Käytännön elektroniikkakomponentit ja niiden valinta Timo Dönsberg 1

Transkriptio

1 Käytännön elektroniikkakomponentit ja niiden valinta Timo Dönsberg 1

2 Yleistä Yksikään komponentti ei ole ideaalinen Toleranssi Stabiilisuus Lämpötilariippuvuus Taajuusvaste Lineaarisuus Hajakapasitanssi Hajainduktanssi Vuotovirta Tehonkesto Luotettavuus Koko Hinta Saatavuus Jne jne jne Timo Dönsberg 2

3 Yleistä Suunnittelulla voi helpottaa tilannetta Esim. vastukset välillä 1 Ω 10 MΩ Taajuudet alle 1 MHz Virrat 1 µa 10 A Jännitteet 100 mv 24 V Mutta tietenkään aina tämä ei ole mahdollista Komponenttien ymmärtäminen tärkeää! Tutustu valmistajien tarjoamaan materiaaliin Datasheets, application notes Hyödynnä valmiita kytkentöjä ja alan perusteoksia Testaa Simuloi Useimmat kytkennät toimii Timo Dönsberg 3

4 Passiiviset komponentit Timo Dönsberg 4

5 Vastukset Metallikalvovastus (metal film) Hyvälaatuinen yleisvastus Opareiden kanssa signaalitiellä Käytä esim. 1 % metallikalvovastuksia Tehonkesto W Sovitettu vastusverkko Valmis piiri, sis. sovitetut vastukset Differentiaalivahvistimen I/O:ssa Tarkat jännitteenjakajat, jne Muita vastuksia Tehovastukset Säätövastukset, potentiometrit Epälineaariset vastukset (PTC, NTC) Timo Dönsberg 5

6 Timo Dönsberg 6

7 Vastukset Timo Dönsberg 7

8 Kondensaattorit Elektrolyyttikondensaattori, elko Engl. aluminium electrolytic capacitor Suuri kapasitanssi / tilavuus, edullinen Rajallinen elinikä, esim C Suurempi jännitekesto ja lämpötilan alentaminen pidentävät elkon elinikää Low-ESR elkon sisäinen vastus pienempi Käytettävä esim. hakkurikytkennöissä Saatavilla myös tantaali- ja niobiumelkoja Käyttökohteet Teholähteiden suodatus, huom. polariteetti! Signaalitiellä, esim. vahvistimien DCerotuksessa, myös bipolaarisia saatavilla 0.1 uf 100 mf, V, C SMD Radial Axial Tantaali Timo Dönsberg 8

9 Kondensaattorit Keraaminen kondensaattori, kerko Engl. ceramic capacitor Yleisin kondensaattori Rajallinen kapasitanssi Stabiili, pienet häviöt Pieni koko, pitkä elinikä, halpa Bipolaarinen, ei polariteettiä Käyttökohteet Opareiden käyttöjännitteiden suodatus, esim. 100 nf +/-V cc -> GND Käytetään usein elkon kanssa rinnan, koska elko ei toimi RF-taajuuksilla Suodattimissa (audio, RF ) 1 pf 10 uf, 2,5 V 15 kv, C Timo Dönsberg 9

10 Kondensaattorit Muovikondensaattori, polko Engl. film capacitor Valmistusmateriaalina yleensä polyesteri, polyetyleeni, polypropyleeni tai polystyreeni Hyvä eristyskyky, pieni vuotovirta Hyvin lineaarinen, hyvä lämpötilastabiilius Bipolaarinen, ei polariteettiä Pitkä elinikä, kymmeniä tuhansia tunteja Ei kestä suurta kuumuutta (sulaa) Saatavilla usein vain läpiladottavana osana Käyttökohteet Audiopiirit, suodattimet, hakkuriteholähteet 10 pf 3 mf, 10 V 10 kv, max. 125 C Timo Dönsberg 10

