Elektron III 2010

Javna ustanovaMjeovita srednja elektrotehnika kola TuzlaJasmina Omerdi, Sejfudin AgiELEKTRONIKA III

za struna zvanjaTEHNIAR RAUNARSTVA,ELEKTRONIKE I MEHATRONIKE-skripta-Tuzla, septembar/rujan 2010.

SADRAJ UVOD2. 1. OPERACIONI POJAAVAI 4. 1.1. IDEALNI OPERACIONI POJAAVA 5. 1.2. KONSTRUKCIJA OPERACIONOG POJAAVAA 6. 1.2.1. Strujno ogledalo 7. 1.2.2. Diferencijalni pojaava 8. 1.3. OPERACIONO POJAALO A 741 9. 1.4. OSNOVNI SKLOPOVI SA OPAMP 11. 1.4.1. Invertujui pojaava 11. 1.4.2. Neinvertujui pojaava 11. 1.4.3. (Diferencijalni) pojaava sa simetrinim ulazom 12. 1.5. ANALOGNE OPERACIJE SA OPERACIONIM POJAAVAEM 12. 1.5.1. Invertor 13. 1.5.2. Mnoa sa realnom konstanom 13. 1.5.3. Sabira 13. 1.5.4. Pomjera faze 14. 1.5.5. Integrator 14. 1.5.6. Diferencijator 15. 1.5.7. Naponski ponavlja (slijedilo) 15. 1.5.8. Logaritamsko pojaalo 15. 1.5.9. Antilogaritamsko pojaalo 16. 1.5.10. Sklop za mnoenje 16. 1.5.11. Sklop za dijeljenje 16. 1.5.12. Sklop za stepenovanje i korjenovanje 17. 1.6. PRIMJERI KOLA SA OPERACIONIM POJAAVAIMA 17. 1.6.1. Senzor svjetla 17. 1.6.2. Automatsko ukljuivanje ventilatora u automobile 18. 1.6.3.Monitor stanja baterije od 12V 18. 1.7. LABORATORIJSKE VJEBE IZ OPERACIONIH POJAAVAA 18. Vjeba I: Diferencijalno pojaalo18. Vjeba II: Invertirajui pojaava 18. Vjeba III: Ispitati uticaj frekvencije na rad integratora? 19. Vjeba IV: Ispitati uticaj kapaciteta kondenzatora na rad diferencijatora? 19. 2. POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI DETEKTORI 21. 2.1. FOTOOTPORNIK 21. 2.2. FOTODIODA 23. 2.2.1. Fotodioda kao fotogenerator 23. 2.2.2. Fotodioda kao detektor svjetlosti 23. 2.3. FOTOTRANZISTOR 25. 2.4. FOTOTIRISTOR 27. 2.5. SUNANE ELIJE 28. Pregled karakteristika fotodetektora 30. 3. POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI IZVORI 32. 3.1. SVJETLEE LED DIODE 32. 3.1.1. 7-segmentni displej 33. 3.1.2. Stupani diplej 34. 3.2. LASERSKA DIODA 35. 3.3. OPTOKAPLERI 37. Osnovne izvedbe optokaplera 39. Posebne izvedbe optokaplera 40. 3.4. LABORATORIJSKE VJEBE IZ OPTOELEKTRONIKE 40. Vjeba I: Osnovne osobine fotoodiode 40. Vjeba II: Ukljuivanje tranzistorske sklopke pomou fotodiode 40. Vjeba III: Fototranzistor kao sklopka 41. Vjeba IV: LED diode 41. Vjeba V: Osobine LED diode 41. Vjeba VI: Indikacija stanja tranzistorske sklopke svjetleom diodom 41. Vjeba VII: Optokapleri 41. 4. POVRATNA SPREGA KOD POJAAVAA 44. 4.1. PRINCIP POVRATNE SPREGE 44. 4.2. UTICAJ NA STABILNOST POJAANJA 46. 4.3. UTICAJ NA GRANINE FREKVENCIJE I IRINU PROPUSNOG OPSEGA 46. 4.4. UTICAJ NA IZOBLIENJAI SMETNJE 47. 4.5 LOKALNA I TOTALNA POVRATNA SPREGA 48. 5. OSCILATORI PROSTOPERIODINIH OSCILACIJA 51. 5.1. RC OSCILATORI 51. 5.2. OSCILATOR SA VINOVIM (WIEN) MOSTOM 52. 5.3.LC OSCILATOR SA INDUKOVANOM POVRATNOM SPREGOM 52. 5.3.1.LC oscilator sa fetom 52. 5.3.2.LC oscilator sa tranzistorom 52. 5.4. LC OSCILATORI U TRI TAKE 53. 5.4.1. Hartlijev oscilator 54. 5.4.2. Kolpicov oscilator 54. 5.5. STABILNOST FREKVENCIJE OSCILATORA 55. 5.5.1. Klapov oscilator 55. 5.6. PIEZOELEKTRINI EFEKAT 56. 5.6.1. Stabilizacija frekvencije pomou kristala kvarca 57. 5.7. GENERATORI NESINUSOIDALNIH TALASNIH OBLIKA 58. 5.7.1 Generatori impulsnih i kvadratnih talasnih oblika 58. 5.7.2 Kvadratni talasi iz sinusnih talasa i otkrivanje prijelaza kroz nulu 59. 5.7.3. Relaksacioni oscillator 60. 5.7.4. Generator trokutnog talasnog oblika 60. 5.8. LABORATORIJSKE VJEBE IZ OSCILATORA 62. Vjeba I: RC oscilator 62. Vjeba II: Hartlijev oscilator 62. Vjeba III: Kolpicov oscilator 62. 6. TIRISTORI64. 6.1. OSOBINE I PODJELA 64. 6.2 JEDNOSMJERNI DIODNI TIRISTOR 64. 6.3 JEDNOSMJERNI TRIODNI TIRISTOR 65. 6.3.1. Isklopivi tiristor - GTO tiristor 66. 6.3.2. Regulacija struje jednosmjernim triodnim tiristorom 66. 6.4 DIJAK - DVOSMJERNI DIODNI TIRISTOR 67. 6.5. TRIAC - DVOSMJERNI TRIODNI TIRISTOR 68. 6.5.1. Regulacija struje trijakom 68. 6.6. UKLJUENJE I ISKLJUENJE TIRISTORA 69. 6.6.1. Sklopovi za ukljuenje tiristora 69. 6.6.2. Iskljuenje tiristora 69. 6.6.3. Sklopovi za iskljuenje 69. 6.7. PRIMJENA TIRISTORA70. 6.7.1. Sklop za ukljuenje tiristora s UJT 70. 6.8. LABORATORIJSKE VJEBE IZ TIRISTORA70. 7. JEDNOSPOJNI TRANZISTOR 72. 8. LITERATURA74. UVODELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole2UVOD Prvobitnoznaenjerijeielektronikaodnosilosena oblastfizikeukojojsuseprouavalefizikepojaveu vezi sa kretanjem elektrona, i to prvenstveno u vezi sa kretanjemelektronauvakuumuigasovima,akasnije sa kretanjem elektrona i u metalima. Zavrijemedrugogsvjetskograta,elektronikomje poeladasenazivaioblastprimjeneelektronskih cijevi, elektronskih kola. Danaselektronikaprouavapojaveiuelementima elektronskihkolaiusamimelektronskimkolima. PoetakdatiraodpolovineXIXvijekasaprvim prouavanjima poluprovodnika.Slika 1.1 Vanjski izgled poluprovodnike diode Slika 1.2 Dioda Fiber Opto SPR SFH 350 PoetkomXXvijekapronaenajeelektronskacijev trioda,kaoprviaktivnielement,tj.elementkojije mogao pojaati signal. Polovinom XIX vijeka se pojavio takastitranzistoriotpoelamasovnaproizvodnjai upotreba tranzistora u elektronskim kolima. Slika 1.3. Bipolarnih tranzistor BC 160/16 (PNP 40V 1A) Na alost, a zahvaljujui zahtjevima armije i vasionskih istraivanja,elektronikasenaglorazvijalaprema kritetijumima:tomanjedimanzije,tomanjateinai to je mogue pouzdaniji rad elektronskih sistema. Slika 1.4 Bipolarni tranzistor za vee snage Proizvodnja planarnih tranzistora, pri kojoj se na jednoj ploicisilicijumaistovremenopravivelikibroj tranzistora,ukazalajenamogunostizradeitavogkolanajednojsilicijumskojploicijersusepored tranzistroramoglirealiziratiidiode,kondenzatorii otpornici.Slika 1.5 FET BS 208 (200V 0,2 A) TO-92 Slika 1.6. MOSFET BSS 89 (200V 0,3A) TO-92 Danasseelektronikaprimjenjujenesamousvim tehnikimdisciplinama,vejeuivotususreemona svakom koraku. Razvijajui se sama i nalazei primjenu unauciitehnici,elektronikajedoprinijelarazvoju nauke i tehnike uopte.Slika 1.7 IC Eprom 27 C 256 DIP 28 Potonijenapisanprihvatljivudbenikzapredmet ElektronikazaIIIrazredovaskriptapredstavlja doprinosautoradaprevaziutajproblemiomoguiuenicimaisvimzainteresiranimlakepraenjei savlaivanje nastave iz ovog predmeta. SkriptajenapisanapremamodularnomNastavnom planupredmetaElektronikaza3.razredpoGTZ modelu,zastrunazvanjatehniarraunarstva, elektronikeimehatronikeiodlukomNastavnikogvijeaElektrotehnikekoleuTuzlidozvoljenaza internu upotrebu. OPERACIONIPOJAAVAIInvertirajui pojaava sa operacionim pojaalom 1poglavljeOPERACIONI POJAAVAI ELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole41. OPERACIONI POJAAVAIOperacionipojaavaisujednavrstadirektno spregnutihpojaavaa.Prematomeonipojaavajujednosmjerne signalne i naizmjenine do svoje graninefrekvencije.Ovakavpojaavaimasimetrianulaz,a nesimetrian izlaz. Operacioni pojaava je prvobitno koriten u analognim raunskimmainamazavrenjeanalognihoperacija, kaotosu:sabiranje,mnoenje,diferenciranje, integrisanjeitd.Potomejedobionaziv:OPERACIONI POJAAVA.Danasseoperacionipojaavaizraujeuintegrisanoj tehnici. Dimenzijesamesilicijumskeploicenisuveeod dimenzija ploice prvih tranzistora. Ploica je montirana uistokuitekaoitranzistor(npr.TO5).Cijena operacionogpojaavaajejedvanetoveaodcijene tranzistora.Buduidajemontiranujednokuite,moemogatretiratikaoposebanelemenatsa odreenimkarakteristikama.Ovdjeemodefinisatii objasnitikarakteristikeoperacionogpojaavaaidati izvjesnaosnovnakolaukojimaseprimjenjuje.Osim primjenezamatematikuoperacijuuanalognim raunskimmainama,poslijeusavravanja,naaoje primjenuiumnogimdrugimoblastima,takodaje danasjedanveomaestoupotrebljavaninezamjenljiv elemenatuelektronici.Izvedenuintegrisanojtehnici, malihjedimenzija,jeftin,pouzdanitemperaturno stabilan pojaava.Operacionipojaava(OperationalAmplifier,OPAMP) jeintegralnoelektronskokoloirokeprimjene,ijufunkcijudefiniespoljanjapovratnasprega.Naziv potieizvrijemenaanalognihraunara,gdjeje oznaavao kolo koje je vrilo neku raunsku operaciju.Udananjevrijemeoperacionipojaavaisaveoma visokim pojaanjem koriste spoljanje komponente koje u kolu povratne sprege definiu odziv, a time i funkciju celogkola.Zaoperacionipojaavabezkolapovratne spregekaesedaradiuotvorenojpetlji(open-loop). Ovajterminobinosevezujezaidealnioperacioni pojaavasabeskonanimpojaanjem,ulaznom impedansomipropusnimfrekventnimopsegom,i nultomizlaznomimpedansom.Upraksinijedan operacionipojaavanemaovakveidealne karakteristike,takodaseuproraunukolasa operacionimpojaavaimamorauzetiuobzirinjihovo manje ili vee odstupanje od idealnih karakteristika.Termin "operacioni pojaava" prvi put se pojavio 1943 uraduJohnaR.Ragazzinnija"AnalysisofProblemsin Dynamics",gdjejeopisanpraktianradGeorgeaA. Philbricka.Naslici1.1vidiseprvioperacionipojaavasa elektronskim cjevima nazvan K2-W, koji je konstruisala firmaGeorgeA.PhilbrickResearch.Ovajmodelje nastao1952,vieoddecenijepreprvetranzistorske verzije.Prvimonolitnioperacionipojaava,kojije razvioBobWidlar,podimenomA702(proizvoaFairchildSemiconductor),ponuenjetritu1963. Sastojaoseoddevettranzistoraikotaojeoko300 amerikih dolara, to je ograniilo njegovu primjenu na vojne primjene i na avijaciju. Slika 1.1 Operacioni pojaava sa elektronskim cijevimaBob Widlar je 1965, razvio pojaavaA709, takoe za FairchildSemiconductor.Ovajpojaavajeimaoveepojaanje,veipropusniopsegimanjeulaznestruje. Veliki obim proizvodnje smanjio je trokove, tako da je cijena ovog pojaavaa brzo pala sa poetnih 70 na 10, pa zatim i na 2 amerika dolara, to je doprinelo irokoj primeniidaljemrazvojunovihtipovaoperacionih pojaavaa,sarazliitimkarakteristikama,sa bipolarnim,FET,MOSFETtranzistorima,razliitim konfiguracijama, itd. Slika 1.2. Opti oblik i simbol operacionog pojaavaa sa detaljnom elektrina ema sa prikljucima OPERACIONI POJAAVAI ELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole5Operacionipojaavaipokrivajuopsegnapona napajanja od 0.9V do preko 1000V. Koriste se u raznim elektronskimkolima,kaolinijskidrajveri,komparatori (jednobitniA/Dkonvertori),zapomjeranjenaponskog nivoa,kaopojaavai,oscilatori,filteri,kondicioneri signala,drajverimotoraidrugihaktuatora,strujnii naponski izvori i u mnogim drugim aplikacijama. Naslici1.2datjegrafikisimboloperacionog pojaavaa.Lijevaslikajesimbolkojiseupotrebljava kadnamjebitnodasesamoistaknepojaavako osobina operacionog pojaavaa.SlovoAtrebadanaspodsjetidajetopojaava,meutim i ovo slovo se esto izostavlja.Znak + (plus) na ulazu 1oznaava da se izlazni napon U0 neinvertuje(ne obre) uodnosuna fazu ulaznog signala U1. Taj ulaz se naziva neinvertirajui ulaz.Znak (minus)naulazu2,oznaavadajeizlazni naponU0faznopomjerenuodnosunaulazninaponU2, oznaava da je izlazni napon U0 fazno pomjeren u odnosunaulazninaponU2za180,odnosnodaje fazaizlaznognaponainvertovana(obrnuta)uodnosu