Mikroelektronika a villamossági eszközökben V. Integrált áramkörök (IC-k)
2014/10. lapszám | Porempovics József | 7986 |
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 cikksorozat eddigi részeiben az elektronikai áramkörök úgynevezett diszkrét alkatrészeivel kapcsolatos ismereteket frissítettük fel a leggyakoribb passzív és aktív eszközök fontosabb jellemzőinek bemutatásával. A tárgyalt eszközök valamelyike vagy többsége szinte biztosan megtalálható a magánéletben használt készülékekben (telefon, TV, mosógép stb.), de az elektronikával működő villamosipari eszközökben is.
Az is szinte biztos, hogy egy korszerűbb elektronikai panelre ránézve a felületszerelt alkatrészek között találunk kisebb-nagyobb, megbonthatatlanul zárt fekete „dobozkákat”, melyek vékony, egymás mellett sorban sorakozó fényes lábakkal „állnak” a nyomtatott áramköri lemezre forrasztva. Ezek az alkatrészek az úgynevezett integrált áramkörök, röviden IC-k (Integrated Circuit). A IC-kkel kapcsolatos fontosabb ismereteket frissítjük a következőkben.
Az integrált áramkör egy nagyon kisméretű áramkör, mely jellemzően egyetlen félvezető lapkán van kialakítva, így egy tokozáson belül valósul meg a teljes áramköri funkció – ezt jelenti tulajdonképpen az integráltság (megj.: léteznek többlapkás IC-k is). Az IC-k áramköreinek alapalkatrészei a tranzisztorok, melyeket magán a félvezető lapkán alakítanak ki. Egy ilyen lapkán akár több millió tranzisztor is lehet, de processzoroknál nem ritka a milliárdos nagyságrend sem. Természetesen ellenállásokat, kondenzátorokat, ritkábban induktivitásokat, de diódákat és vezetőket is tartalmaznak az áramkörök, mindez szintén a lapkán kialakítva.
Az integrált áramkörök azon túl, hogy kis helyen valósítanak meg nagy funkciósűrűséget, több előnnyel rendelkeznek a hagyományos áramkörökkel szemben. Többek között az integráltságnak és az egy lapkán történő kialakításnak köszönhetően lényegesen megbízhatóbbak, nagyon alacsony fogyasztásúak és nagy működési sebességre képesek, de nem utolsó szempont az elektronikai készülékek tömeggyártásában betöltött szerepük sem. IC-k nélkül nem lehetne pl. olcsó mobiltelefont előállítani, a méretekről nem is beszélve. Az integrált áramkör nagy térhódításának kezdete 1952-re tehető, amikor egy Geoffrey Dummer nevű brit tudós felvetette a tranzisztorok egy lapkán történő kialakításának lehetőségét (az első tranzisztor: 1947-48!). Az első IC-t Jack Kilby készítette a Texas Instrumentsnél 1958-ban, még germánium lapkára. A jobb tulajdonságokkal rendelkező szilíciumot Robert Noyce használta elsőként, nem sokkal Jack Kilby IC-jének megjelenése után.
A tranzisztorok egyre kisebb méretben történő megvalósítása egyre bonyolultabb integrált áramkörök létrehozását teszi lehetővé. A technológia nagyon gyors fejlődésével kapcsolatban Gordon E. Moore, az Intel egyik alapítójának Moore-törvényként is említett gondolata szerint az integrált áramkörökben lévő tranzisztorok száma minden 18. hónapban megduplázódik. Ez 1965-ben jelent meg. Amit egy mai hétköznapi ember is lát, az az, hogy egyre bonyolultabb és egyre többet tudó készülékek jelennek meg szinte a „csodával” határos funkciókkal. Az integrált áramkörök egyik csoportosítási szempontja éppen a bonyolultságuk, ami az integrált tranzisztorok számával is mérhető. Az SSI, kis integráltságú áramkörök 100-nál kevesebb tranzisztort tartalmaznak, az MSI, közepes integráltságúak akár 300-at, az LSI áramkörök már akár 30 ezret, a VLSI áramkörök elérhetik az 1 milliót… és jönnek a nagyok: az ULSI több millió és a GSI egybilliónál is több tranzisztort rejthet. Az IC-kben általában MOS típusú tranzisztorokat használnak, többek között a kis helyigényük miatt.
