Что такое операционный усилитель
ОУ — интегральная микросхема (ИМС), основным предназначением которой является усиление значения постоянного тока. Она имеет только один выход, который называется дифференциальным. Этот выход обладает высоким коэффициентом, усиливающим сигнал (Kу). ОУ в основном применяются при построении схем с отрицательной обратной связью (ООС), которая при основной ТХ по усилению и определяет Kу исходной схемы. ОУ применяются не только в виде отдельных ИМС, но и в разных блоках сложных устройств.
У ОУ 2 входа и 1 выход, а также есть выводы для подключения источника питания (ИП). Принцип действия операционного усилителя прост. Существует 2 правила, взятых за основу. Правила описывают простые процессы работы ИМС, происходящие в ОУ, и как работает ИМС, понятно даже чайникам. На выходе разность напряжений (U) равна 0, а входы ОУ почти не потребляют ток (I). Один вход называется неинвертирующим (V+), а другой является инвертирующим (V-). Кроме того, входы ОУ обладают высоким сопротивлением (R) и практически не потребляют I.
Чип сравнивает значения U на входах и выдает сигнал, предварительно усиливая его. Kу ОУ имеет высокое значение, достигающее 1000000. Если произойдет подача низкого U на вход, то на выходе возможно получить величину, равную U источника питания (Uип). Если U на входе V+ больше, чем на V-, то на выходе получится максимальное положительное значение. При запитывании положительным U инвертирующего входа на выходе будет максимальная величина отрицательного напряжения.
Смотрите это видео на YouTube
Основным требованием для работы ОУ является применение двухполярного ИП. Возможно применение однополярного ИП, но при этом возможности ОУ сильно ограничиваются. Если использовать батарейку и принять за 0 ее плюсовую сторону, то при измерении значений получится 1,5 В. Если взять 2 батарейки и соединить их последовательно, то произойдет сложение U, т.е. прибор покажет 3 В.
Если принять за ноль минусовой вывод батарейки, то прибор покажет 3 В. В другом случае, если принять за 0 плюсовой вывод, то получается -3 В. При использовании в качестве нуля точки между двумя батарейками получится примитивный двухполярный ИП. Проверить исправность ОУ можно только при подключении его в схему.
Характеристики
Технические свойства этого биполярника на удивление хороши, даже по сегодняшним меркам. К сожалению, в даташит современного производителя КТ315, представлена только основная информация. В них не найти графиков, отражающих поведение устройство в различных условиях эксплуатации, которыми наполнены современные технические описания на другие подобные устройства от зарубежных производителей.
Максимальные характеристики
Максимальные значения допустимых электрических режимов эксплуатации КТ315 до сих пор впечатляют начинающих радиолюбителей. Например, максимальный ток коллектора может достигать уровня в 100 мА, а рабочая частота у некоторых экземпляров превышает заявленные 250 МГц. Его более дорогие современники из серии КТ2xx/3xx, даже имея металлический корпус, не могли похвастаться такими показателями. КТ315 был долгое время своеобразным техническим лидером, пока ему на смену не пришёл усовершенствованный КТ3102. Рассмотрим максимально допустимые электрические режимы эксплуатации КТ315, в корпусе ТО-92, белорусского ОАО «Интеграл». В конце обозначения таких приборов присутствует цифра «1».
Основные электрические параметры
Будьте внимательны, несмотря на свои достаточно хорошие характеристики, КТ315 не может конкурировать с современными устройствами по некоторым параметрам. Так у современной серии КТ315, как и 50 лет назад, относительно небольшой диапазон рабочих температур от — 45 до + 100°C. А коэффициент шума (КШ) достигает 40 Дб, что уже много для современного устройства, предназначенного для усиления в низкочастотных трактах.
Классификация
Кроме основных параметров, в техническом описании можно найти распределение устройств по группам. Таблица классификации дает представление о параметрах всей серии КТ315. Используя её можно подобрать нужное устройство, путем сравнения основных характеристик всей серии.
Комплементарная пара
У КТ315 имеется комплементарная пара – КТ361. Эти устройства довольно часто применялись вместе, особенно в бестрансформаторных двухтактных схемах. Совместное применение данной пары безусловно вошло в историю российской электроники.
Основные характеристики и параметры транзисторов
Классификация транзисторов. Проводимость, усиление, параметры, определяющие мощность, допустимое напряжение, частотные и шумовые свойства транзистора.