na ulazni napon U2. Taj ulaz se naziva invertujuiulaz. Kadtrebadaseprikaukolopolarizacije(napajanje UCC), kolo frekventne kompenzacije (FK) i drugo, crtaju se prikljuci kao to je prikazano na slici 1.1b. Potoseovovrikodcrtanjakompletneemeureaja ukomesuprimjenjenioperacionipojaavai,eventualnoinekadrugaintegrisanakola,to,dabise razlikovali pojaavai jedni od drugih, esto se umjesto oznakeAstavljaoznakakonkretnogoperacionog pojaavaa,kaotojeovdjestavljenaoznaka pojaavaaA741.Slika 1.3. Najprostiji operacioni pojaavaNaslici1.3datjenajprostijioperacionipojaava.Nainjenjesamosajednimdiferencijalnim pojaavaem. Ima simetrian ulaz, a nesimetrian izlaz. Oiglednojeda,poredprikljukazaulaziizlaz,mora postojatiiprikljuakzanapajanjekolektoraUCCi emitora UEE.1.1.IDEALNI OPERACIONI POJAAVADananjioperacionipojaavaiimajuveomadobre radnekarakteristike.Prilikomanalizeelektronskihkola saoperacionimpojaavaima esto emonjegove karakteristike idealizovati, kako je prilazano na slici 1.4, kako bismo uprostili analizu. Slika 1.4. Idealni operacioni pojaavaIdealan operacioni pojaava ima:1. Beskonanovelikodiferencijalno(AUd=)pojaanje, koje ne zavisi od amplitude izlaznognapona, 2. Pojaanjesrednjevrijednostijednakonuli (AUc=0), odnosno, 3. Faktorpotiskivanjasrednjevrijednostisignala beskonano velik (Fp=),4. Ulazni otpor beskonano velik (R=), 5. Izlazni otpor jednak nuli (R0=0) i6. Beskonano irok propusni opseg (B=). Operacionipojaavaobinoradisapovratnom spregom,paepojaanjepojaavaazavisitiod koeficijentapovratnesprege,akojesamopojaanje dovoljno veliko uvijek je A>>1, to je jedan od uslova zanegativnupovratnuspregu(drugijeprotufaznost signala).Akopredpostavimodaizlaznisignalneebitisuvie velik,nelinearnostprenosnekarakteristikenetreba uzimati u obzir. Prematomeprvapretpostavkajeopravdana.Naslici 1.5prikazanajeidealizovanairealnaprenosna karakteristikaoperacionogpojaavaa.IdealIzovana treba da se poklapa sa ordinatom, jer smo predpostavili da je pojaanje beskonano veliko, dok je karakteristika realnog pojaavaa nagnuta, a napon ogranien.Pojaanje srednje vrijednosti moemo zanemariti, jer je ono mnogo manje od diferencijalnog pojaanja. Ulazni otpor se moe smatrati beskonano velikim, zato tojemnogoveiodspoljanjeg,sanjimvezanim serijskimotporom,aizlazniotporjednaknuli,akoje mnogo manji od otpora optereenja.Beskonanovelikiopsegmoesepretpostaviti,akoje radnafrekvencijamnogomanjaodgranine frekvencije. Termin "operacija" odnosi se na matematiku operaciju, kaotojesabiranje,integracijaitd.Idealnioperacioni OPERACIONI POJAAVAI ELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole6pojaavapredstavljakolokojeseuteorijinaziva "nulor"ikojesesastojioddvaelementanulatorainoratora.Ulaznistepenoperacionogpojaavaaje nulator(nemaninaponanistruje),aizlaznidioje norator (bilo koji napon i struja). Ove dvije komponente dajuzamiljenomoperacionompojaavauidealne karakteristike. Slika 1.5. Idealna i realna prenosna karakteristika operacionog pojaavaa1.2. KONSTRUKCIJA OPERACIONOG POJAAVAA

Dabioperacionipojaavaimaokarakteristikeblizu idealnih, treba obezbjediti: - da ulazna struja bude minimalna - daumismijetnjeusljedzajednikog (common-mode)naponabuduminimalni(to sepostieprimjenomdiferencijalnogulaznog stepena) - pojaanjetrebadabudedovoljnoveliko(to sepostieprimjenompojaavaasa zajednikimemiteromuzaktivnooptereenje (strujno ogledalo) - obezbediti dovoljno struje na izlazu kako ne bi bio"oboren"kadseprikljuipotroa(tose postieprimjenomizlaznogpojaavaakoji obezbjeujedovoljnuizlaznustrujuimalu izlaznu otpornost Imajuinavedenouvidu,moemodasmatramodaje jakouproenaemaoperacionogpojaavaadatana slici 1.6. OPERACIONI POJAAVAI ELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole7Slika 1.6. Uprotena ema operacionog pojaava1.2.1. Strujno ogledalo U operacionim pojaavaima strujna ogledala koriste se kaostrujniizvoriikaoaktivnaoptereenja.Osnovna primjenajeustrujnimizvorima.Uidealnomsluaju,struja je nezavisna od optereenja.U prostom strujnom izvoru oigledno je: Za fiksno R ova struja se ne mijenja. Kada bismo mogli da"kopiramo"ovustrujuunekudrugugranukolau kojoj elimo da definiemo struju, tada bismo mogli da kaemodasmonapravilistrujniizvorutoj,drugoj, grani kola sa vrijednou IREF.Toemouradititakodakoristimopodatakdaje kolektorskastrujabipolarnogtranzistorazavisnasamo od napona VBE.Slika 1.7. Princip napajanja iz strujnog izvora Slika 1.8. Princip napajanja iz strujnog ogledalaAko je uzemljen strujno ozvor koriste se NPN tranzistori,a za uzemljeni potroa koriste se PNP tranzistori. Slika 1.9. Primjena NPN i PNP tranzistora u strujnom ogledalu Uidealnomsluaju,nezavisnoodrazliitihvrijednosti otpornostiukolektorskomkolu,strujabitrebaloda bude nepromjenjena. Potosenaponkolektor-emiterdrugogtranzistora,a naponkolektor-emiterprvogtranzistorajefiksiranna 0.7V,kolektorskastrujadrugogtranzistorasemijenja sa otpornou potroaa. Nameeseprostorjeenje:ukolikoobezbedimodase naponikolektor-emiternemijenjajusavrijednoupotroaa,neesemijenjatinikolektorskestruje.Pri tom naponi kolektor-emiter ne moraju da budu jednaki, dovoljnojedasenemijenjajusapromjenom potroaa.Jednorjeenjekojeobezbeujedase kolektorskinaponnemijenjasapromjenompotroaadatojenaslicidesno.Ovajstrujniizvorzovese OPERACIONI POJAAVAI ELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole8Wilsonovostrujnoogledalo.Zauzemljenepotroaekoriste se PNP tranzistori.Slika 1.10. Varijante Wilsonovog strujnog ogledala Ako elimo da napravimo strujni izvor ija e struja biti mnogomanjaodreferentneIREF,naponVBE2trebada budemanjiodVBE1.Potojezavisnostkolektorske strujeodnaponabaza-emitereksponencijalna,male razlikeunaponubaza-emiterprouzrokovaevelike razlikekolektorskihstruja.Sljedeekolozovese Widlarovostrujnoogledaloikoristisekaoizvormalih struja. Slika 1.11. Widlarovo strujno ogledalo 1.2.2. Diferencijalni pojaavaDiferencijalnipojaavapojaavarazlikudvanapona, slika 1.12. izlaz = A(ulaz1 - ulaz2) Slika 1.12. Diferencijalni pojaavaUidealnomsluajudiferencijalnipojaavapojaavasamorazlikudvanapona,bezobzirananjihovu apsolutnu vrijednost.Diferencijalnipojaavapojaavarazlikudvanapona. PrimjenomKirhofovihzakonazanaponsnkukonturu (slika 1.13) koja ukljuuje baze tranzistora dobijamo: Slika 1.13. Elektronska ema diferencijalnog pojaavaaKirhofov zakon za vor spoja emitera dva tranzistora Grafikiprikazgornjihjednainadajeuviduprenosnu karakteristikuovakvogdiferencijalnogpojaavaa. Posmatrajmovi,dmkaoulazivo,dmkaoizlaz. Diferencijalni pojaava koji je prikazan na slici moe sa dobromaproksimacijomdasesmatradobrim pojaavaem razlike dva signala ukoliko je: OPERACIONI POJAAVAI ELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole9 Slika 1.14. Grafiki prikaz rada diferencijalnog pojaavaaUlaznisignalnesmijedabudeveliki,dabiovokolo radilo kao diferencijalni pojaava.Potojezanultiulazninaponizlazninapontakoejednaknuli,prikazanakonfiguracijapojaavaaomoguavapovezivanjevieovakvihkolaukaskadu bez unoenja jednosmjernog ofset napona u kolo. Da bi sepoboljalalinearnostipoveaoopsegulaznog napona,dodajeseotpornikukoloemiteraoba tranzistora.Cijenakojaseplaajeznatnosmanjeno pojaanje ovakvog kola. Slika 1.15. Poveanje opsega ulaznog napona sa RE1.3. OPERACIONO POJAALO A 741 Proizvoaielektronskihkomponenataproizvodevrlo velikibrojrazliitihizvedbioperacionihpojaavaa.Ovdjeemoprikazatiosnovneosobineonogkojinosi oznaku A 741. Elektronskaemanaslici1.19pokazujedase pojaava A 741 sastoji od:- 22tranzistora,11otpornika,jednog kondenzatora i jedne diode. Slika 1.16. Simbol i JG kuite (pogled odozgo) A 741 Slika 1.17. Fizike dimenzije A 741 (JG ceramic dual-in-line), dimenzije su u inima (milimetrima)OPERACIONI POJAAVAI ELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole10Slika 1.18. U, J i FK kuita A 741 Slika 1.19. Elektrina ema A 741Tabela 1.1. Elektrine karakteristike A 741 (UCC=15V, T=25C)OPERACIONI POJAAVAI ELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole111.4. OSNOVNI SKLOPOVI SA OPAMP 1.4.1. Invertujui pojaavaInvertujuioperacionipojaavajepojaavasa povratnomspregomkodkogaseulaznisignaldovodi nainvertujuiulaz.Ovojeosnovnopojaavakokolo operacionogpojaavaa.Kodnjegajeizvedena naponsko paralelna povratna sprega, kako je prikazano na slici 1.20. Kako se u analognom raunaru operacioni pojaavai vezuju kaskadno, izlazni otpor pojaavaa je jednaknuli,tedabisemogloostvaritiparalelno dovoenjevraenogsignala,morasestavitiotporR1,jer inae povratne sprege ne bi bilo. Slika 1.20. ema i ekvivalentna ema operacionog pojaavaau spoju sa invertovanim ulazom Usljed beskonano velikog pojaanja A0o, pri konanom izlaznomnaponuU0oulaznidiferencijalninaponUdje jednak nuli, jer je: 0UoAoUoUd == =1.1UsljedbeskonanovelikogulaznogotporaRioperacionogpojaavaa,aizbogtogatojeulazni diferencijalninaponjednaknuli,iulaznastrujaIdjednakajenuli.Prematomeposmatranosaulazne strane,pojaavaseponaakaodamujeulazkratko spojen.Zatokaemodajetaka2"virtualnanula". Virtualna nula zbog toga, to je struja kroz nju jednaka nuli, a ne jednaka struji kratkog spoja.Posmatrajmosadekvivalentnaemapojaavaa.Kako je Ud=0, lako moemo da izraunamo ulaznu struju: IRiUiIi = =Ova struja, budui da je Id = 0, sva protie i kroz otpor R2,prekokogsevripovratnasprega,tejeizlazna struja: I Io = , a izlazni napon: ii2 o 2 oRUR I R U ==Prematomepojaanjeoperacionogpojaavaau ovakvoj konfiguraciji je: 12RRA =Ulazniotpor,usljedprisustvavirtualnenulejednakje otporuR1.1.4.2. Neinvertujui pojaavaTAnalTranzistorskompojaavausauzemljenimkolektorom, moesenainitiodgovarajuakonfiguracijasa operacionimpojaavaem.Naizlazuimamopojaannapon,alijeostaoufazisaulaznimnaponom.Ulazni naponsedovodinaneinvertujuiulaz,apovratna sprega na invertujui. Ako bi se povratna sprega izvela na invertujui ulaz, ona bi bila pozitivna.emaikonfiguracijaneinvertujuegoperacionog pojaavaa je data na slici 1.21. Buduidajediferencijalninaponnaulazusamog pojaavaa jednak nuli, cio pad ulaznog napona bie na otporu R1, te je i kod ovog pojaavaaiiRUI =.PotojestrujakrozotporR2jednakastrujikrozotpor R1, to je izlazni napon: ( )2 1 oR R I U + = ,te je pojaanje pojaavaa:( )1212 1ioRR1R IR R IUUA + =

+= = Slika 1.21. Operacioni pojaava sa neinvertujuim ulazom i povratnom spregom preko invertujueg ulazaOPERACIONI POJAAVAI ELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole12Daklesaistimelementima,akosesignaldovodina neinvertujuiulazpojaanje ebitiveezajedinicu,a faza izlaznog signala bie jednaka fazi ulaznog signala. Kadatrebaupotrebljavatidvanaponailikadatreba pojaatinaponskurazlikuizmeudvijetakeunekom kolu,odkojihjednanijeuzemljena,koristise operacioni pojaava sa simetrinim ulazom. 1.4.3. (Diferencijalni) pojaava sa simetrinim ulazom Uovusvrhusemoekoristitineposrednooperacioni pojaava u spoju sa slike 1.2.Ulazniotporpojaavaamorabitisimetrianiza neinvertirajui i za invertujui ulaz.Naslici1.22prikazanajeemaovakvogpojaavaakoji se naziva i diferencijalni pojaava.Ovajspojsekoristikadatrebapojaavatirazlikudva napona.Tadajepojaanjeoperacionogpojaalavrlo velikoirelativnonestabilno,pasemorauvesti negativna povratna sprega radi stabilizacije pojaanja. Ulazniotporpojaavaajeistizainvertirajuii neinvertirajui ulaz. Uzuslovdaje0 I I2 d 1 d= = , 0 Ud = idaje' R R1 1= i ' R R2 2= nai emopojaanjeuzevidaseulazni signal dovodi prvo na prvi , a zatim na drugi ulaz.Neka je Uu2=0, tada je izlazni napon:22 11 u121 iRR RURR1 U+||.|

