Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 80
Konsorcjum kilkudziesięciu dziennikarzy pracujących dla niemieckiego tygodnika „Der Spiegel” oraz dzienników „El Pais” z Hiszpanii i „Le Monde” z Francji przeprowadziło śledztwo w sprawie nieznanej dotąd izraelskiej firmy „Team Jorge”. Wstępne wyniki śledztwa zostały opublikowane przez brytyjski „The Guardian”.
Świadczyli nie pozostawiając śladu usługi manipulowania przebiegu kampanii wyborczych.
Mieli dostęp do agencji wywiadowczych, prywatnych przedsiębiorstw i sztabów wyborczych. Potajemne manipulowanie opinią publiczną miało miejsce w 33 krajach w Afryce, Ameryce Południowej i Środkowej, Stanach Zjednoczonych oraz w Europie.
Działania „Team Jorge” obejmowało zakładanie tysięcy fałszywych kont w mediach społecznościowych oraz zakrojone na dużą skalę kampanie dezinformacyjne i ataki hakerskie.
Proces tworzenia tysięcy komunikatów jest zautomatyzowany ale jednak udział człowieka w powodzeniu masywnego oszustwa jest krytyczny.
Wydatki Polski na obronność w 2023 roku wzrosną ponad dwukrotnie do 4% PKB. Broń mamy importować z USA i Korei co zaszkodzi polskiej gospodarce.
Do trzech razy sztuka ! Pierwsze korupcyjne zbrojenia zakończyły się największą klęską ww II Wojnie w historii Polski. Zbrojenia za I sekretarza Gierka doprowadziły do potężnego kryzysu.
Nie wiadomo dlaczego Polska praktycznie nie produkuje broni. Turcja miała produkować elementy do samolotu F-35. Gdy jako nielojalna została wyrzucona z programu F-35 Amerykanie szukali wykonawców do zagospodarowywania tego co stracili Turcy. Niemiecki Rheinmetall podjął się produkcji centropłata do F-35. W produkcji samolotu uczestniczą maleńka Dania, Norwegia, Holandia i Izrael. Nie trzeba być żadną potęgą.
Może zbrojenia są tylko pretekstem do brania łapówek aby w razie wojny uciec za granicę i wygodnie za wzięte łapówki sobie żyć.
Gdy Polska miała 49 województw ani jedno z tych miast wojewódzkich po trzecim rozbiorze nie było we władaniu Rosji. Sami władcy Rosji uważali że na Bugu definitywnie kończy się ich etnografia i możliwa (!) wspólnota. ZSRR i Rosja nic od nas nie chciały. Rosjanie trzymali i trzymają się linii Bugu oddzielającej Ich od Nas. Tak było za powstawania Księstwa Warszawskiego i Królestwa Polskiego. Tak było z Bolszewikami. Tak umówili się Ribbentrop i Mołotow. Tak stanęło w Jałcie. Rosjanie zbudowali twierdzę w Brześciu i się od nas odgrodzili.
Hasło że Rosja po podbiciu Ukrainy podbije Polskę jest ahistoryczne i głupie bo mogła ją wielokrotnie zająć ale NIE CHCIAŁA. Według umowy USA- ZSRR Polska miała w nowej architekturze bezpieczeństwa być strefą buforową.
Ale im dalej jest Rosja od naszej wschodniej granicy tym lepiej.
Szczęśliwie Niemcy są za słabi demograficznie i politycznie aby myśleć o odbiciu ziem zgodnie zlikwidowanych przez zwycięzców na zawsze Prus.
W organizacji zdrowego państwa obowiązuje porządek, przejrzystość i racjonalność.
Im więcej bałaganu tym większa korupcja i złodziejstwo a informatyzacja i automatyzacja państwa zamienia się w kabaret.
W tabeli pokazano wynagrodzenia brutto w niemieckiej służbie publicznej. Zależy ono od stopnia i wysługi lat. Stopnie, od 1 do 15Ü podzielone są w cztery korpusy. Zaszeregowanie do odpowiedniego korpusu zależy głównie od wykształcenia i trochę od awansów.
-W korpusie „szeregowych” ( 1-4 ) pracują ludzie bez jakiegokolwiek wykształcenia zawodowego.
-W korpusie podoficerów ( grupy 5-8 ) pracują ludzie z wykształceniem zawodowym. To najliczniejsi urzędnicy wykonuje rutynowe zadania. Najniższy stopień w policji to kategoria 5 a najwięcej jest ich w kategorii 7.
-W korpusie oficerów młodszych ( 9-12 ) pracują mający jakiekolwiek studia.
-W korpusie oficerów starszych ( 13- 15Ü ) trzeba mieć rzetelne studia uniwersyteckie.
Różnica w wynagrodzeniach netto jest oczywiście mniejsza niż wynagrodzeniach brutto i iloraz najmniejszej do największej płacy wynosi 1:3.
Tak ma być w zdrowej gospodarce i społeczeństwie. W Japonii w czasach szybkiego rozwoju gospodarczo - społecznego płace były podobnie egalitarne !
-Gigantycznym wyjątkiem od powszechnych reguł jest Kasa Rolniczego Ubezpieczenia Społecznego (KRUS). Jest u 800 tysięcy emerytów oraz około 200 tysięcy rencistów.
-Emerytów resortowych (MSWiA, MON, MS) jest prawie 300 tysięcy a rencistów 100 tysięcy.
-W ZUS wyjątki stanowią: górnicy (200 tysięcy), przedsiębiorcy pobierający świadczenia na tzw. starych zasadach sprzed 1999 r. (50 tysięcy) oraz kolejarze (60 tysięcy) i nauczyciele (207 tysięcy).
Łącznie daje to 1,62 mln ludzi. Ale to nie wszystko. Osobną i stale rosnącą grupę stanowią osoby, które przepracowały 20 lat (kobiety) lub 25 lat (mężczyźni) i z mocy ustawy przysługuje im przynajmniej emerytura minimalna, ale zgromadzone przez nich składki nie wystarczają do wypłaty takiego świadczenia. Do ich emerytur również dopłacają podatnicy. Dekadę temu takich osób było w ZUS 22 tysięcy, obecnie – około 75 tysięcy
Na 7,2 mln emerytów w Polsce, aż 1,7 mln – czyli 23,6 % to wyjątki finansowane przez niewyjątki. Lecz i to jeszcze nie wszystko bo en masse uprzywilejowane nad mężczyznami są kobiety !
