Rakenduselektroonika

Sisukord

Sisukord 1
1. Võimendid 2
1.1. Võimendite liigid ja neid iseloomustavad parameetrid 2
1.1.1. MSV (madal sagedus võimendid) 2
1.1.2. Alalispinge võimendid 2
1.1.3. Ribavõimendi 3
1.1.4. Lairiba võimendi 3
1.3. Võimendamisel tekkivad moonutused 4
1.4. Mittmeastmelised võimendid 5
1.5. Lõppvõimendid 7
1.6. Vastastakt võimendi 8
1.6.1 Vastastakt võimendi Parameetrid 11
1.7. Tagasiside võimendites 13
Meeldetuletus ! 14
1.7.1. Tagasiside lülitusi 15
1.8. Inverteeriv võimendi 16
1.9. OP-võimendi rakendusi 17
1.9.1. Summeeriv võimendi 17
1.9.2. Lahutav võimendi 17
1.9.3. Helisagedusvõimendi 17
1.9.4. Komparaator 18
1.10. OP-võimendi sageduskarakteristikud 19
1.11. OP-võimendite liigid 20
2. Generaatorid 21
2.1. RC ahelad . 21
2.2. LC Ahelad 22
2.3. Kvarts ahelad 23
3. Inpuls tehnika elemendid 24
3.1. Impulside moonutumine RC ahelas 26
3.2. Piirikud 28
3.3. Multivibraatorid 30
3.4. Ootemultivibraator 32
4. Kontaktivabad lülitid 33
5. Kolmefaasilised alaldid 35
6. Reguleeritavad alaldid 36
7. Reguleeritava alaldi töötamine vastu elektomotoorjõu 38
7.1. Komutatsioon 39
7.2. Vahelduvpinge regulaatorid 40
7.3. Alalispinge muundurid ehk regulaatorid 41
7.4. Muutuva voolu suuunaga kahe kvatandiline muundur 42
7.5. Vaheldid 43

1. Võimendid

1.1. Võimendite liigid ja neid iseloomustavad parameetrid

Võimendi on seade, mis suurendab signaali pinget, voolu või võimsust kusjuures see protsess peab toimuma võimalikult ilma signaali moonutusteta. Võimendamise protsess toimub toiteallika energia arvel ja sellest tulenevalt me võime vaadelda võimendit kui regulaatorit või ventiili, mis juhib toiteallika võimsust tarbijasse kooskõlas signaali muutustega.
Võimendeid liigitatakse mitmesuguste tunnuste alusel. Nii võib liigitada võimendeid sõltuvalt sellest millist võimendus elementi kasutatakse vastavalt sellele on olemas lampvõimendid, transistor võimendid ja intergraal võimendid.
Sõltuvalt sellest kas põhiliseks võimendatavaks parameetriks on pinge, vool või võimsus eristatakse pinge, voolu ja võimsus võimendeid. Väga levinud on liigitada võimendeid eel- ja lõppvõimenditeks. Eelvõimendi ülesandeks on suurendada signaali pinget või voolu sel määral, et sellest piisaks lõppvõimendi tüürimiseks ehk võib ka öelda et eelvõimendi väljund ühendatakse lõppvõimendi sisendiga. Lõppvõimendi ülesandeks on arendada koormusel nõutavat signaali võimsust, ehk lõppvõimendi väljund ühendatakse alati koormustakistusega ja lõppvõimendi peab olema kujundatud nii, et ta suudaks arendada koormustakistuses nõutavat võimsust.
Järgmine liigitus liigitab kasutus otstarbe järgi. Kuna kasutus otstarbest sõltub olulisel määral ka võimendilt nõutav amplituudi sagedus karakteristika, siis on ka selle karakteristika kuju võimendite liigituse aluseks.

1.1.1. MSV (madal sagedus võimendid)

Madal sagedus ehk ka helisagedus võimendid leiavad kasutamist helisignaalide võimendamisel. Sellest tulenevalt on nad vahelduvpinge võimendid, mis toimivad sagedus piirkonnas 20Hz kuni 20kHz, mõnikord ka kõrgemal.

1.1.2. Alalispinge võimendid

Alalispinge võimendid on laialt levinud võimendid automaatika süsteemides, sest väga palju automaatikas kasutatavad andurid arendavad väljundpingena alalispinget. Tüüpnäide: termopaar , mille välund on 10 kuni 40mV, mis vajab kasutamiseks kindlasti võimendit. Oluliseks tunnuseks alalispinge võimendile on see et alumis sagedus piir peab olema null. Ülemine sageduspiir on tavaliselt mõni kilohertz ja see peab olema nii kõrge seepärast, et võimendi peab regeerima ka kiiretele signaali muutustele. Ülemise sageduspiiri konkreetne väärtus sõltub kasutusvaldkonnast.

