Operační zeslvače Operační zeslvače jsu především základním stavebním prvkem každéh analgvéh elektrnckéh systému Většna elektrnckých lgckých systémů, na jejchž vstupech a výstupech jsu analgvé sgnály vyžaduje pužtí peračních zeslvačů Pdbně zpracvání audvzuálních sgnálů je vázán na pužtí peračních zeslvačů Obr Nejběžnější uspřádání vstupních výstupních svrek peračníh zeslvače Ideální perační zeslvač má v běžné knfgurac, pdle br, dva vstupy a jeden výstup pdle V tmt uspřádání zeslvač zesluje rzdíl vstupních napětí pdle vztahu: u 0 = AOL ( u u ) = AOLud Pkud takvý zeslvač aplkujeme v lneárních systémech, může výstupní napětí dsahvat knečných hdnt puze tehdy, bude-l u d 0 Napak pr deální perační zeslvač, zapjený v lneárním systému se záprnu zpětnu vazbu, můžeme pr přměřenu přesnst výpčtu předpkládat shdné napětí na bu vstupech Zapjíme-l např nenvertující vstup peračníh zeslvače na perační zem, ptm na nvertujícím vstupu se zapjenu záprnu zpětnu vazbu bude rvněž ptencál perační země, když s perační zemí není galvancky spjen Obvykle se tmut jevu říká vrtuální zem Některé další vlastnst deálníh peračníh zeslvače Nulvá výstupní mpedance Z O tím je zaručena nezávslt výstupníh napětí na zetěžvací mpedanc Neknečně velká vstupní mpedance Z n zeslvání je nezávslé na vntřním dpru zdrje Pr psuzení přensvých vlastnstí je dbru pmůcku statcká charakterstka Pr případ deálníh peračníh zeslvače je statcká charakterstka na br u O
Obr Statcká charakterstka deálníh a reálnéh peračníh zeslvače Ideální perační zeslvač má zesílení A OL Reálný perační zeslvač má knečné zesílení V lneární blast zeslvání, která je pdle br hrančena saturačním A OL napětím pr bě plarty OS +, OS, lze určt knečné zesílení tevřené smyčky: Δu AOL = 0 Δu Některé další vlastnst reálných peračních zeslvačů Frekvenční vlastnst peračníh zeslvače -- reálný perační zeslvač má jak každý reálný fyzkální bjekt v pdstatě prprcnálně ntegrační charakter Ve jmenvatel přensu takvéh zeslvače je něklk závrek s různým časvým knstantam a prt může mít frekvenční charakterstka něklk krtckých frekvencí zlmu Tyt změny sklnu ampltudvé část frekvenční charakterstky zvyšují rzdíl fáze mez výstupem a vstupem zeslvače Pkud je zesílení zeslvače A OL ( s) > a rzdíl fáze překrčí 80, překrčí se fázvá bezpečnst a zeslvač je nestablní Je prt žáducí, aby vhdným krekčním zásahy d knstrukce zeslvače byl dsažen stavu, který lze ppsat přensem AOL AOL () s = Prτ 0 0 τ s + se jedná přens deálníh peračníh zeslvače Rychlst přeběhu S (sleew rate) defnuje u zeslvače max rychlst změny výstupníh ΔuO napětí v čase Je tedy defnván S = Rychlst přeběhu S suvsí velm úzce se Δt zkreslením harmnckých tvarvých napětí které zeslvač zesluje Rychlst přeběhu suvsí velm úzce s pjmem mezní výknvá frekvence f Mezní výknvá frekvence d f m je maxmální frekvence snusvéh sgnálu, př které lze na výstupu ještě získat bez zkreslení maxmální ampltudu ± OS Přechdvá charakterstka reálnéh peračníh zeslvače -- Pužjeme-l pr základní úvahy jednduchý dynamcký mdel, zeslvač s tevřenu smyčku se ptm chvá O ( s) AOL jak člen se zpžděním prvéh řádu ve tvaru AOL () s = = Se zapjenu () s τ Os + zpětnu vazbu a s případným pužtím slžtějšíh dynamckéh mdelu peračníh zeslvače bude přechdvá charakterstka pněkud slžtější Na br3 je přechdvá charakterstka deálníh peračníh zeslvače Zpždění určuje časvá knstanta vlastníh zeslvače τ O Přechdvá charakterstka reálnéh zeslvače má becně tvar pdle druhé m
křvky Na křvce defnujeme něklk časvých úseků Dbu, kdy výstupní napětí dsáhne 0% ustálené hdnty výst napětí O nazýváme t - dba zpždění dezvy, dba mez 0% d a 90% ustálené hdnty nazýváme tr - dba náběhu a knečně dbu t s, měřenu d knce dby náběhu (90% O ) d dby, kdy zvlnění výstupníh napětí je v ε klí ustálené hdnty výstupníh napětí O nazýváme dba ustálení Hdnta ε se vlí nejčastěj 0,0 ε 0, v rzsahu: ( ) O O Obr 3 Přechdvá charakterstka deálníh a reálnéh peračníh zeslvače Vstupní kldvé prudy peračníh zeslvače Na rzdíl d deálníh peračníh zeslvače teče d vstupů reálnéh zeslvače jstý velm malý, ale ne vždy zanedbatelný vstupní kldvý prud I b+ a I b Tyt prudy dsahují v případě bplární technlge zeslvače 0,0 až μa V katalzích se běžně nazývají "Input Bas Currents" Vstupní prudvý ffset I OS (vstupní prudvá nesymetre) Tat velčna určuje rzdíl mez běma vstupním prudy I b+ a I b Pdle vztahu je I = OS I b+ I b Prtže ba vstupní kldvé prudy jsu jstu funkcí teplty a vstupníh napětí, defnuje se I OS bvykle pr tepltu 5 C a nulvé výstupní napětí Přblžně platí vztah I b+ + I b I OS 0,5 Vstupní napěťvý ffset (vstupní napěťvá nesymetre) -- Prt případu deálníh peračníh zeslvače, vstupní prudvý ffset v knkrétním zapjení vyvlá nenulvé napětí O př nulvém dferenčním napětí d na vstupech Vstupní napěťvá nesymetre (vstupní napěťvý ffset) je tedy defnvána jak hdnta napětí na vstupu, př kterém je výstupní napětí nulvé Prudvý a napěťvý drft -- Napěťvý a prudvý ffset (nesymetre) není knstantní, ale je slžtu funkcí více prměnných s dmnujícím vlvem teplty Změna prudvéh napěťvéh ffsetu vlvem teplty se nazývá drft, který se vyjadřuje v jedntkách na / C Typcké hdnty jsu cca + 0μ V / C Čntel ptlačení sučtvéh sgnálu H (cmmn mde rejectn rat) -- Standardní perační zeslvač je navržen jak rzdílvý zeslvač Každý reálný perační zeslvač mmt zesluje sučasně průměrné suhlasné napětí na vstupních svrkách T je pchptelně nežáducí jev, který nenastává u deálníh peračníh zeslvače Suhlasné napětí na vstupu je jak negatvní jev zeslván splečně s napětím rzdílvým pdle vztahu
uo = AOLu + B0uCM, kde B 0 je suhlasné zesílení Kvaltu zeslvače určuje pměr H neb též pměr CMRR Pr deální perační zeslvač je H, reálný zeslvač dsahuje čntel ptlačení sučtvéh sgnálu pdle typu peračníh zeslvače cca H real ( 80 40)dB Šum peračníh zeslvače Šumem nazýváme všechny slžky výstupníh sgnálu peračníh zeslvače, které nejsu vázány na vstupní užtečný sgnál Tyt sgnály jsu způsbeny jednak přítmnstí šumvých napětí na vstupech peračníh zeslvače neb jným vnějším příčnam a sučasně též vlastním šumem peračníh zeslvače Vlastní šum peračníh zeslvače se vztahuje ke vstupu a vyjadřujeme jej velkstí vstupníh šumvéh napětí n na šumvéh prudu I n Různé typy šumů a jejch rzdílný vlv na výstupní napětí, který suvsí se zapjenu zpětnu vazbu nelze zbecnt Pr dané zapjení peračníh zeslvače je v případě ptřeby nutn prvést ndvduální šumvu analýzu Pr snadnější rentac se v katalzích bvykle uvádějí dvě šumvé slžky: subakustcký šum /f pr frekvenční pásm 0,0 Hz < f < Hz šrkpásmvý šum pr frekvenční pásm 0 Hz < f < 0 khz Obr 4 Zdrje šumvých napětí a prudů v zapjení s deálním peračním zeslvačem Invertující zeslvač Invertující zeslvač vznkne zapjením rezstrů R a R d zpětné vazby pdle br5 Obr 5 Základní zapjení nvertujícíh zeslvače