Archiwum. Harmoniczne i moc bierna
Polprzewodniki. Propozycje - Patenty
We współczesnym świecie wysokie marze i szanse rozwoju technologicznego daje projektowanie i produkcja urządzeń złożonych i nowoczesnych. Coraz więcej nowoczesnych urządzeń ma wbudowaną elektronikę i coraz więcej jest w niej mikroelektroniki i mikrokontrolerów.
Poziom wynagrodzeń w krajach wyznaczają sektory dóbr handlowalnych międzynarodowo. Nowoczesny rentowny eksport skutkuje wysokim płacami w całej gospodarce. Izolowanie się i poddawanie izolacji od handlu światowego oraz stawianie na eksport węgla sprowadzi nas na samo dno upadku.
Podział na elektronikę konsumpcyjną, profesjonalną, cywilną i wojskową jest sztuczny i zaciemnia
obraz sprawy.
Nowoczesna amerykańska broń ma coraz więcej elektroniki. Nie trzeba tysiącami pocisków „orać” pól a wystarczy jednym pociskiem uderzyć celnie w krytyczne miejsce wroga.
Polska jest znacznym eksporterem broni ale jest ona coraz bardziej przestarzała i sprzedaje się tylko bardzo tanio. Czołg T-72 jest już bardzo przestarzały. Nie ma w nim nowoczesnej elektroniki do systemu kierowania ogniem. Pociski mają słabą przebijalność pancerza a pancerz czołgu jest słaby. Można dołożyć prosty pancerz reaktywny bowiem wykonanie pancerza ze stopów tytanu, wolframu czy U238 jest raczej u nas niewykonalne.
Identycznie jak z czołgiem rzecz ma się z licencyjnym Fiatem 125 i Polonezem. Mechanicznie Fiat 125 - FSO1500 został zmodernizowany płytko. Bez ECU ( Electronic Control Unit ) zawiadującym wtryskiem paliwa i zapłonem samochody te staną się niedługo niesprzedawalne. Proces produkcyjny został ulepszony niewiele i wydajność pracy jest kompromitująca przy zachodnich standardach a przy japońskich wręcz śmieszna. Nie tylko wadliwy system społeczno – gospodarczy nie potrafił opracować samochodu ale nawet nie potrafi ulepszać licencyjnego projektu i produkcji.
W cenie urządzeń produkowanych w małych seriach dominują koszty opracowania urządzenia. W koszcie produkcji masowej dominuje koszty materiałów i produkcji.
Decyzje podejmuje się na podstawie informacji, także przekazanej systemem telekomunikacji i informacji z „przyrządów pomiarowych”. Na przykład dalmierza laserowego w czołgu. Zaletą informacji w postaci cyfrowej jest możliwość jej pamiętania, dowolnego przetwarzania i przesyłania.
Klęski armii carskiej Rosji w I Wojnie Światowej wynikały głównie z tragicznej telekomunikacji i chaosu w dowodzeniu. Klęski RKKA ( później to Armia Czerwona ) w pierwszej fazie II Wojny Światowej wynikały ze złej telekomunikacji i z wymordowanie przez Stalina oficerów, którzy na podstawie informacji mieli podejmować decyzje. Historia się więc powtórzyła.
Trwa Zimna Wojna, w której przywódcą Zachodu są potężne USA dające sojusznikom „atomowy parasol”. W latach sześćdziesiątych synonimem komputera był IBM a komputery narodziły się w USA. Ale obecnie trwa eksportowy szturm Japonii na rynki Zachodu niszczący najnowocześniejszy zachodni przemysł. Przy okazji dowiadujemy się że mikroelektroniczny przemysł USA jest relatywnie słaby a japoński gigant produkuje circa 80% światowych pamięci i 4 razy tyle mikrokontrolerów co firmy z USA. Dezindustralizacja w Wielkiej Brytanii rozpoczęła się w latach osiemdziesiątych XIX wieku a w USA sto lat później. Niemniej produkowane w coraz większych ilościach komputery PC XT/AT/386 to jednak początkowe dziecko koncernu IBM.
Obecnie masowa produkcja komputerów PC na Dalekim Wschodzi jest znacznie większa niż w USA, dlatego że amerykańcy producenci są niekonkurencyjni cenowo. Na tle bardzo złożonych konstrukcyjnie komputerów mainframe czy minikomputerów budowanych z układów MSI-LSI budowa płyty głównej i kart do komputera PC jest prosta a produkcji nie muszą prowadzić koncerny o potężnym zapleczu.
IBM stawia obecnie na umocnienie swoje pozycji jako twórcy skomplikowanych programów.
Nakłady na system operacyjny rodziny IBM OS 360/370... wyniosły około 2 mld dolarów. To właśnie oprogramowanie czyniło i czyni tą rodzinę komputerów atrakcyjną.
Udział kosztu programów w systemach cały czas rośnie !
Rola i produkcja mikroelektroniki ciągle dynamicznie rośnie.
Z testowaniem półprzewodników w CEMI jest słabo. Test na SOA jest względnie prosty. Testowane tranzystory mocy Toshiby i Motoroli są nieomal pancerne. Ale wśród tranzystorów mocy BDP395 niektóre są wadliwe i nie wytrzymują gwarantowanego obszaru SOA. Ale przecież są to struktury tranzystorów 2N6488 ! Po prostu Cemi nie potrafi nawet chipów poprawnie zamontować w obudowie TO220. Czyli Cemi nie testuje tranzystorów jak trzeba !
Tranzystor KT838 ZSRR i SU161 NRD w metalowej obudowie TO3 mają podane takie parametry jak ( industry standard ) tranzystor BU208A wypuszczony w 1975 roku. Jednak SU161 ma za małe napięcie Uceo a KT838 w obszarze SOA dla BU208A wchodzi w drugie przebicie ! Czyli w fabrykach ZSRR i NRD nie mają właściwych przyrządów i nie testują tranzystorów !
Zachodzi pytanie jak z czegoś takiego ma powstać pełnowartościowy TVC ? Częściowo wyjaśnia się awaryjność naszego sprzętu RTVC.
Ale NRD i ZSRR i tak wyprzedzają CEMI o 5-8 lat.
