Mikroelektronika a villamossági eszközökben II.
2014/6. lapszám | Porempovics József | 6422 |
Figylem! Ez a cikk 11 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A villamossági eszközök áramköreit is alkotó elektronikai, mikroelektronikai alkatrészekkel kapcsolatos, előző lapszámban megkezdett ismeretfrissítő információk sorát folytatva most áttekintjük az aktív alkatrészeket. Természetesen továbbra sem cél a mikroelektronika mélységeiben búvárkodni, főleg nem elméleti síkon tudományoskodni, és az sem cél, hogy sorra vegyük a teljes alkatrésztípus-kínálatot.
A folytatásban továbbra is csak a legjellemzőbben alkalmazott alkatrészek, típusok alaptulajdonságaival foglalkozunk, ezért senki ne keresse pl. az összes tranzisztorfajta felsorolását.
Az aktív alkatrészek jellemzően félvezetők. A „félvezető” elnevezés abból adódik, hogy ezek az alkatrészek olyan anyagból, pl. szilíciumból készülnek (más anyaggal ötvözve), melyek vezetési tulajdonságai (fajlagos ellenállásuk) a „vezetők” és „szigetelők” között vannak. A különböző anyagokkal történő ötvözés és a kialakított réteges szerkezet (PN-átmenetek) adja a vezérelhetőséget és az alkalmazhatóságot.
Az első részben már elkezdtük az aktív alkatrészek bemutatását a diódákkal. Kimaradtak viszont a diódafajták fotói és rajzjelei – utóbbi fontos a kapcsolási rajzok értelmezése miatt –, ezt az 1. ábrán pótoljuk, a teljesség igénye nélkül, csak a leggyakoribb alkatrészeket bemutatva, így természetesen elég sok, speciálisabb célra használható típus is kimaradt, melyeket egy-egy alkalmazás során említünk majd meg.
A Graetz-híd nem egy külön diódafajta, hanem négy dióda összekapcsolása a rajzon látható módon, elsősorban tápegységekben alkalmazzák a váltakozó feszültség kétutas, kétütemű egyenirányításra. A Zener diódák és a normál diódák külsőleg általában ugyanúgy néznek ki, sokszor csak a ráírt típuskód alapján lehet megkülönböztetni őket. A LED diódák öt alapszínben kaphatók: piros, zöld, sárga, fehér és kék, függetlenül attól, hogy burkolata esetleg nem a dióda által kiadott fény színe, hanem áttetsző vagy opálos. LED dióda továbbá még az infra távirányítókban használt IR dióda is, mely az infra fény tartományában „világít”, így szemmel nem érzékeljük (esetleg mobiltelefon kamerájával), némely típusnál sötétlilás burkolat szűri a kiadott infra fényt, de gyártják áttetsző burkolattal is. Nem szerepel az ábrán a fényérzékelőként használható fotodióda sem, melynek egyes típusai az IR tartomány érzékelésére alkalmasak, így IR vevők szenzoraiként használják, pl. televíziókban.
A sorban logikusan következő félvezető a tranzisztor (transfer-resistor), mely alapvetően általában három kivezetéssel („lábbal”) rendelkező félvezető. Talán az egyik leggyakrabban használt diszkrét félvezető eszköz, mivel nagyon széleskörű az alkalmazhatósága. Legyen az analóg vagy digitális áramkör, tranzisztorral nagy valószínűséggel találkozunk benne. Alkalmas kapcsolásra, jelek erősítésére, szabályozásra, hajtástechnikára, logikai funkciókra, rádiófrekvenciás jelekhez, oszcillátorokhoz, fényérzékeléshez, sok-sok más áramköri feladathoz és nem utolsó sorban a „fekete dobozok”, vagyis az integrált áramkörök akár több milliót is tartalmazhatnak belőle egy tokozásban. A különböző feladatokhoz különféle tulajdonsággal rendelkező tranzisztorokat gyártanak az alkalmazás körülményeinek megfelelő kivitelben, tokozással.