\|+ = .Prvi lan na desnoj strani je pojaanje neinvertirajueg pojaala,adrugislabljenjedovedenogsignala. Sreivanjemprethodnogizrazazaizlazninaponse dobije: 1 u121 iURRU = .Dovedimosada napon nainvertirajuiulaz,a da je pri tomenaponnaneinvertirajuemulazujednaknuli. Tada je izlazni napon: 2 u122 iURRU = .Akoistovremenodovedemonaponenaobaulaza,na izlazue se pojaviti zbir napona: ( )2 u 1 u122 i 1 i iU URRU U U = + = .Pojaanje ovakvog diferencijalnog pojaala je: 122 u 1 uiRRU UUA == .Slika 1.22. Operacioni pojaava sa simetrinim ulazom diferencijalni pojaava1.5. ANALOGNE OPERACIJE SA OPERACIONIM POJAAVAEMUanalognimraunarimaseanalognematematike operacijeostvarujupomouoperacionogpojaavaa.Osnovnakonfiguracijakolasaoperacionim pojaavaem dat je na slici 1.23. Ova ema je ista kao onanaslici1.20,samosuotporiR1iR2zamjenjeni impedansama Z1 i Z2.Prematome,osnovnakonfiguracijaoperacionog pojaavaa je pojaava sa invertujuim ulazom.Njegovo pojaanje iznosi: 12ZZA = .Veinamatematikihoperacijaseostvarujepogodnim izborom ovih impedansi. Slika 1.23. Opta ema operacionog pojaavaaZboguniverzalnostiupotrebeoperacionopojaaloje najvanijilinearniintegrisanisklop.Osimosnovnih spojevapostojijoitavnizprimjena.Prinarednom razmatranju je uvedena pretpostavka daje operaciono pojaalo po osobinama slino idealnom. OPERACIONI POJAAVAI ELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole131.5.1. Invertor Za promjenu znaka neke matematike veliine potrebno jedataveliinapoapsolutnojvrijednostiostaneista, alidajojsepromjenisamoznak.Ako jebilapozitivna da postane negativna, ako je bila negativna da postane pozitivna.Prematome,pojaanjeoperacionog pojaavaa treba da je jednako jedinici, ali da je izlazni napon suprotnog znaka od ulaznog.Ovomoemoostvaritisainvertujuimpojaavaemsa slike1.20,odnosno,akouosnovnomkoludatomna slici1.23umjestoimpedansiZ1iZ2stavimootpore R1=R2=R, kao na slici 1.24. Slika 1.24. Mjenja znaka ili invertor Pojaanje pojaavaa sa slici 1.24 je:1RRZZA1212 = = = ,pa je izlazni napon:i i oU AU U = =Dakle, isti po amplitudi, ali suprotnog znaka dva ovakva kaskadnovezanaoperacionapojaavaapropustienepromjenjen signal. 1.5.2. Mnoa sa realnom konstanom UkolikojeZ1=R1,aZ2=R2premaslici1.23,pojaanjee biti: kRRA12 = = ,pa je izlazni napon:i okU U =Ukoliko je: k>1,izlazninaponjeveiodulaznog,azak> , tada je: ||.|

\| ~0 DuT iRIuln U u ,pa je izlazni napon proporcionalan prirodnom logaritmu ulaznog napona. 1.5.9. Antilogaritamsko pojaalo Kodantilogaritamskogpojaalaosnovnielementkoji omoguavanjegovradjeelementsaPNspojem. Obrnutoodlogaritamskogpojaala,ukojemjestruja krozelementodreivalaizlazninapon,ovdjeulazni napontrebadaodreujeizlaznustruju.Raditogaje potrebnodadiodaiotpornikzamijenemjesta,kaoto je prikazano na slici 1.32. Struja kroz diodu je odreena relacijom: TuUu0 De I i = ,pa je izlazni napon odreen relacijom: TuUu0 D ie RI Ri u = = .Slika 1.32. Sklop za antilogaritmiranje Kaotosevidiizposljednjegizraza,izlazninaponje eksponencijalnafunkcijaulaznognapona,temoe posluitiiuspojuantilogaritamskog,iuspojueksponencijalnog pojaala. Nedostatakovogsklopajezavisnostizlaznognapona od struje zasienja ID0, koja je eksponencijalna funkcija temperature.1.5.10. Sklop za mnoenje Meusobnomnoenjeviepromjenljivihveliinasemoeostvaritipomou:logaritamskogpojaala,sklopaza sabiranje i antilogaritamskog pojaala, kao to je prikazano na slici 1.33. Slika 1.33. Sklop za mnoenje Pretpostavimodajepotrebnopomnoitidvije promjenljive x i y. Akoovedvijepromjenljivedovedemonaulazedva logaritamska pojaala, na njihovim izlazima emo imati ln(x)i ln(y).Ovedvijeveliinetrebasabrati,toseiiniudrugom stepenu,kojiinisabira.Naizlazuizsabiraaimamo signaljednaksumilogaritamasignalaxiy,tj. ln(x)+ln(y).Kadaovuveliinuprivedemo antilogaritamskompojaalu,nanjegovomizlazuese pojavitiantilogaritamteveliineodnosnoproizvod. y x z=1.5.11. Sklop za dijeljenje Sklop koji realizuje operaciju dijeljenja mogue je dobiti nasliannainkaoizaoperacijumnoenja.Jedinoje logaritmudjeliteljapotrebnopromijenitiznak.Tose postiepomouinvertora.Prematome,iza logaritamskogpojaaladjeliteljatrebaubacitiinvertor, OPERACIONI POJAAVAI ELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole17koji e logaritmu djelitelja promijeniti znak, kao na slici 1.34. Slika 1.34. Sklop za dijeljenje Tada ese naizlazuizsabiraadobitirazlikalogaritamadijeljenikaidjeltelja ln(x)-ln(y),takodae senaizlazu antilogaritamskog pojaala dobitiy / x z =. 1.5.12. Sklop za stepenovanje i korjenovanje Slika 1.35. Skop za stepenovanja i korjenovanje Stepenovanjenekepromjenljivexcijelimbrojema,moeseostvarititakodasekratkospojionolikoulaza mnoaa koliki je stepen a, pa se na taj zajedniki ulaz dovedepromjenljivax.Naizlazumnoaa ebiti z xa=.Meutim, ukoliko a nije cio broj, ili je manji od jedinice (korjenovanje),pomouovakvogsklopanijemogueizvritistepenovanje.Tadaseuvodisklopdatnaslici 1.35.Pomoulogaritamskogpojaaladobijeselogaritam veliine x.Ovajlogaritamsepomnoisaizloiocemapomoumnoaakonstantom,pasenaizlazuiz mnoaa dobije veliina ) x ln( a.Pomouantilogaritamskogpojaalakonanosedobije veliinaax z = .Ukolikojeveliina12RRa = veaodjediniceimamo stepenovanje,aukolikojemanjaodjediniceimamo korjenovanje.1.6. PRIMJERI KOLA SA OPERACIONIM POJAAVAIMA 1.6.1. Senzor svjetla Slika 1.36. Senzor svjetlaKadsvjetlostnepada nasenzor,relejezatvoren.Kad svjetlostpadnenasvjetlosnozavisanotpornik,relese otvara.Dabisefunkcijakolapromjenila,treba zamijenitiR1isvjetlosnozavisanotpornik(LDR).Ovo koloseprimjenjujeumranimkomorama,za automatskozakljuavanjevrata,paljenjesvjetlau dvoritu itd. OPERACIONI POJAAVAI ELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole181.6.2. Automatsko ukljuivanje ventilatora u automobilu Slika 1.37. Ukljuivanje ventilatora u automobilu KoritenjemNTCotpornika(NegativeTemperature Coefficient)zaukljuivanjeventilatoranajednoji iskljuivanje na drugoj temperaturi 1.6.2. Monitor stanja baterije od 12V Slika 1.38. Provjera baterije od 12 V Trimer 100K kontrolie postavnu taku ovog kola na gornji nivo (npr. 12.5V ili slino). Da se posmatra nizak nivo napona, i da se LED upali kad se baterija isprazni ispododreenognivoa,trebaspojitiLEDpreko otpornika od 330na masu.1.7. LABORATORIJSKE VJEBEIZ OPERACIONIH POJAAVAAVjeba I: Diferencijalno pojaalo Naulazepojaavaasaslike1.39spojitisinusoidalni izmjenini napon amplitude 1 mV, frekvencije 1 kHz.Osciloskopom snimiti, izmjeriti i nacrtati: a) dobivene vrijednosti napona ulaza Uul1 prema naponu na izlazu Uiz1,b) dobivene vrijednosti napona ulaza Uul1 prema naponu na izlazu Uiz2,c) dobivene vrijednosti napona na izlazu Uiz1,prema izlazu Uiz2(diferencijalni izlaz)?Za svako mjerenje: 1. Snimiti emu spoja i karakteristike sa osciloskopa u izvjetaj, 2. Izraunati odgovarajue pojaanje u dB, 3. Napisati kratki komentar.(Tr1=Tr2=Tr3=BC237, RC=2,2k, RE=1,5k, RB=10k,Psim=1k/50% (potenciometar za simetriranje),UCC=UEE=12V) Slika 1.39. Diferencijalno pojaalo Vjeba II: Invertirajui pojaavaZa invertirajui pojaava sa slike 1.40 realiziran sa A 741 izraunati: Slika 1.40. Invertirajui pojaava sa A 741(R1=10k, R2=100k)a) Pojaanje ako je R1=10k, R2=100k(U=15V, Uul=10mV, f=1kHz). Izvriti simulaciju EWB ili Multisim softverom i prikazati rezultate? b) Pojaanje ako je R1=10k, R2=1M (U=15V, Uul=10mV, f=1kHz). Izvriti simulaciju EWB ili Multisim softverom i prikazati rezultate? c) Za pojaava sa R1=10k, R2=100k (U=15V, Uul=10mV, f=1kHz) izmjeriti napone i izraunati pojaanje)UUlog( 20 Auliz=u dB na slijedeim frekvencijama: f(kHz) 14810204080100200 A(dB) OPERACIONI POJAAVAI ELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole19Naosnovuizmjerenihvrijednostinacrtatifrekventnu karakteristikupojaavaa(x-osafrekvencija(kHz),y-osapojaanjeA(dB)).ObaveznokoristitiMicrosoft Excel. Odrediti donju i gornju graninu frekvenciju pojaavaa(mjestonafrekventnojkarakteristicigdjepojaanje poinjepadatizavieod3dB)inapisatikojesuto vrijednosti.Vjeba III: Ispitati uticaj frekvencije na rad integratora? Slika 1.41. Elektronska ema integratoraSpojiti emu prema slici 3. na ulaz integratora prikljuiti pravougaoninaponamplitude2V,frekvencije1kHzi osciloskopomustanovitiodnoseulaznogiizlaznog napona. Prikazati dobivene vremenske dijagrame. Mijenjajuifrekvencijuulaznogsignala,prema priloenojtabeli,ustanovitikakvepromjenesese deavajuinapisatikratkikomentar.Prikazatisve dobivene vremenske oblike?f (Hz) 100 500 1.0002.00010.000Vjeba IV: Ispitati uticaj kapaciteta kondenzatora na rad diferencijatora? Spojiti emu prema slici 1.42. Na ulaz diferencijatora priljuiti trouglasti napon amplitude 1V, frekvencije 1kHz. Slika 1.42. Elektronska ema diferencijatoraMijenjatikapacitetkondenzatorapremapriloenoj tabeli:C 1 pF100 pF0,33 nF33 nF Prikazati dobivene vremenske oblike sa osciloskopa za svaku vrijednost C. Kako promjena C utie na rad diferencijatora? Napisati kratki komentar. POLUPROVODNIKISVJETLOSNIDETEKTORIPrincip rada suneve elije 2poglavljePOLUPROVODNIKI SVJETLOSNI DETEKTORIELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole212. POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI DETEKTORI Optoelektronikajegranaelektrotehnikekojase,osim elektrinimsignalomuelektrinomobliku,bavi prouavanjemiprimjenomsignalauoptikomobliku svjetlosti i u bliskom infracrvenom zraenju.Optoelekronikekomponentekoristefotoelektrinepojave u poluprovodnicima.Fotoelektrinepojavekojesejavljajuupoluprovodni-cima su:- fotovodljivost,- fotonaponski efekat i- elektroluminiscencija.Fotovodljivostjepojavaelektrinevodljivosti poluprovodnikapodutjecajemsvjetlosti.Djelovanjem svjetlosti poveava se i zaporna struja PN-spoja.FotonaponskiuinakjepojavanaponanaPN-spoju poluprovodnikazbogapsorpcijesvjetlostiilidrugog elektromagnetskogzraenja.Djelovanjemsvjetlosti nastajedifuzijanosilacanaboja,pasePN-spojmoe upotrijebitikaopretvarasvjetlosneenergijeu elektrinu.Elektroluminiscencijajepojavapretvorbeelektrineenergijeusvjetlosnu.ProlaskomstrujekrozPN-spoj nastajeemitiranjesvjetlostipriemusePN-spojmoe upotrijebitikaopretvaraelektrineenergijeu svjetlosnu.Slika 2.1. Spektar elektromagnetnih talasa Optoelektronikekomponentedijelimouslijedeeskupine:- poluprovodnikisvjetlosnidetektorikoji