Componente utilizate in conversia de energie

1 Legi de baza 3

2 Diode 3

3 Dioda zener 6

4 Referinte de tensiune 7

4.1 TL431 7

4.2 LM4040 - Referinta de precizie 8

4.3 Metoda de verificare a referintelor de tensiune. 10

5 Transient Voltage Supressor - Tranzil-ul    10

6 Tranzistoare bipolare    11

Tranzistorul MOS 14

7. Marimi Limita - Absolute Maximum Ratings 16

7.2. Caracteristici Statice 16

7.3. Caracteristici dinamice 17

7.4. Dioda inversa - Valori limita si Caracteristici 17

7.5. Avantajele utilizarii unui tranzistor MOS in locul unui tranzistor bipolar 18

8 Regulatoare fixe integrate de tensiune 78XX, 79XX 19

9 GMOV-ul 20

10 Optocuplorul 21

11 Amplificatorul operational 21

12 Comparatoare 22

12.1 Montaj comparator inversor 23

12.2 Montaj comparator neinversor 23

12.3 Comparator cu histerezis inversor 24

12.4 Comparator cu histerezis neinversor 25

12.5 Metode de realizare a histerezisului doar intr-un sens 26

13 Tiristorul 26

14 Circuite logice 29

14.1 Circuite logice combinationale (Porti) 29

14.2 Circuite logice secventiale (Bistabili, Registrii) 31

15 Oscilatoare    31

16 Generatoare de curent 33

1 Legi de baza

Legea lui Ohm este :

U = R*I

Puterea disipata de rezistenta R este :

P = U*I

i

Legea lui Kirchoff : Suma curentilor care intra intr-un nod este egala cu suma curentilor care ies din nodul respectiv.

i

Pentru nodul prezentat in figura legea se aplica astfel :

I1+I2 = I3 + I4

i

Randamentul unui sistem electronic este definit de raportul dintre puterea de iesire si puterea de intrare.

Iout

Iin

Uout

Uinn

Uin

Ioutm

Iinn

Uoutm

   

2 Diode

Diodele se impart in doua mari clase : dioda de semnal si dioda redresoare care este numita in engleza rectifier.

Dioda de semnal este un dispozitiv prin care circula un curent de ordinul miliamperilor iar dioda redresoare este un dispozitiv de putere prin care circula un curent in gama 1-1000 amperi.

O dioda semiconductoare este formata dintr-o jonctiune PN si are doua terminale, anodul (+) si catodul (-). Sensul curentului prin dioda este de la anod la catod.

Reprezentarea schematica a diodei este urmatoarea :

O dioda ideala este un comutator. Cand comutatorul este inchis prin circuit trece curent iar cand comutatorul este deschis prin circuit nu trece curent. Acest fenomen poate fi reprezentat astfel :

Fata de un comutator dioda mai are proprietatea de a fi unidirectionala, deci curentul se stabileste doar intr-o singura directie. Cand pe dioda este aplicata tensiunea directa dioda conduce iar cand este aplicata tensiunea in sens invers dioda este blocata. Caracteristica unei diode ideale este :

Caracteristica reala a unei diode este urmatoarea :

Parametrii cei mai importanti ai unei diode sunt :

A) Forward Voltage Drop, Vf

Pana la atingerea pragului de comutatie, care este 0.6v pentru dioda cu siliciu si 0.2v pentru dioda schottky, prin dioda circula un curent mic. Dupa atingera pragului de comutatie prin dioda trece un curent direct care respecta regula din cadranul de conductie directa. Caderea de tensiune directa Vf este specificata pentru un curent direct If, aceste doua coordonate reprezinta de fapt un punct pe caracteristica directa a diodei.

B) Leakage current

In conductie inversa, pana la atingerea pragului de tensiune breakdown voltage, exista o mica scurgere de curent, numita leakage current. Cu cat leakage current este mai mic cu atat dioda este mai buna. El este specificat pentru o tensiune inversa data, care este mai mica decat breakdown voltage. Dioda functioneaza pe caracteristica inversa la o tensiune mai mica decat breakdown voltage.

C) Current Rating

Capabilitatea de curent a unei diode este determinata de dimensiunea materialului semiconductor si tipul de capsula, adica de posibilitatea de a monta dioda pe un radiator. Pentru a caracteriza capabilitatea de curent se foloseste parametrul Average Current. Cu cat cipul semiconductor este mai mare si conductivitatea termica mai buna cu atat capabilitatea de curent a diodei este mai mare.

D) Switching - Comutatie

Viteza de comutatie a unei diode depinde de constructia sa. Cu cat cipul este mai mic, cu atat viteza de comutatie va fi mai mare. Parametrul limita este reverse recovery time, trr, care este timpul necesar pentru ca dioda sa comute On - Off.