Alapvetően bipoláris és unipoláris (vagy térvezérlésű) tranzisztorokat különböztethetünk meg. Az egyik különbség közöttük maga a mikrostruktúra működési elve, melyre az elnevezések is utalnak. A bipoláris tulajdonképpen azt jelenti, hogy a tranzisztor működésekor két típusú töltéshordozók „dolgoznak”, az elektronok és a lyukak, vagyis a negatív és pozitív töltéshordozók egyaránt. Az unipoláris elnevezés pedig azt takarja, hogy a működést egynemű töltéshordozók biztosítják. Az unipoláris tranzisztorok egyben térvezérlésűek is, ez utóbbi pedig arra utal, hogy a tranzisztor két pontja közötti áramvezetést egy vezérelhető térre adott feszültség határozza meg, mely az alkatrész harmadik kivezetése. A térvezérlésű tranzisztorok ismertebb elnevezése a FET (Field Effect Transistor = térvezérlésű tranzisztor). A térvezérlésű tranzisztorok több előnnyel is rendelkeznek a bipoláris tranzisztorokhoz képes. A könnyebb gyárthatóság mellett az integrált áramkör-technikában fontos szerepe van a kis helyigénye miatt, ezért lehetséges a kisméretű IC-k lapkáira több millió tranzisztort „bezsúfolni”. A felhasználás szempontjából pedig fontos tulajdonság, hogy meglehetősen nagy a bemeneti ellenállásuk, ami azt eredményezi, hogy gyakorlatilag szinte teljesítmény nélkül, feszültséggel vezérelhetők, így nem jelent gondot a kis áramot biztosító IC-k kimeneteivel történő meghajtásuk.
A 2. ábrán látható néhány tipikus tranzisztortokozás, alattuk a kapcsolási rajzokon használt szimbólum.
A bipoláris tranzisztorok tehát három kivezetéssel rendelkeznek: B – bázis, E – emitter és C – kollektor. A bázis kivezetésen keresztül lehet megfelelő feszültséggel és árammal vezérelni a tranzisztort. Az emitter, mint jelforrás vagy „kibocsájtó”, a kollektor, mint „gyűjtő” értelmezhető, melyek a töltéshordozók mozgásának irányát jelentik – ezt jelölik a nyilak is a rajzjeleken. Tranzisztorok kétféle belső struktúrával készülnek a PN-átmenetek sorrendjétől függően (a PN a pozitívan és negatívan szennyezett félvezető réteget jelenti a kristályban – nem cél, így nem is megyünk mélyebben bele a kristályszerkezet működésébe), így megkülönböztetünk PNP és NPN tranzisztorokat. Mivel a dióda is PN-átmenet, ezért a tranzisztor felfogható két sorba kötött diódának is (3. ábra), melynek közepe a bázis – persze a működése más –, viszont a bipoláris tranzisztorok gyors ellenőrzését elvégezhetjük, ha a B-E és a B-C pontokat egy-egy diódaként mérjük. Természetesen olyan műszerre van szükség, amelyik eleve rendelkezik ilyen mérés lehetőségével, vagy ellenállásmérőt használunk, mely legalább a dióda nyitóirányú feszültségével mér.
A tranzisztor többféle üzemmódban működtethető, melyek közül az úgynevezett lineáris üzemmódot elsősorban erősítésre, szabályozásra alkalmazzák, pl. hangfrekvenciás jelekhez vagy feszültségszabályozókban stb. (ezzel itt nem foglalkozunk). Számunkra leginkább a kapcsolóként, jelillesztőként történő alkalmazása ismertebb. Ebben az üzemmódban a tranzisztor két állapotban lehet – ahogy egy kapcsoló is –, nyitott vagy zárt. Nyitott állapotban NPN tranzisztor esetében a bázis és az emitter-kivezetések között, vagy mondhatjuk a B-E diódán nyitóirányú feszültség van, ami szilíciumdiódáknál kb. 0,6-0,7 V egyenfeszültség.
A kapcsoló jellegű működést a 4. ábrán egy LED dióda vezérlésével mutatjuk be, 12 V-os DC tápfeszültségről. Alaphelyzetben, vagyis az S1 kapcsoló nyitott állapotában a tranzisztor bázisa az R2 ellenálláson keresztül a GND (0 V) pontra kapcsolódik, így a B-E dióda nem kap nyitóirányú feszültséget (nincs meg a 0,7 V). A tranzisztor így zárt állapotban van, ezért az emitter- és kollektorpontok között nem folyik áram, tehát a LED nem világít. Az S1 kapcsoló zárásakor a tranzisztor bázisa az R1 és R2 ellenállások által leosztott pozitív feszültségre kapcsolódik (UKi = Ube x R2/R1+R2), ezzel nyitja a B-E diódát. A tranzisztor „telítésbe” megy, vagyis teljesen kinyit, és a kollektorpontja az emitterpont potenciáljára, vagyis nulla voltra kapcsolódik. A LED közvetlenül kapja a tápfeszültség pozitív potenciálját az anódjára, míg a katódra a tranzisztor kollektor-pontja az R3 ellenálláson keresztül csatlakozik, tehát ha a kollektor nulla potenciálon van, akkor a LED világítani fog. Az R3 ellenállás áramkorlátozó szerepet tölt be, ami pl. 12 V-nál, ha 1k , akkor kb. 12 mA áramot jelent a LED-en.