Mikroprocesor jest bardzo ważny ale układy peryferyjne są czasem bardziej złożone od procesora (!) i same rzadko mają własny wbudowany procesor - kontroler. Kontroler twardego dysku HD jest bardziej skomplikowany od prostego procesora 16 bitowego a co dopiero 8 bitowego.
Skomplikowane układy peryferyjne mają mikrokontrolery dedykowane do różnych zastosowań. W mikrokontrolerze do TVC:
-Złożony jest system ON Screen Display – OSD czyli wyświetlanie informacji na ekranie telewizora.
-Prosty nie jest także dekoder sygnałów z pilota zdalnego sterowania
-Nie jest prosty wielokanałowy system wytwarzający sygnały z modulacją PWM (po odfiltrowaniu napięcia stałe do regulacji układów wykonawczych ) a szczególnie do wytwarzania napięcia PWM strojenia tunera z rozdzielczością 13-14 bitów gdzie zastosowano idee Sigma Delta.
-Układ Interface I2C do komunikacji z układami wykonawczymi RTVC wymaga do implementacji w mikrokontrolerze ponad 1000 tranzystorów
Mikrokontroler TVC zawiaduje też układem komputerowego Teletekstu, który jest strasznie skomplikowany. Jest to przecież kompletny mikrokomputer z systemem radiowej łączności komputerowej.
Z uwagi na to że mikrokontroler do samochodowego układu wtrysku, zapłonu … ma bardzo rozbudowane peryferia, Intel zastosował w takowym procesor 16 bitowy aby swoją wydajnością nie limitował funkcjonalności całości.
Całkowity koszt użycia elementu elektronicznego na płycie drukowanej PCB – to suma kosztów projektu PCB, samej PCB, montażu i elementu oraz przypadającego fragmentu obudowy i mocy zasilacza. Jednostkowe koszty opracowania dominują w produkcji małoseryjnej. Inna jest logika ekonomii urządzenia produkowanego masowo a produkowanego jednostkowe. Celowe jest użycie mniejsze ilości lepszych i droższych komponentów. W przypadku systemów bardzo skomplikowanych realna staje się w ogóle ich wykonywalność.
Zestaw maszyn do montażu powierzchniowego kładzie do miliona elementów SMD na PCB na godzinę. Z uwagi na taniość montażu automatycznego koszt opracowania staje się istotny nawet przy masowej produkcji urządzeń bardzo skomplikowanych, których składnikiem jest też program.
Glue Logic w najprostszym razie to dekoder adresów dla pamięci RAM i ROM oraz układów peryferyjnych oraz logika do sterowania buforów na szynach i wyboru poszczególnych chipów.
Ale systemy mogą też wymagać sterowania peryferii szybkimi sekwencjami przez nadzorowaną programem sprzętową State Machine. Glue Logic może mieć kilkanaście układów logicznych i stąd chęć użycia jednego układu programowalnego zastępującego je.
Koncern Philips oferuje jeden raz programowalne rodziny PLD – Field Programable Logic Devices:
-PLD Adres Decoder
-PLD Gate Array ( tylko jedna jest EPLA czyli wielokrotnie programowana )
-PLD Logic Arrays
-PLD Logic Sequencers
-PLD Macrologic
Aby PLD zastosować w projekcie należy odpowiednim programem utworzyć zawartość PLD a następnie programatorem ( nie jest tani ) układ zaprogramować.
Gdy nie ma odpowiednich skomplikowanych układów peryferyjnych można je stworzyć z Gate Array. Zaprojektowanie maski i jej wykonanie kosztuje co najmniej kilka tysięcy dolarów. Minimum produkcyjne układów jest bardzo różne u producentów. W ofercie Philipsa:
-ECL Mask Programmable mają do 2200 Gate Equivalents
-Najnowszy CMOS 0.7 ns, 1.5 um Mask Programmable do 20 K Gate Equivalents. Obudowy do 204 pins.
Technologie bipolarne wydają się już przeżytkiem.
N.B. Tam gdzie peryferiom potrzebny tylko impuls wystarczy wyjście z dekodera adresu bez portu !
Sygnał przed próbkowaniem i przetworzeniem w ADC należy odfiltrować dolnoprzepustowo dla uniknięcia zakłócającego aliasingu. Specyficzną charakterystykę filtracji dolnoprzpustowej mają przetworniki z podwójnym całkowaniem – Dual Slope i pochodne z wielokrotnym całkowaniem używane dla większej rozdzielczości. Ta filtracja jest dość słaba ale użyteczna. Tylko przez część okresu pracy takiego ADC sygnał wejściowy jest całkowany a przez pozostałą część informacja w sygnale jest bezpowrotnie stracona.
Pionierem dojrzałej mieszanej cyfrowo – analogowej technologii CMOS jest Intersil. Jego układy kompletnych 3 1/2 cyfrowych mierników ( zawierają m.in. podwójnie całkujący przetwornik ADC ) z wyświetlaczem LCD ICL7106 produkowane są masowo. W kolejnych układach odrobinę poprawiono wady.
Współcześnie ( tylko lepsze ) mikrokontrolery w technologi CMOS scalone są już z szybkim 8-10 bitowym przetwornikiem ADC z wejściowym multiplexerem.
Tranzystory Mosfet mają ogromne napięciowe szumy typu 1/F natomiast prąd polaryzacji bramki jest bliski zeru i efektywny prąd polaryzacji wejścia w układzie scalonym wyprowadzonego na zewnątrz wynika z zastosowania scalonych zabezpieczeń bramki. W układach ICL (jest ich rodzina) każdy cykl pomiaru ( typowo 2-3 pomiary na sekundę i jest to dla odczytującego człowieka wartość optymalna bowiem przy szybszych pomiarach migające cyfry wyświetlacza w istocie dezinformują ) rozpoczyna się od autozerowania i eliminowana jest tylko część energii szumu 1/F. W układach wzmacniaczy CMOS z autozerowaniem Intersil ICL7650 autozerowanie wykonywane jest z częstotliwością circa 400 Hz i wejściowy szum napięciowy 1/F po zredukowaniu jest niewielki. Mankamentem OPA ICL7650 jest znaczny pobór prądu podobny jak części wzmacniaczy operacyjnych podczas gdy cały układ ICL7106 pobiera ułamek tego prądu i długo pracuje zasilany z bateryjki 6F25 o napięciu 9V.
