ELN 2. ANALOGOVÉ SPÍNAČE S TRANZISTORY 1/14 2. ANALOGOVÉ SPÍNAČE S TRANZISTORY

Transkript

1 ELN 2. ANALOGOVÉ SPÍNAČE S TRANZISTORY 1/14 2. Analogové spínače s tranzistory 2.1 Spínací vlastnosti tranzistorů bipolárních a unipolárních 2.2 Příklady použití spínačů 2. ANALOGOVÉ SPÍNAČE S TRANZISTORY V řadě elektronických aplikací je vyžadována existence levného a spolehlivého spínacího prvku. Spínací prvek : elektromechanický (relé) bezkontaktní (pevnofázový, polovodičový) Spínací prvek = čtyřpól Obr. 1 Elektromechanický a bezkontaktní spínač porovnání vlastností VÝHODY : galvanické oddělení vstupu a výstupu velké přípustné hodnoty U OFF malý r S, velký r P rychlejší spínání neobsahuje části, podléhající opotřebení menší spotřeba a rozměry NEVÝHODY : obsahuje části, podléhající opotřebení (mechanická a elektrická životnost) pomalé spínání odskakování kontaktů (= vícenásobné sepnutí) vstup a výstup galvanicky spojeny menší přípustné napětí v rozpojeném stavu

2 ELN 2. ANALOGOVÉ SPÍNAČE S TRANZISTORY 2/ Spínací vlastnosti tranzistorů bipolárních a unipolárních Bipolární tranzistor (BJT) jako spínací prvek Do spínacích obvodů jsou z principu použitelné oba typy vodivosti ; v praxi jsou vzhledem k návaznosti na budící obvody (většinou CMOS řady 4000, HC, HCT, někdy i TTL) vhodné tranzistory NPN. Základními parametry pro volbu správného typu spínacího tranzistoru jsou především mezní hodnoty (U CEO, I C, poř. I CM, P tot a T J ) v porovnání s parametry obvodu, ve kterém má tento tranzistor pracovat ; z charakteristických parametrů pak h 21E (h FE ) ve vhodném pracovním bodě, U CES, (U CEsat ) popř i R CEsat. z principu lze zapojit všemi 3 způsoby (SB, SE, SC) ; nejčastěji používané zapojení je SE BJT = prvek, řízený proudově relativně malým proudem (řádově ma) při napětí cca 0,7 V lze řídit zatěžovací proud (řádově stovky ma až A) v obvodu s napětím řádově desítky V, tj. výkonem řádově jednotek mw lze ovládat výkon řádově desítek W v obvodu zátěže pojem saturace ( = nasycení ) ; zde nasycení tranzistoru. Saturací se označuje takový stav, kdy v oblasti báze je nadbytek volných nosičů náboje, který již nezpůsobuje odpovídající přírůstek kolektorového proudu, ale projeví se tím, že napětí U CE < U BE (tj. U CB < 0) v soustavě výstupních charakteristik je třeba rozlišovat : 2 mezní stavy : vypnuto ; nevodivý stav viz A a sepnuto ( = saturace ) viz C lineární oblast viz B A nevodivý stav : B lineární (aktivní) oblast C vodivý stav ( oblast saturace ) Obr. 2 Oblasti provozu bipolárního tranzistoru

3 ELN 2. ANALOGOVÉ SPÍNAČE S TRANZISTORY 3/14 A nevodivý stav B lineární režim C oblast saturace Obr. 3 Modelový příklad hodnot, dosahovaných v jednotlivých pracovních oblastech (viz obr. 2) : A = nevodivý stav, B = lineární oblast, C = oblast saturace

4 ELN 2. ANALOGOVÉ SPÍNAČE S TRANZISTORY 4/14 A - nevodivý stav : Parametry nevodivého stavu : mezi kolektorem a emitorem prochází tzv. zbytkový proud, velmi závislý na teplotě ( +7%/10 C) ; u Ge tranzistorů hodnot nepoužitelně velkých, u Si tranzistorů hodnot akceptovatelných ztrátový výkon v nevodivém stavu : velké napětí x malý proud, např. 24V x 5 µa = 0,12 mw, tj. prakticky zanedbatelný podle režimu, ve kterém je zbytkový proud zjišťován, rozlišujeme I CEO, I CER, I CES, I CEU a I CBO - viz tabulka : 4NU73 - zbytkové proudy -Icbo ;- Iceu ;- Icer ;- Iceo [ma] 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Rbe =? Rbe = 500Ω Rbe = 0 Ube = 2,5V Icbo 0, Uce [V] Obr. 4 Příklad konkrétních hodnot zbytkových proudů Ge PNP tranzistoru