Az 5. ábra szerinti kis áramköri átalakítással és a LED helyébe egy 12 V-os egyenfeszültségű tekerccsel rendelkező relét betéve máris relévezérlést alakíthatunk ki. A reléhez nem kell az R3 ellenállás, mert maga a relé tekercse, mint ellenállás megoldja az áramkorlátozást, ami most nem a relé szempontjából, hanem inkább a tranzisztor miatt fontos. A tápfeszültség és a relétekercs ellenállásának hányadosa adja a tranzisztoron átfolyó áramot (I=U/R), tehát olyan tranzisztort kell alkalmazni, amelyik ezt az áramot károsodás nélkül átengedi. Általában a nyomtatott áramkörbe ültethető relék viszonylag nagy ellenállásúak, ezért kis áramfelvétellel bírnak, így a meghajtó tranzisztor hűtőborda nélkül is képes működni, nem melegszik fel a tűrési határain túl. Ellenkező esetben gondoskodni kell a megfelelő hűtőborda beszereléséről. A relével párhuzamosan kapcsolt dióda a tekercs tulajdonságából adódóan szükséges a tranzisztor védelmében. Kikapcsoláskor nagy feszültséglökések keletkeznek a tekercsen, ezt az ilyenkor létrejövő áramot zárja rövidre a dióda. Ez az áram ellentétes irányú az áramkörben folyó áraméval, ezért van fordítva bekötve a dióda – másként egyébként sem lehetne, mert szinte teljes rövidzárat okozna, és nagy valószínűséggel tönkremenne a dióda és a tranzisztor is.
Ha a kollektor köréből teljesen kivesszük a terhelést, tehát se relé, se LED nem kapcsolódik hozzá, akkor a jól ismert nyitott kollektoros kimenetet kapjuk (7. ábra). A nyitott kollektoros kimenet a különböző potenciálú áramkörök között biztosíthat „átjárást”, mivel a kimenet nem kapcsolódik a kimeneti tranzisztort vezérlő, működtető áramkörhöz, legfeljebb csak a GND pontok közösek. Ez persze csak NPN-es nyitott kollektoros kimenetre vonatkozik, PNP-s nyitott kollektoros kimenetnél fordítva van. Gyakran előfordul közelítéskapcsolók, egyéb érzékelők, PLC-k vagy más perifériák kimeneteként. Az R ellenállás lehet egy relé is, ami működhet más feszültségről is, mint a vezérlő áramkör. A alkalmazás során feltétlen figyelembe kell venni a kimeneti tranzisztoron átengedhető áramot az előzőkben leírtak szerint. A kimeneti tranzisztor védelmében az ilyen áramkörök jellemzően eleve tartalmaznak a tranzisztor emitter–kollektor pontja közé kötött Zener diódát.
A bipoláris tranzisztorok meghajtásához szükséges áramot a meghajtó fokozat biztosítja, ami sok esetben egy kisáramú kimenet. A nagyobb teljesítmények kapcsolásához ezért az úgynevezett Darlington-kapcsolást alkalmazzák (6. ábra), mellyel nagy áramerősítést lehet elérni a vezérlés szempontjából. Az áramkört úgy vehetjük, mint egy módosított tranzisztor, mely természetesen emitterrel, bázissal és kollektorral is rendelkezik, valamint beköthető NPN vagy PNP tranzisztorokkal egyaránt. Egyébként kapható egy tokozásban összeépítve is. A Darlington-tranzisztor viszonylag nagy bemeneti impedanciája kisebb terhelést jelent az őt vezérlő jelforrásnak, így integrált áramkörökkel is viszonylag egyszerű működtetni.
A következő részben folytatjuk a tranzisztorok világának körbejárását.
