjena izlaznoga. Stoga
se ponekad faktor stabilizacije definira kao omjer promjene ulaznoga napona i njome
izazvane promjene izlaznoga napona. U tom slučaju faktor stabilizacije mora biti što veći
broj.
C=
∆8_~
∆8U•
Izlazni otpor stabilizatora je omjer promjene izlaznoga napona i promjene struje
opterećenja stabilizatora koja uzrokuje promjenu izlaznoga napona uz stalnu vrijednost
ulaznoga napona i temperature okoline:
SU• =
∆8U•
∆:U•
Temperaturni koeficijent (engl. temperature coefficient of output voltage) omjer je
promjene izlaznoga napona i promjene temperature okoline koja je izazvala promjenu
izlaznoga napona uz stalnu vrijednost ulaznoga napona i struje opterećenja. Iskazuje se u
milivoltima po Celzijevu stupnju:
∆8U•
∆5
Faktor potiskivanja brujanja (engl. ripple rejection) omjer je vrijednosti napona
brujanja (izmjenična komponenta ispravljenoga napona) od vrha do vrha na ulazu i
vrijednosti napona brujanja od vrha do vrha na izlazu stabilizatora izražen u decibelima.
5
=
qp = 20 –
8Ru
8Ru
»ˆ
¼ª
Referentni element
Osnovni element stabilizatora je referentni element. To je element na kojem se
uspostavlja stalni napon, po mogućnosti neovisan o radnim uvjetima kao što su promjena
struje, temperature i slično. Kao jednostavan, ali vrlo djelotvoran referentni element u
stabilizatorima se najčešće koristi zenerova dioda. To je pn-dioda koja radi u području
proboja, kako je to prikazano na slici 2.38. U proboju, probojni zenerov napon 8• praktički je
stalan i vrlo se malo mijenja sa strujom. Zenerova dioda koristi se pri zapornoj polarizaciji i
zenerov napon 8• suprotnog je polariteta od polariteta propusno polarizirane diode 8œ . Iz
istih je razloga smjer struje zenerove diode :• suprotan smjeru struje propusno polarizirane
diode :f .
Slika 2.38. Simbol i strujno-naponska karakteristika zener diode.
Zenerove diode označuju se posebnim električkim simbolom, prikazanim na slici 2.38.
Izvode se za niz različitih napona. Uz zenerov napon, bitan parametar zenerove diode je
dinamički otpor
F• =
∆8•
∆:•
definiran kao recipročna vrijednost nagiba karakteristike u području proboja. Dinamički
otpor treba biti što manji.
Stabilizatori napona
Temperaturni koeficijent zenerove diode ukazuje kako se i koliko mijenja zenerov napon
s promjenom temperature. Zenerove diode su najčešće diode s lavinskim probojem, pa je
temperaturni koeficijent pozitivan, što znači da zenerov napon raste s temperaturom. Ima i
zenerovih dioda, koje su temperaturno kompenzirane. Njihov je temperaturni koeficijent
znatno smanjen.
Za ispravan rad diode kao referentnog elementa kroz zenerovu diodu mora teći
minimalna struja :•9u© dovoljno velika da se izbjegne koljeno karakteristike u proboju i da se
dosegne zenerov napon. Maksimalna struja zenerove diode :•9 l ograničena je
maksimalnom disipacijom snage ˜•9 l , koja ovisi o izvedbi diode, tipu kućišta i eventualno
dodanom hladilu.
Stabilizator sa zener diodom
Najjednostavnija izvedba stabilizatora prikazana je na slici 2.39. Na ulaz stabilizatora
dovodi se nestabilizirani napon iz ispravljača označen 0_~ . Na izlaz se priključuje trošilo
promjenjivog otpora S? . Između ulaza i izlaza stabilizatora spojen je otpornik S> , a paralelno
izlazu spojena je zenerova dioda ‹.
Slika 2.39. Stabilizator sa zenerovom diodom.
Da bi se na zenerovoj diodi uspostavio zenerov napon 8• istosmjerni ulazni napon 8_~
mora biti veći od izlaznog stabiliziranog napona. Zenerov napon ujedno je i izlazni napon 8U•
stabilizatora. Razlika ulaznog i izlaznog napona je na otporniku S> . Padom napona na
otporniku S> određena je struja :> kroz taj otpornik
:> =
8_~ − 8U• 8_~ − 8•
=
S>
S>
Struja :> dijeli se na struju zenerove diode :• i izlaznu struju trošila :U•
pri čemu je struja trošila
:> = :• Z :U•
:U• =
8U• 8•
=
S? S?
Princip stabilizacije je održavanje izlaznog napona stabilnim, tj. što manje ovisnim o
promjeni radnih uvjeta kao što su promjena ulaznog napona ili promjena otpora trošila. Ako
se promijeni ulazni napon, promijenit će se pad napona na otporniku S> a time i njegova
struja :> . Zenerova dioda održava stalni napon 8• , a time i stalni izlazni napon 8U• .
Ako se nije promijenio otpor trošila S? , nije s promijenila ni njegova struja. U tom se
slučaju struja zenerove diode :• mijenja s promjenom struje :> . Izlazni napon ostat će
nepromijenjen u onolikoj mjeri koliko se napon zenerove diode 8• ne mijenja s promjenom
struje :• .
Ukoliko se uz nepromijenjeni ulazni napon promijeni trošilo, tj. njegov otpor S? , uz stalni
napon 8U• = 8• promijeniti će se izlazna struja :U• . Kako se nije promijenio pad napona na
otporniku S> , nije se promijenila ni struja :> , tako da se izlazna struja :U• mijenja na račun
promjene struja zenerove diode :• .