Wejściowy szum napięciowy układu ICL7106 można by zmniejszyć stosując większe tranzystory wejściowej pary różnicowej we wzmacniaczach operacyjnych i komparatorze i opcjonalnie pracujące z większym prądem. Z uwagi na dużą pojemność „dużych” tranzystorów konieczne byłoby zastosowanie kaskody i kolejnych układów co mocno by podniosło komplikacje wzmacniaczy operacyjnych ale one stanowią tylko część powierzchni układu. Wzmacniacze operacyjne użyte w ICL7106 mają bardzo prosty schemat i są wystarczające w podstawowym zastosowaniu.
Układ o mniejszych szumach mógłby wprost akceptować mniejszy sygnał wyjściowy z mostka tensometrycznego, który ma mnóstwo zastosowań przemysłowych i laboratoryjnych ale można by też stworzyć wagę sklepową, łazienkową i kuchenną.
Do typowego zastosowania ICL w DVM poczynione przez inżynierów Intersil kompromisy były (!) bardzo dobre ale lepsze jest przecież wrogiem dobrego.
Lepsze układy Intersil o rozdzielczości 4 1/2 cyfry nie zyskały dużej popularności.
Intersil podaje różne zastosowania układów ICL7106. Jest on bardzo wygodny i elastyczny aplikacyjnie. Niemniej łatwo jest popełnić błąd we własnym innowacyjnym projekcie w układem ICL. Pokazano m.in. realizacje funkcji Autoranging z użyciem układów „logicznych” ( w tym kluczy ) z masowej rodziny CMOS 4000. Niestety przełączany sygnałami logicznymi dzielnik jest tylko i wyłącznie na zakres napięcia stałego. Niemniej tą funkcjonalność można by wbudować w rozwinięte układy ICL. Układy te umieszczono w standardowej obudowie DIL40 o rastrze pinów 0.1 cala. Natomiast koncerny japońskie przed przejściem na technologie SMD zwęziły w układach DIL raster 0.1 cala do 0.07 cala i układ o 52 pinach jest mniejszy niż standardowy o 40 pinach.
W obudowach o 52 pinach są przykładowo mikrokontrolery do odbiorników TVC. Dodawane do ICL funkcjonalności niewiele by go całego skomplikowały ale potrzebna jest duża ilość pinów i lepsza byłaby obudowa SMD PLCC68.
Identyczną część analogową jak układ „ICL7106” ma układ ICL7109 z interface równoległym do procesora. Obniżenie mu wejściowych szumów pozwoliłoby mu bezpośrednio pracować z sygnałem z mostka tensometrycznego, termopar i innych sensorów dających małe sygnały bez drogich kondycjonerów.
Intersil dał przykład systemu z ADC ICL7109 pracującego z UARTem ale bez mikrokontrolera jako zdalne wejście analogowe. Realizacja UARTa a faktycznie tylko Transmitera nie wymaga wielu tranzystorów w układzie CMOS. Do realizacji jest ulepszony układ ICL7109 scalony z UARTem i 8 wejściowym multiplexerem analogowym jako zdalne analogowe wejście bezpośrednio pracujące z 8 sensorami do złożonego systemu automatyki czy monitoringu i Alarmu.
Podwójnie całkujący ADC w układzie „ICL7106” jest ratiometryczny i ma wejście sygnału mierzonego ( całkowanego ) i wejście sygnału do fazy decałkowania. Dzięki temu niezwykle prosta jest realizacja omomierza. Ratiometryczność jest osobnym, złożonym mało znanym tematem (jest opracowanie autora ) i trzeba zważać na możliwą utratę dokładności statycznej i dynamicznej i stosować odpowiednie konfiguracje oraz ograniczenia. Bateryjne multimetry DVM początkowo produkowane z układem ICL7106 mierzyły tylko napięcia i prądy stałe oraz oporność. W bardzo pomysłowym układzie zabezpieczającym w DVM zastosowano pozystor i złącza B-E tranzystorów jako diody Zenera o ultra małym upływie oraz parę diod 1N5402 z bezpiecznikiem topikowym 5x20 mm do ochrony bocznika prądowego amperomierza. W nowszych DVM dodano prostownik idealny ze wzmacniaczem operacyjnym ale miernik napięcia i prądy zmienne mierzy poprawnie tylko do częstotliwości około 200-400 Hz.
Później dodano pomiar napięcia na przewodzącej diodzie spolaryzowanej prądem ca 0.1 mA oraz pomiar wzmocnienia prądowego tranzystorów NPN i PNP ze sprytną podstawką dla różnej kolejności wyprowadzeń tranzystora.
Są DVM z prostym przetwornikiem C/V do pomiaru pojemności. Są DVM z prostym przetwornikiem Częstotliwość na Napięcie F/V i w przybliżeniu mierzą częstotliwość. Tani DVM z układem ICL7106 robi się całą orkiestrą zastępując wiele przyrządów.
-Układ ICL7109 z multiplexerem wejść sprawuje się jako analogowe wejście do komputerka ZX Spectrum. Opanowano problem nasycania się przy przesterowaniu i zakłóceń w kolejnym multiplexowanym kanale. Ale producent winien wady ICL7109 usunąć tak jak poprawił ( mają już inną cyfrę w oznaczeniu ) wady ICL7106.
-Do wejścia układu ICL7106 podajemy sygnał z przetwornika RMS do którego sygnał podano przez preemfazę adekwatnie wzmacniającą harmoniczne mierzonego prądu sieciowego 50 Hz. Napięcie odniesienie do ICL7106 to odfiltrowane wyjście z prostownika idealnego. Im większe są THD i szersze ich pasmo i mocniejsza preemfaza tym większy wynik pomiaru mówiący jak mocny musi być derating transformatora. Gdy prąd nie jest zniekształcony transformator może pracować z pełną nominalna mocą. Adekwatność oznacza podatność ( = Mocniejsza preemfaza. Stałe czasowe Preemfazy mają być określone dla typów transformatorów ) transformatora na harmoniczne
-Układ ICL706 doskonale nadaje się od budowy miernika RLCZDQ jednak prostszego niż HP 4276. Układów przetwoeników Intersil 4 1/2 cyfrowych można użyć w dokładnym mierniku RLCZDQ
-Autor przerobił standardowy DVM z ICL7106 na wielokanałowy miernik temperatury z tranzystorami jako sensorami.