Zesílení uzavřené smyčky Invertující sčítací zeslvač A CL : A CL u R R = = u Zeslvač na br 6 se pužívá pr sčítání něklka napětí na vstupu peračníh zeslvače Předpkládáme-l nulvé vntřní dpry všech zdrjů vstupních napětí, budu jedntlvé vstupní prudy dány: u u un =, =, n = a sučasně f = + + n R R R n Obr 6 Invertující sčítací zeslvač Vztah pr výstupní napětí u : u R R R = u + u + + u n R R R n Nenvertující zeslvač Druhé základní zapjení zeslvače je na br 7 Tt zapjení zaručuje zachvání stejné plarty sgnálu na vstupu na výstupu Zesílení A CL je dán: Obr 7 Nenvertující zeslvač s peračním zeslvačem
A u R + R R CL = = = + u R R Nenvertující sčítací zeslvač Jeh zapjení je na br 8 Vlastní sučet vznká jž na nenvertujícím vstupu zeslvače Vlastní zeslvač puze zesluje tent sučtvý sgnál Obr 8 Nenvertující sčítací zeslvač Na nenvertujícím vstupu peračníh zeslvače je sučtvé napětí u +, které pdle prncpu superpzce má hdntu: RR3 RR3 RR R + R3 R + R3 R + R u+ = u + u + u3 RR3 RR3 RR + R + R + R3 R + R R + R R + R 3 Napětí u+ je zeslván nenvertujícím zeslvačem, na jehž výstupu je napětí u : 3 Sledvač sgnálu R = + u + R u Jestlže galvancky spjíme výstup peračníh zeslvače s nenvertujícím vstupem, vz br 9, zavedl jsme 00% záprnu zpětnu vazbu a výsledné zesílení A dsáhne hdnty: A u = u 0 = + R CL = CL Obr 9 Napěťvý sledvač sgnálu
Dferenční (rzdílvý) zeslvač Čast se setkáváme s pžadavkem zeslvání sgnálu snímačů, které jak zdrj sgnálu nemají zemní vdč spjen s perační zemí celéh řetězce zpracvání nfrmace9 Takvým sgnálem může být např výstup z úhlpříčky Wheastneva můstku, jehž rezstry jsu sučástí nějakéh snímače určté fyzkální velčny Jným sgnálem je např snímací rezstr prudu, jehž ba knce nemají bezprstřední prpjení s perační zemí a pd Nejčastěj pžadujeme, aby příslušně zesílený sgnál byl symetrcký vzhledem k perační zem Zapjení s peračním zeslvačem, které zesluje ppsaný typ sgnálu, je dferenční zeslvač pdle br 0 u + = u Stupeň na brázku je systém se záprnu zpětnu vazbu a prt platí: ( ) ( ) Napětí ( + ) Obr 0 Zapjení dferenčníh (rzdílvéh) zeslvače u je určen jednznačně nezatíženým dělčem v nenvertujícím vstupu, platí ar a u( + ) = u = u R + ar + a Napětí u(-) vypčítáme bdbně jak výstupní napětí nezatíženéh dělče, zapjenéh v bvdu nvertujícíh vstupu, který je napájen dvěm nezávslým zdrj u a u Napětí je: ar R a u( ) = u + u = u + u R + ar R + ar + a + a Prvnáním výše uvedených vztahů můžeme vypčítat výstupní napětí u : u = a( u u ) Rvnce určuje zesílení dferenčníh stupně Z rvnce vyplývá, že dělící pměr rezstrů v bu větvích musí být stejný pr zachvání symetre výstupníh napětí Vzhledem k symetr je dpručtelné, zejména př pžadavcích na vyšší zesílení, aby náhradní dpry v bu větvích byly stejné Pkud vznkne z uvedených důvdů jakákl nesymetre, je mžné j dstrant zavedením referenčníh napětí na nenvertující vstup pdle br Výstupní napětí u je dán: R, Prtže platí ( ) ( ) ( + ) u = ur = u R + ar R u( ) = u = u R + ar u + = u, platí také u = u r + a + a
Obr Zavedení referenčníh napětí na jeden ze vstupů dferenčníh zeslvače Přístrjvé a zlační zeslvače Dferenční zeslvač je sce velm jednduché zapjení, ale má některé nedstatky, které nelze dstrant jnak, než pužít jné, bvykle kmplkvanější bvdvé řešení Mez pdstatné nedstatky jednduchéh dferenčníh zeslvače patří zejména: Změna zesílení se musí prvádět změnu dvu prvků s vyžadvaným vysce kvaltním suběhem bu sučástek Vntřní dpry zdrjů sgnálu u a u musí být stejné neb se musí pužít ddatečné kmpenzační bvdy pr bnvení symetre zapjení Změna vntřníh (vntřních) dprů zdrje vlvňuje knečné zesílení A CL Zapjení je nevhdné pr zeslvání sgnálů s velm vyským vntřním dprem (musely by se pužít extremně vyské hdnty rezstrů ve zpětné vazbě) Takvé řešení však pdstatně snžuje šíř přenášenéh pásma Vyjmenvané nevýhdy dferenčních zeslvačů dstraňuje zapjení, které je známe jak "přístrjvý zeslvač" Exstuje něklk varant zapjení přístrjvéh zeslvače Nejpužívanější varanta je zapjení na br Obr Základní zapjení přístrjvéh zeslvače Jž na prvý phled je patrné, že zapjení dstraňuje jednu ze základních nedstatků dferenčníh zeslvače - vstupní sgnály u a u vstupují bez jakéhkl větvení přím d vstupů peračních zeslvačů Z th důvdu zeslvání vstupních sgnálů není vlvněn vntřním dprem zdrje
sgnálu T znamená, že na hrním knc rezstru ar bude napětí u a na spdním knc bude napětí u Rezstrem ar tedy prtéká prud I : u u I = ar Tent prud prtéká sučasně hrním spdním rezstrem R (d nvertujících vstupů neteče žádný prud) Úbytek napětí na trjc svslých rezstrů R, ar, R je prt dán: u B u A = u = I ( ar + R + R) Zeslvač OZ 3 je zapjen jak jednduchý dferenční zeslvač se zesílením A CL = Dsadíme-l d rvnce pr u za I, dstaneme pr výstupní napětí u : u u u = ( ar + R) = ( u u ) + ar a Příslušné zesílení celéh stupně se nastavuje jedním prvkem ( ar ), vstupní dpry zdrjů sgnálu se mhu měnt v rzsahu mnha dekád bez vlvu na zesílení celéh zapjení Výstupní sgnál má praktcky nulvý výstupní dpr Tyt vlastnst předurčují tt zapjení k realzac mnha aplkací, kde je rzhdujícím krtérem právě přesnst a stálst parametrů Prtže je pužtí přístrjvéh zeslvače v některých blastech elektrnckéh desgnu dst časté, pužívá se v mnha lterárních pramenech specální schematcká značka přístrjvéh zeslvače pdle br 3 Integrátry s peračním zeslvač Obr 3 Schematcká značka přístrjvéh zeslvače Integrátr je specfcké prpjení rezstru, kndenzátru a peračníh zeslvače, které realzuje přensvu funkc pdle vztahu ( s) = = K, () s Ts s kde K = je ntegrační knstanta Časvý průběh výstupníh napětí deálníh ntegrátru je T určen vztahem u () t = K u () t t t= 0 dt + Pr psuzení vlastnstí deálníh reálnéh ntegrátru pužíváme přechdvé a frekvenční charakterstky Pr deální ntegrátr jsu tyt charakterstky na br 4 CO