Promjenom radnih uvjeta mijenja se struja zenerove diode :• . Pri projektiranju
stabilizatora treba osigurati da uz poznate promjene ulaznog napona 8_~ i otpora trošila S?
struja zenerove diode ostane u intervalu :•9u© < :• < :•9 l , gdje je :•9u© minimalna struja
određena koljenom karakteristike diode, a :•9 l je maksimalna struja određena
maksimalnom dozvoljenom disipacijom snage. Osiguravanje struje zenerove diode potrebne
za ispravan rad stabilizatora postiže se podešavanjem iznosa otpora S> .
Serijski tranzistorski stabilizator
U stabilizatoru sa zenerovom diodom dioda je jako opterećena. Budući da se
stabilizatori projektiraju za veće izlazne struje, velika struja teče i kroz diodu uvjetujući na njoj
veliku disipaciju snage. Disipacija snage diode znatno se smanjuje u serijskom
tranzistorskom stabilizatoru prikazanom na slici 2.40. Stabilizator se zove serijski, jer je
element koji služi za stabilizaciju, bipolarni tranzistor, spojen u seriju s izlaznim priključcima.
Tranzistor prati i preuzima na sebe promjene ulaznog napona i opterećenja na izlazu, pri
čemu se na izlazu održava stabilan napon.
Slika 2.40. Serijski tranzistorski stabilizator napona.
Istosmjerni izlazni napon stabilizatora manji je od napona zenerove diode za napon
spoja baza-emiter tranzistora:
8U• = 8• − 8p½
Napon 8p½ malo se mijenja sa strujom i jednak je naponu koljena propusno
polariziranog spoja baza-emiter.
Ulazni napon 8_~ mora biti veći od napona zenerove diode 8• , kako bi dioda radila u
području proboja. Razlika ulaznog napona 8_~ i napona zenerove diode 8• uspostavlja pad
napona na otporniku S> , kojim se regulira struja tog otpornika
:> =
8_~ − 8•
S>
Pad napona na otporniku S> zaporno polarizira spoj kolektor-baza tranzistora i
osigurava njegov rad u normalnom aktivnom području.
Struja :> dijeli se na struju zenerove diode i baznu struju tranzistora
:> = :• Z :p
Izlazna struja je emiterska struja tranzistora i za rad tranzistora u normalnom aktivnom
području vrijedi
:• = Y1 Z ¾[:p
Stabilizatori napona
pa se za izlazni napon može pisati
8U• = :• S? = Y1 Z ¾[:p S?
Rad serijskog tranzistorskog stabilizatora sličan je radu stabilizatora sa zenerovom
diodom. Dobar rad ovisi o nepromjenjivosti napona 8• i 8p½ sa strujama zenerove diode :• i
bazne struje tranzistora :p . Pri promjeni ulaznog napona 8_~ mijenja se struja :> . Ako se ne
mijenja otpor trošila S? , uz stalan izlazni napon 8U• = 8• − 8p½ ne mijenja se izlazna struja
:U• , ne mijenja se ni bazna struja tranzistora :p , pa promjenu struje :> preuzima zenerova
dioda. Promjena otpora trošila mijenja izlaznu struju :U• , a s njom i baznu struju tranzistora :p .
Ako se pri tome ne mijenja ulazni napon 8_~ , uz stalni napon 8• ne mijenja se ni struja :> .
Bazna struja tranzistora mijenja se na račun promjene struje zenerove diode.
Promjenom radnih uvjeta mijenja se struja zenerove diode :• . Uz poznate promjene
ulaznog napona 8_~ i otpora trošila S? za ispravan rad stabilizatora treba osigurati da struja
zenerove diode ne bude manja od struje :•9u© određene naponom koljena probojne
karakteristike, niti veća od struje :•9 l , određena maksimalnom dozvoljenom disipacijom
snage.
U serijskom tranzistorskom stabilizatoru tranzistor preuzima disipaciju snage. Izlazna
struja je emiterska struja tranzistora. Zenerova dioda spojena je u krug baze i kroz nju teče
praktički ¾ puta manja struja u odnosu na struju koja teče kroz zenerovu diodu u stabilizatoru
sa zenerovom diodom. To je bitna prednost. Uloga zenerove diode u stabilizatoru je
održavanje referentnog napona, što se lakše postiže ako dioda radi s manjim snagama i
manje se grije.
Integrirane izvedbe stabilizatora
Postoji veliki broj različitih tipova integriranih stabilizatora. Mogu se svrstati u četiri
skupine: stabilizatori opće namjene, stabilizatori stalnoga izlaznog napona s tri izvoda,
stabilizatori podesivoga izlaznog napona s tri i četiri izvoda i impulsni stabilizatori.
Stabilizatori opće namjene (engl. general purpose precision multi-terminal regulators),
mogu poslužiti za gradnju velikog broja različitih izvedbi stabiliziranih izvora napona
napajanja. Ulazni napon može im se kretati u širokom rasponu, a dodavanjem vanjskih
elemenata može se dobiti izlazni napon također u širokom rasponu. Kao primjer može se
navesti integrirani sklop poznat pod oznakom 723.
Stabilizatori stalnoga izlaznog napona s tri izvoda (engl. fixed voltage three-terminal)
daju na izlazu stalan napon određene vrijednosti. Proizvode se serije s različitim iznosima
koji se najčešće upotrebljavaju.
Kod stabilizatora podesivoga izlaznog napona s tri i četiri izvoda (engl. adjustable
voltage three and four terminal) iznos izlaznoga napona određuje se vrijednostima otpora
dijelila koje se dodaje izvana.
Kod serijskih stabilizatora napona serijski element (tranzistor) djeluje kao promjenljivi
otpor koji na sebe preuzima promjene ulaznog napona. Ovisno o razlici ulaznoga i izlaznog
napona te struji opterećenja na serijskom tranzistoru može doći do znatnog utroška snage
(engl. power disipation). Stoga je stupanj iskoristivosti (odnos snage predane trošilu i
snage privedene iz izvora, engl. efficiency) kod serijskih stabilizatora vrlo nizak, često ispod
20%.