Parametrii care trebuie cunoscuti pentru o dioda sunt :

A)    Maximum reverse voltage Tensiunea inversa maxima

B)     Rated forward current Curentul direct

C)    Maximum forward voltage drop Caderea maxima in conductie directa

D)    Maximum leakage current Curentul invers maxim

E)     Package style    Tipul de capsula

F)     Maximum reverse recovery time Timpul de blocare

Din punct de vedere al materialului de constructie se utilizeaza diode cu Si, la care caderea de tensiune in conductie este de 0,6 V si diode Schottky la care caderea de tensiune in conductie este de 0,2 V.

In conversia de energie dioda redresoare este utilizata pentru a redresa tensiunile de iesire iar diodele de semnal sunt utilizate in partea de comanda si control.

3 Dioda Zener

Caracteristica diodei zener este :

Diferenta dintre o dioda Zener si o dioda normala exista doar pe caracteristica inversa. Daca polarizam invers o dioda normala la Uz ( breakdown voltage ), prin ea nu circula curent. Din contra la tensiunea Uz dioda Zener se deschide si prin ea va circula un curent Iz.

Deci caracteristica directa este identica cu a unei diode. Comportarea pe caracteristica inversa este insa diferita.

Daca tensiunea inversa creste intre 0 si Breakdown voltage, leakage current ramane aproape constant. In momentul in care se atinge breakdown voltage curentul invers creste mult. Breakdown voltage reprezinta de fapt tensiunea diodei zener. Daca o dioda normala este proiectata pentru a opera sub breakdown voltage, dioda zener opereaza la aceasta tensiune, iar aplicatia principala este de regulator de tensiune.

Parametrii de baza ai unei diode zener sunt :

A)    Zener voltage - tensiunea diodei zener. Plaja curenta de tensiuni este intre 3.3v si 75v, insa exista si diode in afara acestui interval.

B)    Tolerance - toleranta. Tolerante curente sunt de 5% si 10%, dar exista si diode zener cu o toleranta de 0.05%.

C)  Power - puterea. Puteri curente sunt : ¼, ½,1,2,5,10,50 Watts.

4 Referinte de tensiune

In conversia de energie referintele de tensiune se utilizeaza in procesul de control al unei tensiuni prin comparatia tensiunii care se controleaza cu valoarea de referinta.

4. TL 431

TL431 este un stabilizator de tensiune integrat ,utilizat foarte des in conversia de energie ca referinta de tensiune.

Structura interna a circuitului este urmatoarea :

Simbol :

Blocuri functionale :

unde Vref = 2.495v

Aplicatii :

A1) Referinta fixa de tensiune

Rezistenta R se alege astfel incat pentru Input=minim Ika = 10 mA Vka = 2.495v

A2) Referinta variabila de tensiune

Schema de aplicatie :

R trebuie sa furnizeze un curent de catod >1 mA pentru cazul in care tensiunea de intrare are valoarea minima.

A3) Comparator de tensiune cu prag compensat termic.

Relatia dupa care functioneaza sistemul este :

Daca Input < 2.5v atunci Vo = Vi(batt), deci referinta este blocata iar

daca Input > 2.5v atunci Vo = 2v, deci referinta stabilizeaza 2v.

4.2. LM4040 - Referinta de precizie

LM4040 este o referinta de precizie.

Aplicatia tipica:

Iq minim este intre 40 - 80 uA iar Iq maxim este 15 mA.

Configuratia terminalelor este :

Terminalul 3 trebuie lasat in gol sau trebuie conectat la terminalul 2.

Circuitul LM4040 este disponibil in mai multe versiuni, care difera prin tensiunea stabilizata si gama de precizie oferita. Tabelul de mai jos prezinta variantele constructive, tensiunea stabilizata si toleranta :

Semnificatia marcajului de pe capsula este urmatoarea :

4.3. Metoda de verificare a referintelor de tensiune.

Uneori in aplicatii valoarea furnizata de referinta poate sa fie putin in afara limitelor de toleranta. Este posibil ca referinta sa fie in afara specificatiilor, sau sa avem erori de masura datorate zgomotului prezent in sistemele de conversie de energie.

Pentru a verifica daca o referinta este buna se poate face montajul urmator, in care rezistenta R se alege astfel incat pentru Vin si Vref dat i=1mA.

R=(Vin-Vref)/i

5 Transient Voltage Supressor - Tranzil-ul

Transient Voltage Suppresor (TVS) este un dispozitiv semiconductor destinat protectiei impotriva varfurilor mari de tensiune si curent. Dispozitivul TVS este proiectat pentru a lucra in regim de avalansa si utilizeaza o suprafata mare semiconductoare pentru a absorbi curentii tranzitorii. Operarea in avalansa ofera o impedanta mica si deasemenea un timp de raspuns foarte mic. TVS -ul este disponibil in varianta unipolara sau bipolara.