1.1.3. Ribavõimendi

Ribavõimendi võimendab signaale ainult teatud kindlas sagedus vahemikus. Sagedusest f1 kuni sageduseni f2. Kusjuures see võimendatav ribalaius võib sõltuvalt kasutusalast olla erinev ja ka võimendatavate sageduste väärtus võib samuti olla erinev sõltuvalt kasutusvaldkonnast. Näiteks katla leegi signaal on sageduspiirkonnas 10 kuni 40 hertzi ja sellise riba võimendus asub leegi regulaatoris.
Eriti kitsa ribaga võimendeid kasutatakse raadio tehnikas vastuvõtja häälestamiseks soovitavale jaamale st. need võimendid peavad olema ümber häälestatavad. Tavalised valitakse selektiivseteks võimenditeks ja kui nad baseeruvad häälestatavatel võnkeringidel, siis ka resonants võimenditeks.

1.1.4. Lairiba võimendi

Lairiba võimendit kasutatakse impuls signaalide võimendamisel, sest impulsilised pinged koosnevad harmoonilistest ja kui soovitakse, et impulsi kuju võimendamisel ei moonutuks tuleb võrdeliselt võimendada kõiki hormoonilisi. Taoliste sageduste karakteristika on kujult sarnane madalsagedus karakteristikaga, kuid võimendatav sagedusriba on märksa laiem st. alumine piirsagedus madalam (10Hz ringis) ja ülemine piirsagedus kõrgem ulatudes MHz piirkonda.
1.2. Võimendustegur – väljundsignaali suhe sisend ja väljund signaali vahel ; ;
; ;
Võimendatav sagedusriba so. signaali võimendamise sagedus vahemik, mille ulatuses võimendus tegur ei lange alla kokkuleppelist piiri ja see kokkuleppeline piir on enamasti 0,7K0

Väljundvõimsus – (Pvälj) so. signaali sageduslik võimsus, mida võimendi on võimeline arendama koormustakistuses ja millele on projekteeritud lõppvõimendi, ning mille juures signaali moonutuste määr ei ületa lubatut. Tuntakse keskmise võimsuse mõistet so. võimsus mida võimendi on võimeline arendama pidevalt ja impuls ehk hetkvõimsuse mõistet. See on võimsus mida võimendi on võimeline arendama signaali tipp-hetkedel.
Nimisisendsignaal – so. sisendsignaali amplituud väärtus, mille juures võimendi arendab väljundis nimivõimsust ja millele võimendi on projekteeritud.
See on takistus millega võimendi mõjutab sisendsignaali allikat. Teine on väljundtakistus so. kujutletav takistus mis on väljundpinge sisendgeneraatori takistus.
Sisendtakisti määrab põhiliselt võimendus element, kuid seda mõjutavad ka tööpunkti fikseerimise takistused. On soovitav et sisendtakistus oleks võimalikult suur, sest mida suurem on sisendtakistus, seda vähem koormab ta signaali allikat. Väljundtakistuse väärtus sõltub lõppastmes kasutatavatest võimenduselementidest. Selleks et tarbijale antav signaali võimsus oleks maksimaalne, peab väljundtakistus võrduma tarbija takistusega.