Obr 4 a) Přechdvá charakterstka deálníh ntegrátru, b) frekvenční charakterstka deálníh ntegrátru Obr 4 c) Přechdvá charakterstka deálníh a reálnéh ntegrátru pr dluhé dby ntegrace Obr 4 d) Přechdvá charakterstka deálníh a reálnéh ntegrátru pr krátku dbu ntegrace Invertující (Mllerův) ntegrátr Mllerův ntegrátr na br 5 je nejjedndušším zapjením Jedná se v pdstatě nvertující
zeslvač, v jehž zpětné vazbě jsu mpedance Z ( R) a Z ( C) () s Z = = K () s Z s RC s = Sučasně bude na výstupu v časvé blast napětí u t = u t dt + RC Napětí CO je pčáteční napětí na kndenzátru () () CO Přens ntegrátru na br 5 je dán, K = je ntegrační knstanta Přechdvá RC u saturační napětí OS ( ), charakterstka nvertujícíh ntegrátru je na br 6 Dsáhne-l napětí přeruší se záprná zpětná vazba a nadále se výstupní napětí nebude měnt Obr 5 Invertující (Mllerův) ntegrátr Obr 6 Přechdvá charakterstka nvertujícíh ntegrátru Nenvertující ntegrátr Nejjedndušší zapjení nenvertujícíh ntegrátru vznkne jen malu mdfkací předchzíh zapjení pdle br 7 I zde je bezpdmínečně nutné zachvat symetr zpětnvazebních členů, abychm mhl pužít následující jednduchý přens ( s) = () s RC F Časvý průběh výstupníh napětí př zachvání symetre je dán vztahem t u () t = u () t dt + CF0 R C F 0
Obr 7 Nenvertující ntegrátr jak mdfkace rzdílvéh ntegrátru Základní nevýhdu tht zapjení je pněkud kmplkvanější zavádění pčátečních pdmínek, cž ztěžuje bvdvé řešení aplkací Dervátry Operace dervvání je př realzac analgvéh řešení pužívána méně čast, nebť jž z pvahy tét perace se musí pčítat, že s rstucí frekvencí vstupníh sgnálu rste zesílení dervátru Prtže je bvykle na sgnál superpnván nezbytný šum, jsu vf slžky tht šumu neúměrně zeslvány a úplná saturace napětí na výstupu dervátru není nebvyklým jevem Základní zapjení dervátru je na br 8 Obr 8 Základní zapjení dervátru Pužjeme-l deální perační zeslvač a pvažujeme-l prvky R, C za becné mpedance Z a Z, můžeme pr přens pužít vztahů dvzených pr nvertující zeslvač () s Z R = = = s RC = TD s, () s Z s C kde T D = RC je dervační knstanta Tent jednduchý výraz se nutně kmplkuje př pužtí reálnéh peračníh zeslvače s frekvenční charakterstku pdle br 9 Obr 9 Skutečná ampltudvá část frekvenční charakterstky dervátru pdle br 8 splu s aprxmvanu frek char tevřené smyčky OZ
Od kruhvé frekvence ω d, kdy přens dervátru je rven jedné, d kruhvá frekvence ω p přens rste se sklnem asymptty +0 db/dek V průsečíku charakterstky s frekvenční charakterstku tevřené smyčky peračníh zeslvače dsahuje abslutní hdnta přensu své max hdnty a sučasně se mění skln frekvenční charakterstky 40 db/dek Tent jev je příčnu nestablty zapjení a čast vede k jeh nepužtelnst Zapjení zdknalenéh dervátru, které pkud mžn dstraňuje předchzí ptíže, je na br 0 Vstupní kndenzátr je dplněn rezstrem v sér a zpětnvazební rezstr napak dplněn paralelně kndenzátrem Obě úpravy mají na ampltudvu část frekvenční charakterstky, pkud se vhdně vlí časvé knstanty bu bvdů, stablzující účnek Obr 0 Kmpenzvané zapjení dervátru a jeh aprxmvaná frekvenční charakterstka Gyrátry (pztvní mpedanční nvertry) Pkud musíme pužít v daném zapjení nduktr, musíme pčítat s něklka nepříznvým klnstm Především se nejedná prvek, který je vyráběn v tak šrkém srtmentu jak rezstry neb kndenzátry Pkud nduktr bsahuje jakýkl ferrmagnetcký materál, musíme pčítat s tím, že nduktr se bude chvat jak nelneární prvek Výrba nduktrů je prt výrbě rezstrů neb kndenzátrů téměř vždy kmplkvanější a cena vyšší kazuje se v některých případech výhdnější pužít vhdné zapjení s peračním zeslvačem a sítí R, C, které má vlastnst stejné jak pžadvaná cívka Takvé zapjení se nazývá pztvní mpedanční nvertr neb gyrátr Příkladem zapjení gyrátru je bvd na br Tent gyrátr transfrmuje vntřní mpedanc Z F na vstupní ndukčnst celéh bvdu Obr Gyrátr - vstupní mpedance bvdu má charakter nduktru
Jak umělá ndukčnst pracuje bvd tehdy, zapjíme-l za Z kde L = C R R F F Harmncké sclátry Z = s CF R R = s LF, F = s C Impedance Z bude: Generátry snusvéh napětí, neb též harmncké sclátry, jsu bvdy bsahující prvky R, L, C a zeslvač Výstupem sclátru je střídavé napětí s pevnu frekvencí a ampltudu Pdle pžadavků na stabltu a stálst těcht parametrů vlíme typ zapjení Exstuje velké mnžství zapjení d nejedndušších až p krystalem řízených sclátrů Všebecně preferujeme pužívání zapjení, které mnmalzují, eventuálně vylučují pužívaní cívek pr jejch rzměry, nelneartu, cenu atd Tmut trendu plně dpvídá velm čast pužívané zapjení sclátru s Wenvým článkem pdle br F Obr Harmncký sclátr s Wenvým článkem Pdmínka vznku netlumených sclací becné sustavy vyplývá pdle br b ze vztahu ( jω) ACL ( jω) = jω β jω A jω ( ) ( ) ( ) Pr reznanční frekvenc f 0 musí být splněna pdmínka β jω ACL jω CL ( ) ( ) 0 0 = Na nenvertujícím vstupu bude napětí dělče, napájenéh z výstupu u Označíme-l Z sérvu kmbnac R, C a paralelní kmbnac R, C jak Z, budu tyt mpedance jωrc + Z =, jωc R Z = jωrc + Z jωrc β ( jω) = =, Z ( ) + Z jωrc + + pr frekvenc ω 0 = bude kefcent β nabývat reálné hdnty RC β ( jω) = j = j + 3 Osclátr bude sclvat netlumeným kmty puze tehdy, splní-l se pdmínka pr reznanční frekvenc f 0 Dsadíme-l, bude R A CL ( jω 0 ) = 3 = + R
Aktvní fltry Fltr je becně selektvní bvd, který prpuští určté frekvenční pásm, zatímc statní frekvenční pásma jsu ptlačvána Fltry je mžn např realzvat sítí pasvních sučástek, tj sítí rezstrů, kndenzátrů a nduktrů T je kategre tzv pasvních fltrů Jejch pužtí je běžné všude tam, kde nejsu přílš vyské nárky na přesnst aprxmace přensvé funkce fltru V statních případech dáváme přednst tzv aktvním fltrům, které navíc bsahují jeden neb něklk zeslvačů, ale na druhé straně většnu nebsahují nduktry Vylučení nduktrů je hlavní výhdu aktvních fltrů Induktr je ttž vždy charakterzván velkým rzměry, relatvně velku cenu vzhledem ke slžtst výrby a př pužtí ferrmagnetckéh materálu se vždy jedná nelneární prvek Ten může negatvně vlvňvat přesnst aprxmace přensvé funkce celéh fltru Rzlšujeme celkem čtyř základní typy fltrů pdle jejích přensvých vlastnstí fltr typu dlní prpust (lw pass) fltr typu hrní prpust (hgh pass) fltr typu pásmvá prpust (band pass) fltr typu pásmvá zádrž (ntch flter) Základní vlastnst, charakterzující jedntlvé typy fltrů, ukazují typcké frekvenční charakterstky jedntlvých typů fltrů pdle br 3 Obr 3 Frekvenční vlastnst čtyř základních kategrí fltrů a) dlní prpust, b) hrní prpust, c) pásmvá prpust, d) pásmvá zádrž Hrance mez prpustným a neprpustným pásmem nastává př knkrétní frekvenc f c, která se nazývá "frekvence zlmu" neb též "krtcká frekvence" Př tét frekvenc dsahuje ampltudvá část frekvenční charakterstky v lgartmckých suřadncích (aprxmvaná přímkam), své nejvyšší chyby tj 3 db v případě fltru řádu Sítí R, C a peračním zeslvač lze realzvat téměř lbvlnu přensvu funkc aktvníh fltru, realzvanéh aktvní dlních neb hrní prpustí plynmálníh typu Přensvé vlastnst takvých fltrů jsu určeny aprxmací typu A s =, kde F n () s je plynm tvaru u () F n () s n ( n ) j n () s = ans + a( n ) s + + a js + as + F