5 ELN 2. ANALOGOVÉ SPÍNAČE S TRANZISTORY 5/14 B - lineární (aktivní) oblast : z hlediska činnosti spínače je to stav, který u mechanických spínačů není možný ztrátový výkon v aktivní oblasti : relativně velké napětí x relativně velký proud, např. 12V x 12 ma = 144 mw, tj. o 3 řády větší než v případě A. Právě z důvodu velké výkonové ztráty je ve spínacích aplikacích žádoucí co nejrychlejší přechod přes aktivní oblast C - vodivý stav ( oblast saturace ) : Obr. 5 Vliv proudu báze na U CES oblast saturace : když U CE < U BE ( např. U BE = 0,7V, U CE = 0,1V) ; saturační napětí bývá označováno symbolem U CES tranzistorem prochází velký I C (daný prakticky jen napájecím napětím U N a odporem zátěže R C ) potřebný budící proud I B je třeba určit z požadovaného I C a hodnoty β, kde β = ( )% z katalogové hodnoty h 21E, udávané pro aktivní oblast ( pro velmi malá napětí U CE je proudový zesilovací činitel tranzistoru podstatně menší, než v aktivní oblasti ; proto nutno použít výše uvedenou korekci). I B I C = β Pozn. : tuto hodnotu β nezaměňovat se starším označením proudového zesilovacího činitele tranzistoru v zapojení SE! Obr. 6 Měření β na mezi saturace, nejsou-li známy katalogové údaje : Postup : 1. z U N a R C určit I C v oblasti nasycení 2. pomocí R B nastavit I C tak, až U CB =0 3. odečíst I C a I B 4. vypočítat β = I C / I B

6 ELN 2. ANALOGOVÉ SPÍNAČE S TRANZISTORY 6/14 ztrátový výkon v oblasti saturace : malé napětí x velký proud, např. 0,1V x 24 ma = 2,4 mw, tj. podstatně méně než v aktivní oblasti, ale větší než v případě A. Obr. 7 Závislost U CE na I B pro vybrané hodnoty I C ; katalogové údaje tranzistoru 2N2222 Příklad návrhu spínacího obvodu s BJT : Navrhněte spínací obvod s BJT pro spínání žárovky 24V/15W při napájecím napětí U N = 24V a to alternativně pro 3 varianty budících obvodů : a) buzení ze zdroje U OUT b) buzení z výstupu logického obvodu CMOS řady 4000 c) buzení z výstupu OZ Postup : 1. výpočet el. parametrů potřebných pro volbu tranzistoru 2. volba vhodného tranzistoru 3. výpočet a volba R B 4. doplňková opatření pro alternativní případy budících obvodů (zde pro případ c)) Obr. 8 Příklad návrhu spínacího obvodu s BJT

7 ELN 2. ANALOGOVÉ SPÍNAČE S TRANZISTORY 7/ Dynamické vlastnosti spínacích obvodů Z principu funkce bipolárního tranzistoru dochází vlivem konečné rychlosti, s jakou probíhají vnitřní děje v tranzistoru k tomu, že průběh tvaru výstupního impulsu je poněkud odlišný od průběhu impulsu budícího. Význam jednotlivých parametrů a jejich definice vyplývají z obr. 9. t D doba zpoždění (DELAY = zpoždění) t S doba přesahu (STORAGE = přesah) t R doba čela pulsu (RISE = čelo) t F doba týlu impulsu (FALL = týl) t ON doba náběhu ; zapnutí t OFF doba vypnutí Obr. 9 Definice dynamických parametrů spínacího obvodu s BJT Pozn. : Hodnoty těchto časů bývají v případě tranzistorů určených pro spínací účely uváděny spolu s pomínkami, při kterých jsou měřeny, jako katalogový údaj ; t ON a t OFF dosahují běžně hodnot desítek ns až jednotek µs. Mezní kmitočet spínání je určen převrácenou hodnotu součtu t ON a t OFF ; pro běžný spínací tranzistor malého výkonu se např. součet těchto dob pohybuje okolo 300 ns a mezní kmitočet spínání je tedy asi 3 MHz.