1.3. Võimendamisel tekkivad moonutused

Võimendamisprotsessil võivad tekkida kahesugused moonutused: lineaarmoonutused, ehk sagedusmoonutused, mille põhjustajaks on lülituses leiduvad sagedusest sõltuvad elemendid so. kondensaatorid ja intuktiivsused. Nende toimel hakkab väljundsignaal sõltuma signaali sagedusest, kusjuures võib muutuda nii signaali amplituud, kui ka faas. Amplituudi moonutused avalduvad võimendusteguri sõltuvusest signaali sagedusest.
Nii näiteks tekivad helisagedus võimenditel võimendusteguri langused nii madalatel kui kõrgetel sagedustel . Faasi moonutused avalduvad faasi sagedus karakteristikul. Inimkõrv signaali moonutusi ei taju ja seetõttu pole nad helisagedus võimenditel olulised. Võimendi ... võimendi alumine sagedus piir ja võimendi ülemine sageduspiir. Mittelineaar moonutused avalduvad signaali hetkväärtuse erinevas võimendamises ja selle põhjuseks on võimendus elementide so. transistoride mitte lineaarsus. Nii näiteks kui tööpunk on valitud liiga madalale nii, et töökäik satub sisendtunnusjoone mittelineaarsesse osase, siis võimendatakse signaali erinevaid poolperioode erineval määral. Tulemusena muutub siinuseline signaal mittesiinuseliseks. Teatavasti sisaldavad kõik mittesiinuselised signaalid harmoonilisi, ning tulemusena tekivad väljundsignaali komponendid, mis sissendsignaalis puuduvad. Mida rohkem on moonutatud signaale st. mida rohkem ta erineb siinuselisest, seda rohkem on signaalis harmoonilisi. Mittelineaar moonutuste määra iseloomustatakse mittelineaar moonutuste teguriga . I1 on esimese harmoonilise vool jne.
Kvaliteetse võimendite puhul ei tohi olle harmooniliste moonutused olla üle 1%. Vähemkvaliteetsel üle 3%. Kõnesignaalidel on lubatud 8% ja üle selle muutub kõne raskesti mõistetavaks.

1.4. Mittmeastmelised võimendid

Kuna tavaliselt üks võimendusaste ei anna piisavalt võimendust, siis kasutatakse mitmeid astmeid, millised on lülitatud nii, et esimese astme väljundsignaal antakse teise astme sisendisse, selle väljund omakorda kolmanda võimendi sisendisse jne. Astmete vahel võib olla sidestus ahel, mille ülesandeks võib olla eraldada alalisvooluliselt üksikud astmed (Sisestusahel laseb läbi ainult vahelduv signaali). Teiseks ülesandeks on sobitada erinevate astmete sisend ja väljundtakistusi nii, et saavutataks maksimaalse võimsusega signaali edastamine . Vastavalt sellega, millist sidestusahelat kasutatakse, kasutatakse kolme liiki võimendeid.
RC sidestus ahel, kus sidestus ahelaks on RC ahel, mis alalissignaali läbi ei lase, küll aga laseb läbi vahelduv signaali. Teine võimalus on jätta sidestus ahel ära, ning seljuhul on meil tegemist otseses sidestuses võimendiga. Kolmas võimalus on kasutada sidestus ahelas trafot.
Seljuhul on meil trafo otsesidestus. Trafo sidestuse eripäraks, on võimalus tagada sisendi ja väljundi takistuste ideaalne sobitatus trafo ülekandeteguri valikuga. Kasutatakse seda võimalust põhiliselt lõppastmete sisendeis
ja väljundeis.
Sidestusahel on .. on astmete vaheline (CS1 kuni CS3)
RC ahela takistus aga konkreetselt elemendina puudub. Sellena toimel võimendusastme sisendtakistus, mis moodustub võimendus elemendi sisend takistusest ja temaga signaali suhtes paraleelselt jäävatest tööpunkti takistustest. On ilmne et võimendi alumis võimenduspiiri määrab sidestusahela ajakonstant, kuna astme sisendtakistus ei ole vabalt valitav, siis elemendiks , mille valikust sõltub alumine sageduspiir on sidestus kondensaator . Võimendi ülemine võimenduspiir sõltub põhiliselt kasutatavate transistoride sagedusomadustest so. võimenduse piir sagedus ehk transiitsagedus.
Ühendades otseselt esimese astme kollektori teise astme baasiga tekib prakitiliselt oht, et teise astme transistor läheb küllastusse, kuna tema baas saab liiga kõrge pinge, ning võimendi lakkab võimendamast. Samas on võimendi kasutamine vägagi ahvatlev, sest terve rida elemente jääb ära, ning vähenevad ka sagedus moonutused. Ereiti oluline on see mikroelektroonikas, sest senini ei osata valmistada intergraalselt suure mahtuvuslisi kondensaatoreid. Prakitilise realiseerimise võimaluseks on kasutada esimesest astmest kõrgemat tööpunkti, kuna seljuul väheneb kollektori ja emiteri vaheline pinge, ning võime vältida teise astme küllastumist.
Kahjuks kaasneb ka kõrgema tööpunktiga ka kõrgem voolu tarve . Küllalt levinud on otsese sidestusdioodide kasutamine.
Dioodide kastamine otseses sidestuses põhineb dioodi tunnusjoone kujul, millest tulenevalt on dioodi alalispingeline pingelang 0,7 kuni 1V, vahelduvpingeline aga mitte rohkem kui 0,1V. Kasutades kahte dioodi (võib ka rohkem) vähendame nende abil eelmise astme kollektorilt tulevat pinget kuni 2V ja sellest võib piisata teise astme küllastuse vältimiseks. Samal ajal tekib küll mõningane signaali kadu, mis ei ületa 0,2V. Otsesidestus on ainsaks võimaluseks kui on vaja võimendada alalispinge signaale, sel juhul tuleb ära jätta ka sisendis ja väljundis olev sidestus kondensaator.