11 Kondensaattorit Esimerkki: Epcos metallized polypropylene fim-capacitor Timo Dönsberg 11

12 Timo Dönsberg 12

13 Muuta Kelat, muuntajat, ferriitit Verkkomuuntajat: lineaariset teholähteet Suodattimet, hakkuriteholähteet (RF, EMI) Erotusmuuntajat, maalenkin välttäminen Audiomuuntimet, balansoitu (differentiaali) signaali I/O, impedanssin muunto Ei yleensä käytetä oparikytkennöissä Komponenttien arvot Kaikkia komponenttiarvoja ei ole olemassa! EIA-komponenttien arvojärjestelmä Toleranssit, E12 (10 %), E24 (5 %) jne. Huomioitava suunnittelussa (piirin toiminta) Laskettujen arvojen perusteella haetaan lähimpänä olevat komponenttien arvot 10 uf 15 uf 1,0 kω 22 uf 1,5 kω 33 uf 2,2 kω 47 uf 3,3 kω 4,7 kω Timo Dönsberg 13

14 Diskreetit puolijohteet Timo Dönsberg 14

15 Diodit Lyhyesti: läpäisee virtaa vain yhteen suuntaan Huomioitavia parametreja Virrankesto Maksimi estosuuntainen jännite Nopeus Vuotovirta Kynnysjännite Kapasitanssi Timo Dönsberg 15

16 Diodityyppejä Tavallinen pn-liitosdiodi Yleinen teho- ja signaalikäytössä Kynnysjännite ~0.7 V (Si) Schottky diodi Matala kynnysjännite ~0.2 V Matala jännitteenkesto (yleensä alle 50 V) Nopea Zener diode Estosuuntainen läpilyönti matalalla jännitteellä Esim. referenssijännite, regulointi, ylijännitesuojaus Kapasitanssidiodi Kapasitanssi riippuu estosuuntaisesta jännitteestä Esim. oskillaattorin virityspiiri, RF-kytkimet Timo Dönsberg 16

17 Diodeja Tyristori Diodi, joka alkaa johtamaan vasta kun hilalta katodiin on riittävä jännitepulssi Tehosäätimet, suojapiirit Triakki kaksi vastakkain kytkettyä tyristoria Tehosäätimet, sähkösyötön ohjaus DIAC Kaksisuuntainen diodi, joka muuttuu johtavaksi kynnysjännitteen (~30-40 V) ylitettyä Sytytyspiirit, virtapulssit Timo Dönsberg 17

18 Bipolaaritransistori Lyhyesti: pieni kantavirta ohjaa suurta kollektorivirtaa = ja = + Huomioitavia parametreja NPN vs. PNP Jännitteenkesto (maks. ) Virrankesto ( ) Vahvistus (myös nimellä h ) Tehonkesto Kytkentänopeus Saturaationjännite (min. ) Timo Dönsberg 18

19 MOSFET Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor Lyhyesti: transistori, jossa virtaa ohjaa jännite Huomioitavia parametreja N-tyyppi vs. P-tyyppi Jännitekesto Virtakesto Minimiresistanssi Kytkentänopeus Tehokesto Vuotovirrat ( ja ) Kapasitanssit Herkkä liian suurelle ohjausjännitteelle (esim. hankaussähkö) Timo Dönsberg 19

20 Muita transistoreja JFET - junction gate field-effect transistor HEMT - high-electron-mobility transistor IGBT - insulated-gate bipolar transistors HBT - heterojunction bipolar transistor UJT unijunction transistor ESBT - emitter switched bipolar transistor Jne jne Timo Dönsberg 20

21 Vahvistimet ja lineaaripiirit Timo Dönsberg 21

22 Operaatiovahvistin Operational Amplifier, OpAmp, opari Opareita käyttämällä voidaan rakentaa lähes kaikki muut vahvistinkytkennät Käsitellään suunnittelussa usein ideaalisena komponenttina Suuri jännitevahvistus, A = ~10^6 -> Oparin sisään ei mene virtaa, Z in = Käytetään aina takaisinkytkettynä Ulostulo pyrkii pitämään V in+ ja V insamassa potentiaalissa Käyttöjännitteet Tyypillisesti +/- 1.5 V 18 V Myös yksipuoleisia (single supply), vaatii signaalin biasoinnin Timo Dönsberg 22