Primjenom impulsnih stabilizatora napona (engl. switching regulators) moguće je
smanjiti utrošak snage na serijskom tranzistoru te ga učiniti gotovo neovisnim o razlici
ulaznoga i izlaznog napona i tako povećati stupanj iskoristivosti iznad 75%.
Osnovne karakteristične veličine integriranih izvedbi stabilizatora jesu: područje
vrijednosti ulaznih napona (engl. input voltage range), vrijednosti napona koje se mogu dobiti
na izlazu (engl. output voltage range), moguća odstupanja izlaznoga napona (engl. output
voltage tolerance), vrijednost struje kojom se može opteretiti stabilizator, tj. izlazna struja
(engl. output current), naponski faktor stabilizacije (engl. line regulation), opteretni faktor
stabilizacije, (engl. load regulation), temperaturni koeficijent (engl. temperature coefficient of
output voltage) i faktor potiskivanja brujanja (engl. ripple rejection).
Naponski faktor stabilizacije je promjena izlaznoga napona uz zadanu promjenu
ulaznoga napona. Iskazuje se u milivoltima ili postotku promjene izlaznoga napona.
Opteretni faktor stabilizacije je promjena izlaznoga napona uz zadanu promjenu struje
trošila. Iskazuje se također u milivoltima ili postotku promjene izlaznoga napona.
Temperaturni koeficijent i faktor potiskivanja napona brujanja definiraju se na isti
način kao kod serijskoga tranzistorskog stabilizatora.
Stabilizatori stalnog napona sa tri izvoda
Kao tipični predstavnici stabilizatora stalnog napona s tri izvoda mogu se uzeti
stabilizatori serije 78XX za pozitivne vrijednosti, odnosno 79XX za negativne vrijednosti.
Veličinu izlaznog napona označavaju znamenke XX. Izlazi tih stabilizatora mogu se opteretiti
strujom od 1+. Kod većih opterećenja djeluje unutrašnja zaštita.
Slika 2.41. Integrirani stabilizatori napona sa tri izvoda.
Integrirani stabilizatori podesivog napona s tri izvoda
Izlazni napon integriranih stabilizatora podesivog napona s tri izvoda ovisi o
vrijednostima izvana dodanih otpornika:
8U• = 8R
@
•1 Z
SH
ž Z :hf† SH
S>
8R @ je napon koji vlada između izvoda integriranog sklopa na koje se spaja otpornik S> .
Za sklop s oznakom LM317 8R @ iznosi 1,25 . :hf† je struja koja iz integriranog sklopa teče
kroz otpor SH . Tipična vrijednost za tu struju je 50b+.
Slika 2.42. Integrirani stabilizator podesivog napona s tri izvoda (LM317).
Dopušteni ulazni napon sklopa LM317 je 35 . radi smanjenja utjecaja prijelaznih pojava
dodaju se paralelno ulazu i izlazu kondenzatori kapaciteta nekoliko stotina nanofarada.
Bipolarni tranzistori
Bipolarni tranzistori
Tranzistori su poluvodičke komponente kod kojih se izlaz može kontrolirati signalom na
jednoj ili više ulaznih elektroda u obliku struje kroz spoj baza-emiter (bipolarni tranzistor) ili s
naponom na ulaznoj elektrodi Gate (kod tranzistora sa efektom polja – FET). Većina
tranzistora je izrađena od silicija i imaju tri izvoda: bazu emiter i kolektor.
U osnovi, tranzistori se klasificiraju prema materijalu od kojeg su izrađeni (germanij Ge
ili silicij Si) i prema njihovom polaritetu (PNP li NPN). Unutar tih kategorija postoji vrlo širok
raspon tipova: opća namjena, za linearne ili prekidačke (switching) aplikacije do 3,;< i
disipacije do 500*r; tranzistor snage, njihova tipična primjena je u izlaznim stupnjevima
audio pojačala, čija je glavna karakteristika sposobnost da disipiraju toplinu; zatim tu su
visokonaponski tipovi, npr u RGB izlaznim stupnjevima koji pogone katodnu cijev, i u
kombinaciji s visokom snagom u switching napajanjima i otklonskom snopu, visokofrekventni
tranzistori s kratkim prijelaznim vremenom i često niskošumnim karakteristikama za primjenu
VHF, UHF, SHF prijemnom dijelu. Darlington tranzistor koji ma vrlo veliko pojačanje snage,
prekidački tranzistori za brze impulse ili logičke signale, komplementarni parovi – usklađeni
NPN/PNP tranzistori koji se koriste u audio klasi B, za pojačanje snage.
Slika 2.46. Primjeri kućišta tranzistora male snage sa označenim izvodima.
Slika 2.47. Primjeri kućišta tranzistora velike snage sa označenim izvodima.
Ispitivanje tranzistora
Digitalni instrument se može iskoristiti kao da se na brz i jednostavan način provjeri jesu
li spojevi tranzistora otvoreni ili kratko spojeni. Za ovaj test možemo promatrati tranzistor kao
spoj dvije diode kao što je prikazano na slici i za PNP i NPN tranzistore. Spoj baza-kolektor
je jedna dioda i spoj baza-emiter je druga dioda.
Slika 2.48. Zamjenski model tranzistora prilikom ispitivanja ispravnosti.
Ispravna je ona dioda koja će pokazati jako veliki otpor (otvorena dioda) kada je dioda
reverzno polarizirana i jako mali otpor kada je dioda direktno polarizirana. Neispravna
otvorena dioda će pokazati jako veliki otpor i za direktnu i za reverznu polarizaciju.
Neispravna kratko spojena dioda će pokazati otpor nula ili jako mali otpor za direktnu i
reverznu polarizaciju.