Транзистор, в общем понимании этого слова – это полупроводниковый прибор, как правило, с тремя выводами, способный усиливать поступающий на него сигнал. Выполняя функции усиления, преобразования, генерирования, а также коммутации сигналов в электрических цепях, в данный момент транзистор является основой подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем.
На принципиальных схемах транзистор обычно обозначается латинскими буквами «VT» или «Q» с добавлением позиционного номера (например, VT12 или Q12).
В отечественной документации прошлого века применялись обозначения «Т», «ПП» или «ПТ». Преобладающее применение в промышленных и радиолюбительских конструкциях находят два типа транзисторов – биполярные и полевые. Какими они бывают?
ОСНОВНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ, ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРОВ.
Основная классификация, определяющая область применения транзисторов, ведётся по: исходному материалу, на основе которого они сделаны, структуре проводимости, максимально допустимому напряжению, максимальной мощности, рассеиваемой на коллекторе, частотным свойствам, шумовым характеристикам, крутизне передаточной характеристики (для полевых) или статическому коэффициенту передачи тока (для биполярных транзисторов) . Рассмотрим перечисленные пункты классификации более детально.
По исходному полупроводниковому материалу транзисторы классифицируются на: — германиевые (в настоящее время не производятся); — кремниевые (наиболее широко представленный класс); — из арсенида галлия (в основном СВЧ транзисторы) и др.
По структуре транзисторы классифицируются на: — p-n-p структуры – биполярные транзисторы «прямой проводимости»; — n-p-n структуры – биполярные транзисторы «обратной проводимости»; — p-типа – полевые транзисторы с «p-типом проводимости»; — n-типа – полевые транзисторы с «n-типом проводимости». В свою очередь, полевые транзисторы подразделяются на приборы с управляющим p-n-переходом (JFET-транзисторы) и транзисторы с изолированным затвором (МДП или МОП-транзисторы).
По параметру мощности транзисторы делятся на: — транзисторы малой мощности (условно Рmах — транзисторы средней мощности (0,3 — мощные транзисторы (Рmах >1,5 Вт). Также косвенным показателем мощности транзистора является параметр максимально допустимого тока коллектора (Iк_max).
По параметру максимально допустимого напряжения Uкэ или Uси транзисторы делятся на: — транзисторы общего применения (условно Uкэ_mах — высоковольтные транзисторы (Uкэ_mах > 100 В). У современных биполярных и полевых транзисторов параметр Uкэ_mах (Uси_mах) может достигать нескольких тысяч вольт!
По частотным характеристикам транзисторы делятся на: — низкочастотные транзисторы (условно Fгр — среднечастотные транзисторы (3 — высокочастотные транзисторы (30 — сверхвысокочастотные транзисторы (Fгр > 300 МГц); Основным параметром, характеризующим быстродействия транзистора, является граничная частота коэффициента передачи тока (Fгр). Косвенным – входная и выходная ёмкости. Для транзисторов, разработанных для использования в ключевых схемах, также может указываться параметр задержки переключения (tr и ts).
По шумовым характеристикам транзисторы делятся на: — транзисторы с ненормированным коэффициентом шума; — транзисторы с нормированным коэффициентом шума (Кш).
Коэффициент передачи тока (h21 – для биполярного транзистора) и крутизна передаточной характеристики (S – для полевого) являются одними из основных параметров полупроводника. От него зависят как качественные показатели транзисторного усилительного каскада, так и требования, предъявляемые к предыдущим и последующим каскадам.
Однако давайте будем считать эту статью вводной, а углубляться и подробно рассуждать о влиянии тех или иных параметров на работу и поведение биполярного или полевого транзистора будем на следующих страницах. Полный перечень статей, посвящённых описанию работы транзистора, а также расчётам каскадов на полевых и биполярных полупроводниках, приведён в рубрике «Это тоже может быть интересно».