Kefcenty a j jsu funkcem rezstrů, kapact a zesílení Aby fyzkální realzace takvéh fltru byla stablní, musí být všechny nuly tht plynmu v levé plrvně rvny s Pkud je tat pdmínka zaručena, můžeme realzvat lbvlný řád fltru až n s pužtím zeslvače a sítě R, C Pdle specfckých vlastnstí plynmu F n () s můžeme navrhvat fltry s unkátním vlastnstm Mez nejpužívanější plynmální fltry patří zejména fltry Butterwrthvy, Čebyševvy a Besselvy Nejčastěj pužívaný fltr v regulační technce je Butterwrthův fltr Obecně lze tent fltr ppsat přensem Au G( s ) =, Bn () s kde B n () s je Butterwrthův plynm n -téh řádu Pkud je řád fltru lchý, bude pužt zapjení realzující přens prprcálníh členu se zpžděním prvníh řádu ve tvaru Au Au () s = s + ω a dále ( n ) stejných stupňů, realzujících kmtavý člen druhéh řádu s přensem Au Au () s = s s + k + ωc ωc Pkud je řád navrhvanéh fltru sudý, pužje se n stupňů s přensem realzující kmtavý člen druhéh řádu, přčemž kefcent tlumení k bude v každém stupn ndvduální (pdle tabulky nrmvaných plynmů) Zapjení, realzující výše ppsané přensy, vz br 4, má v každém stupn knečné kladné zesílení Tímt zesílením lze nastavt v případě přensu realzujícíh kmtavý člen druhéh řádu kefcent tlumení k Výhdu tht přístupu je, že pr danu kruhvu frekvenc zlmu ω c lze pr každý kmplexně sdružený pár křenů pužít stejné hdnty rezstrů a kndenzátrů c Obr 4 Obecné zapjení aktvníh fltru řádu s pužtím kladnéh zesílení Au b) zapjení Sallen-Key aktvníh fltru, mdelující přens kmtavéh členu druhéh řádu Fltr prvníh řádu se v tmt případě realzuje zapjením pdle br 4a Fyzkální realzac přensu realzujícíh kmtavý člen druhéh řádu lze zajstt pmcí Sallen - Key zapjení fltru pdle br 4b
Impedance Z až Z 4 na br 4a, b jsu tvřeny prvky R, C V případě aktvníh fltru typu dlní prpust budu vdrvné mpedance tvřeny rezstry, zatímc svslé mpedance budu tvřeny kapactam Př realzac fltru typu hrní prpust bude umístění mpedancí pačné Obr 5 Pásmvá prpust, vytvřená pmcí dlní a hrní prpust Obr 6 Pásmvá zádrž, vytvřená pmcí dlní a hrní prpust Fltry se spínaným kndenzátry (SCF) aktvních fltrů z dskrétních pasvních a aktvních prvků fltrů lze velm slžtým způsbem měnt jejch parametry, především pak přeladění jejch kmtčtvých vlastnstí fltrů se spínaným kndenzátry se tat změna prvádí velm elegantním způsbem Rezstry v nch jsu nahraženy perdcky přepínaným kndenzátry, cž dvluje změnu jejch ekvvalentních dprů a následně přeladění fltru úpravu přepínacíh kmtčtu Prncp fltru se spínaným kndenzátrem je zalžen na střídavém nabíjení kndenzátru během knstantní perdy Ts v zapjení na br 7 Obr 7 Prncp fltru se spínaným kndenzátrem (SCF) Alasng, nebl překrývání ve frekvenčním spektru vznká v důsledku přepínání kndenzátru, které je sučasně vzrkváním Běžná dlní prpust je pásmvu prpustí pr f d 0 Hz až d f Fltr c
se spínaným kndenzátrem je však navíc prpustí frekvence d f CLK f c d CLK c f + f,, přelžené d prpustnéh pásma fltru f CLK f c d CLK f c f +, d Alasngu se zamezuje vlžením klasckéh fltru před fltr se spínaným kndenzátrem Fltr se spínaným kndenzátrem tedy zajstí pžadvaný řád a typ fltru (velku strmst, malu chybu) a klascký (spjtý) dlnprpustný fltr zajstí, aby ve spektru sgnálu vstupujícíh d fltru se spínaným kndenzátrem byly frekvence vyšší než dstatečně ptlačeny Tmut způsbu zpracvání říkáme preflterng Nevýhdu je, že spjtý fltr není snadné plynule přelaďvat elektrckým sgnálem Pevným spjtým fltrem se mezíme jen na určté pásm, ve kterém lze celý fltr přelaďvat Nelneární funkční převdníky Chceme-l realzvat nějaku nelneární funkc u = f ( ) u analgvým prstředky, pužíváme k tmu nelneární funkční převdníky Pužívají se zejména dva typy zapjení, lšící se umístěním rezstrů a dd ve zpětné vazbě Jsu-l tyt sučástky na vstupu zeslvače, lze nelneární převdník 3 pužít pr mdelvání funkcí rstucích (např f ( x) = x, f ( x) = x a pd) Pkud však zapjíme převdník d zpětné vazby, lze tímt zapjením mdelvat funkce, jejchž skln s rstucím argumentem klesá Jným slvy, jestlže prvním zapjením mdelujeme funkc f x y = f x y = ( ), ptm druhé zapjení mdeluje funkc nverzní ( ) Na br 8 je zapjení prvéh typu Vstupní napětí se přvádí sučasně na něklk paralelních tvarvacích bvdů Druhý knec těcht bvdů je zapjen na referenční napětí Pr různá vstupní napětí má zapjení různě velká zesílení Obr 8 Nelneární funkční převdník v přímé větv zpětné vazby OZ Pkud pužjeme pdbné zapjení jak v předchzím případě, avšak umístěné ve zpětné vazbě zeslvače, přpne se př dsažení každé nastavené prahvé hdnty x další paralelní kmbnace rezstrů ve zpětnvazební větv T sníží celkvý dpr ve zpětné vazbě a způsbí nžší zesílení (skln charakterstky) než skln př nžším napětí na vstupu Zapjení takvéh převdníku je na br 9
Obr 9 Funkční měnč s rezstry ve zpětné vazbě Pčtem prahvých napětí a jejch velkstí lze navrhnut aprxmac funkce s předem defnvanu max dvlenu chybu Zapjení pdle br 9 lze např pužít pr mdelvání funkce sn ( x) a je základem knstrukce funkčních generátrů V tm případě se pužje upravené zapjení pdle br 9, které pracuje pr bě plarty vstupníh sgnálu Obr 9 Dvukvadrantvý funkční měnč Pčet dd bu větví se vlí pdle pžadvané přesnst aprxmace Lgartmcké a antlgartmcké zeslvače Vltampérvá charakterstka plvdčvé ddy v prpustném stavu má expnencální závslst Pkud ddu zapjíme d zpětné vazby peračníh zeslvače pdle br30, můžeme bvd pužít pr lgartmvání vstupníh napětí Míst ddy se bvykle pužívá tranzstr v ddvém zapjení Obr 30 Zapjení lgartmckéh zeslvače