Caracteristica tipica a unui TVS este urmatoarea :

Breakdown voltage (Vbr) este punctul la care TVS intra in avalansa. Tensiunea Vbr este masurata pentru un curent It. Circuitul pe care TVS-ul il protejeaza trebuie sa opereze normal sub tensiunea Vrwm, numita working voltage. Ir este curentul maxim masurat la Vrwm. Varful maxim de curent pe care il poate suporta este Ipp iar tensiunea maxima la care componenta limiteaza este Vc. Vc este tensiunea maxima la bornele dispozitivului, atunci cand este strabatut de Ipp.

Tranzil-ul este utilizat in conversia de energie pentru asigurarea functionarii sistemului fara probleme in cazul unui test Foudre. Acest test presupune aplicarea la intrarea sistemului a unui impuls cu amplitudinea de 2000 Vvv .Acest impuls este taiat de tranzil la valoarea parametrica a tranzil-ului.Varful de tensiune este practic disipat pe tranzil.

6 Tranzistoare bipolare

Tranzistoarele bipolare sunt dispozitive semiconductoare care au doua jonctiuni si trei terminale numite emitor, colector si baza. Tranzistorul bipolar poate sa fie NPN sau PNP. Reprezentarea schematica este :

Directia sagetii din emitor defineste tipul tranzistorului. Functia elementara a tranzistorului este de amplificator de curent si functioneaza dupa relatia : Ic=b Ib.

In continuare sunt descrisi parametrii cei mai importanti ai unui tranzistor.

Breakdown voltage reprezinta limita semiconductorului si sunt marimi care nu pot fi depasite. Exista breakdown voltage pentru fiecare combinatie de terminale Vce, Vbe,Vcb. Totusi cel mai important parametru este Vceo, adica tensiunea colector emitor cu baza in gol, si reprezinta tensiunea maxima a circuitului.

Leakage current este definit pentru jonctiunea colector baza Icbo si pentru jonctiunea    emitor baza Iebo si reprezinta curentul invers care strabate jonctiunile date.

Caracteristica de colector a unui tranzistor este :

Valorile de pe caracteristica sunt negative deoarece tranzistorul este PNP.

Curentul de colector se modifica foarte mult in functie de curentul de baza si foarte putin in functie de tensiunea colector emitor.

Parametrii cei mai importanti ai unui tranzistor sunt :

a) Nivelele de tensiune pentru cele trei jonctiuni.

b) Puterea si rezistenta termica.

c) Capabilitatea de curent si dimensiunea capsulei.

d) Curentii paraziti Icbo si Iebo.

e) Raspunsul in frecventa sau timpul de comutare.

f) Castigul in curent : Hfe si hfe.

g) Parametrul de variatie in temperatura.

h) Rezistenta EC la saturatie.

In conversia de energie tranzistoarele bipolare sunt utilizate in special in regimul de comutatie, unde lucreaza in starea blocat - saturat.

Daca tensiunea baza emitor atinge nivelul de 0,6v tranzistorul se satureaza si mentine o tensiune de 0,2 V intre colector si emitor. In cazul in care tensiunea baza emitor este inferioara valorii de 0,6 V tranzistorul este blocat si putem gindi schema ca si cand tranzistorul nu ar exista pe locul dat.

Tranzistoarele sunt utilizate si ca amplificatore de semnal sau de curent.

Montaje tipice :

a)      Amlificator inversor de semnal :

b)      Repetor pe emitor :

c)      Amplificator de curent :

Semnalul de iesire are aceiasi forma cu semnalul de intrare, intre cele doua semnale difera doar capabilitatea de curent.

7 Tranzistorul MOS

Tranzistoarele MOS ocupa un rol important in conversia de energie. La ora actuala comutatia de putere se realizeaza in exclusivitate numai cu tranzistoare de tip Power MOSFET. Motivul pentru care se utilizeaza acesti tranzistori este o putere disipata mica, capabilitati mari de curent si tensiune, precum si o comanda foarte usor de realizat.

Din punct de vedere tehnologic avem :

N-Channel Power MOSFET

P-Channel Power MOSFET

Tranzistoarele de tip N-Channel sunt utilizate cel mai des in partea comutatie de putere datorita unui Rds(ON) foarte mic si a unui cost de fabricatie foarte redus.     Tranzistoarele de tip P-Channel se utilizeaza mai rar iar parametrul Rds(ON) poate fi de cateva zeci de ori mai mare decat in cazul omologului sau de tip N .

Dupa cum se observa din simbolurile de mai sus, tranzistoarele Power MOSFET au o dioda intre drena si sursa tranzistorului. Aceasta dioda apare datorita constructiei tehnologice a tranzistorului. In datele tehnice ale tranzistorului se specifica si datele tehnice ale acestei diode. In unele aplicatii aceasta dioda este utilizata si astfel reduce necesitatea utilizarii unei componente externe.