Применение в промышленности
Инструментальные усилители также находят применение в промышленной автоматизации, где многие системы используют электрический ток для пороговых измерений и удаленного управления системами. В начале двадцатого века промышленные комплексы использовали давление воздуха для удаленного управления машинами, используя 3-15 фунтов на квадратный дюйм в качестве полного диапазона, где давление 3 фунта на квадратный дюйм представляют 0%, система включена, а давление 15 фунтов на квадратный дюйм – 100%. Всё, что меньше 3 фунтов на квадратный дюйм, означало, что система отключена или нестабильна, и вызывало тревогу. Сейчас промышленным стандартом является использование постоянного тока, аналогичного давлению воздуха, с диапазоном от 4 до 20 мА. Между прочим, если вы когда-нибудь задумывались, что это за кнопка на многих наших мультиметрах с надписью «4-20 мА», теперь вы знаете. В этом применении ток измеряется так, чтобы два удаленно подключенных устройства могли обмениваться данными, даже если у них разные заземления. Чтобы это работало, выходной усилитель линии передачи должен работать очень линейно по отношению к входному сигналу и подавлять любые помехи, вызванные несовпадением потенциалов земель; идеальный кандидат для этого – инструментальный усилитель. Ниже представлена упрощенная схема измерительного усилителя, используемого в этом применении, – схема, известная как передатчик токовой петли.
Рисунок 5 – Передатчик токовй петли
На этом рисунке U1 представляет линию передачи с потерями, а R2 – устройство на приемной стороне, которое преобразует ток в некоторую команду или значение измерения.
В дополнение к этому применению в промышленности, контроллеры больших двигателей также включают в себя измерительные усилители. Обычно используемые для измерения тока в H-мосте, входы инструментального усилителя, не имеющие привязки к земле, идеально подходят для драйверов двигателей, поскольку двигатели обычно электрически не связаны с землей.
Преобразователь сети сабвуфера
Прибор создан на драйвере КА7500. Существует блокировка перенапряжения, идет отключение, если на входе U больше 15 В. Защита недостающего напряжения уберегает от чрезмерного разряда, драйвер отключается при падении постоянного напряжения до 9 В.
Защита тока предотвращает от неисправностей транзисторов, защищает всю схему. Индикация диода зеленого цвета показывает работу в нормальном режиме, диод красного цвета сигнализирует отключение драйвера. Плавный пуск по схеме дает возможность плавно запустить преобразователь, хотя на выходе большие емкости.
Трансформатор можно изготовить самому, взять готовый от компьютера. Используются выходы на 12 и 5 В, коэффициент трансформации 2,4. Если подается напряжение 14 вольт на линию в 5 В, то получается больше в 2,4 раза. На линии 12 В выходит напряжение 33 В для питания усилителя. Частота тока переключения 50 Гц, изменяется установкой емкости.
Полевые транзисторы можно заменить мощностью выше 100 Вт на выходе.
Транзистор, который включен по схеме с общим эмиттером
В данной конфигурации вывод эмиттера является общим между выводами входа и выхода, как показано на рисунке 9. Эта конфигурация обеспечивает среднее полное сопротивление на входе, среднее полное сопротивление на выходе, средний коэффициент усиления тока и коэффициент усиления напряжения.
Рисунок 9 Схема с общим эмиттером
Характеристики входа
Рисунок 10 показывает характеристики входа для данной конфигурации, которая объясняет изменение в IB в соответствии с VBE, где VCE является постоянной.
Рисунок 10 Характеристики входа
Исходя из рисунка, сопротивление на входе может быть представлено как:
Характеристики выхода
Характеристики выхода у такой конфигурации (Рисунок 11) также рассматриваются как характеристики коллектора. Этот график показывает изменение в IC с изменениями в VCE, когда IB удерживается постоянной. Исходя из графика, можно получить сопротивление на выходе следующим образом:
Рисунок 11 Характеристики выхода
Характеристики передачи тока
Эти характеристики данной конфигурации показывают изменение IC с IB, удерживающим VCE в качестве постоянной. Это может быть математически выражено как:
Это соотношение рассматривается как коэффициент усиления тока с общим эмиттером, и оно всегда больше единицы.
Рисунок 12 Характеристики передачи тока
Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.
Применение в измерениях
Одно из применений этих схем – измерение сигналов датчиков и преобразователей. Инструментальные усилители превосходно извлекают очень слабые сигналы из шумной среды; поэтому они часто используются в схемах, в которых используются датчики, измеряющие физические параметры. Для измерения давления тензодатчики часто используются с инструментальными усилителями, поскольку тензодатчики обычно «висят в воздухе», то есть они не имеют прямого соединения с землей. А инструментальный усилитель может усиливать сигналы без привязки к земле, потому что он усиливает только разницу между двумя входами. Тензодатчики часто используются в схеме моста Уитстона, который является очень распространенным примером формирования дифференциального сигнала без привязки к земле; данная схема изображена ниже, где R2 – изменяющийся элемент, создающий дифференциальное напряжение между узлами C и B.