Lgartmcká násbčka je typcká aplkace lgartmckých a expnencálních zeslvačů Nelneární perace násbení je pmcí lgartmckých převdníků převedena na lneární perac sčítání, která je snadn řeštelná sčítacím zeslvačem Výsledek je převeden pmcí expnencálníh zeslvače pět na výstupní napětí Blkvě je perace naznačena na br 3 Kmparátry Obr 3 Prncp lgartmcké násbčky Kmparace dvu nezávslých napětí je jednu z nejčastějších aplkací peračních zeslvačů Výstup kmparátru u přnáší jednbtvu nfrmac, které ze dvu vstupních napětí je vyšší Takvé vlastnst má kmparátr bez zpětné vazby pdle br 3 Změna lgckéh stavu na výstupu nastane př prahvém napětí = p r Obr 3 Kmparátr bez hystereze a jeh statcká charakterstka Slabší charakterstka dpvídá zapjení vstupů pdle symblů ve schematcké značce, slnější symblům v ( ) Kmparátry s kladnu zpětnu vazbu -- dplníme-l zapjení na br 3 kladnu zpětnu vazbu, získáme bvd s výraznu nelneartu a dvjznačnu statcku charakterstku, který je základem knstrukce velm čast pužívané skupny mpulzních systémů s unkátním vlastnstm Základní zapjení je na br 33 Zpětnvazební rezstry R a R jsu zapjeny d nenvertujícíh vstupu - jedná se kladnu zpětnu vazbu Na výstupu je prt mžný výskyt puze kladnéh neb záprnéh saturačníh napětí Stav bvdu je určen plartu, ampltudu vstupníh sgnálu a předchzí hstrí bvdu
Obr 33 Invertující kmparátr s kladnu zpětnu vazbu p p ( + ) = OS ( + ) ( ) = OS ( ) R R + R R R + R Vlv referenčníh napětí nvertujícíh kmparátru na statcku charakterstku -- pkud rezstr R zapjíme na pmcné referenční napětí r pdle br 34, změní se statcká charakterstka bvdu Obr 34 a) Invertující kmparátr s hysterezí a referenčním napětím, b) Statcká charakterstka bvdu Pkud je = 0 Pr becné napětí r, platí čárkvaná charakterstka a prahvá napětí jsu p ( + ) a p ( ) se prahvé hdnty změní na ( + ) a ( ) r p p ( + ) = ( + ) p ( ) = ( ) p p + + r r p R R + R R R + R, vz výše
Nenvertující kmparátr s kladnu zpětnu vazbu -- jestlže v zapjení na br 34 puze zaměníme vzájemně vstupy, vznkne nenvertující kmparátr, vz br 35, který má rvněž hysterezní charakterstku Její tvar a určující parametry jsu však d předchzíh zapjení dlšné Obr 35 a) Nenvertující kmparátr s hysterezí, b) statcká charakterstka Předpkládejme nejprve = 0 V r p p R R ( + ) = OS ( ) ( ) = OS ( + ) R R,, jestlže 0 V r p p ( + ) = ( + ) p ( ) = ( ) p + + r r R + R R R + R R Změna hystereze ddam -- v mnha aplkacích se vyskytuje ptřeba kmparátru s hysterezí a sučasně pžadavek, aby jedn prahvé napětí byl nulvé I když lze vypčítat dpvídající napětí r tak, aby byly ba pžadavky splněny, nabízí se jednduché a přesné řešení s pužtím ddy v kladné zpětné vazbě pdle br 36
Obr 36 a) Změna hystereze kmparátru ddu, b) statcká charakterstka Generátry tvarvých kmtů Jak jednduchý generátr kmtů lze pužít bvdy bsahující kmparátr s kladnu zpětnu vazbu a ntegrátr Základní bvd tímt spjením je na br 37 Zeslvač A je zapjen jak nenvertující kmparátr s hysterezí Prahvá napětí jsu R R p ( ) = AOS ( + ), p ( + ) = AOS ( ) R R R R k =, k r = r R + R R Knstanta kr se uplatní míst knstanty k v případě přpjení referenčníh napětí r na nvertující vstup peračníh zeslvače A Obr 37 Generátr pravúhlých a trjúhelníkvých mpulzů Zavedeme-l na nvertující vstup OZ A napětí r, vlastní frekvence se nezmění Pdle hdnty r se bude psuvat ve vertkálním směru pásm hystereze a tedy napětí na výstupu ntegrátru Změní-l se referenční napětí r tak, že jedna z kmparačních mezí bude vyšší než příslušná saturační hdnta napětí na výstupu kmparátru, přeruší se zpětná vazba a relaxační kmty se uknčí Tét klnst lze s výhdu využít pr řízení čnnst (klíčvání) generátru lgckým sgnálem d nvertujícíh vstupu OZ A Pdle plarty přvedenéh napětí r lze sučasně zaručt pslupnst hran průběhu p startu (jestl je v kamžku startu první hrana genervanéh mpulzu vzestupná neb sestupná)
Generátry pstavené na tmt prncpu generují výstupní mpulzy s vysce přesným parametry (frekvence, lnearta, nízká výstupní mpedance pr ba výstupy) a vyžadují mnmum sučástek Pužtí těcht generátrů je velm rzmanté Vzhledem k snadné přeladtelnst ve velkém rzsahu frekvencí a stabltě nastavených parametrů se bvykle dplňují funkčním převdníkem pdle br 9, které trjúhelníkvý průběh mění na snusvý Tat sestava je základem unverzálních tvarvých generátrů pr labratrní účely Prt klasckým snusvým generátrům zaručují tyt generátry přjatelně nízku úrveň zkreslení a knstantní ampltudu kmtů bez přídavných stablzačních bvdů Blkvé schéma je na br 38 Obr 38 Sestava funkčníh generátru bdélník, trjúhelník a snus Převdníky u f -- spjení kmparátru s hysterezí a ntegrátru lze pužít s drbnu mdfkací zapjení pr převdníky napětí - frekvence Někdy se pužívá značení "napětím řízené sclátry" Jednduchý bvd pr tut funkc je na br 39 Jestlže je na výstupu kmparátru A napětí AS ( + ), dda D je závěrném směru a rychlst ntegrace je určena vstupním napětím u a prvky R, C Napětí na výstupu ntegrátru lneárně klesá a dsáhne-l záprné prahvé napětí, kmparátr překlpí d stavu záprné saturace Rychlst ntegrace je vyská, nebť dpr ddy v prpustném stavu je velm malý Na výstupu je vždy na knc každé perdy krátký záprný mpulz, jehž délka je zanedbatelná vzhledem k perdě bvdu Obr 39 Převdník u - f s nenvertujícím kmparátrem s hysterezí Pulzní šířkvé mdulátry jsu základním prncpem pr řízení výknů ve většně průmyslvých aplkací Měrnsnu velčnu je šířka mpulzu př knstantní pakvací frekvenc Převdníky napětí - šířka mpulzu, neb též pulzní šířkvé mdulátry, patří d pdbné kategre jak předchzí bvdy Základem je generátr trjúhelníkvéh napětí s přesnu ampltudu kmtů a kmparátr v zapjení pdle br 37
Obr 37 Prncp mpulzníh šířkvéh mdulátru Analgvé násbčky Analgvé násbčky jsu bvykle kmplexem bvdů s peračním zeslvač a dalším bvdy, které pdle různých prncpů realzují perac násbení dvu analgvých sgnálů Dnes jsu některé prncpy analgvéh násbení základem specalzvaných ntegrvaných násbček Analgvé násbčky se pužívají v takvých případech jak měření výknu, násbení frekvence a psuvání frekvence, ampltudvá mdulace, detekce fázvéh úhlu dvu sgnálu se stejnu frekvencí, dělení jednh sgnálu druhým, určvání dmcnny ze sgnálu a pd Na mnh prblémů, kde se pžaduje násbení sgnálu, je pchptelně výhdné pužít jednčpvý mkrpčítač a nelneární prblém analgvéh násbení převést na perac lgcku a další řešení svěřt prgramvým prstředkům Přest však je stále dst aplkací, kde výpčtvá rychlst mkrpčítače př defnvané přesnst na daný prblém nestačí a zde je blast pr násbení analgvé Schematcký symbl analgvé násbčky je na br 40 Obr 40 a) Schematcká značka analgvé násbčky, b) perační blast pr jednkvadrantvu, b) dvukvadrantvu, c) čtyřkvadrantvu násbčku Knstanta K se nazývá násbící knstanta (scale factr) a její hdnta bývá nejčastěj 0, Výstupní napětí je tedy dán u xu y u = 0 Násbčky se dále klasfkují pdle kvadrantů, ve kterých nabývají hdnty bě vstupní velčny a napětí výstupní Jednkvadrantvá násbčka pdle br 40b peruje puze se vstupním velčnam jedné plarty a stejnu plartu má výstupní velčna Dvukvadrantvá násbčka pdle br 40c peruje s jednu vstupní velčnu, která může nabývat bu plart a druhu vstupní velčnu, nabývající puze jednu plartu Výstup nabývá puze jednu plartu
