A8B3IES Úvod do elektronických systémů..04 Ukázka činnosti elektronického systému DC/DC měniče a optické komunikační cesty Aplikace tranzistoru MOSFET jako spínače Princip DC/DC měniče zvyšujícího napětí Měření na měniči Aplikace měniče v elektronickém systému optické komunikační cestě Dodatek: Měřicí přístroje používané v A8B3IES Dodatek pro pokročilé: Průběhy napětí a proudů při spínání induktivní zátěže A8B3IES Optická komunikační cesta
Výkonový MOSFET - diskrétní Vysokého průrazného napětí U BRDSS (až 0 3 V) se dosáhne umístěním drainu na opačnou stranu Si destičky. A8B3IES Optická komunikační cesta
Výkonový MOSFET - diskrétní Vysoké mezní hodnoty I DMAX (až 5 A) při zachování malé hodnoty R DSON se dosáhne paralelním spojením 0 4 až 0 6 buněk. Důsledek: vysoká vstupní kapacita jednotky nf!!! DMOS musíme spínat z tvrdého zdroje napětí nebo proudu. A8B3IES Optická komunikační cesta 3
Prosté zapínání a vypínání Řízení výkonu/otáček = pulzně šířková modulace (PWM) Příklad výkonové aplikace MCU M +PWR SW I Z I Z I Z zapnuto PWM vypnuto t t A8B3IES Optická komunikační cesta 4
Prosté zapínání a vypínání Řízení výkonu/otáček = pulzně šířková modulace (PWM) Příklad výkonové aplikace MCU M +PWR SW I Z I Z I Z zapnuto PWM vypnuto t t Bipolární tranzistor (BJT) Přání: Zanedbatelný úbytek napětí spínače v sepnutém stavu = minimalizace statického ztrátového výkonu tranzistoru v sepnutém stavu, maximalizace účinnosti Maximální rychlost zapínání a vypínání = minimalizace dynamického ztrátového výkonu tranzistoru při zapínání a vypínání Minimální potřebný řídicí výkon = minimální zatížení řídicí jednotky A8B3IES Optická komunikační cesta Unipolární tranzistor (MOSFET) 5
Příklad výkonové aplikace BJT nebo MOSFET??? M +PWR MCU SW Bipolární tranzistor (BJT) Unipolární tranzistor (MOSFET) Malé U CE(sat) Pomalé zapínání/vypínání Velký trvalý proud I B NEVÝHODY PŘEVAŽUJÍ Malé R DS(on) Rychlé zapínání/vypínání Velký impulzní proud I G VÝHODY PŘEVAŽUJÍ A8B3IES Optická komunikační cesta 6
Příklad výkonové aplikace řídicí obvod nutný!!! +PWR M MCU Řídicí obvod SW Řídicí obvod +I G I G U GS C iss Řídicí obvod požadavky: Zapnutí: U GS 0V @ impulz +I G A/nF C iss Vypnutí: U GS 0V @ impulz I G A/nF C iss t r = t f 0 ns A8B3IES Optická komunikační cesta 7
Zjednodušený princip DC/DC zvyšujícího měniče napětí, aneb jak vyrobit z malého napětí VELKÉ NAPĚTÍ ON U DD Řídicí a regulační obvod Q L Z Řídicí obvod cyklicky zapíná a vypíná tranzistor Q Je li Q sepnutý, protéká proud indukčností L Z A8B3IES Optická komunikační cesta 8
Zjednodušený princip DC/DC zvyšujícího měniče napětí, aneb jak vyrobit z malého napětí VELKÉ NAPĚTÍ ON Řídicí a regulační obvod Q U DD OFF Řídicí a regulační obvod Q U DD Lz Z L Z L Z dt + U L di Řídicí obvod cyklicky zapíná a vypíná tranzistor Q Je li Q sepnutý, protéká proud indukčností L Z Při vypínání proudu (di/dt) na indukčnosti vznikne překmit napětí U Lz A8B3IES Optická komunikační cesta 9
Zjednodušený princip DC/DC zvyšujícího měniče napětí, aneb jak vyrobit z malého napětí VELKÉ NAPĚTÍ ON Řídicí a regulační obvod Q L Z U DD D C OFF Řídicí a regulační obvod L Z Q U DD + U D C Lz L Z di dt U > U DD Překmit napětí U Lz se usměrní přes D do C Na kondenzátoru C tak může být akumulováno napětí U v řádu stovek až tisíců voltů A8B3IES Optická komunikační cesta 0