Din punct de vedere al semnalului de comanda avem :

a) MOS-uri standard, comandate uzual cu o tensiune de comanda de 0v / 10v.

b) Logic Level Gate Drive care permit o comanda logica compatibila cu nivelele TTL.

Tranzistoare in tehnologia MOS se mai utilizeaza si pentru comutatia de semnal mic, insa tranzistoarele lucreaza doar in regimul blocat saturat si deci se preteaza pentru comutatia de semnal de tip dreptunghiular.

Montaje tipice :

a) Amplificator de curent si inversor de semnal :

La intrarea circuitului se aplica un semnal dreptunghiular cu amplitudinea mai mare decat pragul la care comuta MOS-urile. Cind nivelul de intrare este 0 Logic tranzistorul Q221 este saturat, nivelul de iesire este Vcc, iar curentul de iesire este de fapt curentul de drena al tranzistorului Q22 Cand nivelul de intrare este 1 Logic tranzistorul Q220 este saturat, nivelul de iesire este GND iar curentul pe care iesirea este capabila sa il absoarba este curentul de drena al tranzistorului Q220. Deci circuitul functioneaza ca un inversor si amplificator de curent.

b) Inversor de semnal :

Montajul de mai sus se utilizeaza in cazul in care capabilitatea de curent pentru nivelul de iesire Vcc nu este mare si se doreste doar o inversare de semnal cu un pret de cost redus.

In continuare sunt prezentati parametrii cei mai importanti ai tranzistorilor MOS utilizati in conversia de energie. Acesti parametrii se regasesc in datele de catalog.

7. Marimi Limita - Absolute Maximum Ratings

Datele de catalog contin valorile maxime ale parametrilor care vor fi descrisi mai jos. Tranzistorul trebuie sa functioneze sub aceste nivele iar in cazul in care nivelele sunt depasite poate aparea distrugerea ireversibila a tranzistorului.

Drain-Source voltage, Vdss si Drain-Gate voltage, Vdgr reprezinta tensiunea maxima care poate fi aplicata intre aceste terminale. Aceste nivele se refera la starea OFF a tranzistorului.

Gate to Source voltage, Vgs reprezinta nivelul maxim care poate fi aplicat intre aceste terminale. In cazul in care se depaseste acest nivel , chiar si pentru scurte perioade de timp se poate produce o distrugere permanenta a oxidului din grila.

Continuous Drain Current, Id este caracterizat prin doua valori, una la o temperatura a tranzistorului de 25C si alta la temperatura de 100C. Acesti curenti nu reprezinta nivele DC la care tranzistorul poate opera . Acesti curenti sunt valorile la care temperatura jonctiunii atinge valoarea limita maxima admisa in conditiile in care temperatura corpului tranzistorului este mentinuta la temperatura de 25C si respectiv 100C.

Pulse Peak Value, Idm reprezinta valoarea maxima a varfului de curent suportat de tranzistor. In general tranzistoarele Power MOSFET au o valoare a varfului de curent foarte mare, care este limitata doar de conexiunea care exista intre terminalul tranzistorului si cip. Intervalul de timp pentru care se poate aplica Idm depinde de temperatura jonctiunii.

Total Power Disipation, Ptot reprezinta puterea maxima disipata in conditiile in care temperatura corpului tranzistorului este mentinuta la 25C. In cazul in care temperatura corpului tranzistorului creste, Ptot scade.

7.2. Caracteristici Statice

a) Caracteristici pentru cazul in care tranzistorul este blocat.

Drain-Source Breakdown voltage, BVdss reprezinta tensiunea la care se stabileste un curent de drena de 250 mA , in conditiile in care grila este legata la sursa. Aceasta tensiune este mai mare sau egala cu Drain-Source voltage, Vdss. In fond aceasta marime reprezinta tensiunea la care se deschide canalul, fara a avea o comanda in grila.

Off State Leakage Currents sunt specificati atat pentru grila - sursa cat si pentru drena-sursa si reprezinta curentii reziduali ai dispozitivului. Conditiile in care sunt masurati sunt precizate in datele de catalog. Blocarea dispozitivului este realizata prin conectarea grilei la sursa.

b) Caracteristici pentru cazul in care tranzistorul este saturat.

Gate Threshold Voltage, Vgs(to) indica tensiunea necesara grila-sursa pentru a aduce dispozitivul in starea ON. Pentru dispozitive de tip Logic Level Gate Drive aceasta valoare este uzual intre 0v si 2.0v iar penrtru dispozitive standard intre 2.1v si 4v.