Mnogi digitalni instrumenti imaju položaj preklopnika za testiranje dioda koji
omogućavaju provedbu testa za ispravnost tranzistora. Kada je instrument postavljen u
položaj za testiranje dioda on daje unutarnji napon koji je dovoljan za reverznu i direktnu
polarizaciju tranzistorskih spojeva. Mnogi instrumenti imaju različit unutrašnji napon, ali 2,5
do 3,5 je tipičan opseg vrijednosti napona.
Bipolarni tranzistori
Direktno polariziran spoj baza-emiter
Direktno polariziran spoj baza-kolektor
Neispravan tranzistor prekid B-E ili B-C
Reverzno polariziran spoja baza-emiter
Reverzno polariziran spoj baza-kolektor
Neispravan tranzistor kratak spoj B-E ili B-C
Slika 2.49. Ispitivanje tranzistora pomoću digitalnog mjernog instrumenta.
Stanje kada je tranzistor ispravan. Na slici 2.49a, crvena (pozitivna) sonda instrumenta
je spojena na bazu NPN tranzistora, a crna (negativna) sonda je spojena na emiter tako da
je spoj baza – emiter direktno polariziran. Ako je spoj dobar instrument će pokazati napon
između 0,5 i 0,9 , dok je napon od 0,7 tipičan napon za direktnu polarizaciju.
Na slici 2.49b sonde su zamijenile mjesta tako da je spoj baza-emiter reverzno
polariziran. Ako tranzistor radi ispravno, instrument će pokazati očitanje napona koga stvara
unutrašnji izvor napona. Napon od 2,6 predstavlja tipičnu vrijednost koja predstavlja da
spoj ima jako veliki otpor. Postupak za provjeru spoja baza-kolektor se ponavlja kao što je
prikazano na slici 2.49c i 2.49d.
NAPOMENA: Za PNP tranzistor polaritet sondi je suprotan za svaki test.
Stanje kada je tranzistor neispravan. Kada tranzistor ima grešku da je spoj otvoren, tada
će se dobiti napon otvorenog kruga (2,6 je tipični napon za mnoge instrumente) i za
direktnu i reverznu polarizaciju tog spoja kao što je prikazano na slici 2.49e. Ako je spoj
kratko spojen instrument će pokazati 0 za direktnu i reverznu polarizaciju tog spoja, kao što
je prikazano na slici 2.49f. Ponekad oštećeni spoj može imati mali otpor za obje polarizacije
spoja umjesto čiste nule. U tom slučaju, instrument će pokazati mali napon koji je manji od
napona za otvoren krug. Na primjer, takav spoj tranzistora će dati očitanje na instrumentu od
1,1
za obje polarizacije umjesto 0,7 za direktnu polarizaciju i 2,6 za reverznu
polarizaciju.
NAPOMENA: Za PNP tranzistor polaritet sondi je suprotan za svaki test.
Provjera ispravnosti tranzistora sa ommetrom.
Digitalni instrumenti koji nemaju mogućnost provjere tranzistora sa testom za diode
mogu se upotrijebiti za testiranje jesu li spojevi tranzistora otvoreni ili kratko spojeni,
postavljanjem instrumenta u funkciju za mjerenje otpora. Za direktno polarizirani PN spoj kod
dobrog tranzistora dobije se otpor koji se kreće od nekoliko stotina oma do nekoliko hiljada
oma (ovaj otpor će zavisiti od baterije koja se nalazi u instrumentu). Za reverzno polariziran
PN spoj kod ispravnog tranzistora dobije se otpor koji je izvan opsega (beskonačan otpor).
Slika 2.50. Ispitivanje ispravnosti tranzistora pomoću analognog ommetra.
Ako je otpor izvan opsega to znači da je reverzni otpor veoma veliki, kao što i
očekujemo. Ako je otpor nekoliko stotina ili nekoliko hiljada oma za direktnu polarizaciju
spoja to znači da je otpor mali u usporedbi sa otporom reverzno polariziranog spoja.
Bipolarni tranzistori
Ispitivanje i određivanje elektroda tranzistora
Ako ne znamo raspored pojedinih priključaka tranzistora, potrebno je najprije sa
ommetrom pronaći koja je elektroda baza (baza je vodljiva prema ostalim elektrodama u
jednom smjeru, a u drugom je nevodljiva). Zatim ispitamo dali je tranzistor NPN ili PNP tipa.
Za ovo određivanje, pomoći ćemo se shemom tranzistora sa ekvivalentnim diodama.
PNP tip tranzistora (ommetar na mjerno područje x 100 Ω)
Kada smo pronašli bazu tranzistora, ommetar priključimo između nepoznatih elektroda,
a između baze i negativnog priključka ommetra (crvena žica), priključimo otpornik od
približno 45 Ω. Ako ommetar pokaže vrijednost od 1 − 3 Ω. Znači da je plus pol ommetra
(crna žica) priključena na emiter, a minus (crvena žica) na kolektor.
NPN tip tranzistora (ommetar na mjerno područje x 100 Ω)
Kad smo pronašli bazu tranzistora, ommetar priključimo između nepoznatih elektroda, a
između baze i pozitivnog priključka (crna žica) ommetra priključimo otpornik od približno
45 Ω. Ako ommetar pokaže vrijednost od 1 − 3 Ω, znači da je minus pol ommetra (crvena
žica) priključen na emiter, a plus pol (crna žica) na kolektor.
Ukoliko pokazane vrijednosti prelaze preko gornjih granica vrijednosti otpora, priključke
valja zamijeniti i mjerenje ponoviti.
Zadatak vježbe
•
Odrediti, skicirati i označiti elektrode bipolarnih tranzistora koji su dati na radnom
mjestu.
•
Ispitati ispravnost bipolarnih tranzistora pomoću digitalnog i/ili analognog
instrumenta koristeći tabele.