A csoportosításnak egyéb szempontjai is vannak, de gyakorlati oldalról alapvetően analóg, digitális és kevert jelű (analóg és digitális) integrált áramköröket különböztetünk meg. Az analóg jelek digitalizálását végző áramkörök (A/D konverterek) fejlődése lehetővé teszi az analóg jelek digitális módon történő feldolgozását is, így a digitális integrált áramkörök alkalmazása van túlsúlyban. Az analóg IC-k közül a leggyakrabban használtak az úgynevezett műveleti erősítők (op-amp), nevüket az analóg számítógépekben régebben betöltött funkciójuk miatt kapták (pl. analóg jelek összegzése – összeadók). Szinte minden analóg jelet használó készülékben megtalálhatók, ahol erősítőként, jelformálóként, bementi illesztőként vagy akár szabályozóként is működhetnek. Az 1. ábra egy régi, de ma is bevált műveleti erősítőt, az UA741 típust mutatja. A belső felépítésből látható, hogy sok tranzisztort tartalmaz, de nem tartozik a nagy bonyolultságú áramkörök közé.
A tápegységek feszültségszabályozói szintén analóg IC-ket tartalmaznak, de különböző funkcionális analóg IC-k is léteznek, mint pl. az elektronikával foglalkozók népszerű NE555 típusú időzítő áramköre. Az IC-vel könnyedén, néhány külső alkatrész felhasználásával építhetünk időreléket, villogókat és egyéb áramköröket. A 2. ábra az NE555 időzítő IC egy tipikus alkalmazását mutatja, bal oldalon az úgynevezett monostabil multivibrátor alapkapcsolást, jobb oldalon pedig egy elengedés-késleltető áramkör konkrét kapcsolását relékimenettel. A 10 k -os potenciométerrel állítható a késleltetési idő, ami tulajdonképpen a hozzá tartozó ellenállásokkal a 10 µF kapacitású kondenzátor töltési idejét határozza meg, ami nem más, mint a késleltetési időtartam. A késleltetés a kapcsolás alkatrészeivel kb. 8-20 mp között állítható.
Alaphelyzetben, a tápfeszültség rákapcsolásakor a relé elengedett állapotban van, az IC 3-as kivezetésén logikai „H” szint, azaz közel a tápfeszültség értéke jelenik meg, és mivel a relé másik tekercskivezetése szintén „H” szinten van, a relé nincs meghúzva. A LED viszont világít. A START gombot megnyomva indul az időzítés, azaz a kondenzátor feltöltése. A 3-as kimeneten „L” szint, azaz a GND potenciál mérhető, így a relé meghúz, a LED elalszik. A beállított időtartam leteltekor a relé elenged.
A kondenzátor és az ellenállások értékeinek az IC-re megengedett határok közötti módosításával más időtartományokban is működhet az áramkör. A bemeneti nyomógomb helyébe akár nyitott kollektoros kimenet is kerülhet, melyet egy megelőző elektronika vezérel. Megoldható a hálózati feszültséggel történő vezérlés is, ha jelszintillesztő áramköröket használunk, esetleg optocsatolóval megvalósított galvanikus leválasztással. Az NE555 időzítővel még találkozunk a következő cikkekben. A digitális integrált áramkörök nagy családjába logikai áramkörök, funkcionális IC-k, mikrovezérlők és mikroprocesszorok tartoznak. A logikai IC-k pl. az úgynevezett kapuáramkörök, melyek egy vagy több bemenettel rendelkeznek, és meghatározott logikai műveletet hajtanak végre. Az ÉS, VAGY, NEM-ÉS (NAND), NEM-VAGY (NOR), XOR stb. logikai műveletekre külön IC-k kaphatók, egy tokozásban pl. négy darab NAND kapu. Az IC-k között vannak multiplexerek, számlálók, léptetők, flip-flopok és egyéb funkcionális kombinációs vagy sorrendi hálózatok.
 |
 |
 |
A 3. ábrán összehasonlításként látható egy feladat kétféle elvi megoldási lehetősége. A feladat, hogy minden bemeneti gombnyomásra (impuzusra) a 4 kimenetből csak a soron következő legyen aktív, tehát 4 kimenetből sorba kapcsoljuk be a kimeneteket egymás után, úgy, hogy közben az előző kimenetet kikapcsoljuk. A 3. ábra bal oldali részlete relék reteszelésével ad elvi megoldást. A kapcsolás lelke egy két relékimenetű impuzusrelé, ahol a relék minden bemeneti impulzusra más-más állapotot vesznek fel a bináris számláncnak megfelelően (1. táblázat). A negyedik impulzus után elölről kezdődik a kimenetek kapcsolgatása. A két több érintkezős relé tulajdonképpen ezt a binárisan 4-ig számlálást alakítja át decimálissá a jelek váltóérintkezők által történő reteszelgetésével. A működés viszonylag egyszerűen kihámozható a kapcsolásból.