Drain-Source On resistance, Rds(ON) este un parametru foarte important. El este masurat in conditiile in care Ugs=5v pentru dispozitive de tip Logic Level sau Ugs=10v pentru dispozitive de tip Standard. Aceasta rezistenta nu poate fi micsorata considerabil in cazul in care se mareste tensiunea Ugs peste nivelele date mai sus. In cazul in care Ugs coboara sub nivelele date Rds(ON) se mareste. In cazul dispozitivelor de tip Logic Level este posibila o micsorare a Rds(ON) in cazul in care Ugs creste de la 5v la 10v.

Rds(ON) este un parametru foarte sensibil la temperatura, la o crestere de temperatura intre 25C si 150C Rds(ON) valoarea acestui parametru se dubleaza.   

7.3 Caracteristici dinamice

Capacitatiile Input Capacitance Ciss, Output Capacitance Coss, Reverse Transfer Capacitance Crss se calculeaza dupa relatiile :

Ciss = Cgs + Cgd (Cds in scurt circuit)

Coss = Cds + Cgd

Crss = C gd

Aceste capacitati sunt masurate in conditiile date in datele de catalog. Aceste capacitati sunt foarte dependente de tensiunea Uds, odata cu marirea acestei tensiuni capacitatile scad. Capacitatea de intrare furnizeaza o informatie grosiera asupra necesitatilor ce sunt cerute circuitului de comanda al tranzistorului.

Timpii de comutatie sunt deasemenea date de catalog si se refera la timpii de comutatie pe o sarcina rezistiva. Viteza cu care un PowerMOSFET poate comuta este limitata doar de circuitul exterior si de inductantele si capacitatile care apar prin constructia tranzistorului. Viteza actuala a unui circuit este determinata de cat de repede capacitatiile interne ale tranzistorului pot fi incarcate si descarcate de circuitul de comanda.

7.4 Dioda inversa - Valori limita si Caracteristici

Dioda inversa este inerenta in structura Power MOSFET. Valorile limita sunt :

Continuous reverse drain current Is si Pulsed reverse drain current Ism se refera la curentul maxim admis in conductia directa a diodei.

Forward voltage Vsd se refera la caderea de tensiune in cazul in care dioda este in conductie directa.

Datorita faptului ca aceasta dioda opereaza ca un dispozitiv bipolar pentru a o bloca este necesar ca sarcina stocata in jonctiune sa fie extrasa. Din acest punct de vedere se definesc urmatorii parametrii :

Reverse Recovery Charge Qrr care este sarcina care trebuie extrasa pentru a bloca dioda, iar

Reverse Recovery Time reprezinta timpul necesar pentru a evacua sarcina stocata in dioda.

7.5. Avantajele utilizarii unui tranzistor MOS in locul unui tranzistor bipolar

Aceste avantaje se pot observa in exemplul urmator  in care se comanda un transformator atat cu un tranzistor bipolar cat si cu un tranzistor MOS.

a) Comanda cu un tranzistor MOS

Schema este urmatoarea :

Forme de unda :

Pentru comanda se utilizeaza un semnal dreptunghiular cu amplitudinea de 10Vvv. Saturarea tranzistorului se realizeaza din momentul tranzitiei OFF/ON prin rezistenta R2 care polarizeaza grila cu tensiunea de 10 V. Blocarea tranzistorului se realizeaza din momentul tranzitiei ON/OFF cand dioda D se deschide, rezistenta R1 se pune in paralel cu R2 si printr-o rezistenta echivalenta de 5R sarcina stocata in grila este eliminata rapid. Prin procedeul de conectare a R1 in paralel cu R2 rezulta o blocare rapida a tranzistorului.

Comanda cu un tranzistor bipolar

Schema este urmatoarea :

Forme de unda :

Comanda unui tranzistor bipolar se face in curent si marele dezavantaj pe care-l are este faptul ca pentru a-l bloca rapid avem nevoie de o tensiune negativa care se aplica intre baza si emitor . Pentru a realiza aceasta tensiune negativa se utilizeaza un transformator DRIVER care este comandat la randul lui de un tranzistor driver .Datorita tensiunii electromotoare induse care apare pe transformatorul driver tensiunea in secundarul acestuia are portiuni negative care permit blocarea rapida a tranzistorului de comutatie.

Diferenta dintre comanda cu un tranzistor MOS si cu un tranzistor bipolar este ca pentru bipolar se utilizeaza un transformator driver si un tranzistor de comutatie suplimentar, componente care maresc pretul aplicatiei.

8 Regulatoare fixe integrate de tensiune 78XX, 79XX

Aceste regulatoare de tensiune sunt circuite integrate monolitice proiectate pentru a livra tensiuni fixe de iesire. Cu ajutorul unor componente externe se pot obtine regulatoare variabile de tensiune.

Pentru o regulare corecta este necesar ca tensiunea de intrare sa fie in toate cazurile de functionare mai mare cu 2v decat tensiunea de iesire.

Caracteristici :

* Curent de iesire maxim 1A, in cazul in care circuitul este echipat cu un radiator adecvat.

