Käytännön elektroniikkakomponentit ja niiden valinta. 2015 Timo Dönsberg 1



Samankaltaiset tiedostot
Vahvistimet ja lineaaripiirit. Operaatiovahvistin

Käytännön elektroniikkakomponentit ja niiden valinta Timo Dönsberg 1

Kotitentti 3. Operaatiovahvistin

OPERAATIOVAHVISTIMET 2. Operaatiovahvistimen ominaisuuksia

OPERAATIOVAHVISTIN. Oulun seudun ammattikorkeakoulu Tekniikan yksikkö. Elektroniikan laboratoriotyö. Työryhmä Selostuksen kirjoitti

Analogiapiirit III. Keskiviikko , klo , TS128. Operaatiovahvistinrakenteet

Jännitelähteet ja regulaattorit

LABORATORIOTYÖ 1 MITTAUSVAHVISTIMET

TYÖ 2: OPERAATIOVAHVISTIMEN PERUSKYTKENTÖJÄ

Automaation elektroniikka T103403, 3 op AUT2sn. Pekka Rantala syksy Opinto-opas 2012

Vahvistimet. Käytetään kvantisointi alue mahdollisimman tehokkaasti Ei anneta signaalin leikkautua. Mittaustekniikka

a) I f I d Eri kohinavirtakomponentit vahvistimen otossa (esim.

CC-ASTE. Kuva 1. Yksinkertainen CC-vahvistin, jossa virtavahvistus B + 1. Kuva 2. Yksinkertaisen CC-vahvistimen simulaatio

Radioamatöörikurssi 2015

FYSP105 / K3 RC-SUODATTIMET

Analogiapiirit III. Keskiviikko , klo , TS127. Jatkuva-aikaiset IC-suodattimet ja PLL-rakenteet

Vcc. Vee. Von. Vip. Vop. Vin

Radioamatöörikurssi 2013

Automaation elektroniikka T103403, 3 op SAU14snS. Pekka Rantala kevät 2016

SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Radioamatöörikurssi 2017

Multivibraattorit. Bistabiili multivibraattori:

Sähkötekniikka ja elektroniikka

Signaalien datamuunnokset. Näytteenotto ja pito -piirit

MITTALAITTEIDEN OMINAISUUKSIA ja RAJOITUKSIA

Tehtävä 8. Jännitelähteenä käytetään yksipuolista 12 voltin tasajännitelähdettä.

EMC Mittajohtimien maadoitus

S Elektroniikan häiriökysymykset. Laboratoriotyö, kevät 2010

TASONSIIRTOJEN ja VAHVISTUKSEN SUUNNITTELU OPERAATIOVAHVISTINKYTKENNÖISSÄ

Radioamatöörikurssi 2014

LOPPURAPORTTI Lämpötilahälytin Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

Radioamatöörikurssi 2014

Taitaja2004/Elektroniikka Semifinaali

1 f o. RC OSKILLAATTORIT ja PASSIIVISET SUODATTIMET. U r = I. t τ. t τ. 1 f O. KAJAANIN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikan ja liikenteen ala

Radioamatöörikurssi 2013

L-sarjan mittamuuntimet

R = Ω. Jännite R:n yli suhteessa sisäänmenojännitteeseen on tällöin jännitteenjako = 1

KONDENSAATTORIT, Ominaisuudet ja merkinnät

Operaatiovahvistimen vahvistus voidaan säätää halutun suuruiseksi käyttämällä takaisinkytkentävastusta.

Radioamatöörikurssi 2015

1. a) Piiri sisältää vain resistiivisiä komponentteja, joten jännitteenjaon tulos on riippumaton taajuudesta.

Analogiapiirit III. Tentti

Signaalien datamuunnokset

A/D-muuntimia. Flash ADC

Elektroniikka, kierros 3

LABORATORIOTYÖ 2 A/D-MUUNNOS

Aktiivinen jakosuodin Linkwitz-korjauksella

Supply jännite: Ei kuormaa Tuuletin Vastus Molemmat DC AC Taajuus/taajuudet

5.1.Jännitelähde + 15 V 10 A

S Elektroniset mittaukset ja elektroniikan häiriökysymykset. Petri Kärhä 27/01/2004 Luento 1: Anturit ja mittausvahvistimet 1

d) Jos edellä oleva pari vie 10 V:n signaalia 12 bitin siirtojärjestelmässä, niin aiheutuuko edellä olevissa tapauksissa virheitä?