Strujno naponske karakteristike bipolarnih tranzistora
Strujno naponske karakteristike bipolarnih tranzistora
Bipolarni tranzistor sastoji se od tri poluvodička
poluvodi ka sloja na koja su priklju
priključene metalne
elektrode. Slojevi i elektrode nazivaju se baza (B), emiter (E) i kolektor (C). S obzirom na
raspored poluvodičkih
kih slojeva tranzistori mogu biti NPN ili PNP tipa.
Budući da tranzistor ima tri elektrode, jedna se upotrebljava kao ulazna, druga kao
izlazna, a treća je zajednička
čka
ka ulaznom i izlaznom strujnome krugu. Zajedni
Zajednička elektroda
može biti bilo koja pa se u praksi primjenjuju sva tri načina
na ina spajanja tranzistora: spoj
zajedničkog emitera, spoj zajedničke
zajedni
baze i spoj zajedničkoga
koga kolektora. Svaki spoj ima
svoje osobitosti koje ga čine prikladnim za odre
određene
ene svrhe. U praksi se najčešće
naj
upotrebljava spoj zajedničkog
čkog emitera pa će
e na njemu biti pokazana osnovna svojstva i
primjene bipolarnih tranzistora.
Za praktičnu
nu primjenu tranzistora potrebno je poznavati odnose izme
izmeđ pojedinih struja i
između
napona tranzistora. Proizvođači
Proizvođači tranzistora daju za svaki tip i osnovni spoj tzv. statičke
karakteristike iz kojih se vide omjeri pojedinih struja
struja i napona tranzistora. Karakteristike
pojedinoga tipa tranzistora čine
ine srednju vrijednost velikoga broja karakteristika istovrsnih
tranzistora. Karakteristike pojedinih primjeraka istoga tipa tranzistora mogu jako odstupati od
tipične karakteristike. Za praktičnu
prakti
primjenu najvažnije su ulazne, prijenosne i izlazne
karakteristike tranzistora.
Ulazne karakteristike tranzistora u spoju zajedničkog
zajedni kog emitera
Slika 2.51. Snimanje ulaznih karakteristika tranzistora u spoju zajedničkog
zajedničkog emitera.
Ulazne karakteristike tranzistora pokazuju međusobnu
me usobnu ovisnost struje baze :p i napona
između baze i emitera 8p½ uz stalan napon 8g½ . Iz karakteristika se vidi da struja baze
počinje teći tek kad napon 8p½ ima određeni iznos (za silicijske tranzistore to je oko 0,5 ).
Promjena napona 8g½ vrlo malo utječe
utje na iznos struje :p .
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Slika 2.52. Ulazne karakteristike tranzistora u spoju zajedničkog
zajedni kog emitera.
Omjer napona 8p½ i pripadne struje :p istosmjerni je otpor između
izmeđ baze i emitera
tranzistora Sp½ . Njega treba razlikovati od otpora za izmjeničnu
izmjeničnu struju koji se naziva
dinamički ulazni otpor FÀ (engl. small-signal input impedance) koji se često označava
ozna
s ℎu .
Dinamički
ki ulazni otpor može se dobiti iz ulaznih karakteristika tranzistora kao omjer male
promjene napona između
đu baze i emitera 8p½ i time izazvane male promjene struje baze :p . S
obzirom na zakrivljenost ulazne karakteristike otpor mijenjat će
e se s promjenom struje baze
:p .
Prijenosne karakteristike u spoju zajedničkog
zajedni
emitera
Slika 2.53. Snimanje prijenosnih karakteristika tranzistora u spoju zajedničkog
zajedni
zajednič
emitera.
Prijenosne karakteristike prikazuju međusobni
me usobni odnos struje kolektora :g i struje baze :p
uz stalan napon 8g½ . Prijenosne karakteristike tranzistora pokazuju da struja kolektora :g
jako ovisi o struji baze :p . Što je struja baze veća,
ve
veća
a je i struja kolektora.
Strujno naponske karakteristike bipolarnih tranzistora
Slika 2.54. Prijenosna karakteristika tranzistora u spoju zajedničkog emitera.
Iz prijenosne karakteristike tranzistora vidi se da mala promjena ulazne struje, tj. struje
baze :p uzrokuje znatnu promjenu izlazne struje, tj. struje kolektora :g , što znači da je
tranzistorom moguće postići strujno pojačanje. Omjer struje kolektora :g prema struji baze :p
uz stalan napon 8g½ naziva se faktor istosmjernoga strujnoga pojačanja (engl. DC current
gain) i označava s ℎ‚½ ili B. Omjer promjene struje kolektora :g i promjene struje baze :p koja
je uzrokovala promjenu struje kolektora naziva se faktor izmjeničnoga strujnoga pojačanja
(engl. small-signall current gain) i označava s ℎ@ ili ¾.
Na iznos obaju faktora utječe napon 8g½ , struja :g i temperatura. S porastom struje
kolektora :g oba faktora rastu do određenog iznosa, a zatim se smanjuju. Za struje reda
veličine nekoliko desetaka do stotinu miliampera faktori ℎ‚½ i ℎ@ malo se razlikuju i mogu se
smatrati jednakima.
Slika 2.55. Ovisnost faktora strujnog pojačanja o struji kolektora.
Potrebno je napomenuti da pojedini uzorci istoga tipa tranzistora imaju vrlo različite
vrijednosti faktora pojačanja koje se često međusobno razlikuju i nekoliko puta. Stoga
karakteristike proizvođača mogu poslužiti samo kao osnovna informacija, a za stvarne
karakteristike i parametre, ako je potrebno, izvodi se snimanje i mjerenje za svaki uzorak.