* Nu are nevoie de componente externe.

* Protectie termica in caz de suprasarcina.

* Limitare de curent in caz de scurtcircuit.

* Precizia tensiunii de iesire de 2% sau 4%.

In cazul in care tensiunea de iesire poate sa provina dintr-o alta sursa (redundanta de tensiune) nu este admis ca Uout sa fie mai mare ca Uin cu mai mult de 1V. Pentru a garanta aceasta conditie se utilizeaza ca mecanism de protectie dioda D1 :

Pentru a obtine o alta tensiune, diferita de tensiunea fixa a regulatorului, se conecteaza terminalul GND la un potential diferit de masa.

Daca se doreste obtinerea unei tensiuni negative utilizind un stabilizator de tensiune pozitiva se poate utiliza principiul de mai jos:

9 GMOV-ul

Este o rezistenta a carei valoare depinde de tensiunea aplicata la borne .

Montajul de protectie este descris mai jos. In cazul in care tensiunea de intrare Vin creste, rezistenta GMOV-ului scade iar curentul prin fuzibil creste ceea ce duce la arderea fuzibilului.

10 Optocuplorul

Optocuplorul are rolul de a transmite o informatie intre primarul si secundarul unui sistem de conversie de energie, realizand in acelasi timp si o izolare galvanica.

Tranzistorul optocuplorului are disponibili la terminalele capsulei toate cele trei terminale. Prin intermediul bazei tranzistorul poate fi comandat ca un tranzistor obisnuit iar in cazul in care se conecteaza o rezistenta intre baza si emitor se poate modifica factorul de amplificare optica.

Optocuplorul poate functiona in doua regimuri :

a) Regim liniar

In acest regim caderea de tensiune dintre colector si emitor este proportionala cu curentul injectat prin dioda electroluminiscenta .

b) Regim de comutatie

In acest regim prin dioda se injecteaza un curent destul de mare pentru a satura tranzistorul in partea receptoare si pentru a oferi o tensiune mica intre colector si emitor.

11 Amplificatorul operational

Un amplificator de uz general este LM258. Aplicatia lui intr-o bucla de reactie este :

Amplificatorul operational functionea dupa regula :

Uout=A*(U - U

Amplificarea A este data de componenetele din bucla de reactie. Utilizarea tipica a amplificatoarelor operationale in convertizoare este in circuitele de reactie U si I din secundar.

In circuitul dat pe intrarea (-) se conecteaza o referinta iar pe intrarea (+) se conecteaza bara principala (+5v) care trebuie regulata prin intermediul unui divizor rezistiv .Divizorul rezistiv se alege astfel incat tensiunea pe pinul (+) sa fie egala cu tensiunea de pe pinul (-), care este tensiunea de referinta.

In cazul in care tensiunea pe bara principala (+5v) creste tensiunea pe pinul (+) va creste deci tensiunea de iesire Uout va creste iar curentul care va trece prin dioda optocuplorului va fi mai mare. In cazul in care tensiunea pe bara principala scade, tensiunea pe pinul (+) scade, tensiunea de iesire va cobori iar curentul care va trece prin dioda optocuplorlui va fi mai mic.

12 Comparatoare

Comparatoarele sunt utilizate pentru a compara o marime care trebuie controlata cu o valoare de referinta. Regula dupa care functioneaza este urmatoarea :

Uout = Vcc+ daca Uin+ > Uin-

Uout = Vcc- daca Uin+ < Uin-

In functie de intrarea pe care se aplica semnalul de comparat avem mai multe tipuri de montaje cu comparatoare :

12.1 Montaj comparator inversor

Acest montaj compara semnalul Uin cu un nivel de referinta Uref. Din momentul in care Uin > Uref comparatorul comuta iesirea pe nivelul Vcc-, iar din momentul in care Uin < Uref comparatorul comuta iesirea pe nivelul Vcc+.

12.2 Montaj comparator neinversor

Acest montaj compara semnalul Uin cu un nivel de referinta Uref. Din momentul in care Uin > Uref comparatorul comuta iesirea pe nivelul Vcc+, iar din momentul in care Uin < Uref comparatorul comuta iesirea pe nivelul Vcc-.

In conversia de energie compararea de genul descris mai sus este dificila datorita faptului ca toate barile sunt afectate de zgomot. Zgomotul provine din procesul de comutatie.

Iata cum comuta real un comparator in cazul in care se compara referinta Vref cu tensiunea de intrare afectata de zgomot :

Se observa ca tensiunea de iesire Uout este afectata de numeroase comutari nedorite.

Pentru a remedia aceste comutari nedorite se utilizeaza comparatoare cu histerezis, ceea ce impune existenta unei rezistente intre iesire si una dintre intrari.