-W produkowanym światłomierzu i analizatorze kolorów ( w drugim wypadku użycie ratiometryczne ) zastosowano układ ICL7107 który steruje wyświetlacz LED a nie LCD. Jednak bardziej funkcjonalny analizator kolorów pracuje z ADC ICL7109 i komputerkiem ZX Spectrum.
Diody
Systemy pomiarowe - testowe dla półprzewodników mocy pracują impulsowo. Dzięki temu mogą być względnie małe, szybkie i bezpieczne dla obsługi oraz wiarygodne.
Diody mają często bardzo różną tolerancje na prądy impulsowe.
Produkowane miliardami na całym świecie 1 Amperowe plastikowe diody rodziny 1N400X ( genialne opracowanie Motoroli, także pod innymi nazwami ) mają prąd zwarciowy 30 A. Równie popularne plastikowe diody 3A 1N540X aż 180 A a 5 Amperowe diody BY550 - 300 A. Impulsowe prąd powtarzalne są trochę mniejsze ale niewiele mniejsze. Różną tolerancje mają też diody Fast oraz Very Fast i koniecznie trzeba to brać pod uwagę przy projekcie.
Ale dla odmiany bardzo małą przeciążalność mają niektóre epitaksjalno – planarne diody Ultra Fast.
-Fizycznie diody Schottky mają zerowy czas odzyskiwania zdolności zaworowej trr ( ale mają znaczną pojemność złącza ! ) ale mają małe napięcie wsteczne i bardzo duży prąd upływu oczywiście szybko rosnący z temperaturą. Można je zastosować w prostym układzie do bezpośredniego pomiary ładunków Qrr w całym zakresie czasów Trr od 10 ns do 10 us. Idea pomiaru, wady tej diody musi eliminować a dioda dla małego prądu upływu musi pozostawać zimna.
-Diody mają ( to jest funkcja a nie skalar ) czas odzyskania zdolności zaworowej Trr. Po wejściu w przewodzenie napięcie Ufr na diodzie stopniowo spada do wartości ustalonej przez czas Tfr. Własności fizyczne krzemu dla tranzystora bipolarnego dają nieprzekraczalny iloczyn Ft x Uceo ale realne tranzystory są od niego jeszcze daleko. Tranzystor ma czas wyjścia z nasycenia a po załączeniu jako klucz napięcie nasycenia Ucesatdyn stopniowo spada do wartości ustalonej. Widać przy przełączaniu podobieństwo do diody.
Przy przełączaniu diody i tranzystora obserwacja na nich napiec Ufr i Ucesatdyn jest oscyloskopem bardzo trudna a w zasadzie niemożliwa jako że zakres napięcia wejściowego oscyloskopu mu być duży aby wejście nie było przesterowane a sonda jest przecież skompensowanym regulowanym trymerem dzielnikiem RC zniekształcającym sygnał i sam oscyloskop też go zniekształca. Obserwacja Ucesatdyn rzędu 35 V po skoku napięcia Uce 500 V jest wprost niewykonalna.
Mostek z diod Schottky synchronicznie próbkuje w oscyloskopie analogowym (synchroskop) lub cyfrowym sygnały powtarzalne w zakresie częstotliwości wielu GHz . Ale spolaryzowany ciągle mostek lub półmostek ze zwykłych szybkich diod skutecznie obcina napięcie wejściowego sygnału obserwacji i można oscyloskopem obserwować napięcie Ucesatdyn tranzystorów bipolarnych, tyrystorów zwykłych i GTO oraz tranzystorów IGBT oraz napięcie Ufr na diodzie. Mostkiem i półmostkiem (gdy sygnał ma jedną biegunowość ) można zabezpieczyć wejście innych szerokopasmowych przyrządów jak częstościomierz. Mostek lub półmostek polaryzowany rezystorami trochę zniekształca nieliniowo sygnał ale zniekształceń pozbędziemy się stosując źródła prądowe. Niskonapięciowe źródła prądowe można stosować tylko do półmostka z asymetrycznym sygnałem.
Idee półmostka realizującego od razu funkcje bramki AND można też stosować w driverze do zabezpieczenia klucza mocy przed przeciążeniem / wyjściem z quasi – nasycenia i do sterowania aby tranzystor nie wchodził w nasycenie. Szczególnie klucza wysokonapięciowego. Wzmocnienie prądowe tranzystora szybko spada z dużym prądem kolektora i próg ochrony przy określonym maksymalnym prądzie sterującym bazę jest całkiem stabilny. Oczywiście trzeba brać pod uwagę efekt stopniowego obniżania napięcia na załączonym właśnie kluczu Ucesatyn przez czas około 3-5 usec. Można też tak chronić przed przeciążeniem tranzystory IGBT i Mosfety. Rozwiązanie nie wymaga użycia kłopotliwego i drogiego rezystora mocy na prąd klucza.
Klucze w inverterze chronione są normalnie pętlą regulacji prądu wyjściowego ale z uwagi na znaczną komplikacje i bardzo wysoki koszt kluczy dużej mocy ( 6 największych tyrystorów GTO kosztuje tyle co średniej klasy samochód osobowy ) dodatkowo zdublowaną ochronę winien sprawować sam driver drogiego klucza.
-Diody są podstawowym elementem ochrony I/O układów scalonych a szczególnie układów CMOS. Wiele układów ma na pinach I/O zintegrowana parę „diod” do GND i napięcia zasilania. Jednak nadmierny prąd płynący przez taką diodę może spowodować zatrzaśnięcie się układu połączone z destrukcyjnym zwarciem zasilania.
Możemy dać do ochrony I/O analogiczną parę dyskretnych diod ale pomiędzy nimi opornik do pina I/O tak aby ogromna większość zakłóceniowego prądu popłynęła diodami dyskretnymi. Tam gdzie sygnały są małej mocy opornik wniesie szum i winien być jak najmniejszy. W jego roli doskonale spisują się tranzystory JFet.
Ponieważ zintegrowane diody na pinach I/O wnoszą prąd upływu część wzmacniaczy operacyjnych intencjonalnie nie ma ich na wejściu. Dopuszczalny prąd przebicia bramek JFET-ów wejściowej pary różnicowej jest niewielki i skuteczną ochronę stanowi rezystor o odpowiednio dużej rezystancji.