Obvodové zapojení DC/DC zvyšujícího měniče napětí U Lz L Z di dt U > U DD A8B3IES Optická komunikační cesta
Jak dosáhnout co nejvyššího napětí U??? U Lz L Z di dt U > U DD Malý R Z velký proud I D U U DD U Lz U DD L Z di dt U DD ZVÝŠIT I LZ t SNÍŽIT D f R Z = 56 Ω R G = 0 Ω Malý R G rychlé nabíjení a vybíjení C iss krátká vypínací doba t f A8B3IES Optická komunikační cesta
Praktická realizace DC/DC zvyšujícího měniče napětí U =5 Vpp / 0 khz.. 00 khz R Z =56Ω R G =0 Ω U =. U CC U DD U U A8B3IES Optická komunikační cesta 3
Optická komunikační cesta Data IN Optoelektronický vysílač Optoelektronický přijímač Data OUT Napájení LASER nebo LED Fotodioda Napájení Příklady využití: Vysokorychlostní přenosy dat na velké vzdálenosti (internet, audio/video...) Přenosy dat na krátké vzdálenosti (distribuce dat v rámci budovy, automobilu, letadla...) Galvanické oddělení řídicích obvodů výkonových součástek Světelné efekty (světelná show, světýlka na vánočním stromečku...) A8B3IES Optická komunikační cesta 4
Data IN Optoelektronický vysílač Optická komunikační cesta Optoelektronický přijímač Data OUT Napájení LASER nebo LED Fotodioda Napájení Přenosy dat na velké vzdálenosti A8B3IES Optická komunikační cesta 5
Data IN Optoelektronický vysílač Optická komunikační cesta Optoelektronický přijímač Data OUT Napájení LASER nebo LED Fotodioda Napájení Přenosy dat mezi budovami a v rámci budov A8B3IES Optická komunikační cesta 6
Data IN Optoelektronický vysílač Optická komunikační cesta Optoelektronický přijímač Data OUT Napájení LASER nebo LED Fotodioda Napájení Přenosy dat v dopravních prostředcích A8B3IES Optická komunikační cesta 7
Data IN Optoelektronický vysílač Optická komunikační cesta Optoelektronický přijímač Data OUT Napájení LASER nebo LED Fotodioda Napájení 3.3V system 00V.. 0kV system Galvanické oddělení řídicích obvodů výkonových součástek A8B3IES Optická komunikační cesta 8
Data IN Optoelektronický vysílač Napájení Optická komunikační cesta LASER nebo LED Světelné efekty A8B3IES Optická komunikační cesta 9
Data IN Optoelektronický vysílač Napájení Praktická ukázka komunikační cesty LASER nebo LED Fotodioda Optoelektronický přijímač Napájení Data OUT LED Fotodioda A8B3IES Optická komunikační cesta 0
SW Napájení měnič z +.V na Blokové zapojení komunikační cesty J Napájení měnič z na 4.3V J -4.3V Generátor dat Data Data IN Vysílač BT.V NiMh D3 HFBR_5 Optický kabel Data OUT Přijímač U4 HFBR_5-4.3V LED Fotodioda Napájení Optický kabel Optoelektronický přijímač Data IN LED Optický kabel Optoelektronický vysílač A8B3IES Optická komunikační cesta
SW Napájení měnič z +.V na Konkrétní zapojení komunikační cesty J Napájení měnič z na 4.3V J -4.3V Generátor dat Data IN Vysílač BT.V NiMh D3 HFBR_5 Data Optický kabel Data OUT Přijímač U4 HFBR_5-4.3V LED Fotodioda Napájení : Napájí klopný obvod, vysílač a přijímač napětím Zapojení měniče z +,V na využito překmitu napětí při vypínání proudu indukčností Tranzistor Q nejdříve zapne proud indukčností L Poté proud vypne a na indukčnosti vznikne překmit napětí, který se usměrní přes D do C +V Princip funkce: Rb L 0uH V D V Q C A8B3IES Optická komunikační cesta