12.3 Comparator cu histerezis inversor

Montajul compara tensiunea Uin cu nivelul de pe U+. Atat timp cat Uin < U+, Uout va fi Vcc+. Datorita divizorului rezistiv R1, R2 nivelul de pe U+ este dat de legea lui Ohm :

U+ = (R1*Uout) / (R1+R2), unde Uout = Vcc+

In momentul in care tensiunea Uin atinge pragul U+, dat de formula de mai sus, comparatorul comuta iesirea pe nivelul Vcc-. Datorita acestei comutari nivelul de tensiune pe U+ se modifica conform aceleiasi relatii :

U+ = (R1*Uout) / (R1+R2), unde Uout = Vcc-

Deci prin acest mecanism, odata ce montajul a comutat se modifica pragul de comparare, si astfel eventualele zgomote existente pe bara Uin nu influenteaza comparatia deoarece odata atins pragul de comparare acesta se modifica.

12.4 Comparator cu histerezis neinversor

Montajul compara semnalul de pe U+ care este in relatie cu Uin si Uout cu nivelul de referinta Uref. Semnalul U+ este figurat ingrosat. Atat timp cat Uout = Vcc-, U+ va fi mai mic decat Uin datorita divizorului R1,R2. In momentul in care U+ atinge nivelul Uref sistemul comuta iar Uout va fi Vcc+. In acest moment nivelul U+ se modifica datorita faptului ca capatul divizorului R1, R2 este acum bransat la Vcc+. In momentul in care U+ coboara sub Uref sistemul comuta din nou. i in acest moment nivelul U+ se modifica datorita faptului ca capatul divizorului R1,R2 va fi bransat la Vcc-.

Prin acest mecanism de modificare a nivelului U+ se realizeaza histerezisul, care de aceasta data se aplica semnalului de comparat.

12.5 Metode de realizare a histerezisului doar intr-un sens

Daca dorim ca histerezisul prezentat de R3 sa fie activ doar pe o tranzitie se foloseste o dioda (intr-un sens sau altul):

13 Tiristorul

Este un dispozitiv unidirectional. El se amorseaza prin aplicarea unei tensiuni pozitive intre grila si catod ( Ugk). Odata amorsat el se blocheaza doar daca tensiunea intre anod si catod (Uak) devine 0 sau isi schimba polaritatea.

Tiristorul este evitat in general pentru ca este greu de stapanit.

In conversia de energie se utilizeaza un pseudotiristor realizat cu componente discrete pentru a memora o stare de functionare anormala a sistemului.

a) Pseudotiristor realizat cu componente discrete

Mod de functionare : Starea initiala a circuitului este cu tranzistorul Q1 blocat. In cazul in care avem o problema in secundarul sistemului, aceasta este sesizata de circuit prin saturarea optocuplorului. Capacitatea C1 se incarca dupa un timp t iar tranzistorul Q1 se satureaza. Prin intermediul liniei Blocare pe 0L produsul se opreste. In acelasi timp Q3 se satureaza si C1 se mentine incarcat. Deoarece Q3 este in paralel cu tranzistorul optocuplorului, capacitatea de memorie C1 se mentine incarcata iar circuitul se mentine aclansat si dupa disparitia informatiei care a saturat optocuporul. Deci circuitul s-a aclansat. Pentru a aduce circuitul in starea initiala este necesar ca linia Descarcare memorie sa se conecteze la 0 Logic. Astfel capcitatea C1 se descarca iar tranzistorul Q1 se blocheaza.

b) Pseudotiristor realizat cu comparator - varianta 1

Mod de functionare : Starea initiala a circuitului este cu iesirea comparatorului MX1 pe nivel 1L datorita faptului ca nivelul de pe intrarea + este mai mare decit nivelul de 0v de pe intrarea - . In cazul in care avem o problema in secundar aceasta este sesizata de circuit prin saturarea optocuplorului. Capacitatea C1 se incarca dupa un timp t iar nivelul de pe intrarea - depaseste nivelul de pe intrarea + iar comparatorul comuta iesirea pe nivel 0L. Prin intermediul liniei Blocare pe 0L produsul se opreste. In acelasi timp Q1 se satureaza si C1 se mentine incarcat. Deoarece Q1 este in paralel cu tranzistorul optocuplorului capacitatea de memorie C1 se mentine incarcata iar circuitul se mentine aclansat si dupa disparitia informatiei care a saturat optocuporul. Deci circuitul s-a aclansat. Pentru a aduce circuitul in starea initiala este necesar ca linia Descarcare sa se conecteze la 0 Logic. Astfel capcitatea C1 se descarca iar comparatorul comuta. Se ajunge astfel din nou la starea initiala.

c) Pseudotiristor realizat cu comparator - varianta 2

Mod de functionare : Starea initiala a circuitului este cu iesirea comparatorului MX1 pe nivel 1L datorita faptului ca nivelul de pe intrarea + este mai mare decit nivelul Uref de pe intrarea - . In cazul in care avem o problema in secundar aceasta este sesizata de circuit prin saturarea optocuplorului. Saturarea trebuie realizata dupa un timp t de prezenta a informatiei de avarie.