23 Operaatiovahvistin Oparin kotelointi Vahvistimia tyypillisesti 1-4 kpl DIP/DIL, SOIC, SOP jne. CMRR db (diff. vahvistin) Taajuuskaista 20 khz 1 GHz Riippuu takaisinkytkennästä Riippuu halutusta vahvistuksesta Optimoitu tyypillisesti jollekin seuraavista Kohina (e n, i n, 1/f), särö Nopeus (slew rate) / taajuusvaste Offset ja sen ryömintä, virrankulutus Piirien hinnat tavallisesti 0,5-5 SO8 / SOIC8 DIL14 DIL8 MSOP Timo Dönsberg 23

24 Operaatiovahvistin Negatiivinen takaisinkytkentä Parantaa lineaarisuutta ja taajuusvastetta, vähentää säröä Kompensoi lämpöryömintää Kaistanrajoitus (suodatus) Parantaa stabiilisuutta ja SNR:ää Alipäästö: C f ja R f, ylipäästö: C in ja R in C in :ä ei käytetä DC-signaaleilla Rajataajuudet tulee valita n. 1 dekadin mitattavan signaalin ulkopuolelle -> parempi vaihevaste signaalille Käyttöjännitteiden suodatus Jokainen IC tarvitsee omat suodatuskondensaattorit (ohjeet datalehdissä!) V in V in C in R in R in Ei DC-piirissä R f R f C f f -3dB = V out Käytä aina! V out Timo Dönsberg 24

25 Operaatiovahvistin Sisäisesti kompensoitu opari Unity-gain stable OpAmp Yksikkövahvistus-stabiili opari -> Käyttö jännitteenseuraajana OK! Helppo käyttää, nopeus rajallinen Esim. TL072, OPA627, NE5532 Ulkoisesti kompensoitava opari Ei voi käyttää jännitteenseuraajana Vaatii ulkoisen kompensoinnin, yleensä vähintään 1 kondensaattorin Mahdollista hyödyntää oparin nopeus piirissä paremmin -> vaatii taitoa Esim. LM301, OPA637, NE5534 Datalehdissä ohjeita! NE Timo Dönsberg 25

26 Operaatiovahvistin Epästabiilit toimintatilat Piiri oskilloi (f voi olla hyvin korkea) Askelvasteessa ylitystä (overshoot) tai jälkivärähtelyä (ringing) Myös sisäisesti kompensoitu opari voi ajautua epästabiiliin tilaan, riippuu kytkennästä ja kuormasta Kompensointimenetelmät Käytetään yksikkövahvistusta suurempaa piirin vahvistusta Käytetään RC-takaisinkytkentää -> Pienempi kohina -> Suurempi vaihemarginaali Myös muita menetelmiä, ks. piirivalmistajien datalehdet Takaisinkytkennän vahvistus ja vaihe Timo Dönsberg 26

27 Operaatiovahvistin Muita epäideaalisuuksia Ulostulon virta on rajallinen, ei saa kuormittaa kapasitiivisesti Signaalitaso tulee pitää ~1-3 V päässä käyttöjännitteistä, Rail-torail opareilla voi mennä jopa yli! Slew-rate rajoittaa vahvistusta korkeilla taajuuksilla -> säröä Oparin toiminta signaalin eri polariteeteillä voi olla erilainen Opari voi tuhoutua, jos signaalitaso ylittää käyttöjännitteen Samat ongelmat myös muissa opareihin perustuvissa piireissä Timo Dönsberg 27

28 Komparaattori Digitaalipiiri, 2 tilaa: +V s ja V s Jo alle 1 mv jännite riittää liipaisuun Tavallisia opareita ei suositella käytettäväksi komparaattoreina Käytetään usein hystereesin kanssa Posit. takaisinkytkentä lisää nopeutta Kohinainen signaali ei aiheuta värähtelyä C F vastuksen R 2 yli lisää myös nopeutta Koteloinnit kuten opareillakin Hintaluokka 0, Timo Dönsberg 28