Diody Zenera i diody lawinowe
W diodzie „Zenera” przy napięciach do około 5 V główną rolę odgrywa zjawisko Zenera z ujemnym współczynnikiem temperaturowym stabilizowanego napięcia. Przy napięciach z przedziału 5 - 7 V zjawisko Zenera i przebicie lawinowe występują równolegle a przy napięciu powyżej 7 V występuje wyłącznie przebicie lawinowe z dodatnim współczynnikiem temperaturowym napięcia.
Określenie więc dioda Zenera dla napięć > 7 V jest mylne ale ugruntowane praktyką. Efekt lawinowy występuje w każdej diodzie ale tylko w części z nich zjawisko nie jest zlokalizowane i nie prowadzi do zniszczenia diody.
Coraz więcej diod prostowniczych wszelkiej szybkości trr może pracować z efektem lawinowym. Dioda „lawinowa” o stosunkowo dużym napięciu może służyć do wyzwolenia tyrystora przy nadmiernym napięciu blokowania o ile tyrystor sam nie ma zdolności bezpiecznego samo-załączenia się.
Specjalnie celom ochronnym dedykowane są diody 1.5KExxx ( gdzie xxx oznacza napięcie ) masowo produkowane specjalną technologią o ogromnej tolerancji impulsowej. Tolerują impuls mocy 1.5 KW o czasie 1 ms. Także w niedużej plastikowej obudowie są diody tolerujące impuls o mocy 5 KW i czasie 1 ms.
Diody Zenera o napięciu poniżej 6.8 V maja duży upływ i dużą oporność dynamiczną. Z tego względu nie nadają się do ochrony I/O układów scalonych.
-W systemach automatyki stosowana jest pętla prądowa 0-20 mA lub 4-20 mA zasilana z reguły napięciem 24V. W regulatorze prąd pętli płynie przez rezystor 50-240 Ohm dołączony do GND. Napięcie do 4.8 V ( przy zasilaniu odniesienia 5V przetwornik ADC ma zatem wystarczające 0.2 V marginesu ) z rezystora 240 Ohm można podać do wejść nowoczesnego mikrokontrolera z przetwornikiem ADC i ośmiowejściowym multiplexerem. Uszkodzony sensor w pętli może ulec zwarciu i zwarcie może wystąpić w okablowaniu. Oczywiście wejścia analogowe mikrokontrolera muszą być efektywnie chronione.
-Ale nie możemy ogólnie dać na wejściach mikrokontrolerów za dużych rezystorów ochronnych ponieważ ścieżka sygnału w multiplexerze ma pojemności i swoją pojemność ma też dalszy układ próbkująco - pamiętający S/H w mikrokontrolerze. Pasmo próbkowanych sygnałów cały czas rośnie i mikrokontroler 16 bitowy może próbkować napięcia i prądy fazowe 50 Hz. Odpowiednie rozwiązania z diodami Zenera i diodami pokazano na schematach. Wybór wartości elementów nie jest trywialny a pochodzi z rozwiązania prostego zadania optymalizacji.
-Pierwszą linię obrony elektroniki w systemach energetycznych gdzie prądy zwarcia mogą sięgnąć 50 KA stanowi iskrownik i warystor
Tranzystory
Z pewnym opóźnieniem w stosunku do USA w Europie masową produkcje krzemowych tranzystorów planarnych NPN ogólnego przeznaczenia rozpoczął Philips w 1966 roku rodziną BC107,108,109 ( Uceo=45/20/20 V , 100 mA, 300 mW, BC109 ma testowane szumy, typ o wyższym napięciu Uceo to BC190 ) w metalowej obudowie TO18. Niedługo pojawiły się typy komplementarne PNP. Po nieudanej obudowie plastikowej Lockfit zastosowano do tych chipów obudowę plastikową TO92. Ostatniej rodzinie BC547,8,9 moc Pc podwyższono do 500 mW. Tranzystory w obudowie SMD SOT23 nazwano BC847,8,9 a PNP jako BC857,8,9
Koszt tranzystora to suma kosztów chipa i obudowy. Masowość produkcji obniża koszta i należy stosować typy podstawowe.
Obecnie najlepsze tranzystory produkują koncerny Japonii, która jest gigantycznym eksporterem rynkowej elektroniki zalewając nią cały świat. Japońskie tranzystory mają też najbardziej nowoczesne obudowy do automatycznego montażu. Obudowa jak TO92 ale wyższa ma moc strat 1 W co jest istotne na przykład dla tranzytów stopnia końcowego Video sterującego katody kineskopu w odbiornikach TVC. W obudowie podobnej do TO92 są tranzystory na prąd kolektora 3A. Są szybkie, mają małe napięcie nasycenia i duże wzmocnienie prądowe ale niewielkie napięcie Uceo.
Masowe tranzystory BC327/337 ( to również są typy podstawowe ale typ SMD BC807/807 z tym samym chipem ma prąd Ic obniżony do 500 mA z uwagi na obudowę SOT23 ) o znacznie większym chipie w obudowie TO92 mają Ic=800 mA z Pc= 625 mW.
N.B. Elementy do montażu powierzchniowego na PCB dawniej nazywano elementami do układów hybrydowych
Tranzystory BC327/337 cechuje małe napięcie nasycenie Ucesat i duże wzmocnienie do prądu kolektora aż 500 mA ale godząc się na większe napięcie Ucesat załączonego tranzystora można ze sporym wzmocnieniem przełączać prąd Ic 800 mA a nawet 1000 mA. Względnie szybko aktywnie przełączają ale czas nasycenia nie lokuje ich w grupie tranzystorów przełączających. Z literą „A” w oznaczeniu mają napięcie Uceo 60-80 V. Choć droższe czasem są stosowane zamiast typów podstawowych. Nie nadają się jednak do bardzo delikatnych sygnałów bowiem prąd upływu Icbo jest 10 razy większy i większe są też ich pojemności złącz. Z drugiej strony w zastosowaniach sygnałowych nie mają tendencji do wzbudzania się na zakresach RF i dodatkowe rezystory antyparazytowe / kondensatory często stają się zbędne.