Рисунок 3 – Мост Уитстона
Со схемой инструментального усилителя можно работать практически с любым датчиком; термопары, фотодиоды, термисторы, даже обычный кремниевый диод можно использовать в качестве простого датчика температуры, поместив его в схему моста, создающую входной сигнал для инструментального усилителя. Когда диод нагревается, прямое напряжение падает, создавая дифференциальный сигнал, который можно усилить. Причина, по которой схема моста так важна для датчиков и приборов, – это синфазный шум; схема с обычным операционным усилителем и датчиком на его входах будет работать как усилитель, но будет очень шумной. По этой причине инструментальные усилители так часто используются перед входами АЦП. Любой PIC-контроллер или Arduino имеет входы, которые можно настроить как аналоговые входы, но это несимметричные входы, которые не могут ослаблять синфазные сигналы. Инструментальный усилитель может извлекать и усиливать слабые сигналы датчиков из зашумленной среды и подавать чистый несимметричный выходной сигнал на АЦП
Это важно при работе с микроконтроллерами, так как любой дополнительный шум вызовет неустойчивое преобразование в дополнение к потере ценных битов АЦП
Область применения транзисторов 13001
Транзисторы серии 13001 разработаны специально для применения в преобразовательных устройствах небольшой мощности в качестве ключевых (переключающих) элементов.
- сетевые адаптеры мобильных устройств;
- электронная пускорегулирующая аппаратура люминесцентных ламп малой мощности;
- электронные трансформаторы;
- другие импульсные устройства.
Нет принципиальных ограничений на использование транзисторов 13001 в качестве транзисторных ключей. Также можно применять данные полупроводниковые приборы в усилителях низкой частоты в случаях, где не требуется особое усиление (коэффициент передачи по току у серии 13001 по современным меркам невелик), но в этих случаях не реализуются довольно высокие параметры этих транзисторов по рабочему напряжению и их высокое быстродействие.
Лучше в этих случаях применить более распространенные и дешевые типы транзисторов. Также при построении усилителей надо помнить, что комплементарная пара у транзистора 31001 отсутствует, поэтому с организацией двухтактного каскада могут быть проблемы.
На рисунке приведен характерный пример использования транзистора 13001 в сетевом зарядном устройстве для аккумулятора переносного устройства. Кремниевый триод включен в качестве ключевого элемента, формирующего импульсы на первичной обмотке трансформатора ТР1. Он с большим запасом выдерживает полное выпрямленное сетевое напряжение и не требует дополнительных схемотехнических мер.
Температурный профиль для пайки бессвинцовым припоем
При пайке транзисторов надо соблюдать определенную осторожность, не допуская излишнего нагрева. Идеальный температурный профиль указан на рисунке и состоит из трех этапов:
- этап предварительного нагрева длится около 2 минут, за это время транзистор прогревается от 25 до 125 градусов;
- собственно пайка длится около 5 секунд при максимальной температуре 255 градусов;
- заключительный этап – расхолаживание со скоростью от 2 до 10 градусов в секунду.
Этот график сложно соблюсти в домашних условиях или в мастерской, да и не так это важно при демонтаже-монтаже единичного транзистора. Главное – не превышать максимально допустимую температуру пайки
Смотрите это видео на YouTube
Транзисторы 13001 имеют репутацию достаточно надежных изделий, и при условиях эксплуатации, не выходящих за установленные пределы, могут прослужить долго без отказов.
Описание, технические характеристики и аналоги выпрямительных диодов серии 1N4001-1N4007
Описание, характеристики и схема включения стабилизатора напряжения КРЕН 142
Как работает транзистор и где используется?
Как работает микросхема TL431, схемы включения, описание характеристик и проверка на работоспособность
Описание, устройство и принцип работы полевого транзистора
Описание характеристик, назначение выводов и примеры схем включения линейного стабилизатора напряжения LM317
Виды преобразователей частоты
Изобретение частотных преобразователей стало прорывом в приводах электрической машины. Изменился подход в конструировании систем приводов двигателей. Когда создавали сложную конструкцию регулирования значений момента и скорости, то за основу брали двигатели, работающие на постоянном токе. Автономные инверторы тока с двигателями переменного тока вытеснили моторы постоянного тока.