svjetlosnuenergijupretvarajuuelektrinu,a tosu:fotootpomici,fotodiode,fototranzistori, fototiristori i sunane elije;- svjetlosniizvorikojielektrinuenergiju pretvarajuusvjetlosnu,atosu:LEDdiodei poluprovodniki laseri;- optokaplerilioptoelektronikiveznik/sprenik jeelektronikakomponentasastavljenaod LEDdiodekaoizvorasvjetlostiifotodiodeili fototranzistora kao prijemnika svjetlosti.Osnovnimaterijalizaoptoelektonikekomponentesu: silicij, germanij, galijev arsenid, i drugi.Uoptoelektronikimkomponentamakoristisevidljivii infracrvenispektarelektromagetskihtalasa.Ljudsko okozapaasamoelektromagnetskozraenjeu podruju talasnih duina od 380 nm do 760 nm.Slika2.1prikazujespektarelektromagnetskihtalasa zavisno o talasnoj duini i pripadajuim frekvencijama.2.1. FOTOOTPORNIK Fotootpornikjeelektronikakomponentakojojse djelovanjemsvjetlostimijenjaelektriniotpor. Porastom jakosti svjetlosti smanjuje se otpor. Za fotootpornik se esto koristi kratica LDR (engl. light dependentresistors,skraenoLDR,photoresistors, photoconductive cell, njem. Fotowiderstand) element je ijielektriniotporovisioosvjetljenostinjegove povrine. Slika 2.2 prikazuje simbol i izvedbu fotootpornika.Slika 2.2 Izgled i izvedba fotootpornika Osvjetljavanjemfotootpornikastvarajuseparovi nosilacanabojaelektron-upljina,atimesepoveava vodljivost materijala, tj. smanjuje elektrini otpor.Slika 2.3. Kuite fotootpornika Zaizradufotootpornikaprimjenjujusekadmijevsulfid (CdS),kadmijevselenid(CdSe),gerrnanij(Ge),olovni sulfid(PbS),indijevantimonid(InSb)iolovniselenid POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI DETEKTORIELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole22(PbSe).Izraujusetakodasekadmijevsulfid rasporediuvijugavomoblikunakeramikojpodlozi kakobisepostiglaveapovrina(slika2.3).Akoneki ureajtrebadjelovatiuvidljivudijelusvjetlosnoga spektra,upotrijebitesefotootpomiciodkadmijeva sulfidailikadmijevaselenida.Kojisesmjetau metalnomkuituiliplastinomsastaklenim prozoriem kroz koji se osvjetljava.Fotootpomiciodkadmijevasulfidasuprilino neprecizni,aliimajuvrlovelikrasponvrijednosti,od otprilike100najakojsvjetlostidonekolokoMu mraku.Fotootpomicisuosjetljivinavelikidiospekra svjetlosti,ukljuujuividljivu,infracrvenui ultraljubiastusvjetlosti.Slika2.4.prikazujezavisnost otpora fotootpornika o jakosti svjetlosti. Slika 2.4. Zavisnost otpora fotootpornik NORP12 od svjetlostiSpektralnaosjetljivostS(engl.spectralsensitivity)je osjetljivostmaterijalafotootpornikanapojedinidio spektra svjetlosti.Slika 2.5. Osvjetljeni i neosvjetljeni fotootpornik RelativnaspektralnaosjetljivostSreljeosjetljivostna nekojtalasnojduiniuodnosunaosjetljivostpri referentnojtalasnojduiniprikojojjeosjetljivost maksimalna.Prireferentnojtalasnojduinirelativna spektralnaosjetljivostjenajvea,ajednakaje1ili, iskazano u postocima, 100 %.Slika2.6prikazujespektralnuosjetljivostfotootpornika NORPI2,kojiimanajveuosjetljivostzasvjetlost talasne duine 550 nm.Fotootpomicisekoristekaosvjetlosneprepreke, komponentezaupravljanjeplamenom,mjerenje osvjetljenosti,vatrodojavu,usklopovimazaregulaciju svjetlostikaosklopkazazatamnjenje,kaostrujni prekidai i dr.Slika 2.6. Spektralna osjetljivost fotootpornika NORP12 Fotootporniciseupotrebljavajuzamjerenjeosvjetlje-nosti, osobito u fotografiji i kao sklopke u ureajima za brojenje,automatskozatvaranjevrata,automatsko osvjetljavanjeiualarmnimureajima.Utakvimure-ajimafotootpornikjeugraenudjelilonaponabaze tranzistora za ukljuivanje (slika 2.7).Slika 2.7. Ukljuivanje tranzistorske sklopke pomoufotootpornika Naponizmeubazeiemiteraovisanjeoosvjetljenosti fotootpornika:F BFCC BER RRU U+=Kadjefotootpornikneosvjetljen,njegovotporjevelik. ZatojenaponUBEdovoljnovelikdatranzistordobiva strujubazekojagadriuzasienjupadjelujekao ukljuenasklopka.Kadsefotootpornikosvjetli,njegov otpor se smanji pa se smanjuje i napon UBE. Tranzistor ne dobiva potrebnu struju baze i djeluje kao iskljuena sklopka.Akojesklopkompotrebnoukljuivatipotroaaveesnage,umjestopotroaaRCukolektorskistrujnikrug spajasenamotreleakojisvojimradnimkontaktom ukljuuje potroa (slika 2.8).POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI DETEKTORIELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole23Slika2.8prikazujeemuspojaukojojfotootpornik djelujeukrugubazetranzistora.Porastomjakosti svjetlosti smanjuje se otpor fotootpornika, raste napon nabazi,atimeistrujabaze.Uzodreenujakost svjetlostitranzistorprovedeiaktivirarele.Naponkod kojegetranzistorprovestipodeavamopromjenljivim otpornikomP.Kadreleprivue,ukontaktnomkrugu djeluje na ukljuenje alarma vatrodojave.Slika 2.8. Primjena fotootpornika 2.2. FOTODIODA Fotodiodajepoluprovodnikisvjetlosnisenzorkoji generira elektrini signal kad na njega djeluje svjetlost. Fotodiodajepoluprovodnikielementstruktureslineispravljakojdiodi.Kuiteimaprozorikrozkojise moe osvjetliti PN spoj.Na slici 2.9 prikazan je presjek fotodiode i simbol. To je diodakodkojejeanodnikontaktizvedensamona dijeluP-poluprovodnika,takodajesamomalidio povrine zaklonjen kontaktom. Katodni kontakt je na N-tipu poluprovodnika.Slika 2.9. Princip rada i simbol fotodiode Fotodiodaseustrujnikrugspajatakodajeinverzno polarizirana (slika 2.10). Kad je fotodioda neosvjetljena, njome tee vrlo mala tamna struja (engl. dark current, njem.Dunkelstrom)kojuiniinverznastruja(struja manjinskih nosilaca naboja). Ta struja iznosi za silicijske fotodiode nekoliko nA, a za germanijske nekoliko A. Slika 2.10. Struja neosvjetljene i osvjetljene fotodiode 2.2.1. Fotodioda kao fotogeneratorKadaosvjetlimopovrinupoluprovodnika,ubliziniPN-spojafotonisvjetlostiostvarujujoniziranjeatoma kristala.Kaoposljedicatogagenerirajusenoviparovi elektron-upljinakaoslobodninosiocinaboja.Pod djelovanjemugraenogelektrinogpolja,upljine prelaze u P-podruje, a elektroni u N-podruje. Nastaje gomilanjenosilacapozitivnognabojaupoluprovodniku P-tipa, a negativnog naboja u poluprovodniku N-tipa.Izmeuelektrodanastajerazlikapotencijala,odnosno elektromotomasilafotodiodekojazaposljedicumoe imatistrujufotodiodeakojeukrugspojenopotroaRT(slika2.11).Kaemodafotodiodaradiureimu fotogeneratorajerdiodadajeelektrinuenergijubez vanjskog izvora napona.Slika 2.11. Fotodioda kao generator 2.2.2. Fotodioda kao detektor svjetlosti Fotodiodu moemo spojiti i na vanjski izvor (slika 2.12) takodapozitivnipolprekootpornikaRTspojimona katodu,anegativnipolnaanodu.Natajnainfotodiodajeinverznopolariziranaikadanijeosvjetlje-na,kaotosmorekli,kroznjuteesamomala,tzv. tamnastruja(engl.darkcurrent)kojaodgovara inverznojstruji.Kadafotodioduosvjetlimo,naraste koncentracijanosilacanabojaudioditestrujau vanjskom krugu. Porast struje fotodiode proporcionalan jejakostisvjetlosti.Jakoststrujefotodiodeovisiio talasnoj duini upadne svjetlosti.POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI DETEKTORIELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole24Slika 2.12. Fotodioda kao detektor svjetlosti Slika2.13prikazujestatikukarakteristikufotodiode kojadajezavisnoststrujediodeonaponunadiodiuz stalnu vrijednost svjetlosnog toka.Slika 2.13. Statike karakteristike fotodiode (prikazane u III kvadrantu) Vanije karakteristike fotodiode su:- spektralnaosjetljivost(engl.spectral sensitivity)-osjetljivostdiodenatalasnu duinu svjetlosti;- karakteristikausmjerenosti-prikazuje osjetljivost fotodiode o kur; upada svjetlosti za odreenu talasnu duinu;- talasnaduinamaks-talasnaduinasvjetlosti zakojufotodiodaimznajveuosjetljivost,a moebitiupodrujuvidljiveiliinfracrvene svjetlosti;- tamnastruja-strujakojateekrozzapornu polariziranuneosvijet1jenufotodiodu,amoe biti reda vrijednosti od pA do u A;- zaporni napon - moe biti od lOm V do 50 V.Slika2.14prikazujerelativnuspektralnuosjetljivost fotodiodeBP104Fkojaimanajveuosjetljivostna talasnoj duini svjetlosti =950 nm.Karakteristikausmjerenostifotodiode(slika2.15) prikazuje relativnu osjetljivost u odnosu na ugao upada svjetlosti za odreenu talasnu duinu. Premakonstrukcijifotodiodemogubiti:PN-fotodiode, Schottkyjevefotodiode,PINfotodiodeilavinske fotodiode - APD (engl. avalanche photodiodey).Materijalikojisekoristezaizradufotodiodemoraju imatiosobinadafotonisvjetlostiodreenogspektra imajudovoljnoenergijezapobuduelektronapreko inverznogslojaiproizvodnjudovoljnestrujena potroau.Slika 2.14. Relativna spektralna osjetljivost fotodiode BP104F zavisno o talasnoj duini svjetlostiSlika 2.15. karakteristika usmjerenosti fotodiode BP104F Tipini materijali su:- silicij za spektar od 190 nm do 1 100 nm;- germanij za spektar od 400 nm do 1 700 nm;- indij-galijevarsenidzaspektarod800nmdo 2600 nm.Kuitafotodiodaimajustakleniprozorikrozkojise moe osvjetliti PN-spoj (slika 2.16). Slika 2.16. Kuita fotodiode Fotodiodauprimjerupremaslici2.17koristiseza detekciju dima.Svjetlostkojasereflektiraodesticadimaprema fotodiodi utjee na njezinu vodljivost. to je dim gui,to ereflektiranasvjetlostbitijaaiporastestruja kroz diodu. Porastom struje raste i napon na otporniku POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI DETEKTORIELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole25R. Kad napon na otporniku dostigne vrijednost veu od referentnognapona,komparatorkojijeizvedens operacionim pojaalom promijeni stanje na svom izlazu napozitivnuvrijednostUCCTranzistorprovedestrujui ode u stanje zasienja te se ukljui alarm.Slika 2.17. Komora za skupljanje i detekciju dima sa ekvivalentnom elektronskom emom Fotodiodaseupotrebljavazadetekcijusvjetlosnog signalainjegovopretvaranjeuelektrinisignal. Fotodiodeseprimjenjujuudaljinskimupravljaimaza televizorivideoureaje,uoptikimkomunikacijama, automatima,automatskomupravljanju,zadaljinsku kontroluzarazliiteureaje,kodpreciznihmjerenja jakosti svjetlosti u nauci i industriji, itd.Fotodiodakaoifotootpornikmoeposluitiza ukljuivanjetranzistorskesklopke.Fotodiodaseu strujni krug spaja tako da je inverzno polarizirana (slika 2.18). Slika 2.18. Ukljuivanje tranzistorske sklopke pomou diode Tranzistordjelujekaoukljuenasklopkakadjedioda osvjetljenajerstrujakrozfotodioduteeubazu tranzistora. Kad je dioda neosvjetljena, smanji se njezina vodljivost pa tranzistor vie ne dobiva dovoljnu struju da bi bio u zasienju te djeluje kao iskljuena sklopka. Znatnoveuosjetljivostnasvjetlostuusporedbisfo-todiodomimajufototranzistori(odnekolikoA/lxdo nekolikostotinaA/lx).Meutim,brzinaradaimje znatnomanjaodbrzineradafotodiode.Vrijemeuklju-enja, a posebno iskljuenja, znatno je due, reda veli-ine nekoliko s, dok kod fotodioda moe biti manje od ns.2.3. FOTOTRANZISTOR Fototranzistorjesvjetlouupravljivibipolarni tranzistor.Slika2.19prikazujesimbolipresjekfototranzistora. Fototranzistornalikujefotodiodikojojjedodanjoi emiter te je dobiven tranzistor koji ima veliku povrinu baznog spoja.