Gdy źródło sygnału ma małą oporność tranzystory te mają o wiele mniejsze szumy niż linia 100 mA ! II przebicie występuje dopiero powyżej pewnej wielkości struktury tranzystora i przyjmuje się że w tranzystorach sygnałowych ono nie występuje. Ale na wykresie obszaru bezpiecznej pracy SOA tranzystorów BC327/337 jednak przy krzywej umieszczono napis o drugim przebiciu. Ale SOA tych tranzystorów jest bardzo, szeroki. Przy tranzystorach mocy jest relatywnie niezwykle szeroki.
Z tranzystorami BC327/337 sterującymi przekaźnik dioda antyrównoległa do przekaźnika jest zbędna bowiem mieścimy się w SOA. Ubocznie skutkuje to szybkim wyłączeniem przekaźnika w typowym czasie 2-3 ms i lepszą trwałością jego styków.
Do sterowania tych tranzystorów potrzebny jest mały prąd bazy wprost z portu mikrokontrolera lub PIO (czy też dowolnej logiki ) bez pośredniczych buforów. Bezpośrednio można je sterować z każdej logiki, komparatora, wzmacniacza operacyjnego i układu dyskretnego. Nie należy stosować rezystora Rbe do tranzystora ponieważ niepotrzebnie i szkodliwie podniesie napięci z Uceo do Ucer a przecież tolerowana moc impulsu spada z rosnącym Uce.
1.Na pierwszym rysunku pokazano tranzystor NPN BC337 sterujący przekaźnik bez diody antyrównoleglej i rezystora Rbe.
2.Na drugim rysunku pokazano tranzystor PNP BC327 silnie sterujący bramkę tyrystora bezpośrednio lub poprzez kondensator wytwarzający ujemne napięcie polaryzacji bramki tyrystora. Nie należy tu stosować typu NPN w układzie wtórnika emiterowego bowiem znaczne impulsowe napięcie z bramki załączanego tyrystora może wstecznie zakłócić układ sterujący i zmniejszyć trwałość tranzystora o przebijanym złączu B-E!
3.Na trzecim pokazano tranzystor NPN lub PNP sterujący bramkę tyrystora poprzez transformatorek. Przy sterowaniu bramki niewielkim prądem oba uzwojenia transformatora bramkowego muszą mieć dużo zwoi ( wymagana znaczna indukcyjność transformtora ) i ekrany aby stromo narastające napięcie Uak tyrystora nie zamieniało się na pojemności międzyuzwojeniowej transformatora na zakłócający prąd bramki. Przy zastosowaniu rdzenia ferrytowego o dużej przenikalności dioda antyrównoległa do transformatorka staje się zbędna i tranzystor w modzie lawinowym Avalanch przy napięciu Uceo absorbuje niewielką energie rozładowania pola magnetycznego. Gdy zastosujemy szybkie wyzwalanie dużymi, krótkimi impulsami ( co jest bardzo pożądane dla tyrystora) to ekran między uzwojeniami o małej ilości zwoi staje się zbędny a transformator jest mały i tani.
Tyrystorowy sześciopulsowy serwo napęd DC do maszyn CNC i robota ma do jednego silnika aż 12 tyrystorów. Minimalizacja rozmiaru 12 układów wyzwalających tyrystory na podstawowe znaczenie dla powodzenia wykonalności - realizacji systemu.
4.Tranzystory te doskonale nadają się do bardzo szybkiego komplementarnego wtórnika emiterowego pokazanego na czwartym rysunku do sterowania m.in. bramek tranzystorów Power Mosfet prądami obu biegunowości do 800 mA. Charakterystyki statyczne i dynamiczne tego wtórnika można kształtować dając w dowolnej kombinacji ( także asymetrycznie ) rezystory kolektorowe, emiterowe i w bazach. Rezystory w bazach dają więcej opóźnienia niż zmniejszenia szybkości zboczy. Dając rezystory w bazach i emiterach trzeba uważać aby nie doszło do mocnego przebijania złącz B-E i wsteczne napięcie na nich nie powinno przekraczać 5-6 V.
Nawet przy krótkich ścieżkach rezystor bramkowy Mosfeta Rg jest często konieczny dla uniknięcia przerzutów ale także ewentualnych pasożytniczych oscylacji Mosfeta w zakresie od niskiego zakresu VHF do UHF. Wtórnik mogą sterować układy CMOS 4000 zasilone napięciem do 15-18 V. Tranzystory Mosfet w obudowie TO220 mają prąd Id do 50 A a impulsowy 3-4 krotnie większy. Połączone równolegle takie tranzystory mogą potężnymi prądami sterować bramkę wyłączalnego tyrystora GTO. Sterownik bramki GTO jest bardzo trudnym systemem a zminiaturyzowany może być umieszczony blisko tyrystora GTO co jest bardzo pożądane bowiem indukcyjność połączeń drivera z GTO jest ekstremalnie szkodliwa.
Napięcie z komplementarnego wtórnika zasilanego napięciem 15-30 V można podać do powielacza napięcia uzyskując napięcie rzędu 100 Vdc lub większe (na przykład do zasilania sensora) ale o znikomej mocy.
Wejściowe napięcie sterujące komplementarny wtórnik ze strefą martwa 2 x Ube decyduje o napięciu wyjściowym. Natomiast kierunek prądu wyjściowego decyduje który tranzystor przewodzi. Tranzystory nigdy nie są nasycane co jest zaletą. Gdy wejściowe napięcie jest zerowe to wypływający z wyjścia prąd dostarcza tranzystor NPN a jest na mim pełne napięcie zasilania co daje stratę mocy.
Na kolejnym rysunku pokazano nasycany (siłą rzeczy wolniejszy ) półmostek, układ komplementarny gdzie do wyjścia idą kolektory tranzystorów NPN i PNP a zasilania podane są do ich emiterów. Jest kilka pomysłowych sposobów sterowania baz tych tranzystorów. Po zmianie kierunku prądu wyjściowego tranzystory pracują inwersyjnie lub muszą mieć dodane antyrównolegle diody.
Wzmocnienie inwersyjne tranzystorów przełączających dotowanych złotem Au jest bardzo małe i może wynosić nawet 1. Wzmocnienie inwersyjne tranzystorów BC z grup o o dużym wzmocnieniu sięga 20-30 razy. W przybliżeniu im większe wzmocnienie inwersyjne tym większy czas wyjścia z nasycenia.