1.5. Lõppvõimendid

Lõppvõimendi väljund ei ole ühendatud mitte järgmise astme sisendiga, vaid sinna ühendatakse koormustakisti, milleks on signaali tarbiv objekt. Selleks võib olla valjuhääldi, relee või servomootori mähis. Kõik need elektrilised objektid on vaadeldavad koormustakistustena. Selle koormsutakistuse väärtus võib olla küllalti erinev. Alates mõnest oomist kuni mõni tuhande oomini. Selleks et tarbijale anda maksimaalselt võimsust peab võinedusastme väljundtakistus olema ligikaudu võrdne või parem veel kui päris värdne koormus takistusega. Lõppvõimendites kasutatavate võimsate transitoride väljundtakistus sõltub transistori tüübist. Ulatub kümmnekonnast oomist mõnesajani. Taoliste väljund ja koormustakistuste sobitamiseks kasutatakse lõppvõimenditel väljund trafot, milline võib erandjuhul ka puududa , kui transistori väljundtakistus ja koormustakistus on lähedased.
Trafo sekundaar mähisega ühendatud RL kandub primaarpoolele kantud takistusena, mille väärtus sõltub ülekande tegurist ;
Kui koormustakistus on väljundtakistusest väiksem, siis tuleb kasutada pinget vähendavat trafot nii, et taandatud takistus on siis tegelikusest koormustakistusest suurem, seda taandatud takistust me võime kujutleda primaarmähise asemel toimivana. Juhul kui koormustakistus on väljundtakistusest suurem, tuleb kasutada pinget tõstvat trafot.
Elektrilises režiimis on trafo sidestuse korral erinevusi seetõttu, et kollektorahelas ei toimi nüüd mitte alalisvooluline pingelang, vaid primaarmähisel voolu muutustest indutseeritud.
Kui sisendsignaal puudub, siis määrab töörežiimi transitoris tööpunkti vool ja toitevool, ning sel juhul on kolektori ja emiteri vaheline pinge võrdne toitepingega. Kui sisendsignaali toimel hakkab vool suurenema primaarmähise induktiivsus seda suurem on takistus tekib elektromotoorjõud, mille toimel kolektori ja emiteri vaheline pinge väheneb. Kui sissendsignaali vähenemisel tekib kolektorvoolu vähenemine, siis muudab emj. polaarsust, ning kolekori ja emiteri vaheline pinge suureneb, seega võime öelda et RC sidestuses võimendi ja trafo sidestuses oleva võimendi erinevus on selles, et RC sidestuse korral saadakse kolektorpinge muundused pinge langu muutustena takistustel. Trafo sidestuse korral aga emj. jõu muutustena primaarmähisel.
Vaadeldud lõppvõimendi on vähelevinud, sest tema kasutegur on madal. Kasutegurit arutatakse väljundvõimsuse ja toiteallikas kasutavate võimsuste suhet . Vaadeldaval võimendil ei ületa kasuteur 30% . Madala kasuteguri põhjuseks on kõrge tööpunkt ja sellest tulenevalt tarvitav moodul .