Konkrétní zapojení komunikační cesty Generátor dat Napájení měnič z +.V na Data OUT J Napájení měnič z na 4.3V D3 HFBR_5 LED -4.3V Optický kabel Přijímač Vysílač Data BT.V NiMh J Data IN SW -4.3V U4 HFBR_5 Fotodioda Napájení : U pin SW zapíná a vypíná proud indukčností L. Překmit napětí na L je usměrněn diodou D do kondenzátoru C. Zpětná vazba R/R U pin FB reguluje hodnotu výstup. napětí L 0uH U 8 3 C u/6v R3 0k J VIN SW SHDN LT60 5 D MBR050 COMP VC FB GND GND 6 4 7 Konkrétní zapojení: +V C u/6v R meg R 330K C3 0p A8B3IES Optická komunikační cesta 3
SW Napájení měnič z +.V na Konkrétní zapojení komunikační cesty J Napájení měnič z na 4.3V J -4.3V Generátor dat Data IN Vysílač BT.V NiMh D3 HFBR_5 Data Optický kabel Data OUT Přijímač U4 HFBR_5 Napájení : -4.3V LED Fotodioda Napájí klopný obvod záporným napětím 4,3V klopný obvod zapojení operačního zesilovače se symetrickým napájením Zapojení měniče z na 4,3V Využito principu nábojové pumpy s kondenzátory -4.3V Princip funkce: V C5 u V D_ V D_ V C6 u 0 0 0 A8B3IES Optická komunikační cesta 4
SW Napájení měnič z +.V na Konkrétní zapojení komunikační cesty J Napájení měnič z na 4.3V J -4.3V Generátor dat Data IN Vysílač BT.V NiMh D3 HFBR_5 Data Optický kabel Data OUT Přijímač U4 HFBR_5 Napájení : V napětí : nabije se kondenzátor C5 přes diodu D_ na napětí +4,65V -4.3V LED Fotodioda V napětí 0V: = kladný pin kondenzátoru C5 uzemněný kondenzátor C6 se nabije z C5 přes diodu D_ na napětí 4,3V -4.3V V 0 C5 + u V D_ V D_ 0 0 V C6 u + + V zapojení jsou použité diody kov polovodič, které mají úbytek v propustném směru 0,35V A8B3IES Optická komunikační cesta 5
Konkrétní zapojení komunikační cesty Generátor dat Napájení měnič z +.V na Data OUT J Napájení měnič z na 4.3V D3 HFBR_5 LED -4.3V Optický kabel Přijímač Vysílač Data BT.V NiMh J Data IN SW -4.3V U4 HFBR_5 Fotodioda Napájení : Generátor zapojení klopného obvodu s NE555 Konkrétní zapojení: 6 C7 33n TRG THR U NE555 O CV 3 5-4.3V 3 BAV99 D C8 00n 4 C5 u/6v R V+ DIS J GND 7 R4 k 8 C4 u/6v C6 u/6v A8B3IES Optická komunikační cesta 6
SW Napájení měnič z +.V na Konkrétní zapojení komunikační cesty J Napájení měnič z na 4.3V J -4.3V Generátor dat Data IN Vysílač BT.V NiMh D3 HFBR_5 Data Optický kabel Data OUT Přijímač U4 HFBR_5 Vysílač: -4.3V LED Fotodioda Vysílač je červená LED v šedivém pouzdru Pouzdro zajišťuje kvalitní styk LED a optického vlákna LED D3 potřebuje velký proud cca 00mA Tranzistor Q pracuje jako spínač klopný obvod totiž není možné přímo zatížit tak velkým proudem R8 70 D3 HFBR_5 Data IN R k V AKO Q BC87-5 A8B3IES Optická komunikační cesta 7
SW Napájení měnič z +.V na Konkrétní zapojení komunikační cesty J Napájení měnič z na 4.3V J -4.3V Generátor dat Data IN Vysílač BT.V NiMh D3 HFBR_5 Data Optický kabel Data OUT Přijímač U4 HFBR_5 Přijímač: -4.3V LED Fotodioda Přijímač je fotodioda v modrém pouzdru Pouzdro zajišťuje kvalitní styk fotodiody a optického vlákna Pokud fotodioda v U8 je osvícena optickým kabelem, NPN tranzistor v U8 je sepnutý. Přijatá data signalizuje LED4 Data OUT A8B3IES Optická komunikační cesta 8
DODATEK Měřicí přístroje používané v A8B3IES A8B3IES Optická komunikační cesta 9
Přístroje používané v A8B3IES Zdroj stejnosměrného napětí Oba přepínače vypnuté (= nezávislé zdroje U a U ) U U VYPÍNAČ U KOSTRA PŘÍSTROJE NEPOUŽÍVAT U Pevné napětí 5V/3A NEPOUŽÍVAT nelze nastavit proudové omezení A8B3IES Optická komunikační cesta 30