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Izlazne karakteristike tranzistora u spoju zajedničkog
zajedni kog emitera
Slika 2.56. Snimanje izlaznih karakteristika tranzistora u spoju zajedničkog
emitera.
zajedni
Izlazne karakteristike tranzistora u spoju zajedničkog
zajedni kog emitera pokazuju ovisnost
kolektorske struje :g o naponu između
izme kolektora i emitera 8g½ i struji baze :p .
Slika 2.57. Izlazne karakteristike tranzistora u spoju zajedničkog
zajedni kog emitera.
Iz karakteristika se vidi da se za male napone 8g½ , koji iznose tipično nekoliko stotina
milivolta, struja kolektora :g vrlo naglo mijenja. To se područje
podru
naziva područje
podru
zasićenja.
Daljnjim povećanjem
anjem napona 8g½ struja kolektora :g mijenja se vrlo malo. Ovo područje
podru
naziva se aktivno područje.
Povećanje napona 8g½ preko određene
odre ene vrijednosti uzrokuje nagli porast struje kolektora
koja prekomjerno grije tranzistor pa dolazi do proboja u unutarnjoj strukturi tranzistora što
može dovesti do njegova uništenja.
Uz struju baze :p = 0 teče
teče kroz tranzistor vrlo mala kolektorska struja. Ta struja naziva
se preostala struja kolektora :g½ (engl. collector cut-off current) i za silicijske tranzistore je
reda veličine
ine nekoliko mikroampera iilili manje. Stoga se ona, kod normalnih temperatura,
može praktički
ki zanemariti pa se kaže da je tranzistor u području zapiranja.
Omjer male promjene struje kolektora :g i male promjene napona 8g½ koji je uzrokovao
promjenu kolektorske struje uz stalnu struju baze, čini izlaznu dinamičku
dinami
vodljivost
tranzistora ¡
(engl. small-signall output admitance). Recipročna
čna vrijednost izlazne
vodljivosti jest izlazni dinamički otpor FÁ tranzistora. Vrijednosti dinamičkog
čkog izlaznoga otpora
za tranzistor u spoju zajedničkog
zajednič
emitera kreću
u se u granicama od desetak do stotinjak
kilooma. Treba razlikovati izlazni dinamički
dinami
otpor od omjera 8g½ ⁄:g½ koji je istosmjerni otpor
Sg½ za određeni
eni iznos struje i napona.
Strujno naponske karakteristike bipolarnih tranzistora
Slika 2.58. Određivanje parametara tranzistora iz izlaznih karakteristika.
Sve što je rečeno o radu i karakteristikama NPN tranzistora vrijedi i za PNP tranzistore,
ali uz promijenjeni polaritet napona i smjer struja u odnosu na NPN tranzistore.
Tvornički podaci
U tvorničkim podacima proizvođači daju informacije o izvedbi i svojstvima tranzistora
pomoću slika, tablica, dijagrama i shema. Najvažniji podaci su oblik i dimenzije kućišta,
raspored priključaka, faktor strujnoga pojačanja i frekvencijsko područje rada, te najveće
dopuštene vrijednosti struje, napona, utroška snage i radne temperature.
Najveći dopušteni naponi 8gp i 8g½ kreću se od nekoliko desetaka volta kod tranzistora
malih snaga pa do nekoliko stotina i više volta kod tranzistora velikih snaga. Tipične
dopuštene vrijednosti napona 8½p iznose oko 5 . Ako u sklopovima postoji mogućnost
pojave većega napona 8½p , potrebno je zaštititi spoj baza-emiter tranzistora. Najveće
dopuštene vrijednosti kolektorske struje iznose od nekoliko desetaka miliampera do nekoliko
desetaka i više ampera, što ovisi o snazi tranzistora, tj. dopuštenom utrošku snage. Iznosi
dopuštenog utroška snage iznose od nekoliko stotina milivata do stotinu i više vata kod
tranzistora snage.
Osim toga, tvornički podaci sadrže i podatke o uvjetima pod kojima su mjerene pojedine
karakteristične veličine. Kako većina podataka za isti tip tranzistora varira u velikome
rasponu, u tvorničkim podacima obično se daje tipičan podatak ili najveća i najmanja moguća
vrijednost.
Uz ostale podatke potrebno je posebno spomenuti vrijednosti napona 8p½ i 8g½ za
tranzistor u zasićenju. Napon 8p½v Q (engl. saturation voltage p½Q K ) iznosi za silicijske
tranzistore 0,7 − 0,8 . Napon 8g½v Q (engl. g½Q K ) kreće se u rasponu 0,1 − 0,3 za silicijske
tranzistore, ali može imati vrijednosti i veće od volta kod snažnih tranzistora. Vrijednosti za
preostale struje kolektora :g½ kreću se na normalnoj temperaturi od nekoliko desetinki
mikroampera do nekoliko mikroampera. No kod snažnih tranzistora mogu imati vrijednost od
nekoliko miliampera.
Pojačalo u spoju zajedničkog emitera
Pojačalo
alo u spoju zajedni
zajedničkog emitera
Pojačala
ala s bipolarnim tranzistorima mogu poslužiti za poja
pojačanje
čanje struje (engl. current
gain), pojačanje napona (engl. voltage gain) i pojačanje snage (engl. power gain). Ovisno o
tome koja je od elektroda tranzistora zajednička
zajedni ka ulaznom i izlaznom krugu poja
pojačala razlikuju
se tri osnovna spoja pojačala,
čala, svaki s tipi
tipičnim
nim osobinama koje ga ččine pogodnim za
određenu
enu uporabu. Ti spojevi jesu:
-
pojačalo
alo u spoju zajednič
zajedničkog emitera (engl. common-emitter amplifier)
pojačalo
alo u spoju zajednič
zajedničkoga kolektora (engl. common-collector amplifier)
pojačalo
alo u spoju zajednič
zajedničke baze (engl. common-base amplifier)
Osnovne su značajke
čajke pojačala
poja
strujno i naponsko pojačanje,
anje, ulazni i izlazni otpor i
frekvencijsko područje
je rada te fazni odnosi signala na izlazu i ulazu poja
pojačala.