Čtyřkvadrantvá násbčka pdle br 40d peruje se vstupním velčnam bu plart a rvněž výstup může nabývat hdnt bu plart Pužívané prncpy analgvéh násbení Kvadratcká násbčka pracuje na prncpu řešení rvnce ( u x + u y ) ( u x u y ) u = = u xu y Na br 4 je kmplex bvdů, nezbytných pr 4 knstrukc kvadratcké násbčky Obr 4 Prncp kvadratcké násbčky Lgartmcká násbčka PWM násbčka -- Tent typ násbček je zalžen na šířkvé mdulac a sučasně ampltudvé mdulac tét šířkvé mdulace Na výstupu je fltr typu dlní prpust, který dfltruje nsnu frekvenc PWM Jednduchý prncp čtyřkvadrantvé násbčky je na br 4 Obr 4 Prncp PWM násbčky Transknduktanční násbčka -- vyrábějí se pr jednkvadrantvé čtyřkvadrantvé 8 perace a jsu pužívány v nejšrším frekvenčním pásmu až d blast 0 Hz Pužívání analgvých násbček přnáší velm zajímavé bvdvé mžnst Jmenujme např pásmvé prpust, jejchž krtcká frekvence se řídí napětím, dvjnásbení frekvence sgnálu, řízení zesílení stupně napětím, kntnuální měření výknu, plynulé měření efektvní hdnty pr nesnusvé průběhy, měření fázvéh rzdílu, ampltudvý mdulátr, balanční mdulátr a demdulátr a další Pkud ptřebujeme perac dělení, lze tut perac prvést pět s analgvu násbčku, zapjenu d zpětné vazby nvertujícíh zeslvače, jak ukazuje br 43 Obr 43 Dělčka, sestavená z násbčky a peračníh zeslvače
Systémy s pulzní šířkvu mdulací (PWM) Lneární zeslvání je výhdné d výknů řádu 0 W, pr vyšší výkny je jž nehspdárné Prt se řízení vyšších výknů prvádí téměř zásadně některým z typů pulzní mdulace Výběr typů pulzní mdulace je velm pestrý - ty nejpužívanější typy pulzní mdulace jsu na br 44 Zkratky typů mdulací vycházejí z anglčtny a v pdstatě dpvídají českému překladu Pulzní kódvá mdulace v každém vzrkvacím ntervalu analgvý sgnál převede na n btvý lgcký kódvaný sgnál V řídcí technce, a becně v systémech výknvé elektrnky, se nejčastěj pužívá pulzní šířkvá mdulace - PWM (pulse wdth mdulatn) Jak ukazuje br 44, základem tét mdulace je vždy pevná nsná frekvence f p = a měrnsnu velčnu je šířka mpulzu T Pdle pžadavků Tp na aplkac se mdulace PWM mdfkuje Důležtu klnstí je výběr pčtu kvadrantů, ve kterých se př knkrétní aplkac bude pervat Jsu aplkace jednkvadrantvé, dvukvadrantvé a čtyřkvadrantvé Obr 44 Základní typy pulzních mdulací PWM pr jednkvadrantvé perace Pulzní šířkvý mdulátr převádí vstupní napětí u, které nabývá hdnt v ntervalu 0 u max na nterval T (tj délka aktvní část perdy T p ) Spínač S perdcky spíná kmbnvanu zátěž a tím se plynule řídí příkn na zátěž Zátěží bývá nejčastěj zátěž L, R neb R Pkud je v zátěž nduktr, je nutn přpjt antparalelní chrannu ddu, aby prud zátěží nebyl přerušvaný a vylučla se mžnst vznku napěťvé špčky př vypnutí spínače Jestlže je zátěží např mtr, nelze jednkvadrantvým řízením řídt brzdění Charakterstka unplární PWM je znázrněna na br 45
Obr 45 Jednkvadrantvý zeslvač s nduktvní zátěží a unplární mdulací PWM PWM pr dvukvadrantvé perace Dvukvadrantvé perace pr řízení výknvéh zeslvače dávají becnější mžnst řízení výknu prt řízení jednkvadrantvému Př dvukvadrantvém řízení je mžné řídt nejen velkst řízenéh výknu na zátěž, ale také určvat směr řízenéh výknu V prax t znamená, že tut mdulací lze řídt výkn na zátěží v případě, když se zátěž změní ve zdrj výknu Vstupní řídcí napětí se phybuje v ntervalu max u + max Př dvukvadrantvém řízení se bvykle pužívají dva spínače, které se řídí pulzní šířkvu mdulací s něklka mžným frmáty Exstuje něklk mžnstí, jak ba spínače řídt vhdnu PWM Předpkládejme, že zátěží bude např ss mtr, který představuje kmbnvanu R, L zátěž Pkud je přívd energe na hřídel mtru z vnějšíh zdrje síly vyšší, mtr se změní v generátr a dvukvadrantvé řízení umžňuje řízené brzdění mtru v mdu dspatvním (brzdná energe se mění v tepl) a neb v módu rekuperačním (brzdná energe se vrací d zdrje) Základní zapjení dvjce spínačů pr dvukvadrantvé řízení je na br 46 nplární mdulace pr u 0, kdy spínač T je vládán unplární mdulací PWM př zavřeném spínač T (na br tlustá charakterstka) a pr u 0 je T vládán unplární mdulací PWM př zavřeném spínač T (na br tenká charakterstka) Bplární mdulace, kdy v celém rzsahu řídcích napětí: u + platí : PWM = PWM (na br 46 - středně tenká charakterstka) Př tét mdulac platí pr u = 0, že T pměr = 0, 5 T p max max Obr 46 Dvukvadrantvé řízení výknu na zátěž s mdulací PWM a pužívané frmáty PW mdulace PWM pr čtyřkvadrantvé perace Čtyřkvadrantvé prprcální řízení s PWM je becné řízení, které umžňuje řízení příknu výknu ss mtru v bu smyslech tčení a umžňuje řízené rekuperační brzdění Prt je čtyřkvadrantvé řízení základem všech plhvých rychlstních servmechansmů Nejčastěj pužívané zapjení
slvé část tvří můstkvé uspřádání čtyř hlavních spínačů7 pdle br 47 Spínače - 4 jsu pdle aplkace buď bplární tranzstry (BJT), unplární (MOSFET), IGBT, MCT, GTO a další Každý spínač musí být dplněn antparalelně zapjenu ddu Ddy jsu př nduktvní zátěží nezbytnu sučástí zapjení Většna pužívaných spínačů jž tyt kmutační ddy bsahují ve svém puzdru Obecně lze H - můstek řídt něklka typy PWM Předpkládáme pdbně jak u řízení dvukvadrantvéh, že vstupní řídcí napětí u nabývá hdnt v ntervalu: max u + max Obvykle pžadujeme, aby se smysl táčení servmtru řídl znaménkem řídcíh napětí u Lze pužít mdulac PWM unplární neb PWM bplární pdle specfckých pžadavků zadání Obr 47 Obecné zapjení H - můstku pr čtyřkvadrantvé perace s PWM a statcké charakterstky různých varant PWM nplární mdulace, která je na br 47 naznačena statcku charakterstku (středně tenku) Př tét mdulac se v prvé část perdy sepnu sučasně spínače, a v druhé část napak spínače 3,4 Hlavním rysem tét mdulace je stav př = 0, kdy pměr aktvní část perdy T k délce T p perdy PWM je právě Je t stav, př kterém je střední hdnta napětí na zátěž nulvá, ale efektvní hdnta je nenulvá Pkud je zátěží mtr, tak se za tht stavu sce netáčí, ale prtékající prud se mění v Julev tepl, které je nutn dvádět Bplární mdulac PWM (na br 47 je pr kladné řídcí napětí statcká charakterstka daná tlustu T čáru) Spínač je pr kladné řídcí napětí trvale sepnut ( = ), spínač je řízen PWM pdle br 47 a spínače 3,4 jsu vypnuty Pr záprná řídcí napětí je napak trvale sepnut spínač 3 a PWM se přvádí na spínač 4 Spínače, jsu vypnuty Př tét mdulac jsu prt př nulvém řídcím napětí všechny spínače vypnuty a řízení je s deálním spínač bezeztrátvé Obecné čtyřkvadrantvé řízení Řízení ss mtrů pulzní šířkvu mdulací v dagnále spínacíh H - můstku lze zbecnt pr řízení v mtrvém režmu (I a III kvadrant) a v režmu řízenéh rekuperačníh brzdění (II a IV kvadrant) Na br 48 je schematcky zbrazen způsb řízení v jedntlvých režmech a v jedntlvých kvadrantech T p