Slika 2.19. Presjek i simbol fototranzistora Fototranzistorjekonstruirantakodajeirina osiromaenogpodrujabaza-emitersasvimmala,a irinaosiromaenogpodrujabaza-kolektorvelika. Svjetlost djeluje uglavnom na povrinu baze i apsorbira se u osiromaenom podruju baza-kolektor. Iz presjeka fototranzistoravidljivojedainverznopolariziraniPN-spoj baza-kolektor slui kao fotodioda.POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI DETEKTORIELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole26Slika 2.20. Polarizacija fototranzistora Djelovanjefototranzistoraslinojedjelovanjuobinih bipolarnihtranzistorastimdasestrujabazestvara osvjetljavanjemPNspojabaza-kolektor.Fototranzistor se moe predstaviti s pomou spoja bipolarnoga tranzi-stora i fotodiode spojene izmeu kolektora i baze (slika 2.20).naistojslicijeprikazannainpovezivanja fototranzistora u strujni krug, tj. njegovu polarizaciju. StrujaI=IB,kojanastajedjelovanjemsvjetlosti, odgovarastrujibazetranzistoratejeukupna kolektorska struja lC:lC = I + lC' = I + I = (1+)I = (1+)IB,Prematome,fototranzistorje(1+)putaosjetljivijiod fotodiode koja ima istu efektivnu povrinu. Kadfototranzistornijeosvjetljen,njimeteevrlomala tamnastruja,odnosnoinverznastrujazasienjabaza-kolektor,redavrijednostinekolikonAdonekoliko desetaka nA.Fototranzistori mogu biti izvedeni s tri izvoda (kolektor, emiter i baza)ili sa samo dva (kolektor i emiter) (slika 2.24).Fototranzistorstriizvoda,kadjeneosvjetljen, djelujepoputobinogabipolarnogtranzistora.Akose primjenjujekaofototranzistor,spajanjemotpornikaiz-meubazeiemiteramoemusepodeavati fotoosjetljivost(slika2.21).UzveiotporRBveaje osjetljivost.Slika 2.21. Podeavanje fotoosjetljivosti fototranzistora Primjenomfototranzistorapostiesepoveanje osjetljivostiuodnosunafotodiodu.Brzinaodziva fototranzistora na svjetlosnu pobudu je manja nego za fotodiodu.Fotodiodasekoristikodviihfrekvencija, npr.utelekomunikacijama.Fototranzistorsekoristina niimfrekvencijamausenzorimauprocesnojtehnici, gdje nije bitna brzina.Slika2.22prikazujeizlaznukarakteristiku fototranzistora koja daje zavisnost IC od naponu UCE uzjakostsvjetlostikaoparametar.Onajepotpunonalik tipinoj izlaznoj karakteristiciNPN-tranzistora, priemu seumjestoIBnasvakojkrivuljipojavljujejakost svjetlosti izraena u luksima.Slika 2.22. Izlazna karakteristika fototranzistora SFH3310 Fototranzistornijejednakoosjetljivnarazliitetalasne duine svjetlosti i svaki tip tranzistora ima svoju krivulju spektralneosjetljivosti.Slika2.23prikazujerelativnu spektralnu osjetljivost fototranzistora SFH3310 koji ima maksimalnuspektralnuosjetljivostzatalasnuduinu svjetlosti = 550nm.Slika 2.23. Spektralna osjetljivost fototranzistora SFH3310 Tranzistorjezatvorenuprozirnokuitekonkavnog oblikapremaslici2.24,kakobifokusiranasvjetlost mogla prodrijeti do tranzistorskog ipa.Slika 2.24. Kuite fototranzisora Uprimjerupremaslici2.25alarmseukljuuje nestankom svjetlosti.Dokjesvjetlostodreenejakosti,fototranzistorjeu stanjuzasienjanaponnaupravljakojelektrodi POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI DETEKTORIELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole27tiristora je malen te tiristor ne vodi struju. Smanjenjem jakostisvjetlostitranzistorodlaziustanjezakoenja. PrekootpomogdjelilaR1iR2tiristorseukljuujei aktivira alarm.Slika 2.25. Detekcija nestanka svjetlosti fototranzistorom Za potrebe ukljuivanja potroaa koja zahtijevaju veestruje (npr. elektromagneti) proizvode se fototranzistori u Darlingtonovom spoju (slika 2.26).Slika 2.26. Ukljuivanje relea pomou fototranzistora u Darlingtonovom spoju Fototranzistor se primjenjuje u industrijskoj elektronici, ukrugovimazakontroluiupravljanje,zadetekciju svjetlosti,svjetlosnisenzor,senzorzapozadinsko osvjetljenje (npr. kod LCD ekrana), itd. 2.4. FOTOTIRISTOR Fototiristorjetiristorkojiseokidasvjetlosnim impulsom.Fototiristor(engl.lightactivatedailiconcontrolled rectifter,skraenoLASCR,njem.Fotothyristor)djeluje slinojednosmjernomtriodnomtiristorustimedaima dvijeupravljakeelektrode,austanjevoenjadovodi se osvjetljenjem PN-spoja upravljake elektrode G2.Dobrojeosobinafototiristora,uusporedbisostalim optodetektorima,toizlaznastrujanijezavisnao jakostiosvjetljenja.Svjetlousefototiristorsamo dovodiustanjevodljivosti,anakontogajenjegova struja nezavisna o osvjetljenosti. Fototiristordjelujekaoobianjednosmjenitriodni tiristor, koji se zasniva na PNPN strukturi, s tim da se u stanjevoenjamoedovestiosvjetljenjemP-podruja do katode (slika 2.27).Slika 2.27. Struktura i simbol fototiristora Svjetlosnimseimpulsomfototiristorsamodovodiu stanje voenja. Kad fototiristor provede struju, nije mu viepotrebansvjetlosniimpuls.Vodljivitiristorse isklapa prirodnim prolaskom elektrine struje kroz nulu.Mnogifototiristoriimajudostupnuupravljakuelektrodunakojusemoedovestiimpulszaokidanje tiristora,alijenajosjetljivijiuzotvorenuupravljaku elektrodu.Slika 2.28. Strujno naponska karakteristika tiristora Slika2.28prikazujestrujno-naponskukarakteristiku fototiristora. Oblik karakteristike odgovara obinom tiri-storu.Kodfototiristoratrenutakukljuenjaovisio jakosti svjetlosti. Kaoidrugefotoosjetljivekomponente,fototiristorse ugraujeukuitesprozoriemkrozkojisvjetlost djeluje,aiizraujesenabazialuminij-galijevog arsenida (AlGaAs).Takoer se izrauje i fototrijak, koji u naelu radi kao i fototiristor.Slika2.29prikazujespojfototiristorakojemse svjetlosni impuls dovodi na upravljaku elektrodu. Izvor svjetlostijelaserskadiodakojajespojenanakraju svjetlovoda. Potroa je spojen u krug visokog napona.Slika 2.29. Struni krug sa fototiristorom POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI DETEKTORIELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole28Prednostovakvepobudefototiristorajejednostavnost pobudenaupravljakojelektrodi.Naovajnainostvarenajeelektrinaizolacijaizmeuupravljakog kruga i strujnog kruga potroaa.Uanodnomkrugumoesespojitivisokinaponjer svjetlovodprekokojegdolazisvjetlostnijeosjetljivna elektromagnetske smetnje.Potroa Rp moe se spojiti u krug anode ili upravljake elektrodeG1.Ukruguizjeninestruje(slika2.30) fototiristorprestajevoditikadstrujapadneispodvri-jednosti struje dranja.Slika 2.30. Izmjenini strujno krug sa fototiristoromSlika 2.31. Istosmjerni strujni krug sa fototiristoromDabisefototiristoriskljuio,uistosmjernomstrujnom krugu mora se napon anode smanjiti na vrijednost niu odnaponadranja(slika2.31).Spajanjemvanjskog otporaRGredaveliinenekolikodesetakakilooma izmeuupravljakeelektrodeG2ikatode,regulirase osjetljivostfototiristoraisprijeavamoguasamopobuda zbog inverzne struje.Fototiristorseuglavnomkoristiusklopovima energetske elektronike. 2.5. SUNANEELIJE SunevasvjetlostseutehnologijiSuneveenergije koristi za dobivanje topline i elektrine energije.Sunanaelijajepoluprovodnikanapravazaizravno pretvaranjesuneveenergijeilidrugesvjetlostiu elektrinu energiju. Sunana elija je izvor istosmjernog napona.Proizvodiseodmonokristalnogiliamorfnogsilicija. Povrinasunanihelijajevelikakakobisedobilito vei napon i struja.SunanaelijaseizvodikaoPN-dioda(slika2.32). DjelovanjemSunevogzraenjagenerirajuseparovi nosilacanaboja.Zbogelektrinogpoljau osiromaenompodruju,generiraniparovinabojase razdvajaju,slobodnielektronikreuseusmjeruN-poluprovodnika,aupljineusmjeruP-poluprovodnika. Na prikljucima PN-diode stvara se fotonapon, odnosno istosmjeni napon vrijednosti od 0,4 do 0,5 V.Slika 2.32. Princip rada i simbol suneve elijeSunanaelijanazivaseifotonaponska(FN)elija. Spajanjem vie sunanih elija dobiju se sunane ploe(slika 2.33).Slika 2.33. Paneli od sunevih elija Serijskimpovezivanjemviesunanihelijadobijese veinapon,aparalelnimpovezivanjemveastruja. Sunaneploeslauseukolektore.Dodavanjem pretvaraa,regulatoraiostalihpotrebnihkomponenti dobije se fotonaponski sistem.POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI DETEKTORIELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole29AkoseuvanjskikrugtakoizvedenogaPNspojapri-kljuipotroa,kroznjegaeteistruja(slika2.34). Naponnapotroauistrujakroznjegaoviseo osvjetljenosti. PN spoj izveden kao fotogenerator naziva se sunana elija ili fotoelement (engl. solar cell, njem. Solarzelle, Fotoelernente).Slika 2.34. Napajanje potroaa iz suneve baterije Kadsufotoelementineosvjetljeni,potroadobiva strujuizakumulatora.Kadsufotoelementiosvjetljeni, njihov napon napaja potroa i puni akumulator napona U.DiodaDsprijeavaizbijanjeakumulatorapreko fotoelemenatazavrijemedokjesunanabaterija neosvjetljena.Suneve elijeimajudugvijektrajanja(preko30 godina),visokuefikasnost(karakteristinozaelijeod monokristalnogsilicija),velikumehanikuotpornosti robusnost,jednostavnostinstaliranja,neemitiraju nikakva zraenja, ne proizvode nusprodukte, u radu ne troenikakvetvari,nemajupokretnihdijelovaine zahtijevaju nikakvo gorivo.Naslici2.35prikazanjeprimjertranzistorskesklopke upravljane svjetlom s pomou fotoelementa. Napon UBEjednak je zbiru pada napona na otporu R2 i napona koji daje fotoelement UF:F2 12CC BEUR RRU U ++=Otpori R1 i R2 tako su odabrani da je napon UBE0,7 V to dovodi tranzistor u zasienje. Slika 2.35. Tranzistorska sklopka upravljana sunevom elijom Nedostataksunanih elijajenemogunostfunkcioni-ranja bez prisutnosti svjetlosti.Sunaneelijekoristesezanapajanjesatova, kalkulatora, prometnih znakova na cestama, eljeznikesignalizacije,parkirnihsatova,telefona,pokretnih radijskihitelevizijskihstanica,ureajazanavigaciju, satelita, svemirskih stanica, itd.Sunanikolektoripostavljajusenakrovovekuai koriste se za zagrijavanje vode za potrebe kuanstava.Na slici 2.36 dat je pregled karakteristika fotodetektora koje smo obradili u ovome poglavlju.POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI DETEKTORIELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole30Slika 2.36. Pregled karakteristika fotodetektoraPOLUPROVODNIKI SVJETLOSNI DETEKTORIELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole31POLUPROVODNIKISVJETLOSNI IZVORI Stupasti displej 3poglavljePOLUPROVODNIKI SVJETLOSNI IZVORIELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole323. POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI IZVORI 3.1. SVJETLEE LED DIODE SvjetleaLEDdiodajeoptoelektronikiizvorkoji pretvara elektrinu energiju u svjetlosnu.KomercijalninazivzatakvesvjetleediodejeLED (engl. light emitting diode). Svjetlea dioda je posebna vrstapoluprovodnikediodekojaemitirafotone svjetlostikadajepropusnopolarizirana.Osobina emisijesvjetlostiLEDdiodenazivaseinjektirana elektroluminiscencija. Ona se dogaa kada se manjinski nosiocirekombinirajusnosiocimasuprotnogtipau osiromaenompodruju.Jakostelektromagnetskog zraenja proporcionalna je jakosti struje.Slika3.1prikazujesimbolLEDdiodeinjen pojednostavljeni presjek.Slika 3.1. Pojednostavljeni presjek i simbol LED diode DjelovanjeLEDdiodepokazanojenaslici3.2.Dioda svjetlikadjepropusnopolarizirana.OtpornikR sprijeavaporaststrujekrozdioduiznaddoputene vrijednosti.Kadjediodanepropusnopolariziranane svjetliinanjojjenaponprikljuenogizvora(inverzni napon).Slika 3.2. Direktni i inverzni spoj LED diodeTalasnaduinaemitiranesvjetlosti,odnosnoboja svjetlosti,mijenjasezavisnooupotrijebljenom poluprovodnikommaterijalu.Bojaemitiranesvjetlosti variraodinfracrvenogprekovidljivogdo ultraljubiastogdijelaspektra.IzraujuseLEDdiode kojeemitirajucrvenu,naranastu,utu,zelenu,plavu ili bijelu svjetlost.Tipinisloenipoluprovodnikimaterijalkojisekoristi jeGaAs1-xPx(gallijevarsenidfosfid),gdjex predstavlja omjerfosforaiarsena,oemuovisitalasnaduina emitirane svjetlosti. Tabela 3.1. Materijali za LED diode Tabela 3.1 prikazuje tipine poluprovodnike materijale zaLEDdiode,zaodreenetalasneduinesvjetlosti, kao i propusni napon na diodi pri struji 20mA.KaotosmoreklizaizraduLEDdiodaprimjenjujuse spojevi galija s arsenom i fosforom. Zavisno o sastavu, LEDdiodemogudatiinfracrveno,crveno,uto,zeleno iliplavosvjetloodgovarajuihstrujo-naponskih karaktristika (slike 3.3 i 3.4) Slika 3.3. Strujno naponska karakteristika LED diode Slika 3.4. Relativna spektralna emisija LED diode POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI IZVORIELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole33Najjednostavnija izvedba LED diode je njezina upotreba kaoaruljeiliindikatora.Osimtoga,LEDdiode upotrebljavajusekaosignalniikontrolnielementite izvorisvjetlostiurazliitimureajima.Uusporedbisa aruljicamaznatnosuboljihsvojstava,posebnos obziromnavijektrajanja,mogunostradasmalim naponima,maliutroaksnageiotpornostnaudarei vibracije.Nedostatakimjemalidoputeniinverzni napon, svega nekoliko V.OsnovnaizvedbaLEDdiodeindikatorasastojiseod kristala,izvodaskuitemgdjejesmjetenkristali epoksi-kuitakojesvedrizajedno,titikristali fokusirasvjetlost(slika3.5).Udubljenjeukojemse nalazikristaloblikovanojetakodasvjetlostfokusira premanaprijed.Svjetlostdiodenevidiseizsvih smjerova podjednakom jakou.