čala.
-
Strujno pojačanje
čanje Ai - omjer je izlazne struje pojačala -uv (struja koja teče
te kroz
opteretni otpor) i ulazne struje -e .
Naponsko pojačanje
pojač
Au - omjer je izlaznoga napona 0uv (izmjenični
(izmjeni
napon na
opteretnom otporu) i ulaznoga napona 0e .
Pojačanje
anje snage Ap - omjer je izlazne snage ˜uv koja se dobije na opteretnom
otporu spojenomu na izlaz pojačala
ala i privedene snage signala na ulazu ˜e .
Iz praktičnih
nih razloga pojač
pojačanje se često izražava decibelima.
+u =
+e
+
u
uÄÅ
uÂÃ
uÄÅ
+u = 20 ∙
– Æ ÂÃ Ç6 17
œÂÃ
œÄÅ
+
– Æœ Âà Ç6 17
eÂÃ
eÄÅ
+e
20 ∙
10 ∙
eÂÃ
Ç6
eÄÅ
–Æ
œ
17
ÄÅ
Ako se želi da tranzistor radi kao pojačalo,
poja
radna točka
ka tranzistora mora biti u aktivnom
području
ju rada tranzistora, tj. izme
između zasićenja
enja i zapiranja. Te radne uvjete tranzistoru
osiguravaju izvor 8pp i otpornik Sp u krugu baze i izvor 8gg i otpornik Sg u krugu kolektora.
Slika 2.62. Pojačalo
alo u spoju zajedničkog
zajedni kog emitera i valni oblici napona na pojačalu.
poja
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Napon 8pp stvara između
đu baze i emitera istosmjerni napon 8p½ (oko 0,66 ). Taj napon
tjera struju baze :p koja drži tranzistor u aktivnom području
podru ju pa je napon izme
između kolektora i
emitera 8g½ = 4,6 (približno pola napona napajanja 8gg ).
Signal 8e uzrokovat će promjenu napona između
izme baze i emitera 8p½ . Time se mijenja i
struja baze :p u ritmu ulaznog signala. Ovu promjenu tranzistor će pojačati
čati i dati u izlaznome
strujnom krugu (krugu kolektora) znatno veće
ve promjene struje kolektora :g . Promjenom struje
kolektora mijenja se i pad napona na otporu Sg . Zato se napon 8g½ mijenja oko vrijednosti
napona 8g½ 4,6 u ritmu ulaznoga signala. Iz omjera izlaznoga napona 8uv 8g½ i
ulaznoga napona 8e vidljivo je da je ostvareno naponsko pojačanje.
poja
Ulazni i izlazni signali su u protufazi, tj. rastuća
rastu
promjena
ena napona na ulazu izaziva
padajuću
u promjenu na izlazu i obratno. Za razumijevanje rada poja
pojačala
čala i odabir elemenata i
radne točke pojačala
ala pogodna je grafi
grafička
ka metoda analize rada sklopova (slika 2.63).
Slika 2.63. Prikaz djelovanja pojačala
poja
na karakteristikama pojačala.
Napon izvora 8gg , koji tjera struju :g kroz otpornik Sg i tranzistor, dijeli se na pad napona
na tranzistoru 8g½ i pad napona na otporniku :g Sg . Međusobni
usobni omjer padova napona na ta
dva elementa dobije se crtanjem njihovih
njihovih karakteristika. Za tranzistor su to izlazne
karakteristike, a za otpornik Sg to je pravac određen jednadžbom:
8gg
8g½ Z :g Sg
Potrebnu struju baze :p , koja će osigurati radnu točku
ku u aktivnomu podru
području rada
tranzistora, postiže se izvorom 8pp i otpornikom Sp u krugu baze:
8pp
:p Sp Z 8p½
:p
_ÈÈ (_ÈÉ
^È
Pojačalo u spoju zajedničkog emitera
Napon 8p½ iznosi za silicijske tranzistore tipično 0,65 ] 0,7 . S obzirom na to da su
radni pravac i radna točka
čka određeni
određ
bez signala na ulazu pojačala,
ala, tj. za istosmjerne uvjete
rada, nazivaju se statički
čki radni pravac i statička
stati
radna točka. Iz slike 2.63 vidi se da se
najvećii hod izlaznoga signala može dobiti ako je radna to
točka pojačala
čala u sredini aktivnog
područja.
Slika 2.64. Pojačalo s jednim izvorom napona napajanja.
Izvor 8pp može se nadomjestiti spajanjem otpornika Sp na napon napajanja 8gg a da
radni uvjeti pojačala
ala ostanu isti (slika 2.64). Pri tome je:
8gg
:p Sp Z 8p½
:p
_’’ (_ÈÉ
^È
Na taj se način
in izbjegla potreba za dva izv
izvora
ora napajanja. Kondenzatori ƒ imaju zadaću
odjeljivanja izvora istosmjernoga napona napajanja od ulaza i izlaza pojačala.
pojačala.
Stabilizacija radne točke
čke
S obzirom na rasipanje karakteristika tranzistora, njihovu ovisnost o temperaturi i
mogućnost
nost neželjene promjene iznosa napona napajanja, lako je mogu
moguć da dođe do
moguće
pomicanja položaja radne točke pojačala
poja ala i bez prisutnosti signala na ulazu. Znatno stabilnija
radna točka pojačala
ala može se posti
postići spajanjem otpornika S½ u krug emitera (slika 2.65).
Umjesto otpornika Sp struju baze određuje
odre
otporno djelilo S> i SH .