Přístroje používané v A8B3IES Multimetry voltmetr, ohmmetr V, Ω A8B3IES Optická komunikační cesta V, Ω 3
Přístroje používané v A8B3IES Digitální Osciloskop Volba položek v menu na obrazovce Volba zobrazení/menu kanálu / Automatická synchronizace a nastavení měřítka RUN živé zobrazení STOP paměť Kanál CH Úroveň synchronizace Synchronizační úroveň Kanál CH Posun vertikálně / horizontálně Měřítko a typ vazby (DC) kanálu CH Měřítko Signálový kanál CH časové osy Signálový kanál CH Zpoždění od času T A8B3IES Optická komunikační cesta Zdroj pro externí synchronizaci Měřítko vertikálně / horizontálně 3
Přístroje používané v A8B3IES Digitální Osciloskop nastavení vazby vstupního kanálu Střídavá vazba (AC) na vstupu CH Stejnosměrná vazba (DC) na vstupu CH Nulová úroveň průběhu CH A8B3IES Optická komunikační cesta 33
Přístroje používané v A8B3IES Digitální Osciloskop nastavení synchronizace Nastavení úrovně synchronizace Úroveň synchronizace A8B3IES Optická komunikační cesta 34
Generátor Přístroje používané v A8B3IES ZOBRAZENÍ KANÁLU - - nastavte CH U VÝSTUP SPOLEČNÝ VODIČ VÝSTUP CH (nepoužíváme) VÝSTUP CH A8B3IES Optická komunikační cesta VYPÍNAČ VÝSTUPNÍHO NAPĚTÍ ZAPNOUT!!! VÝSTUP SPOLEČNÝ VODIČ 35
DODATEK pro pokročilé Průběhy napětí a proudů při spínání induktivní zátěže A8B3IES Optická komunikační cesta 36
Výkonový MOSFET induktivní zátěž (.) Vypnutý stav: U GS = 0V I G =0A U DS = U DD = 5V I D =I DSS 0 (.) Sepnutí : U GS I G kladný impulz do vstupní kapacity ( C iss ) U DS I D (v závislosti na typu a velikosti zátěže) (3.) Sepnutý stav : U GS = 5 V I G = 0A U DS = I D R DS(on) I D = U DD /(R DS(on) +R Lz +R Z ) (4.) Vypnutí: U GS I G záporný impulz do vstupní kapacity ( C iss ) U DS I D (v závislosti na typu a velikosti zátěže) A8B3IES Optická komunikační cesta 37 U LZ = L z.di/dt překmit napětí U DS
Výkonový MOSFET induktivní zátěž (.) Vypnutý stav: U GS = 0V I G =0A U DS = U DD = 5V I D =I DSS 0 (.) Sepnutí : U GS I G kladný impulz do vstupní kapacity ( C iss ) U DS I D (v závislosti na typu a velikosti zátěže) (3.) Sepnutý stav : U GS = 5 V I G = 0A U DS = I D R DS(on) I D = U DD /(R DS(on) +R Lz +R Z ) (4.) Vypnutí: U GS I G záporný impulz do vstupní kapacity ( C iss ) U DS I D (v závislosti na typu a velikosti zátěže) A8B3IES Optická komunikační cesta 38 U LZ = L z.di/dt překmit napětí U DS
Výkonový MOSFET induktivní zátěž (.) Vypnutý stav: U GS = 0V I G =0A U DS = U DD = 5V I D =I DSS 0 (.) Sepnutí : U GS I G kladný impulz do vstupní kapacity ( C iss ) U DS I D (v závislosti na typu a velikosti zátěže) (3.) Sepnutý stav : U GS = 5 V I G = 0A U DS = I D R DS(on) I D = U DD /(R DS(on) +R Lz +R Z ) (4.) Vypnutí: U GS I G záporný impulz do vstupní kapacity ( C iss ) U DS I D (v závislosti na typu a velikosti zátěže) A8B3IES Optická komunikační cesta 39 U LZ = L z.di/dt překmit napětí U DS
Výkonový MOSFET induktivní zátěž (.) Vypnutý stav: U GS = 0V I G =0A U DS = U DD = 5V I D =I DSS 0 (.) Sepnutí : U GS I G kladný impulz do vstupní kapacity ( C iss ) U DS I D (v závislosti na typu a velikosti zátěže) (3.) Sepnutý stav : U GS = 5 V I G = 0A U DS = I D R DS(on) I D = U DD /(R DS(on) +R Lz +R Z ) (4.) Vypnutí: U GS I G záporný impulz do vstupní kapacity ( C iss ) U DS I D (v závislosti na typu a velikosti zátěže) A8B3IES Optická komunikační cesta 40 U LZ = L z.di/dt překmit napětí U DS