8 ELN 2. ANALOGOVÉ SPÍNAČE S TRANZISTORY 8/ Darlingtonovo zapojení tranzistorů Používá se v případech, kdy je vyžadováno velké proudové zesílení. Darlingtonovo zapojení si lze představit jako jeden tranzistor, jehož výhodou je velký vstupní odpor způsobený malým proudem prvního tranzistoru, a velký proudový zesilovací činitel, daný přibližně součinem dílčích proudových zesilovacích činitelů jednotlivých tranzistorů. Nevýhodou je přiblině 2x větší napětí U BE (dané součtem dílčích napětí U BE1 + U BE2 ) a především podstatně větší velikost saturačního napětí U CES. Za nevýhodu lze považovat i větší zbytkové proudy. Obr. 10 Princip Darlingtonova zapojení Obr. 11 Nejběžnější kombinace h 21E = h 21E(1) * h 21E(2) Běžně vyráběné typy Darlingtonových tranzistorů mají integrované rezistory v obvodu báze emitor a ochrannou diodu v obvodu kolektor emitor (viz obr. 12). TIP 122 (NPN) ; TIP 127 (PNP) : U CEO = 100V U CEO = -100V I C 5A I C -5A h 21E 1000 U BE 2.5 V U BE -2.5 V U CES 2 V U CES -2 V Obr. 12 Vnitřní zapojení tranzistorů řady TIP 122 až 127 a jejich základní parametry Proudový zesilovací činitel je v případě výkonových typů (např. BD861) několik set (typicky 750) ; u nízkovýkonových typů (např. BC517) bývá několik desítek tisíc (např ).

9 ELN 2. ANALOGOVÉ SPÍNAČE S TRANZISTORY 9/ Unipolární tranzistor jako spínací prvek Do spínacích obvodů jsou z principu použitelné všechny typy tranzistorů řízených polem ; v praxi jsou vzhledem k bezproblémové kompatibilitě s budícími logickými obvody CMOS (řady 4000, HC, HCT) vhodné MOSFETy s indukovaným kanálem N, prakticky výhradně v zapojení se společnou elektrodou S. Základními parametry pro volbu správného typu spínacího tranzistoru jsou především mezní hodnoty (U DS, U GS, I D, poř. I DM, P tot a T J ) v porovnání s parametry obvodu, ve kterém má tento tranzistor pracovat ; z charakteristických parametrů pak U GS(th) a R DSon. Obr. 13 Základní zapojení spínacího obvodu s MOSFETem s indukovaným kanálem typu N Spínací tranzistor je řízen ze zdroje napětí U GS, které má dvě hodnoty : pro vypnutý (nevodivý) stav hodnotu U GS blížící se k 0, pro sepnutý (vodivý) stav pak dostatečně velké kladné napětí U GS, jehož velikost zaručí dosažení dostatečně malé hodnoty R DS(ON). Hodnota R DS (OFF) je určena napájecím napětím +U N a zbytkovým proudem I DSS (výrazně závislým na teplotě T J ) viz katalogové údaje ; obvykle bývá dostatečně vysoká, tudíž se jí většinou není třeba podrobněji zabývat. Hlavně u starších typů tranzistorů bývala základním údajem hodnota strmosti S (též g fs ( = Forward Transconductance)), vyjádřená v [ma/v] nebo v [ms], u výkonových typů spíše v [S]. Obr. 14 Vyjádření strmosti tranzistoru řízeného polem, význam určujících veličin a zapojení pro její měření ; S = I D / U GS