A 3. ábra jobb oldalán egyetlen digitális IC található (logikai vázlat, belső kapcsolás), ami egy 4017 típusú CMOS decimális számláló. Az egyenlőségjel természetesen csak logikailag tehető ki, mert ez az áramkör pl. mindent elvégez, ami szükséges a kimenetek sorban, egymás utáni be/ki kapcsolásához és a bemeneti impulzusok feldolgozásához, viszont a bemeneteket ugyanúgy illeszteni kell, tápfeszültséget is igényel még, és relékimeneteket is,… ebben az esetben 4 darab relét. Ha árban nézzük, akkor is max. a fele lenne ez az IC-vel megvalósított áramkör a relésének, és megúszhatnánk a váltóérintkezős reteszeléseket, hiszen az IC ezt megoldja odabenn a tokban. Igaz, kicsit bonyolultabb a belső világa ennek az IC-nek, de a szilíciumlapkán ez mikroméretekben és olcsón előállítható (3. ábra, jobbra lenn a belső felépítés).
Sajnos a logikai funkciók sokasága hiányzik a villamossági eszközök kínálatából, hasonló több relés megoldásokat muszáj kitalálni, megalkotni, vagy programozható relét, illetve PLC-t kell használni, ami árban kicsit növelheti a végeredményt. A mikrovezérlők és mikroprocesszorok (CPU) már nagy bonyolultságú integrált áramkörök (sőt, GSI!). A kettő közötti alapvető különbség, hogy a mikrovezérlő egy tokban tartalmaz minden funkcionális áramkört, ami egy számítógéphez szükséges, így tekinthetjük egytokos kompakt számítógépnek. A 4. ábra egyenlőségjele természetesen itt is csak a funkcionális egyenlőséget takarja, jelezve a mikrovezérlők használhatóságát. A mikrovezérlőben egy tokban van a procesz-szormag, az adat- és programmemória, a bemeneti és kimeneti periféria, és a címzésekhez szükséges áramkörök is. Sok esetben magát az ütemadó oszcillátort is tartalmazza, így minimális külső alkatrész felhasználásával egy chip egy komplett kis számítógépet alkot. Több mikrovezérlő-típusnál csak tápfeszültség, egy jó program beleégetve és néhány külvilágot illesztő áramkör szükséges egy komplett programozott „kütyü” megalkotásához.
A mikroprocesszor nem tartalmazza a fentieket, külső alkatrészekkel kell megoldani minden kapcsolatot a külvilággal és a memóriákkal, sőt a memóriákat is külön kell beépíteni. Nem érdemes viszont nagyon belemenni az összehasonlításba, hiszen nem egymást kiváltó alkatrészekről van szó, annak ellenére sem, hogy mikroprocesszorral építhető olyan áramkör, ami a mikrovezélő funkcióit látja el – ez maga a számítógép –, de nem abban a méretben, nem azon az áron. Fordítva ez nem teljesen valósítható meg, tehát mikrovezérlővel nem tudunk klasszikus mikroprocesszoros számítógépet építeni, mert a mikrovezérlők memória- és perifériacímei általában nem érhetők el kívülről, így bővíthetőségük sem lehetséges. A mikrovezérlők szerényebb képességűek, mint a mikroprocesszorral felépített számítógépek, bár gyártanak már gyors digitális jelfeldolgozásra képes mikrovezérlőket is, melyek komplex központként vezérelnek működési folyamatokat, közben pedig akár érintőképernyős TFT kijelzőt is meghajtanak.
A hagyományosnak tekinthető villamossági eszközök legtöbbje ma már digitális jelfeldolgozással működik, és ezt általában mikrovezérlő-vel valósítják meg. Az időrelék, kapcsolóórák, alkonykapcsolók, lépcsőházi automaták, dimmerek, feszültség- és áramfigyelők, folyadékszint-szabályozók, termosztátok áramköreit mikrovezérlők teszik komfortosabbá, megbízhatóbbá, amellett, hogy egyik-másik analóg áramkört, analóg IC-t is tartalmaz műveleti erősítő vagy éppen feszültségstabilizátor formájában. A mikrovezérlők többsége egyébként tartalmaz programozható analóg perifériákat, kommunikációs portokat és sok integrált funkciót, melyek megkönnyítik, leegyszerűsítik a tervezést és a gyártást. Fentiek miatt ezek az eszközök viszonylag kedvező áron megkaphatók az üzletekben, a kisebbek akár 100-200 Ft-os áron is elérhetők.