29 Logaritminen vahvistin Logarithmic Amplifier, LogAmp Operaatiovahvistin, takaisinkytkentä diodilla, saa valmiina piirinä Kätevä, jos ulotulo halutaan db:ksi Lähetys/vastaanottotehon mittaus/säätö Signaalikompressorin ohjauksessa Epälineaaristen signaalien linearisointi, esim. PTC- tai NTC-termistorin luenta Vaatii vakiovirtageneraattorin (referenssi) toimiakseen, ohjeet datalehdissä Hintaluokka Timo Dönsberg 29

30 Differentiaalivahvistin Difference / Differential amplifier Sisältää sovitetut vastukset IC:n sisällä -> hyvä CMRR Ei tarvitse ulkoista takaisinkytkentää Vahvistus: kiinteä, tai valitaan vastuksella, pinneillä tai softalla Difference amplifier Ulostulo yleensä ei-balansoitu (Out) Käytetään esim. virranmittauksessa Differential amplifier Ulostulo yleensä balansoitu (+/-Out) Balansoitu linjavahvistin (line driver) A/D-muuntimen esivahvistimena Hintaluokka 1 5 Difference amplifier Differential amplifier Timo Dönsberg 30

31 Instrumentointivahvistin Instrumentation Amplifier Korkea sisääntuloimpedanssi Sovitetut sisäiset komponentit -> Korkea CMRR ( db) Ei kannata rakentaa erillisistä opareista -> huono CMRR, kallis Vahvistus valitaan vastuksella (R G ) Käyttösovelluksia Pienen differentiaalisignaalin mittaus Siltamittaukset, virranmittaus Lääketieteelliset mittaukset (ECG) Hintaluokka Timo Dönsberg 31

32 Instrumentointivahvistin Timo Dönsberg 32

33 Virranmittausvahvistin Current Sense Amplifier Differentiaalivahvistin mittaa jänniteeron pienen shunt-vastuksen yli Moottorikäytöt, akkulaturit Sähkötehomittarit ja analysaattorit Vaaditaan hyvä CMRR High-side mittaus Suuri yhteismuotoinen jännite Toimittava, vaikka yhteismuotoinen jännite on käyttöjännitteitä suurempi Low-side mittaus Yhteismuotoinen signaali ~0 Helpompi toteuttaa, halvempi Kuorma ei ole suoraan maadoitettu High-side mittaus Low-side mittaus Timo Dönsberg 33

34 Virranmittausvahvistin Kohde Instrumentointivahvistin Alipäästösuodatus f c = 885 khz Signaali A/D-muuntimelle Esimerkki Low side-virranmittausvahvistimesta Timo Dönsberg 34

35 Virranmittausvahvistin Virranmittausvahvistin, valmis koteloitu laite Timo Dönsberg 35

36 Virranmittausvahvistin Timo Dönsberg 36

37 Muut vahvistintyypit Transimpedanssivahvistin Valmiiksi kytketty virtajännitemuunnin, nopea Siirtokonduktanssioperaatiovahvistin Jänniteohjattu virtalähde Norton-operaatiovahvistin Differentiaalivahvistin virtasisäänmenoilla, nopea Virtatakaisinkytketty operaatiovahvistin Nopea, välttää ongelmia hajakapasitanssien kanssa Choppervahvistin Operaatiovahvistin, jossa bias-jännitteet kompensoidaan reaaliaikaisesti -> 1/f kohina minimoituu Erotusvahvistin Differentiaalivahvistin, jonka I/O:t galvaanisesti erotettu Erotus optisesti, induktiivisesti, kapasitiivisesti, tai digitaalisesti Maalenkin katkaisu, suurjännitteen erotus, ECG, EEG, hakkurit Timo Dönsberg 37