В электрических приводах двигатели короткозамкнутые, вытеснили двигатели с последовательным возбуждением постоянного тока.
Классы преобразователей частоты
Прибор, изменяющий напряжение определенной частоты входа в напряжение с другой частотой является преобразователем частоты.
Классы:
- Двухзвенные.
- Непосредственные.
Реверсивный частотник – непосредственный класс прибора. Преимущество состоит в прямом подключении без дополнительных сетевых приборов.
Тиристорный, транзисторный частотник – это двухзвенный инвертор. Он отличается от непосредственного инвертора. Для безопасной эксплуатации ему нужно звено постоянной величины. Для соединения с сетями общепромышленного вида нужен выпрямитель. Выпрямитель, частотник комплектуют совместно, для дальнейшей работы в одной управляющей системе.
Биполярный транзистор BD911 — описание производителя. Основные параметры. Даташиты.
Наименование производителя: BD911
Тип материала: Si
Полярность: NPN
Максимальная рассеиваемая мощность (Pc): 90
W
Макcимально допустимое напряжение коллектор-база (Ucb): 100
V
Макcимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер (Uce): 100
V
Макcимально допустимое напряжение эмиттер-база (Ueb): 5
V
Макcимальный постоянный ток коллектора (Ic): 15
A
Предельная температура PN-перехода (Tj): 150
°C
Граничная частота коэффициента передачи тока (ft): 3
MHz
Статический коэффициент передачи тока (hfe): 15
Корпус транзистора:
BD911
Datasheet (PDF)
..1. bd909 bd910 bd911 bd912.pdf Size:1149K _st
BD909/911BD910/912COMPLEMENTARY SILICON POWER TRANSISTORS STMicroelectronics PREFERREDSALESTYPESDESCRIPTION The BD909 and BD911 are silicon Epitaxial-BaseNPN power transistors mounted in Jedec TO-220plastic package. They are intented for use inpower linear and switching applications.The complementary PNP types are BD910 and32BD912 respectively.1TO-220INTERNAL
..2. bd905 bd906 bd907 bd908 bd909 bd910 bd911 bd912.pdf Size:122K _cdil
Continental Device India LimitedAn ISO/TS 16949, ISO 9001 and ISO 14001 Certified Company PLASTIC POWER TRANSISTORS BD 905, 907, 909, 911 NPN BD906, 908, 910, 912 PNP TO-220 Plastic PackagePower Linear and Switching ApplicationsABSOLUTE MAXIMUM RATINGS (Ta=25C unless specified otherwise )DESCRIPTION SYMBOL 905 907 909 911 UNIT906 908 910 912Collector -Emitter Voltage VCEO
..3. bd911.pdf Size:210K _inchange_semiconductor
isc Silicon NPN Power Transistor BD911DESCRIPTIONDC Current Gain -: h = 40@ I = 0.5AFE CCollector-Emitter Sustaining Voltage-: V = 100V(Min)CEO(SUS)Complement to Type BD912Minimum Lot-to-Lot variations for robust deviceperformance and reliable operationAPPLICATIONSDesigned for use in general purpose power amplifier andswitching applications.ABSOLUTE MAXIMUM
..4. bd909 bd911.pdf Size:166K _inchange_semiconductor
Inchange Semiconductor Product Specification Silicon NPN Power Transistors BD909 BD911 DESCRIPTION With TO-220C package Complement to type BD910 BD912 APPLICATIONS Intented for use in power linear and switching applications PINNING PIN DESCRIPTION1 Base Collector;connected to 2 mounting base 3 EmitterAbsolute maximum ratings (Ta=25) SYMBOL PARAMETER CO
0.1. stbd909 stbd911.pdf Size:570K _semtech
ST BD909 / ST BD911 NPN Complementary Silicon Power Transistors TO-220 Plastic PackageOAbsolute Maximum Ratings (Ta = 25 C) Value Parameter Symbol Unit ST BD909 ST BD911 Collector Base Voltage VCBO 80 100 VCollector Emitter Voltage VCEO 80 100 VEmitter Base Voltage VEBO 5 VCollector Current IC 15 ABase Currentt IB 5 AOTotal Power Dissipation @ TC 25 C Ptot 90 W
Другие транзисторы… BD901
, BD902
, BD905
, BD906
, BD907
, BD908
, BD909
, BD910
, BF422
, BD912
, BD933
, BD933F
, BD934
, BD934F
, BD935
, BD935F
, BD936
.