LABORAATIO 1, YLEISMITTARI JA PERUSMITTAUKSET

Elektroniikka ja sähkötekniikka

RADIOTEKNIIKKA 1 HARJOITUSTYÖ S-2009 (VERSIO2)

3. kierros. 1. Lähipäivä

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

Kondensaattorin läpi kulkeva virta saadaan derivoimalla yhtälöä (2), jolloin saadaan

2 Jannitelähde 24 V 28 V 7,5 A

Sähköpaja. Kimmo Silvonen (X)

Käyttöohje. 1/DOC-RSH30 Fi A

4. kierros. 1. Lähipäivä

Takaisinkytkentä. Avoin piiri vs. suljettu piiri. Tärkeä osa elektroniikkasuunnittelua

ELEC-C5070 Elektroniikkapaja (5 op)

MICRO-CAP: in lisäominaisuuksia

LABORATORIOTYÖ 2 A/D-MUUNNOS

BY-PASS kondensaattorit

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

TIETOISKU SUUNNITTELUHARJOITUKSEN DOKUMENTAATIOSTA

1 Muutokset piirilevylle

Minikokoinen harkka-vahvistin 5W 8 ohm

Anturit ja Arduino. ELEC-A4010 Sähköpaja Tomi Pulli Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitos Mittaustekniikka

EMC:n perusteet. EMC:n määritelmä

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I. Verkkojen taajuusriippuvuus: suo(dat)timet

Mittalaitetekniikka. NYMTES13 Vaihtosähköpiirit Jussi Hurri syksy 2014

Ongelmia mittauksissa Ulkoiset häiriöt

ELEKTRONIIKAN PERUSTEET

Tehtävään on varattu aikaa 8:30 10:00. Seuraavaan tehtävään saat siirtyä aiemminkin. Välipalatarjoilu työpisteisiin 10:00

S Elektroniikan häiriökysymykset. Laboratoriotyö 1

S Elektroniset mittaukset ja elektroniikan häiriökysymykset. Vanhoja tenttitehtäviä

12. Stabiilisuus. Olkoon takaisinkytketyn vahvistimen vahvistus A F (s) :

TYÖ 58. VAIMENEVA VÄRÄHTELY, TASASUUNTAUS JA SUODATUS. Tehtävänä on vaimenevan värähtelyn, tasasuuntauksen ja suodatuksen tutkiminen oskilloskoopilla.

EMC Säteilevä häiriö

Push-Pull hakkurin suunnittelu ja mitoitus:

VIM RM1 VAL / SKC VIBRATION MONITOR RMS-MITTAUSJÄRJESTELMÄLLE KÄSIKIRJA. VIM-RM1 FI.docx / BL 1(5)

HÄIRIÖSUOJAUS KAKSISUUNTAINEN PROSESSI SISÄISET JA ULKOISET HÄIRIÖT

Virheen kasautumislaki

Virranmittausvahvistin energiansäästölamppujen sähkövirran aaltomuotojen mittaukseen

Katsaus suodatukseen

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto. 2 Teoreettista taustaa

Perusmittalaitteet 2. Yleismittari Taajuuslaskuri

ELEKTRONIIKAN PERUSTEET T700504

TASA- JA VAIHTOVIRTAPIIRIEN LABORAATIOTYÖ 5 SUODATINPIIRIT

S Mittaustekniikan perusteet A. Esiselostustehtävät Erityisesti huomioitava

Lähettimet ja vastaanottimet

Diodit. I = Is * (e U/n*Ut - 1) Ihanteellinen diodi

LABORATORIOTYÖ 3 VAIHELUKITTU VAHVISTIN

Mikrofonien toimintaperiaatteet. Tampereen musiikkiakatemia Studioäänittäminen Klas Granqvist

Alustava versio. Kytkennässä saattaa olla vielä virheitä.

Vastaa vain neljslsln tehtslvslsln. Voit valita viidestsl vaihtoehdosta neljsl mieleistiisi.