Obr 48 Zbecnělé řízení ss mtrů s PWM a se spínacím H můstkem Výknvé spínače Tyrstr - SCR (Slcn - cntrlled rectfer) Plvdčvý spínač se strukturu PNPN s V-A charakterstku typu S danu blastí záprnéh dferencálníh dpru v prpustném stavu Sepnutí tyrstru lze dsáhnut něklka způsby kladným napětím u GK mez řídcí elektrdu a katdu za předpkladu kladnéh andvéh napětí AK překrčením max napětí AK v prpustném stavu (t není typcký způsb) světelnu energí, je-l systém vybaven kénkem překrčením krtcké rychlst změny AK Pdstatná vlastnst tyrstru prblematcké zavírání (zhášení) Prt se dnes tyrstry pužívají méně v aplkacích řízení nízkých a středních výknů a více pr řízení velm vyských výknů Tyrstr se ttž může zavřít puze přepólváním andvéh napětí neb snížením prudu pd jstu prahvu hdntu I h (mnmální přídržný prud) V prax se nejčastěj pužívá prvá mžnst a př fázvém řízení ve střídavých aplkacích je tat kmplkace přjatelná Schematcká značka a typcká V-A charakterstka je br 49
Obr 49 Schematcká značka a V-A charakterstka tyrstru Trac Trac je bplární vícepřechdvý prvek, který lze funkčně chápat jak dvjc antparalelně zapjených tyrstrů Schematcká značka a prncpální V -A charakterstka traku je na br 50 Jeh pužtí je především pr fázvé řízení př technckém kmtčtu V prvém kvadrantu pracuje v tzv (+) mdu, kdy na T je kladné napětí prt T, a sepne př kladném napětí na řídcí elektrdě Napak ve III kvadrantu pracuje trak v (-) mdu, kdy na T je kladné napětí prt T a na řídcí elektrdu přchází záprný napěťvý mpulz Trak je bvykle efektvnější ve srvnání s dvjcí antparalelních tyrstrů Jeh symetre není vždy dknalá, ale př mpulzním řízení t však bvykle není na závadu Impulzní řízení vyžaduje nezbytně galvancké ddělení přes transfrmátr, neb přes ptčleny Obr 50 Schematcká značka traku a jeh V - A charakterstka GTO tyrstr (Gate turn - ff thyrstr) GTO má stejně jak nrmální tyrstr PNPN přechdy Schematcká značka GTO tyrstru je na br 5 Spíná se stejně jak tyrstr malým kladným mpulzem d řídcí elektrdy, avšak na rzdíl d nrmálníh tyrstru můžeme GTO vypnut zavedením záprnéh mpulzu na řídcí elektrdu GTO se vyrábějí a pužívají na řízení výknů v nejvyšších výknvých kategrích Spínací parametry 4000 V a 3000A jsu hdnty pr GTO typcké Př spínání takt velkých prudů vznkají velké prblémy s chlazením (rzlžení tepelnéh gradentu na čpu) a jsu kladeny nebyčejné nárky na pevnst mechancké knstrukce puzdra, nebť pakvané dynamcké síly př spínání takvých prudů jsu enrmní Řízené zhášení záprným napětím na řídcí elektrdu přnáší pr bvdvé řešení řídcích bvdů rvněž jsté specfcké prblémy GTO je ttž z hledska spínacích příknů velm nesymetrckým prvkem Př sepnutí lze pčítat, že pměr Př vypínání je tent pměr I I a g ( 50 000)
I I a g ( 3 4) Typcké aplkace -- AC a DC řízení mtrů, ndukční hřev, řízení palvvých článků, řízení velkých zálhvých zdrjů PS Obr 5 Zhášecí tyrstr GTO, schematcká značka a průběhy př zhášení Bplární výknvé spínací tranzstry BJT (Bplar Junctn Tranzstr) Tranzstr je prvek řízený prudem báze B Přechd B-E má vlastnst ddy, napětí u BEmn je prt u BE >0,6V Tepltní závslst prudu a napětí u BE je lneární a záprná Napětí u KB je (vz br 5) závslé na stavu tranzstru Př zavřeném tranzstru je u KB >0, jestlže je tevřen na mez saturace, je u KB = 0 a př stavu přesycení ( K < heb ) bude u KB < 0 Prudvý zeslvací čntel he je závslý na velkst prtékajícíh prudu pdle br 5 Napětí u CE tranzstrvéh spínače závsí na budícím prudu Jestlže je tranzstr buzen na mez saturace, platí: u KB = 0 a prt také: u CE = u BE = 0,6 až,5 V Přesycením se u tranzstru nejprve snžuje u CE a př vyšším přebuzení se napak zbytkvé napětí zvyšuje Obr 5 Bplární tranzstr (BJT) Výknvé MOSFETY Tranzstry řízené plem jak výknvé spínací prvky přnesly d tét kategre zcela nvu kvaltu Vzhledem k napěťvému řízení vykazují brvské výknvé zesílení Prtže se jedná prvek, který napětím mění vdvst kanálu Dran - Surce, má takvý spínač praktcky nulvé zbytkvé napětí Napětí na sepnutém spínač MOSFET vlvňuje parametr R DSON pdle vztahu = R I,,005 R, 5Ω DSON DSON D 0 DSON Spínače na vyšší napětí mají vyšší R DSON Odpr R DSON má kladný tepltní kefcent a prt paralelní spjení něklka prvků je mžné Na tmt prncpu jsu vlastně výknvé MOSFETY zalženy Výrbně se ttž jedná paralelní spjení 0 3 -- 0 5 prvků na jednm čpu Vyrábějí se v prvedení s kanálem N s kanálem P Typcké aplkace -- střední výkny (400V / 00A), vyská frekvence spínání Spínací zdrje, PS, SSR (sld state relay), PWM řízení mtrů, řízení trjfázvých mtrů změnu frekvence a pd IGBT (Insulated Gate Bplar Tranzstr) Plem řízený bplární tranzstr Jde strukturu, která velm úspěšně kmbnuje přednst bplární unplární technlge Tranzstr IGBT má vyské výknvé zesílení (vládá se jak MOSFET