1.6. Vastastakt võimendi

Sisendtrafo T1 on kahe otstarbega. Esiteks ta tekitab sisendpingest kui kaks vastaspinget, ning teiseks tema ülekande teguriga on võimalik sobitada eelvõimendi väljundtakistust lõppvõimendi sisendtakistusega.
Trafo asemel kasutatakse mõnikord ka sama ülesandega elektroonika lülitusega, mida nim. faasi lülituseks (selle otstarbega on erinevaid lülitusi). .. lõppastmega tööpunk transitori sulgumise piiridel nii, et signaali puudumisel on transistoride vool väga väike. Vastasfaasiliste sisendsignaalide toimel avatakse transistorid kordamööda, nii avaneb esimesel poolperioodil VT1, samal ajal on aga VT2 suletud, kuna tema baasil mõjub negatiivne signaal. Järgmisel poolperioodil töörežiimid vahetuvad, VT1 suletakse ja VT2 avatakse. Erinevates suundades ja tulemusena induktseeritakse sekundaarmähises ja tarbijas tavaline vahelduv signaal. Taolise lültise kasutegur on kõrge. Üle keskmise .. sest tänu madalale tööpunktile (sulgumise piiril on tarbitav vool väike). Vastastak töötab aint sel juhul kui mõlemad tema õlad on võrdsete omadustega st. transistorid peavad olema võrdsete vooluvõimendus teguritega, ning sisend, ning väljundtrafod peavad olema valmistatud rangelt sümeetriliselt. Helivõimendite korral on võimalik vältida väljundtrafot, kuna standartseks valjuhääldi takistuseks on 8Ω. Selle lähedane on ka transistori väljundtakistus. Ilma väljund trafota vastatab lülituste realiseerimiseks on kaks võimalust. Kas kasutatada kahte toiteallikat, või suuremahtuvuslist kondensaatorit.
OP-võimendiks nim. Tavaliselt intergraal lülitusena teostavat universaalset võimenduselementi, millel on kaks sisendit , üks väljund ja mida toidetakse sümeetrilise alalispingega.
Plussiga tähistatud sisendid nim. mitte inverteerivateks sisenditeks ja sinna antud signaal põhjustab väljundis samafaasilise väljundpinge, st. võimendise protsessis signaali faas ei muutu. Inverteerimis võimendit nim. inverteerivaks sisendiks, ning sinna antud signaal põhjustab väljundis vastasfaasilised signaalid. See tähendab võimendamise käigus signaali faas muutub 180˚. Ideaalse OP-võimendi võimendatav sagedus piirkond peaks olema lõppmata lai st. algab nullist, ehk teisiti öeldes ta on põhimõtteliselt alalispinge võimendi. Ülemine sagedus piir peaks olema võimalikult kõrge, kuid ta sõltub OP-võimendi tüübist võib reaalselt ulatuda mõnekümne megahertzini. Sisendtakistus peaks olema lõppmata suur, kuid sõltuvalt kasutavatest võimendus elementidest on reaalselt mõnekümmnest kilooomist kuni kümne megaoomini. Võimendustegur peaks olema lõppmata suur, kuid on reaalselt kakskümment tuhat kuni sadatuhat. Väljundtakistus peaks olema null. Reaalselt on mõnest oomist mõnesaja oomini sõltuvalt lülituse kujundusest. Peale selle peaks ideaalne OP-võimendi olema mõlemad sisendid suhtest võimalikult sümmetriline, st. samasuguste omadustega. Kuna praktiliselt saavutatud parameetrid on ideaalsele üsna lähedased, siis lihtsustatud vaatlemisel vaadeldakse enamasti OP-võimendid ideaalse võimendina.
Läbiv tunnusjoonelt nähtud, et kui kasutada sisendsignaalina alalispinget, siis mitteinverteeriva sisendi korral ei muutu signaali polaarsus . Inverteeriva sisendi korral aga muutub polaarsus. Väljundpinget muutub sisendpinge muutumisel kuni teatud piirideni, milles alates tekib sõltuvalt sisendist kas positiivne või negatiivne küllastus. Seejuures on maksimaalne väljundpinge üsna lähedane toite pingega st. kunagi pole võimalik saada OP-võimendist väljundpinget mis oleks toitepingest suurem. Kuna OP-võimendi on põhimõtteliselt alalispinge võimendi, sest muidu ei ole võimalik et alumine sageduspiir oleks null, siis temas saaks kasutada ainult otsese sidestusega võimendus astmeid. Otsese võimendi korral aga esineb mõningaid probleeme, mis tingivad tavalisest erinevaid lahendusi. Üks probleem on triiv mis avaldub sellest et sisendpinge puudumisel tekib meil ikkagi väljundis mingi pinge. See tuleneb sellest, et peale signaali on ka teisi tegureid mis võivad põhjustada kolektorvoolu muutusi, ning nendest olisemaid on temperatuuri muutused ja toite pinge muutused. Väljundis ei ole meil aga mingit võimalust eristada kas signaali muutuse on põhjustanud sisendsignaal. Temperatuur või hoopiski võrgupinge kõikumine. Mõõtevõimendite korral põhjustab triiv otse mõõtepea ja ainsaks võimaluseks selle toime elimineerimiseks on vähendada triivi põhjuseid sedavõrd, et ta jääks lubatud vea piiridesse