Transkriptio:

Käytännön elektroniikkakomponentit ja niiden valinta 2015 Timo Dönsberg 1

Yleistä Yksikään komponentti ei ole ideaalinen Toleranssi Stabiilisuus Lämpötilariippuvuus Taajuusvaste Lineaarisuus Hajakapasitanssi Hajainduktanssi Vuotovirta Tehonkesto Luotettavuus Koko Hinta Saatavuus Jne jne jne 2015 Timo Dönsberg 2

Yleistä Suunnittelulla voi helpottaa tilannetta Esim. vastukset välillä 1 10 M 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 2015 Timo Dönsberg 3

Passiiviset komponentit 2015 Timo Dönsberg 4

Vastukset Metallikalvovastus (metal film) Hyvälaatuinen yleisvastus Opareiden kanssa signaalitiellä Käytä esim. 1 % metallikalvovastuksia Tehonkesto 0.2 1 W Sovitettu vastusverkko Valmis piiri, sis. sovitetut vastukset Differentiaalivahvistimen I/O:ssa Tarkat jännitteenjakajat, jne Muita vastuksia Tehovastukset teholähteissä Säätövastukset, potentiometrit Epälineaariset vastukset (PTC, NTC) 2015 Timo Dönsberg 5

2015 Timo Dönsberg 6

Vastukset 2015 Timo Dönsberg 7

Kondensaattorit Elektrolyyttikondensaattori, elko Engl. aluminium electrolytic capacitor Yleensä läpiladottava axial tai radial Suuri kapasitanssi / tilavuus, edullinen Rajallinen elinikä, esim. 2000 h @ 105 C Suurempi jännitekesto ja lämpötilan alentaminen pidentävät elkon elinikää Low-ESR elkon sisäinen vastus pienempi Saatavilla myös tantaalielkoja, tantalum Käyttökohteet Teholähteiden suodatus, huom. polariteetti! Signaalitiellä, esim. vahvistimien DCerotuksessa, myös bipolaarisia saatavilla 0.1 uf 100 mf, 2 600 V, 85 150 C SMD Radial Axial Tantaali 2015 Timo Dönsberg 8

Kondensaattorit Keraaminen kondensaattori, kerko Engl. ceramic capacitor Yleisin käytössä oleva kondensaattori Yleisin pintaliitoskondensaattori Läpiladottava (axial, radial) 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, 85 200 C 2015 Timo Dönsberg 9

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 2015 Timo Dönsberg 10

Kondensaattorit Esimerkki: Epcos metallized polypropylene fim-capacitor. 2015 Timo Dönsberg 11

2015 Timo Dönsberg 12

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 k 22 uf 1,5 k 33 uf 2,2 k 47 uf 3,3 k 4,7 k 2015 Timo Dönsberg 13

Vahvistimet ja lineaaripiirit 2015 Timo Dönsberg 14

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 2015 Timo Dönsberg 15

Operaatiovahvistin Oparin kotelointi Vahvistimia tyypillisesti 1-4 kpl DIP/DIL, SOIC, SOP jne. CMRR 50 130 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 MSOP8 2015 Timo Dönsberg 16

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 2015 Timo Dönsberg 17

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! NE5534 2015 Timo Dönsberg 18

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. 2015 Timo Dönsberg 19

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 2015 Timo Dönsberg 20

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 0,1-5 2015 Timo Dönsberg 21

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 4 15 2015 Timo Dönsberg 22

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 2015 Timo Dönsberg 23

Instrumentointivahvistin Instrumentation Amplifier Korkea sisääntuloimpedanssi Sovitetut sisäiset komponentit -> Korkea CMRR (100 130 db) Ei kannata rakentaa erillisistä opareista -> huono CMRR, kallis Vahvistus valitaan vastuksella (R G ) Käyttösovelluksia Pienen differentiaalisignaalin mittaus Siltamittaukset, virranmittaus Lääketieteelliset mittaukset (ECG) Hintaluokka 2-10 2015 Timo Dönsberg 24

Instrumentointivahvistin 2015 Timo Dönsberg 25

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 2015 Timo Dönsberg 26

Virranmittausvahvistin Kohde Instrumentointivahvistin Alipäästösuodatus f c = 885 khz Signaali A/D-muuntimelle Esimerkki Low side-virranmittausvahvistimesta. 2015 Timo Dönsberg 27

Virranmittausvahvistin Virranmittausvahvistin, valmis koteloitu laite. 2015 Timo Dönsberg 28

Virranmittausvahvistin 2015 Timo Dönsberg 29

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 2015 Timo Dönsberg 30