Slika 3.5. Kuita LED diode Slika 3.6. Svjetiljka sa svjetleim diodama Vanije veliine LED diode su:- jakost emitirane svjetlosti kod odreene struje propusnepolarizacije.Slika3.7prikazuje relativnuzavisnostjakostisvjetlostiostruji LED diode; - talasnaduinazraenesvjetlostipri maksimalnom zraenju;- spektralna irina zraenja, pri kojoj je zraenje jednakopolovinimaksimalnog.Slika3.8 prikazujerelativnujakostzraenjazavisnoo talasnoj duini svjetlosti;- ugaozraenjaprikojemjezraenjejednako polovinimaksimalnog,aovisiotipukuita. Slika3.9prikazujekarakteristikuusmjerenosti zajednusvjetleudiodu,kojadajezavisnost jakostizraenjaokutu.Uprimjerujeugao zraenja 15.Propusnastrujno-naponskakarakteristikaLEDdiode slina je karakteristiciPN-diode,pri emu napon praga otvaranjaimavrijednostod1,5do3,5V,zavisnoo tipu.Oekivanivijektrajanja(MTBF-srednjevrijeme otkaza)LEDdiodekreeseurasponuod100.000do preko 1.000.000 sati. Pritom se smatra da je LED dioda zavrilasvojvijekupotrebekadazraenjesvjetlosti padnenapolovicuprvobitnogzraenja.Vijektrajanja diodeovisiomaterijalu,strujivoenja,temperaturii vlazi.Slika 3.7. Relativna zavisnost jaine svjetlosti od struje Slika 3.8. Relativna jakost zraenja od talasne duine zraene svjetlosti Slika 3.9. Usmjerena karakteristika LED diode 3.1.1. 7-segmentni displej Tipina primjena LED diode je u 7-segmentnom displeju gdjejeintegrirano7LEDdiodazaprikaz broj/znamenke i jedna dioda za prikaz decimalne toke.7-segmentni pokaznici (engl. 7-segment indicator, 7-se-gmentdisplay,njem.Siebensegmentanzeige)izraeni suodsedamLEDsegmenata.Prematomekojisu segmentiaktivirani,nadisplejusedobijejedanod POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI IZVORIELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole34brojevadecimalnogabrojnogsistema(slika3.10). Primjenjujusezapraenjestanjadigitalnihsklopova (brojila,registaraidrugih).Kaosvjetleisegmentivrlo esto se koriste LED diode.Slika 3.10. 7-segmentni displej Prema slici 3.10 u kuitu su katode spojene zajedno, a naanodedolazisignal.Takoerpostojispojgdjesu anode spojene zajedno. Zavisno o signalu koji dolazi na pojedine anode, LED diode na displeju prikazuju se kao odreena znamenka. 7-segmentnidisplejmoguejeizvestiupotrebom pojedinanihdioda.Serijskimspajanjemdvijuilivie diodaujedansegmentmogusedobitipokaznici potrebnihdimenzija.Kod7-segmentnogdisplejasa svjetleimdiodamadiodemogubitispojenenadva naina (slika 3.11).Slika 3.11. nain spajanja 7-segmentnog displejaZadisplejukojemsukatodespojenenazajedniku toku (engl. common-cathode type, njem. gemeinsame Katodenanschluss),pojedinisegmentinaulazimaa-g aktiviraju se naponom iznosa UCC. Zajednika elektroda, tj.katodaspajasenauzemljenutoku(minuspol izvoranapajanja).NaponUCCnaulazimaa-gtjera strujukrozdiodepremauzemljenojtokiitediode svjetle.Kod displeja u spoju zajednike anode (engl. common-anodetype,njem.gemeinsameAnodenanschluss) segmentinaulazimaa-gaktivirajusenaponom0V. Zajednikaelektroda,tj.anodaspajasenanapon napajanja. Napon napajanja tjera struju kroz one diode ije su katode na potencijalu 0V i te diode svjetle.LEDdiodekoristesekaoindikatoristanjana instrumentima,pokazivaiuautomobilima,daljinskim upravljaima,aunovijedobaupotrebaLEDdiode proirilasenabaterijskesvjetiljke,svjetlana automobilima,prometneznakove,kunearulje, mobitele i drugo.JednaodvanihprimjenaLEDdiodajeuoptikim telekomunikacijama,gdjeLEDdiodasluikaoizvor svjetlosti za prenos signala svjetlovodom. Slika 3.12. Primjeri izvedbe 7-segmentnog displeja3.1.2. Stupani diplej Stupanidisplej(engl.bargraphdisplay)sastojiseod segmenata(LEDdioda)kojisupostavljenijedaniznad drugoga.Zavisnoovrijednostiprikljuenoganapona svjetliveiilimanjibrojsegmenataimeslikovito pokazujepromjenenaponananekojmjernojtoki.Na slici3.13tojeizmjeninisinusoidninaponniske frekvencije.Signal se na stupani displej prikljuuje preko dekodera BGD (slika 13.14) koji se sastoji iz onoliko komparatora kolikosegmenataimadisplej.Naneinvertirajueulaze komparatoradovodisereferentninaponUrefpreko otpornogadjelitelja,ananeinvertirajueulazeizravno napon koji se promatra.Komparatorikojimajenaponnaneivertirajuemulazu veiodnaponanainvertirajuemulazu(referentni napon)dajunaizlazunaponkojiaktivirapripadne segmente.POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI IZVORIELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole35Slika 3.13. Djelovanje stupanog displeja Slika 3.14. Dekoder za stupani displej Slika 3.15. Primjeri izvedbi stupanog displeja 3.2. LASERSKA DIODA LaserskadiodajeposebnoprojektiranaPN-dioda.koja polarizacijigenerirakoherentnusvjetlostvrlouske irine spektra. Svjetlostkojuemitiralaserskadiodaje monohromatska,tj.samojednetalasneduinei usmjerenaje uuskom snopu. Snop je koherentan,to znaidasuelektromagnetskitalasimeusobnouistoj fazi i ire se istom brzinom.Rijelaserjekraticaodengleskognazivalight amplification by stimulated emission of radiation.Spojimo li lasersku diodu na izvor napajanja tako da je propusnopolarizirana(pozitivnipolnaP-,anegativni pol na N-stranu), upljine iz P-podruja i elektroni iz N-podruja bit e injektirani u PN-prijelaz.Elektroniiupljinerekombinirajuseuzemisijufotona (spontana emisija). Dolazi do stvaranja fotonske lavine jersvakiovakostvorenifotonuzrokujestvaranje slijedeihkojiimajuisteoptikeosobine(istufre-kvenciju,smjer,stanjepolarizacije),padolazido pojavetzv.stimuliraneemisije.Fotonikojidolazedo lijevogkrajapoluprovodnikogkristalaprikazanogna slici3.15 odbijaju se od ogledala nazad u kristal.Kada fotonidoudoogledalanadesnomkrajukristala,dio naputakristalkrozemitirajuiotvorkaojaksnop POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI IZVORIELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole36svjetlosti,adiosereflektiranazadipotienastanak novih fotona.Slika 3.15. Graa i simbol laserske diode Kao to vidomo laserske diode se sastoje od PN spojeva sloenih struktura. Za izradu se primjenjuju kombinacije poluprovodnikih materijala kao to su galij, arsen, indij ialuminij.Izvorilaserskogtipaemitirajuuskisnop koherentnesvjetlostimodulacijskefrekvencijeod nekolikostotinaMHz(zaLEDdiodenekolikodesetaka MHz).Postoje tri tipa poluprovodnikih lasera:- monoprijelazni laser,- jednostruki heterostrukturni i- dvostruki heterostrukturni laser.Naslici3.16prikazanajegraajednostruke heterostrukturne laserske diode.Slika 3.16. Graa heterostrukturnog lasera Slika 3.17. Nastajanje laserske svjetlosti Otputeni fotoni oslobaaju sve vei broj drugih fotona iste talasne duine i frekvencije. Fotoni udaraju okomito na "poliranu" reflektirajuu povrinu i kreu se du osi-romaenogapodrujapremadjelominoreflektirajuoj povrini. Tako nastaje laserska svjetlost (slika 3.17). Poveanjembrojastrukturaunutarlaserske konfiguracije poboljavaju se osobine laserske diode, tj. poveavaseindekslomaiizlaznasnaga.Dijagramsa slike3.18pokazujezavisnostizlaznesnageostruji dvostrukoga heterostrukturnog lasera i LED diode. Slika 3.18. Poreenje karakteristika LED diode i lasera Koritenjem razliitih tipova poluprovodnikih materijala moesedobitisvjetlostrazliitog(veomauskog) opsegafrekvencija.Meutim,stvarnafrekvencija svjetlostikojulaserzraiodreenajeveliinom optikogrezonatora,tj.razmakomizmeuogledalana krajevima postavljenih okomito na PN-spoj.Izraujusepoluprovodnikilaserivrlosloene poluprovodnikestrukture.Npr.sloenastrukturana bazi galijeva arsenida daje svjetlost talasne duine 750 do 900 nm, a indijev galijev arsenid fosfid daje svjetlost talasne duine 1200 do 1 700 nm.Oblikkuitalaserskediodezavisioprimjeni.Sva kuitaimajuprozirniotvorzalaserskusvjetlost.Slika 3.19 i 3.20 prikazuje presjek jednog kuita i izvedbu.Slika 3.19. Presjek kuita laserske diode Slika 3.20. Primjer izvedbe laserske diode POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI IZVORIELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole37Laserskediodepostalesugotovonajvanijiproizvod optoelektronikeindustrije. Prednosti laserske diode su mnogostruke,naime,tojemonohromatski,koherentni izvorsvjetlosti.Laserskadiodajelagana,dugog ivotnogvijekatemalepotronjeelektrineenergije. Osimtoga,tojevrlovanoukomunikacijama,moe seizravnomodulirati,itovrlovisokimfrekvencijama, jer je talas nosilac oko 500 THz.Upotrebljavajuseulokalnimtelekomunikacijskim sistemima,zemaljskominterkontinentalnomprenosu podataka,lokalnim(raunalnim)mreama(localarea network,LAN),modernimupravljakimsistemima,u avionima i drugim vozilima te u suvremenim sistemima za prenos videosignala.Koristeseiuaudiovizualnojtehnicizaproizvodnju kompaktnih diskova (CD-a i CD-RlRW-a) i DVD ureaja. Veliku primjenu imaju li mjernoj i kontrolnoj tehnici te u medicini. 3.3. OPTOKAPLERI Fotoveznielementi(engl.optocoupler,optically-coupled-isolator,njem.optoelektronischeKoppel-elemente,Optokoppler)kombinacijasusvjetlosnoga izvora (LEDdioda)ifotodetektora(najee fotodioda, ili fototranzistor) u jednome kuitu.Primjenjujusekadjeunekomureajupotrebno galvanskiodvojitidvastrujnakruga.Utusvrhu optokapleri sve vie potiskuju primjenu transformatora i relea.Dobreosobineoptokaplerajesuvrlovelikiotpor izmeuulaznogaiizlaznogakruga,frekvencijsko podrujeradadonekolikostotinakHz,nema mehanikihkontakata,maledimenzije,otpornostna udareivibracije,vrlodugivijektrajanja,mogunostizravnogaspojasintegriranimdigitalnimsklopovima, visokiizolacijskinaponizmeuulaznogaiizlaznoga dijela. Primjenjuju se za nadzor visokonaponskih izvora napajanja,usklopovimazaprijelazsintegriranih digitalnihnadrugesklopove,zanadzorbrzinevrtnie itd.Osnovnanamjenaoptokaplerajegalvanskiodvojiti jedan strujni krug od drugog. Poluprovodniki svjetlosni izvorobinojeGaAsinfracrvenaLEDdioda,a fotodetektorjenajeefotodiodailifototranzistor. Izraujuseoptokaplerikojimajefotodetektortiristor, trijak, MOSFET i CMOS, zavisno o primjeni.KadjeulazninaponOV,LEDdiodaoptokapleraje inverzno polarizirana i ne osvjetljava fototranzistor.TranzistorjeuzakoenjupajenaponUCEpraktino jednaknaponunapajanjatranzistorskesklopke.Kad ulazninapondostignevrijednostkojapropusno polarizirasvjetleudioduoptokaplera,onaosvjetljava fototranzistor.TranzistoromteestrujakolektoraIC,a napon UCE je mali (tranzistor u zasienju).Slika3.22prikazujeoptokaplersasvjetleomdiodomi fototranzistorom u jednom kuitu.Slika 3.21. Djelovanje optokaplera Slika 3.22. Optokapler sa svjetleom diodom i tranzistorom Dovoenjemelektrinogsignalanaulaz,LEDdioda pretvara elektrini signal u svjetlosni - emitira svjetlost. Svjetlost pada na bazu tranzistora koji svjetlosni signal pretvara u elektrini.Slika 3.23. Odnos struje kolektora i struje LED diode POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI IZVORIELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole38Fototranzistor pod djelovanjem svjetlosti odlazi u stanje zasienja, a vrijednost kolektorske struje ovisi o ulaznoj strujiIDkrozsvjetleudiodu(slika3.23).Kada iskljuimostrujukrozsvjetleudiodu,onaprestaje svjetliti i izlazni fototranzistor odlazi u stanje zakoenja. Prema tome, optokapler prenosi digitalni signal.Zaupotrebuoptokaplera,osimvespomenutih podatakazaLEDdiodeifototranzistore,znaajanpodatakjeizolacijskinapon(engl.isolationvoltage, njem.Isolationsspannung).Tojenajveadoputena razlikanaponaizmeuulaznogaiizlaznogadijela optokaplera. Kree se u rasponu od 0,5 pa do nekoliko kV. Svjetlosniizvorifotodetektorintegriranisuuistom neprozirnom kuitu koje ima tipino 6 (slika 3.24) ili 8 izvodazadvostrukioptokapler.Svjetlosniizvori fotodetektorodvojenisuprozirnimizolatoromkoji onemoguava protiecanje bilo kakve struje izmeu njih. Optokapler mora izdrati ispitni napon izmeu predajne i prijemne strane od 500 do 7500 V, zavisno o tipu.Slika 3.24. Kuita optokaplera Optokaplerisumalihdimenzija,bezmehanikih dijelova, imaju veliku brzinu rada te dug vijek trajanja.Vaniji parametri optokaplera su:- istosmjema struja LED diode,- maksimalni zaporni napon LED diode,- probojni napon fototranzistora,- maksimalna kolektorska struja fototranzistora,- izolacijski ispitni napon i- omjerstrujekolektoratranzistoraistruje diode, IC/ID(slika 3.23).Proizvoa daje izlaznu karakteristiku tranzistora kojem