napětím), ale jnak má vlastnst bplárníh tranzstru Schematcká značka na br 53 nplární tranzstr vládá vdvst čtyřvrstvé struktury PNPN, kteru lze nahradt pdle br 53b dvjcí NPN a PNP Prud dvjce tranzstrů je vládán dprem kanálu vstupníh FETu V-A charakterstka je pdbná charakterstce BJT Zbytkvé napětí v tevřeném stavu je vyšší něž u jednduchéh BJT a přblžně dpvídá Darlngtnvu zapjení BJT Řídcí kladné napětí tevírá tent spínač Typcké aplkace -- střední a velký výkn, napětí 00 až 500V, prudy 0A až 000A Vstupní kapacta C n je menší (u srvnatelných typů) prt C n u MOSFETů IGBT pr napětí nad 00V plně nahrazuje BJT a vykazuje becně lepší dynamcké vlastnst Je vhdný pr aplkace s pakvací frekvencí d 0 khz Obr 53 a) Schematcká značka IGBT, b) náhradní schéma struktury, c) V-A charakterstky IGBT SIT (Statc Inductn Tranzstr) Plvdčvý spínač pr vyské frekvence a velké výkny Prvek má vlastnst velm pdbné vakuvé trdě a prt se někdy hvří "trdě v pevné fáz" Schematcká značka je na br 54 Je t spínač vhdný pr aplkace v bru výknvé vf technky a všude tam, kde relatvně velký úbytek na tevřeném SITu (u DSmn > 0 V) je akceptvatelný Typcké aplkace -- Lneární výknvé zeslvače v blast VHF/HF, ultrazvukvé generátry apd Obr 54 Schematcká značka SIT a SITH SITH (Statc Inductn Thyrstr) Na pdbném prncpu jak SIT je navržen vypínatelný tyrstr, který má pdbné vlastnst jak tyrstr GTO Schematcká značka je na br 54b Ve srvnání s GTO však má vyšší zbytkvé napětí (cca 4 až 5 V), vyrábí se na vyšší napětí, spínací frekvence je rvněž něklkanásbně vyšší Výknvý zsk př zavírání je napak mírně nžší, takže pr zavírání je nutný vyšší závěrný prud d řídcí elektrdy Typcké aplkace -- br vf a vn zařízení MCT - MOS Cntrlled Thyrstr Spjením unplární a bplární technlge MCT, pdbně jak v případě IGBT, vznkl spínací prvek s vlastnstm GTO, který je však řízen plem Má prt velm vyské výknvé zesílení, a t jak př tevírání, tak zavírání Zbytkvé napětí je ze všech ppsvaných prvků nejmenší a bývá př nejvyšších výknech cca V Schematcká značka a náhradní schéma sestavené z dskrétních prvků je na br 55
Obr 55 Schematcká značka a náhradní schéma vypínatelnéh MOS tyrstru (MCT) Výknvé ntegrvané bvdy (PIC) PIC (Pwer Integrated Crcuts) se nejčastěj pužívají v řídcích jedntkách phnů a prt se nejčastěj jedná dplnění spínače chranným bvdy, jak např rychlá nulvá dda spjená s vlastním spínacím prvkem antparalelně, neb chranné bvdy prt tepltnímu přetížení spínače, neb specální bvdy pr psun řídcíh sgnálu hrních plvucích spínačů H - můstku a pd V kategr bvdů PIC jsu rvněž výknvé spínače s chranam spjené d H - můstku, eventuálně d trjfázvéh můstku Obvdy se dále rzdělují na nízknapěťvé a vysknapěťvé Typcké bvdy PIC: MOSFET spínače s "ntelgencí", plvční H - můstek s buzením a s "ntelgencí", úplný H - můstek spínačů s buzením a s "ntelgencí", bvdy pr řízení krkvých a bezkartáčvých mtrů s chranam, trjfázvé řídcí bvdy pr frekvenční řízení trjfázvých ndukčních mtrů, specální bvdy na zakázku - ASPIC (Applcatn Specfc Pwer Integrated Crcuts) Pjem "ntelgentní spínač" (smart) je PIC, jehž funkce je patrná z blkvéh schématu na br 56 Spínač je řízen lgckým sgnálem (bvykle úrvně TTL), který je galvancky ddělen d vlastníh spínače Řídcí lgka zpracvává mm řídcí sgnál rvněž sgnál tepltě přechdu spínače a prudu spínačem P překrčení dvlené teplty, prudu neb bu velčn spínač autmatcky vypíná Obvd je sučasně jštěn prt přepětí a vntřní bvdy zajšťují dknalé tevírání spínače př plvucí zátěž, jak je na br naznačen Takvé bvdy se vyrábějí nejen pr jedntlvý spínač, ale pr sérvu dvjc spínačů plvčníh H - můstku neb pr celý H - můstek Obr 56 Prncp "ntelgentníh" spínače MOS, vyráběnéh jak PIC
Napájecí zdrje Napájecí zdrj je subr elektrnckých bvdů, které změní výstupní napětí, usměrní jej, fltruje, stablsuje a chrání před přetížením Napájecí zdrje se navrhují pdle pžadavků zadání Pr malé výkny se pužívá klascké uspřádání - transfrmátr, usměrňvač (jedncestný neb dvucestný), pasvní RC neb LC fltr a lneární regulátr napětí (stablzátr) V méně expnvaných zařízeních čast pstačí puze parametrcký stablzátr vytvřený Zenervu neb lavnvu ddu Blkvé schéma klasckéh napájecíh zdrje je na br 57a Pr vyšší výkny, neb ve specálních případech s pžadavkem na max účnnst zdrje, se pužívá mpulzní napájecí zdrj pdle blkvéh schématu na br 57b Zde se síťvé napětí bez transfrmátru usměrňuje a ss napětí se přvede na střídač, který je řízený metdam PWM a zpětnu vazbu Pulzní napětí se pmcí pulzníh transfrmátru (bvykle s ferrtvým jádrem) transfrmuje na pžadvanu úrveň, usměrňuje a fltruje na pžadvané zvlnění Frekvence střídače bývá v rzsahu 0 3 0 6 Hz Vzhledem k tmu jsu nduktry a transfrmátry velm malé bjemvě hmtnstně, zařízení vyzařuje mnmum tepla a může být prt knstrukčně velm malé Na druhé straně je však kmplkvanější a zatím dražší Obr 57 Blkvé schéma klasckéh napájecíh zdrje, b) blkvé schéma mpulzníh napájecíh zdrje Klascké napájecí zdrje Výstupní napětí na transfrmátru usměrňujeme bvykle jedním ze tří základních zapjení na br 58 Obr 58 Tř základní typy usměrňvačů Zdvjvače a násbče napětí Pmcí dd a kndenzátrů lze sestavt ss napěťvé zdrje s napětím, které je násbkem vstupníh střídavéh napětí Grenacherův zdvjvač napětí na br 59a, neb Delnův násbč napětí na br 59b jsu základním bvdy
Obr 59 a) Zdvjvač, b) násbč napětí Stablzace a regulace napětí směrňvač, zdvjvač neb DC/DC měnč lze chápat jak zdrj napětí v sér s vntřním, bvykle nezanedbatelným dprem Většna elektrnckých systémů však vyžaduje stablzvané napájecí napětí, tedy deální zdrj napětí s nulvým (neb velm malým) vntřním dprem Jak samzřejmý pžadavek je dále vyžadvána elektrncká chrana prt zkratu neb nadprudu, který by mhl hrzt prvz zařízení T vše zaručuje stablzátr neb též regulátr napětí Nejjedndušší řešení představuje parametrcký stablzátr, který pužívá Zenervu neb lavnvu ddu Prprcnální regulátr prvnává výstupní napětí s napětím referenčníh zdrje Odchylku zesluje a pmcí výknvéh zeslvače vládá přívd energe tak, aby se dchylka mnmalzvala Pruchvu velčnu je změna prudvéh dběru neb klísání vstupníh napájecíh napětí Rzlšujeme regulátry spjté, kde řízení přívdu energe vyknává lneární tranzstrvý zeslvač ve třídě A, neb AB v různém zapjení Druhu alternatvu jsu regulátry nespjté, kdy přívd energe d systému je řízen pulzním zeslvačem s PWM neb jnu pulzní mdulací Impulzní napájecí zdrje Důvdů všebecnéh pužívání mpulzních napájecích zdrjů u sučasně navrhvaných elektrnckých knstrukcí je něklk Za nejdůležtější se becně pvažuje: významná hmtnstní a bjemvá úspra, vyšší energetcká účnnst, menší prblémy s chlazením Blkvé schéma mpulzníh napájecíh zdrje je na br 60 směrňvač bez transfrmátru se přvádí na střídač (DC - DC knvertr) Zde se ss napětí převádí na mpulzní st napětí s vysku frekvencí ( khz až MHz), galvancky se dděluje d sítě mpulzním, většnu ferrtvým, transfrmátrem (bvykle bývá sučástí střídače) a upraví na žádanu hdntu výstupníh napětí Regulace výstupníh napětí se prvádí vhdným typem PWM většnu přím ve střídač Výstupní fltry mhu mít vzhledem k vyské frekvenc střídače malé časvé knstanty a tím malé rzměry Základem knstrukce mpulzníh napájecíh zdrje je prt vlba vhdnéh typu řízenéh měnče (DC-DC knvertru) a jeh návrh Obr 60 Blkvé schéma měnče DC - DC