Ako dođe
e do neželjene promjene napona 8p½ , npr. smanjenja, to će uzrokovati
smanjenje struja :p i :g , tj. promijenit će se položaj radne točke.
ke. Zbog toga će se smanjiti i
struje emitera :½ . Struja :½ stvara pad napona na otporniku S½ koji se također
takođ smanjuje. To
smanjenje pada napona na otporu S½ znači malo povećanje napona 8p½ , a time i struje :p .
Dakle, djelovanje otpornika S½ prigušuje prvobitne promjene, odnosno održava stabilnu
radnu točku.
Slika 2.65. Pojačalo s otporom u krugu emitera.
Za ulazni strujni krug vrijede jednadžbe:
8pp − 8p½ = :p Sp Z :½ S½
:p =
:½
Y1 Z ℎ‚½ [
Sp =
8pp =
S> SH
S> Z SH
8gg SH
S> Z SH
iz kojih se dobiju izrazi za struju kolektora:
:g ≈ :½ =
8pp − 8p½
Sp
S½ Z
1 Z ℎ‚½
Ako je S½ puno veće od Sp ⁄Y1 Z ℎ‚½ [, radna točka praktički ne ovisi o faktoru
istosmjernoga strujnoga pojačanja ℎ‚½ , jer tada je Sp ⁄Y1 Z ℎ‚½ [ zanemarivo prema S½ pa za
struju kolektora :g i napon 8g½ vrijedi:
:g ≈ :½ =
8pp − 8p½
S½
8g½ = 8gg − :g Sg − :½ S½
Otpornik S½ povezuje međusobno izlazni i ulazni dio pojačala, tj. ostvaruje povratno
djelovanje izlaza na ulaz. To djelovanje naziva se povratna veza ili reakcija. Kako je
djelovanje izlazne promjene suprotno djelovanju ulazne promjene, ta se povratna veza
naziva negativna povratna veza. Otpornik S½ će na isti način kako djeluje na promjene
istosmjerne struje, djelovati i na promjene uzrokovane izvorom signala koji se želi pojačati.
Dakle otpornik S½ prigušit će i promjene ulaznoga napona i struje što se manifestira kao
slabljenje pojačanja. Da se to djelovanje izbjegne, spaja se paralelno otporniku kondenzator
dovoljno velikoga kapaciteta ƒ½ (reda veličine stotinu i više mikrofarada). Taj je kondenzator
kratki spoj za izmjenični signal koji se pojačava. Tako izmjenična struja ne prolazi kroz S½ pa
za izmjenični signal nema povratne veze, odnosno slabljenja pojačanja.
U ovome slučaju statički radni pravac pojačala određen je iznosom zbroja otpora Sg i S½
i razlikuje se od tzv. dinamičkoga radnog pravca kojeg određuje samo otpor za izmjeničnu
struju, u ovom slučaju Sg . Dinamički radni pravac pokazuje u kojemu se rasponu mogu
kretati izlazni naponski i strujni signali.
Slika 2.66. Statički i dinamički radni pravac.
Za najveći mogući hod izlaznoga signala kod ovakvoga pojačala mora statička radna
točka biti pomaknuta od sredine ulijevo tako da su ispunjeni uvjeti:
_’’
’ y^É
:p = H^
8g½ =
_’’
Ë
Hy É
Ë’
Pojačalo u spoju zajedničkog emitera
Amplitudno-frekvencijska karakteristika pojačala
poja
Grafički
ki prikaz ovisnosti poja
pojačanja pojačala
ala o frekvenciji signala koji se poja
pojačava naziva
se amplitudno-frekvencijska karakteristika pojačala.
poja ala. Frekvencije se najč
najčešće nanose u
logaritamskomu mjerilu kako bi se mogao prikazati cjelokupan raspon frekvencija u čijem se
području promatra rad pojačala.
čala.
Iz frekvencijske karakteristike pojačala
poja ala vidi se da kod signala niskih i visokih frekvencija
dolazi do slabljenja pojačanja
čanja poja
pojačala.
ala. Frekvencije na kojima se pojačanje smanji za √2
puta u odnosu prema pojačanju
čanju srednjih frekvencija nazivaju se don
donja
ja i gornja granična
grani
frekvencija pojačala.
ala. Ako se poja
pojačanje izražava decibelima, granične
čne frekvencije su one na
kojima se pojačanje
anje smanji za 3 1.
Slika 2.67. Primjer amplitudno-frekvencijske karakteristike pojačala.
Do slabljenja pojačanja
čanja
anja na niskim frekvencijama dolazi zbog kondenzatora u sklopu
pojačala
ala (vezni kondenzatori ƒ i kondenzator u krugu emitera ƒ½ ). Kapaciteti tih
kondenzatora, iako većih
ćih
ih iznosa, su za signale niskih frekvencija znatan otpor zbog čega
slabi pojačanje.
Na visokim frekvencijama dolaze do izražaja parazitne kapacitivnosti tranzistora. To su
kapacitivnosti koje međusobno
đusobno čine
ine elektrode tranzistora. Njihovo djelovanje može se
predočiti
iti kondenzatorima paralelno vezanima na ulazu i izlazu poja
pojačala.
čala. Njihov otpor je na
visokim frekvencijama mali pa se zato smanjuje pojačanje.
poja
Dodavanjem
davanjem kondenzatora u
ulaznom ili izlaznom krugu može se sniziti gornju graničnu
grani nu frekvenciju na željeni iznos.

OPERACIONI POJAČAVAČI

VREMENSKE BAZE. TIRATRON.

MPPT 30-24-12

Elektronske komponente - Katedra za Elektroniku

PROTOČNI ANALIZATOR ANTENE DAA 10

Primjena interaktivnog videa u obrazovnim nastavnim

66 c) Motor se pokreće na obrnutu stranu od one na koju bi trebao

Protočni analizator antene DAA 10

Super Charger CH12

images/pdf/vjezba x.pdf

IZMJENJIVAČ - Schrack Technik