jeparametarstrujadiodeumjestostrujebaze(slika 3.25)izavisnostomjerastrujekolektoraistrujediode (slika 3.23).Npr.odaberemolistrujukrozulaznusvjetleudiodu ID=2mA,utokiAnaslici3.23,oitamodaje IC/ID=50%,uzUCE=5V.Iztogaproizlazidaje maksimalnakolektorskastrujaizlaznogtranzistora IC=1mA.Slika 3.25. Izlazna karakteristika optokaplera TLP733 Slika3.26prikazujeprimjerstrujnogkrugas optokaplerom kakav se koristi u telekomunikacijama.Uzpozitivanimpulsnaulazu,kojiseinvertira,LED diodaprovedestrujuiemitirasvjetlostkojapadana bazufototranzistora.Tranzistorprovedestrujuiodlazi ustanjezasienja.NaotpornikuR1jepozitivniimpuls amplitudepriblinoUCC2.Izlazniimpulsodgovara ulaznomimpulsu,aostvarenojegalvanskoodvajanje predajnogiprijemnogstrujnogkruga,priemusu izvorinapajanjaUCC1iUCC2dvanezavisnanaponska izvora.Slika 3.26. Strujni krug sa optokaplerom Optokaplerisekoristeuproizvodnjirazliitihureaja, odkuanskihaparataiautomobila,ukomunikacijama, daljinskimvezamaiupravljanjeteLANmreama,pa svedomikroprocesora,pulsno-irinskihenergetskih pretvaraa, brojila okretaja motora, itd. POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI IZVORIELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole39Slika 3.27. Osnovne izvedbe optokaplera POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI IZVORIELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole40Slika 3.28. Posebne izvedbe optokaplera 3.4. LABORATORIJSKE VJEBEIZ OPTOELEKTRONIKE Vjeba I: Osnovne osobine fotoodiodeProuiti tvornike podatke fotodiode BPW43. Navedite talasnuduinunajveeosjetljivostiidoputene vrijednosti inverznoga napona i utroka snage.Za fotodiodu BPW43, a prema slici 3.29 izmjeriti: a) Otporpropusnopolariziranefotodiodeu osvjetljenom i neosvjetljenom stanju.b) Otporinverznopolariziranefotodiodeu osvjetljenom i neosvjetljenom stanju.c) NaosvjetljenufotodioduprikljuitiotpornikR premaslici.Izmjeritejakoststrujekojateestrujnimkrugominaponnaotpornikuzavri-jednosti R: 10k, 4,7k i 1k.d) Rezultate mjerenja prikazati tabelom.e) Kako se u ovom sluaju ponaa dioda? Slika 3.29. Mjerenje struje i napona na fotodiodi Vjeba II: Ukljuivanje tranzistorske sklopke pomou fotodiode Spojite elektronski sklop prema slici 3.30 a zatim: a) Izmjerite napone UBE i UCE, te struje IB i IC kad je fotodiodaosvjetljenaikadjeneosvjetljena. Rezultate mjerenja prikaite tabelom.b) Ukojemsesluajutranzistormoesmatrati ukljuenom, a u kojem sluaju iskljuenom sklop-kom?POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI IZVORIELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole41Slika 3.30. Ukljuivanje sklopke fotodiodom Vjeba III: Fototranzistor kao sklopka ProuititvornikepodatkefototranzistoraBPW40. Naveditetalasnuduinunajveeosjetljivostii doputene vrijednosti napona UCE i struje kolektora IC.Spojite elektronsku emu prema slici 3.31 a zatim:Slika 3.31. Tranzistor kao sklopka a) IzmjeritestrujelCinaponUCEkadjefoto-tranzistorosvjetljenikadjeneosvjetljen. Rezultate mjerenja prikaite tabelom.b) Kada se fototranzistor moe smatrati ukljuenom, a kada iskljuenom sklopkom?Vjeba IV: LED diode Slika 3.32. Indikacija izlaza tranzistorke sklopke Prouiti tvomike podatke LED diode LR5420. Navedite iznoseuobiajenihvrijednostizadoputeniiznos inverznoganaponaistrujepripropusnojpolarizaciji, vrijednosti utroka snage, te pada napona na diodi pri propusnojpolarizacijiitalasnuduinuzasvjetlostpri najveoj emisiji.Spojite elektronsku emu prema slici 3.32 a zatim:a) Izraunajtepriblianiznosjakostistrujekroz svjetleudiodukadjenaulazutranzistorske sklopke 0V i 5V.Vjeba V: Osobine LED diode Spojite elektronsku emu prema slici 3.33 a zatim:Slika 3.33. Propusno polarizirana LED dioda a) Izmjeritestrujukrozsvjetleudiodu,naponna diodiiotpornikuR.Rezultatemjerenjaprikaite tabelom.b) Zaspojdiodepremaslici3.34izmjeritestruju kroz svjetleu diodu, napon na diodi i otporniku R. Rezultate mjerenja pri kaite tabelom.Slika 3.34. Nepropusno polarizirana LED dioda Vjeba VI: Indikacija stanja tranzistorske sklopke svjetleomdiodom a) Izmjerite jakost struje kroz svjetleu diodu i pado-venaponanasvjetleojdiodi,otporniku150i tranzistoru(slika3.32)kadjeulazninapon sklopke 0V. b)Izmjeritejakoststrujekrozsvjetleudiodui padovenaponanasvjetleojdiodi,otporniku 150 i tranzistoru kad je ulazni napon sklopke 5V.Vjeba VII: Optokapleri Prenosna karakteristikaProuitetvornikepodatkeoptokaplera4N25. Navedite iznose karakteristinih podataka za izolacijski napon,doputenustrujupropusnepolarizacije, doputeniinverzninaponidoputeniutroaksnage svijetleediode,doputeninaponUCE,doputenu strujukolektoraidoputeniutroaksnage fototranzistora.Spojite elektronsku emu prema slici 3.35 a zatim:POLUPROVODNIKI SVJETLOSNI IZVORIELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole42Slika 3.35. Snimanje prenosne karakteristike optokaplera a) Snimiteprenosnukarakteristikuoptokaplera. Rezultate mjerenja prikaite tabelom. b) Natemeljuizmjerenihvrijednostinacrtajte prenosnu karakteristiku optokaplera.Dinamike osobine optokaplera Spojite elektronsku emu prema slici 3.36 a zatim:Slika 3.36. Ispitivanje karakteristika optokaplera a) Naulazsklopapremaprikljuiteizvor pravougaonihimpulsafrekvencije1kHzi amplitude5V.Osciloskopomustanoviteoblike ulaznoga i izlaznoga napona. b) Ustanoviteutjecajpromjenefrekvencijeulaznoga napona na oblik izlaznoga napona.POVRATNA SPREGAKOD POJAAVAANaini izvoenja povratne sprege 4poglavljePOVRATNA SPREGA KOD POJAAVAAELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole444. POVRATNA SPREGA KOD POJAAVAAPovratna sprega kod pojaavaa sastoji se u tome, to sedioizlaznognaponailidioizlaznestrujevraana ulazpojaavaa.Ovapovratnaspregamoebitisluajnainepoeljna,ilisemoenamjernoizvesti.Sluajnopovratnaspregamoebitiprekopovratnih parametarapojaavakihelemenata(npr.h12,y12), prekozajednikihvodovazaviepojaivakihstepeni, prekounutranjegotporaizvorazanapajanje,preko parazitnih kapaciteta. Povratnaspregakodpojaavaautienapojaanje, takodaonomoebitiveeilimanjeodpojaanja pojaavaabezpovratnesprege.Uslijedpovratne spregepropusniopsegpojaavaamoedasepoveailismanji.Izoblienjakojasestvarajuupojaavaumogusetakoesmanjitiilipoveatipovratnom spregom.Zbog smanjenja izoblienja povratna sprega senamjernoizvodikodpojaavaa.Ukolikoje povratnaspregadovoljnojaka,afaznistavvraenog signalatakavdapojaavasamsebepobuuje, pojaavasepretvaraugeneratorkojidajesignalna izlazupojaavaaiakonaulaznedovodimospolja signal.Ovakavpojaavakojisamsebepobuuje nazivamo oscilatorom.Sapovratnomspregomvesmosesretali.Prvom prilikom kada smo govorili o stabilizaciji radne take, a drugomkadasmoanaliziralipojaanjenavisokim frekvecijama. 4.1. PRINCIP POVRATNE SPREGE Kao to smo rekli, princip povratne sprege se sastoji u tome da se sa izlaza vraa dio napona ili struje na ulaz.Naslici4.1.jepokazanablokemapojaavaasa povratnom spregom.Slika 4.1.Princip povratne sprege Pojaavaprenosiipojaavasignalsaulazanaizlaz.ObiljeimosignalnaulazuupojaavasaX,naizlazu pojaavaasaXo,anaulazupojaavaazajednosa povratnomspregomsaXi.Naulazukolapovratne spregeimamoizlaznisignalizpojaavaaXo,ana izlazukolaprekokogaseostvarujepovratnasprega signala jeXr.Kolo povratne sprege na ulaz pojaavaaje prikljueno tako da je: r iX X X + =Dakle,signalnaulazupojaavaajednakjezbiru ulaznog i vraenog signala.Prenosna funkcija pojaavaa je: XXAo=Uzavisnostiodtogatajeulazniitaizlaznisignal (naponilistruja)prenosnafunkcijaAmoebiti: pojaanjenaponaAu,pojaanjestrujeAi,prenosni otpor Rm ili prenosna provodnost Gm.Prenosnu funkciju povratnog kola: orXX= |nazivamokoeficijentpovratnesprege.Uzavisnostiod toga ta je Xo i Xr, ona je: odnos dva napona (slabljenja napona) odnos struja (slabljenje struje), povratni otpor ili povratna provodnost.Prenosnafunkcijapojaavaasapovratnomspregom je: iorXXA =Uzevi u obzir prethodne jednaine moe se napisati: A 1AAr| =U optem sluaju prenosna funkcija ne mora biti realna.Onamoebitivrlosloenafunkcija,naroito,akoje pojaavasloen,akosesastojiizviepojaavakih stepeni.Meutim, da bi uprostili analizu i bolje shvatili sutinupovratnespregeanaliziratiemopovratnu spreguupodrujusrednjihfrekvencijaukomje pojaanjerealnaveliinasaznakom+akojeizlazni signal u fazi sa ulaznim, odnosno se znakom - , ako je izlazni pomjeren za 180 u odnosu na ulazni.Isto tako emo smatrati da je i | realna veliina sa znakom + ako suupovratnomkolunemijenjafaza,asaznakom-, ako se faza mijenja za 180.Osim toga, ograniiemosenaanalizukolakodkojihmoemosmatratidase krozpojaava signal prenosisamo od ulaza ka izlazu, akrozkolopovratnespregesamoodizlazanaulaz pojaavaa.Pretpostaviemojodafaktorpovratne sprege ne zavisi od otpora generatora i potroaa.Analizomposlijednjejednainesevididapojaanje pojaavaasapovratnomspregomzavisiodproizvoga |A.Ovajproizvodnazivamokrunimpojaanjem pojaavaa.Otkaimonaulazupovratnuspregu,i izraunajmopojaanjeodulazapojaavadoizlazaiz kola povratne sprege.POVRATNA SPREGA KOD POJAAVAAELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole45AXXXXXXoor r| ==Buduidajeizlazkolapovratnespregevezanzaulaz pojaavaa i na taj nain nainjen zatvoren krug, to se proizvod pojaanja |A naziva: kruno pojaanje.01,pojaanjesapovratnomspregomje suprotnog znaka od pojaanja pojaavaa bez povratne sprege,toznaidaizlazninaponpromjenifazuzaradijana.Fizikitonemasmisla.Dabismovidjelita etadadasedesiponimoponovodapoveavamo povratnuspregupolazeiod|A=0.Odraavamopri tomekonstantandovedeniulaznisignal.Poveavajui|A,odnosnopoveavajuivraenisignal,svejeveisignal na ulazu pojaavaa A pa e biti vei signal i na izlazu.Rastui,amplitudaizlaznogsignalaedostiiveliinunaponanapajanja,padaljimpoveanjem povratnespregetj.poveanjemvraenogsignala, izlazni signal se ne moe poveavati. Toznai,daeseefektivnopojaanjepojaavaasmanjiti.AeffjemanjeodAuslijednelinearnosti prenosnekarakteristikepojaavaa.Prematome, poveanjefaktorapovratnesprege|dovodido smanjenjapojaanjaA,takoda|Anemoebitiveaod 1.F A 1 = | VeliinuFnazivamofunkcijompovratnesprege.Kod pozitivnepovratne sprege,funkcija povratne sprege F je manja od jedinice.Kada je funkcija povratne sprege jednaka nuli, pojaava se pretvara u oscilator.Drugisluajpovratnespregeemoimatikadaje vraenisignalsaizlazanaulazpojaavaanegativan, tako da je ukupna veliina signala na ulazu pojaavaasapovratnomspregommanjaodprivedenogsignala koji elimo pojaati.U tom sluaju kruno pojaanje je negativno,pa sedodaje jediniciuimeniteljujednainezaAr,odnosnofunkcijapovratnespregejeveaod jedinice,pajepojaanjepojaavaasapovratnom spregommanjeodpojaanjabezpovratnesprege.Ukoliko je takva povratna sprega jaa, tj.ukoliko je |A,vee,utolikojepojaanjesapovratnomspregom manje.Ovuvrstupovratnespregekojasmanjuje pojaanje nazivamo negativnom povratnom spregom.Signalsaizlazakojiseuzimaradipovratnesprege moebitiproporcionalannaponu.Utomsluajuse ulazkolazaporatnuspreguprikljuujeparalelno potroau.Takvupovratnuspregunazivamo naponskom ili paralelnom povratnom spregom.Izlaznisignalkojiseuzimazapovratnuspregumoe bitiproporcionalanizlaznojstruji.Tadaseulaz povratnog kola | vezuje na red sa potroaem.Takvu spregunazivamostrujnom,rednomiliserijskom povratnom spregom.Izlazizkolapovratnespregemoesetakoenadva nainaprikljuitinaulazpojaavaa.Userijusa generatorom,tesenaulazupojaavanaponi generatorainaponipovratnespregesabiraju.Tada kaemodasepovratnaspregadovodiserijskiili naponski. Kadaizlazizkolapovratnespregedovodimoparalelno ulazu pojaavaa,tako da sestrujesabiraju,govorimo o paralelno ili strujno vraenom signalu.Prematome,ponainuuzimanjaidovoenjupovratnogsignala,povratnuspregumoemopodijeliti naetiri vrste: 1. Naponsko-serijskailinaponsko-naponskaili paralelno-serijskapovratnasprega(slika4.2a).Kod nje se uzima signal paralelno izlazu, tako da je proporcionalan izlaznom naponu, a na ulaz se dovodiserijskisageneratorom,takodase naponinaulazupojaavaasabiraju(napon generatora i vraeni dio izlaznog napona).2. Naponsko-paralelnailinaponsko-strujnaili paralelno-paralelna(slika4.2b).Kodovevrste sprege,povratnisignaljestrujaproporcionalna izlaznomnaponuidovodiseparalelnoulazu,pa se struje generatora i povratne sprege sabiraju.3. Strujno-serijskailistrujno-naponskailistrujno-povratna