10 ELN 2. ANALOGOVÉ SPÍNAČE S TRANZISTORY 10/14 U moderních tranzistorů jsou místo toho udávány hodnoty prahového napětí V GS(th), které zaručují vypnutý stav ; pro sepnutý stav pak jsou udávány hodnoty V GS, které pro požadovaný proud I D zajistí dosažení dostatečně malého R DSon - viz katalogové údaje, např. tranzistoru PHK5NQ15T ( Philips Semiconductors ). Parametry, určující vypnutý stav ( R DS (OFF) ) : Parametry, určující zapnutý stav ( R DS (ON) ) :

11 ELN 2. ANALOGOVÉ SPÍNAČE S TRANZISTORY 11/ Příklady použití spínačů Spínání indukční zátěže Velmi častou úlohou je spínání relé nebo nejrůznějších ovládacích cívek. Pracovní bod tranzistoru (jedno, zda bipolárního nebo řízeného polem), se nepohybuje po přímce, která by byla určena zatěžovacím odporem R Z. Zatím co spínání indukční zátěže není nijak kritické, tak při rozpínání zátěže (tj. při přechodu z bodu A do bodu B viz. obr. 15) se vlivem energie, akumulované v cívce a platnosti Lezova pravidla pohybuje pracovní bod po křivce, vyznačené na obr. 15. Na cívce vzniká indukované napětí, které v praxi dosahuje několikanásobku hodnoty napájecího napětí a bez dalších opatření by hrozila havárie tranzistoru překročením U CE MAX, popř. V (BR)DSS. Obr. 15 Rozpínání indukční zátěže Řešení této situace je velmi jednoduché : paralelně k cívce je nutné připojit záchytnou (ochrannou) diodu, která přepětí vzniklé na cívce zkratuje. Požadavky na parametry diody nejsou kritické ; vyhoví běžná usměrňovací dioda, např. řady 1N400x - viz obr. 16. Obr. 16 Ochranný obvod v případě spínání indukční zátěže

12 ELN 2. ANALOGOVÉ SPÍNAČE S TRANZISTORY 12/ Tranzistorová pole Běžným případem při aplikaci číslicových obvodů bývá požadavek na ovládání většího počtu obvodů, které vyžadují větší budící proud, než jaký je zmíněný řídící obvod (např. procesor) schopen dodat. V takových případech je výhodné použít tzv. tranzistorové pole, což je vícenásobný spínací obvod, umístěný v jednom pouzdře, se vstupy určenými pro běžné řady číslicových obvodů (TTL, CMOS,... ) a s výstupy dimenzovanými napěťově na cca 50V, proudově na cca 500mA. Příklad takového obvodu (ULN 2001) je na obr. 17, příklad aplikace pak na obr. 18. Obr. 17 Vnitřní struktura sedminásobného tranzistorového pole ULN 2001 Obr. 18 Příklad aplikace ULN 2001

13 ELN 2. ANALOGOVÉ SPÍNAČE S TRANZISTORY 13/ Digitální tranzistory Tímto pojmem se označují tranzistory, doplněné rezistorovou sítí - Bias Resistor Transistors (BRTs) ; má v nabídce na 250 typů. Závislost výstupního proudu na vstupním napětí se podobá převodní charakteristice invertoru s otevřeným kolektorem. Obr. 19 Typické aplikace

14 ELN 2. ANALOGOVÉ SPÍNAČE S TRANZISTORY 14/ Tranzistory BISS ( = Breakthrough in Small - Signal ) Jedná se o skupinu tranzistorů vyrobených technologií, která zaručuje dosažení extrémě malých hodnot U CES (při I C do 10 ma je U CES < 10 mv ; tomu odpovídá r CE řádově desítky mω ). Označují se termínem Low Saturation Transistors ; nabízí cca 70 typů. Použití : v zařízeních s nízkým napájecím napětím, kde nelze použít unipolární tranzistory (ty mají sice srovnatelně malý nebo i menší r DS, ovšem při řídícím napětí U GS okolo 10V, jehož dostupnost může být v obvodech s malým napájecím napětím velmi problematická ). Typické aplikace : spínací obvody při nízkých napětích podsvětlení LCD displejů spínací obvody pro motory lineární regulátory Obr. 20 Saturační napětí v závislosti na I C a poměru I C /I B (PBSS4540Z Philips Semiconductors)