Nivelul de pe intrarea + devine 0v iar comparatorul comuta iesirea pe nivel 0L. Prin circuitul de histerezis format cu R3 nivelul pe intrarea + devine mai mic decit Uref si dupa ce optocuplorul se blocheaza. Prin acest sistem s-a realizat memoria. Prin intermediul liniei blocare sistemul se opreste. Pentru a aduce montajul in starea initiala linia Deblocare pseudotiristor este conectata la 0v, nivelul pe intrarea - devine inferior nivelului de pe intrarea + iar comparatorul comuta din nou in starea initiala.

14 Circuite logice

Circuitele logice pot sa functioneze cu urmatoarele nivele de tensiune :

nivele TTL : Vcc = 5V

0L [oV-2V] 1L [3V-5V]

nivele CMOS : VccI[10V-20V]    

0L [0V, Vcc/2 - 1V]    1L [Vcc/2+1V, Vcc]

14.1 Circuite logice combinationale (Porti)

a)      Inversorul

IN OUT

b)      Poarta SI (AND)

A

OUT

B

c) Poarta SI-NU (NAND)

A

OUT

B

d) Poarta SAU (OR)

A

OUT

B

e)      Poarta SAU-NU (NOR)

A

OUT

B

f)       Poarta SAU-exclusiv (XOR)

O caracteristica importanta a portilor este timpul de propagare prin poarta care variaza in functie de tehnologia de fabricatie a acestora. Astfel pentru tehnologia MOS timpul de propagare este in domeniul de 50-200 ns, in functie de tensiunea de alimentare Vcc a circuitului iar pentru portile fabricate in tehnologie TTL timpul de propagare este de 10 ns.

14.2 Circuite logice secventiale (Bistabili, Registrii)

Bistabilul D

Principiul de functionare al acestui bistabil este urmatorul : in momentul aplicarii unui impuls de tact pe intrarea CLK (activa pe front crescator) semnalul de la intrarea D este transferat si memorat la iesirea Q a bistabilului.

Acest bistabil are doua intrari asincrone S, R (PR,CLR) si o intrare sincrona D. In cazul bistabilului din figura de mai sus intrarile asincrone sunt active pe 0 si prin activarea uneia dintre ele iesirea Q a bistabilului se initializeaza cu 1 logic sau 0 logic.

15 Oscilatoare

Un oscilator cu o gama larga de aplicatii este SE555 , prezentat in figura urmatoare :

Diagrama bloc a acestui oscilator este cea din figura :

Functionarea oscilatorului este explicata pe exemplul urmator care este o aplicatie tipica :

Din diagramele de tensiune se observa ca initial condensatorul C este descarcat. Prin aplicarea tensiunii de alimentare Vcc, condensatorul se incarca prin rezistentele R1 si R2 , inseriate. In momentul in care tensiunea pe capacitate (aceeasi cu tensiunea la pinii 6 si 2 ai oscilatorului) ajunge la valoarea 2Vcc /3, bistabilul oscilatorului se reseteaza si iesirea acestuia trece pe nivel 0 logic. In acelasi timp tranzistorul intra in saturatie punand practic pinul 7 la masa si astfel condensatorul se va putea descarca prin rezistenta R2. Tensiunea pe condensator va scadea pana la atingerea pragului Vcc/ 3. In acel moment se activeaza semnalul de setare al bistabilului , iesirea acestuia trece pe 1 logic si tranzistorul se blocheaza . Astfel condensatorul incepe sa se incarce din nou de la tensiunea de alimentare.

Factorul de umplere al semnalului de iesire depinde de valorile componentelor in felul urmator :

F=

Dezavantajul acestei aplicatii este ca nu se poate sintetiza un semnal cu factorul de umplere mai mic sau egal cu 50%.

Pentru realizarea unui factor de umplere de 50% sau mai mic, schema trebuie modificata ca in figura urmatoare :

In acest caz calea de incarcare si calea de descarcare depind de rezistente diferite, deci in functie de valorile R1 si R2 se poate obtine orice factor de umplere dorit.

Factorul de umplere devine :

F=

16 Generatoare de curent

Schema de mai jos prezinta un generator de curent Ict pe rezistenta de sarcina Rs.

UR2 + UEB = UZ

UR2 = UZ - 0,6V

ict * R2 = UZ - 0,6V

ict=(UZ - 0,6V) / R2

Principiul generatorului de curent este ilustrat in schema de mai jos. Valoarea rezistentei Rz si tensiunea stabilizata stabilesc curentul constant Ict, conform formulei de mai sus.

Tensiunea pe rezistenta de sarcina este : URS = Rs * Ict