sprega (slika 4.2c).Povratno kolo je na izlazuprikljuenoserijskisapotroaempaje vraenisignalproporcionalanizlaznojstruji,a signal izkola povratne sprege vezuje se u seriju sageneratorom,pasenaponigeneratorai naponi iz kola povratne sprege sabiraju.4. Strujno-paralelnailistrujno-strujnailiserijsko-paralelnapovratnasprega(slika4.2d).Povratni signaljestruja,proporcionalnaizlaznojstruji.Izlazpojaavaajevezanrednosaulazomkola zapovratnuspregu,avraenisignalsedovodi paralelnoulazupojaavaa,tesestruja generatora i vraena struja na ulazu sabiraju.POVRATNA SPREGA KOD POJAAVAAELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole46Slika4.2.Naini izvoenja povratne sprege: a) naponsko-serijska, b) naponsko-paralelna, c) strujno-serijska i d) strujno-paralelna povratna sprega U daljoj analizi zadraemo samo prve nazive povratne sprege:naponsko-serijska,naponsko-paralelna, strujno-serijskaistrujno-paralelna.Ovinazivisu najpogodniji,jersenajlakepamteinajbolje odraavaju karakteristike pojaavaa.Prva rije govori otometase stabiliekodpojaavaa,adrugakakvo je stanje na ulazu pojaavaa.4.2. UTICAJ NA STABILNOST POJAANJAUprethodnompoglavljusmopokazalidasepojaanjesapovratnomspregommijenja.Akojepovratna spregapozitivnapojaanjesepoveava,aakoje negativna smanjuje.Samo pojaanje pojaavaa bez povratne sprege zavisi odtemperature,naponaizvorazanapajanje,od pojaavakih elemenata koje smo stavili (pri proizvodnji ilipopravcipojaavaa),aakojepojaavaizvedenu integrisanoj tehnici, pojaanje pojaavaa nee biti isto zasvanainjenakolauslijedtolerancijeparametara nastalih tokom proizvodnje.Pretpostavimodajefaktorpovratnesprege|konstantaninezavisanodsvihnavedenihuzroka promjenepojaanjainaimokakopovratnasprega utienastabilnostpojaanjapojaavaa(izraenkao odnosdAr/Ar).Dabismonalirelativnupromjenu pojaanjasapovratnomspregomuzavisnostiod relativnepromjenepojaanjapojaavaabezpovratne sprege,primjenimodiferencijalniraunnaizrazzaAr.Odgovarajui izraz je sada: AdAF1AdAA 11AdArr = | =Dakle,promjenapojaanjapojaavaasapovratnom spregomrazlikujeseodpromjenepojaanja pojaavaa bez povratne sprege za 1/F puta. AkojepovratnaspregapozitivnaFjemanjeod jedinice,papovratnaspregapogoravastabilnost pojaavaa.KodnegativnepovratnespregeFjeveeodjedinice,papovratnaspregapoboljavastabilnost pojaavaajersupromjenepojaanjasapovratnom spregom F puta manje. Dabipokazalikolikonegativnapovratnasprega stabiliepojaanjeuzimamodajekrunopojaanje negativno (negativna povratna sprega) i da je |A>>1.Tadauizrazu1-|Abrojjedanmoemozanemariti,pa jekodtakvogpojaanjasanegativnompovratnom spregom | =1ArKako|moebitistabilno,akokolopovratnesprege ostvarimopomouotpora,topojaanjepojaavaasa povratnomspregomsvedokje|A>>1nezavisiod promjene pojaanja A.4.3. UTICAJ NA GRANINEFREKVENCIJE I IRINUPROPUSNOG OPSEGA Vidjelismodaepojaanjepojaavaasapovratnom spregomArbitinezavisnoodpromjenepojaanja pojaavaaAsvedotledokje|Amnogoveaod jedinice(negativnapovratnasprege).Iznadgornjei ispoddonjegraninefrekvencijepojaanjepojaavaaopada,alitosenapojaanjesapovratnomspregom neeodrazitisvedotledokse|Anepribliijedinici.Prematome,negativnompovratnomspregomgornja graninafrekvencijasepomijeranavie,adonja sniava,tesepropusniopsegsmanjuje.Ovoemo pokazati na jednostavnom primjeru.Uzmimojednostepenipojaavasakapacitivnom spregom koji ima gornju graninu frekvenciju fv i donju fn.Pojaanjetakvogpojaavaanavisokim frekvencijama je:vsvffj 1AA+= ,gdje je:Av pojaanje na visokim frekvencijama,As pojaanje na srednjim frekvencijama,fv gornja granina frekvencija POVRATNA SPREGA KOD POJAAVAAELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole47Uvrtavanjemugornjujednainu,dobijamodaje pojaanjenavisokimfrekvencijamapojaavaasa povratnom spregom: ( )vrsrv ssrvvrffj 1Af A 1fj 1AA 1AA+=| +=| =gdje je: v v s vrFf f A 1 f = | = ) ( -gornjagraninafrekvencija pojaavaa sa povratnom spregom. Prema tome, gornja granina frekvencija pojaavaa sa povratnom spregom je F puta vea od gornje graninefrekvencijeistsogpojaavaabezpovratnesprege.UkolikojeFveeodjedinicefvrebitiveeodfv,a ukolikojemanje,graninafrekvencijasapovratnom spregomebitimanjaodgraninefrekvencije pojaavaa bez povratne sprege. Dakle, pozitivna povratna sprega smanjuje, a negativna poveavagornjugraninufrekvenciju,kakoje prikazano na slici 4.3.Slika 4.3 Uticajpovratne sprege na frekventnu arakteristiku pojaavaa (pojaanje, irinu propusnog opsega, donju i gornju graninu frekvenciju) Pojaanjejednostepenogpojaavaananiskim frekvencijama sa kapacitivnom spregom, uzevi u obzir samo uticaj kapaciteta za spregu je:ffj 1AAnsn+=Ponovnim uvrtavanjem dobijamo: ffj 1AA 1ff1j 1AA 1AAnrsrsnsrnnnr=| =| =gdje je: FfA 1ffnsnnr=| = -donjagraninafrekvencija pojaavaa sa povratnom spregom.Pozitivnompovratnomspregom(F1)donja granina frekvencija se smanjuje (sl.4.3).Propusni opseg je: n vf f B =Za pojaava sa povratnom spregom: FfFf Bnv r =

pakakosesapozitivnompovratnomspregomdonja granina frekvencija poveava, a gornja smanjuje, to se pozitivnompovratnomspregomirinapropusnog opsegasmanjuje.Negativnompovratnomspregom gornjagraninafrekvencijasepoveava,adonja smanjuje,paseirinapropusnogopseganegativnom povratnom spregom poveava (sl.4.3).Buduidajedonjagraninafrekvencijamnogomanja od gornje granine frekvencije, to moemo smatrati da jeirinapropusnogopsegapriblinojednakagornjoj graninoj frekvenciji, tj.Bfv.NaimoproizvodizirinepropusnogopsegaBri pojaanja Ar kod pojaavaa sa povratnom spregom ( )s vssv s r vr r rA fA 1Af A 1 A f A B =| | = =Dakle,proizvodpropusniopsegpojaanjenezavisi odjainepovratnespregeijednakojeproizvodu propusnogopsegaipojaanjaistogpojaavaabezpovratne sprege.4.4. UTICAJ NA IZOBLIENJA I SMETNJE Uslijednelinearnostikarakteristikatranzistoranastaju nelinearnaizoblienja.Ukolikojeizlaznisignalvei, utolikojeiizoblienjevee.Akojesignalvrlomali, nelinearnukarakteristikuupodrujuradamoemo aproksimiratipravom,tenemaizoblienja.Toje utolikotanijeukolikojesignalmanji.Kodizlaznih pojaavaateimodadobijemotojemogueveusnagu,odnosnotojemogueveiizlaznisignal.Meutim,ukolikojeveaizlaznasnaga,veasui izoblienja.Izoblienjasemogusmanjitipovratnomspregomito negativnompovratnomspregom,kaotosmo napomenuli u poetku.Uzmimo da smo izlazni pojaava maksimalno pobudili, tako da smo dobili maksimalnu izlaznu snagu.Neka je tadaizlaznisignalXo.Uslijedizoblienjaovajsignal neebitisinusoidalaniakojepobudni,ulaznisignal istasinusoida.Naizlazuesepojavitiosimprvog harmonika Xo1 i vii harmonici: drugi harmonik Xo2, treiXo3 itd.Xo = Xo1 + Xo2 + Xo3 + . . .+ Xon + . . .POVRATNA SPREGA KOD POJAAVAAELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole48Poredtoga,promijeniteseisrednjavrijednost istosmjernog napona, to ovdje nismo uzeli u obzir.Da bi se dobio izlazni signal Xo, na ulazu pojaavaa je biosignalX.Tajsignaljebiotolikidasedobijena izlazu prvi harmonik koji je Xo1 = AX.Napravimolipovratnuspregu,smanjiesepojaanje, pa esesmanjitiiizlaznisignal.Kakojepojaanjesmanjeno za veliinu funkcije povratne sprege, to e se i izlazni signal smanji za tu veliinu....FX...FXFXFXXon 2 o 1 o oor+ + + + = =Dabinaizlazudobilimaksimalansignalprvog harmonika neophodno je da na ulazu poveamo signal.Ako na ulazu poveamo signal za F puta, poveae se i izlaznisignal.Meutim,naulazupoveavamosamo prviharmonik,paeseinaizlazupoveatisamoprvi harmonik. Izlazni signal e biti: ...FXFXX X3 o 2 o1 o or+ + + =Dakle, povratnom spregom smo smanjili izoblienje, ali smosmanjiliipojaanje,pasetomoranadoknaditiu prethodnompojaavau.Prethodnipojaavaje pojaavamalihsnaga,kojiimavrlomalaizoblienja. Natajnainsmodobilimaksimalnuizlaznusnagu izlaznog pojaavaa sa smanjenim izoblienjem. Kodpojaavaasapozitivnompovratnomspregomje F1),kakobipojaavaradiostabilno,alineisuvieveeodjedinice,kako izlazni signal ne bi bio izoblien. Oscilatoriprostoperiodinihoscilacijamogubiti nainjeniisaelementimakojiimajunegativnu otpornost,kaotosutunelskediode,jednospojni tranzistori(samoulaznokolo)itermistori.Kakosuovi elementi dvopoli, to nema povratne sprege sa izlaza na ulaz.Principradaovihoscilatorajeutomedase pojaavakielementiprikljuujukolimaukojimase mogu pojaviti oscilacije. Sa svojim negativnim otporom, oniumanjujuukupanotporutimkolima.Kadaje ukupanefektivanotporukolimajednaknuli,oscilacije ebitinepriguene.Ukolikoukupanefektivanotporu kolu nije jednak nuli, kolo e raditi kao pojaava. Da bi na izlazu imali signal mora se dovoditi na ulaz signal za pobuivanje. Tiristor,takoe,imanegativanotpor.Kakotajotpor nijedefinisan,tojetekoostvaritiprostoperiodineoscilacije sa tiristorima. 5.1. RC OSCILATORI Najjednostavnijioscilatorsajednimpojaavakim elementomjeRCoscilator.Uzmimodaanaliziramo jedantakavoscilatorsafetom,slika5.1.Tojeobianpojaava sa uzemljenim sorsom, kod koga se povratna spregaizvodiprekoRCfiltra,kojiobrefazuza180. Sampojaavaobrefazuza180,tejetakovraeni signalufazisapobudnimsignalom.Frekvenciju oscilacija odreuje RC filtar. Ulazniotporjevrloveliki,takodanjegovuticaj moemo zanemariti. Kako za pobuivanje nije potrebna snaga,tootporiRufiltrumogubitiveliki.Ako pretpostavimodajeRRD,tooptereenjeuslijedfiltra moemo zanemariti.Slika 5.1. ema RC oscilatora sa fetom Analitiki proraun (ovdje izostavljen) pokazuje da bi se mogle nastati oscilacije pojaanje pojaavaa treba biti po apsolutnoj vrijednosti vee od 29. Istotakosedobijedajerezonantnafrekvencijaovog oscilatora jednaka: RC 61= e , tj RCf6 21t=RC oscilator moemo nainiti i sa tranzistorom. Na slici 5.2. date su ema i ekvivalentna ema RC oscilatora sa tranzistorom. Kodtranzistoraulazniotpornijebeskonanovelik,jer postojibaznastruja.Filtarnemoebitisavrlovelikim otporima R. Otpor R je istog reda veliine kao otpor RC.Zbog toga optereenje koje potie od filtra ne moemo zanemariti.OtporeR1iR2moemouzetidovoljno velike,takodaihmoemosmatratimnogoveimod ulaznogotporatranzistorahi,ismatratidastrujakoja protiekrozotporR3protieikrozbazutranzistora, odnosno, da je struja I3=Ib.OSCILATORI PROSTOPERIODINIH OSCILACIJAELEKTRONIKA za 3. razred elektrotehnike kole52Slika 5.2. RC oscilator sa tranzistorom Najmanjavrijednostzafaktorstrujnogpojaanjasa kojimsemoepostiiuslovzanastajanjeoscilacijau RCoscilatorusatranzistorombiezanekuoptimalnu vrijednost koja iznosi: min=44,5,to se dobije za rezonantnu frekvenciju od:RC 41= e , tj RCft 81=Da bi oscilacije bile neizobliene, fet i tranzistor moraju raditiupodrujupravolinijskogdijelasvojeprenosne karakteristike. To znai da moraju raditi u klasi A. RC oscilatori se obino prave tako da im se frekvencija poeljimoemijenjati.Frekvencijasemoemijenjati promjenomparametara elemenataod kojih frekvencija zavisi.Ovdje,kaotosmovidjeli,frekvencijazavisiod veliineRiC.Kakouslovzanastajanjeoscilacijane zavisiodveliinekapaciteta,tojenajboljeradi promjene frekvencije mijenjati veliinu kapaciteta C.Praktinosetakoiradi,itoistovremenosemijenjaju kapaciteti sva tri kondenzatora. Promjenom otpora R se mijenjajuuslovioscilovanja,paesemijenjatii amplitudaoscilacija.Primanjimiliveimvrijednostima od optimalne oscilacije mogu i prestati. RCoscilatoriseobinopravezaniskefrekvencije.Oni imajuprednostinadoscilatorimasaLiC,okojima emogovoritikasnije,jersuotpornicijeftinijiod zavojnica,pogotovuzavrlovelikefrekvencije.Osim toga sa promjenom kapaciteta ovdje se mnogo mijenja frekvencija.Odnosmaximalneiminimalnefrekvencije je: minmaxminmaxminmaxffCC= =ee.Dakle,jednakjeodnosumaximalnogprema minimalnom kapacitetu. 5.2. OSCILATOR SA VINOVIM (WIEN) MOSTOM OscilatorsaVinovimmostomimakolosapovratnom spregom u vidu Vinovog mosta. Kod ovog mosta, samo najednojfrekvencijijeizlazninaponufazisaulaznim naponom pojaavaa. ema ovog oscilatora je data na sl.5.3.Uovomsluajuzapajaavajediferencijalni (operacioni) pojaava, koji ima simetrian ulaz.Slika 5.3. Oscilator sa Vinovim mostom Dabioscilatorradio,krunopojaanjetrebadaje jednako jedinici. To znai da jeUi=U1-U2=UrFrekvencija osciliranja zavisi od otpora R ikapaciteta C lijeve grane mosta na slici 5.3. i iznosi: RC1= e , tj RCft 21=Za ovu vrijednost frekvencie dobijemo da je:312 12=+ Z ZZOdnosno da je: R1=2R2.Promjenafrekvencijeikodovogoscilatoraseizvodi promjenom kapaciteta C. Kako ovdje imam