5.Na piątym rysunku pokazano bardzo szybki przełącznik mocy z użyciem wariacji komplementarnego wtórnika emiterowego gdzie tranzystor NPN wtórnika jest w układzie Darlingtona (połączone koletory ) z tranzystorem mocy NPN ( w obudowie TO220 są dostępne tranzystory o Ic=15 A ) a wytwarzający wyłączający ujemny impuls prądu bazy tranzystora mocy tranzystor PNP wtórnika jest na chwile załączany impulsem napięcia z kondensatora wejściowego obwodu RC. Układ niestety nie nadaje się jako klucz bipolarny do invertera dla silnika AC. Rezystor Rbe statycznie bocznikuje B-E tranzystora mocy.
6.W regulatorze napięcia o często zupełnie wystarczających parametrach, niewielki rezystor w kolektorze tranzystora BC327/337 chroni go przez skutkiem zwarcia wyjścia. Długie zwarcie musi rozłączyć bezpiecznik lub ten rezystor nazwany FP ( są one masowo stosowane w elektronice japońskiej i coraz szerzej pozostałej ) jako bezpiecznik. Szumy są znacznie mniejsze niż scalonych regulatorów 78XX i LM317/337. Dla dalszego zmniejszenia szumów diody Zenera DZ można ją zablokować kondensatorem ale w bazie tranzystora trzeba dać niewielki ( dla szumów jak najmniejszy ) szeregowy rezystor dla ograniczenia impulsu prądu bazy do 200 mA w czasie zwarcia.
Na marginesie należy zauważyć że złącze B-E tranzystora jest diodą Zenera o napięciu circa 6.5 V ale ma bardzo mały upływ i doskonale nadają się do zabezpieczania delikatnych wejść na przykład układów ICL7106 i podobnych innych koncernów.
Złącze B-E spolaryzowane małym prądem jest dobrym generatorem szumu.
Mankamentem tranzystorów BC337/327 jest czasem istotny czas wyjścia ich z nasycenia. Tam gdzie bez dodatkowych antynasyceniowych elementów R i D potrzebne jest bardzo szybkie wyjście z nasycenia konieczne jest użycie tranzystorów „2N2222/2907” ( 600 mA /45 V te rodziny są w różnych obudowach, w tym TO92 oraz SOT23 i stąd cudzysłów. Późniejsze nazwy 2N4401/4403 tylko w obudowie TO92 i SOT23) produkowanych w świecie ( także w Polsce ) pod różnymi nazwami.
Bez trudu uzyskujemy czasy narastania / opadania prądu poniżej 20 ns ( czasy wyjścia z nasycenia są większe szczególnie dla typów NPN ) a duży prąd możemy przełączać łącząc wiele tranzystorów równolegle.
Z popularnych typów szybszy jest tylko dotowany złotem tranzystor NPN BSXP59-61 o Ic=1 A szeroko stosowany w driverach pamięci ferrytowych.
Ich parametry stałoprądowe są jednak gorsze niż typów BC337/327 i są też droższe.
Do bardzo szybkiego, nasyconego przełączania prądów do 200 mA niezastąpiony jest nadal 2N2369 (=krajowy BSXP87, dotowany Au ).
Tranzystory BC639/640 również w obudowie TO92 o Ic=1A i Uceo=80V często lepiej zastępują w przełączaniu znacznie droższe i większe tranzystory BD139/140.
Masowo produkowane są od lat tanie szerokopasmowe tranzystory o Ft= 5 GHZ. Kilka (2-3) takich tranzystorów użytych jest w każdym domowym magnetowidzie w systemie przychodzącego i wychodzącego telewizyjnego sygnału antenowego / CATV.
Drugim masowym zastosowaniem tych tranzystorów są urządzenia do sieci CATV.
Chętnie są stosowane w aparaturze profesjonalnej.
Chip japońskiej Toshiby w obudowie TO92 to tranzystor 2SC2570 a w bardziej „mikrofalowej” obudowie nazwany jest 2SC2369. W tej drugiej obudowie tranzystor ma odrobinę lepsze parametry z racji mniejszej szkodliwej indukcyjności wyprowadzeń emitera. Są też inne obudowy a w tym obudowy SMD. W Europie Zachodniej podstawowym typem takiego tranzystor jest BFR91A Philipsa ale inne mają już zwykłe oznaczenia tranzystora radiowego BF sugerujące standardowość masowej produkcji.
Nowsze ale znacznie droższe typy tranzystorów szerokopasmowych mają Ft do 12 GHz.
Na takich tranzystorach możemy wykonać bardzo szybką nienasycaną (!) pseudo logikę podobną do ECL do całkiem mocnych sygnałów. Wzmocnienie prądowe tych tranzystorów nie spada aż do częstotliwości 50-100 MHz. Prosty szerokopasmowy wzmacniacz z jednym takim tranzystorem zastępuje skomplikowany układ z tradycyjnymi tranzystorami.
Z takimi tranzystorami logicznie bramkowany ( przykładowy w przyrządzie HP ) stabilny generator / timer przestrajany varicapami pracuje do częstotliwości aż 400 - 800 MHz. Jest przy tym prosty.
Przełączana para różnicowa może w analogowym ekspanderze czasu przez bardzo krótki „ekspandowany” czas ładować prądem do 20-40 mA małą pojemność. Napięcie na kondensatorze ( podane w końcu do ADC ) jest proporcjonalne do mierzonego krótkiego odcinka czasu.
Fizyka tranzystora sprawia że wraz z rosnącym napięciem Uceo spada jego wzmocnienie ( szczególnie przy większych gęstościach prądu ) prądowe i częstotliwość graniczna Ft. Pojawia się zjawisko quasi nasycenia.
Do wzmacniaczy Video sterujących katody kineskopów TVC stosowane są masowe, tanie tranzystory BF o napięciu Uceo 250-300 V. W typach komplementarnych znacznie szybciej spada z prądem kolektora wzmocnienie i Ft tranzystorom PNP. Ale i tak przy maksymalnym typowym prądzie kolektora 100 mA wzmocnienie typu NPN spada do 5 razy a Ft spada poniżej 5 MHz. Faktycznie trudno jest takich tranzystorów użyć z prądem większym od 20-50 mA.
Masowe, tanie tranzystory MPSA42 - NPN i MPSA93 - PNP w obudowie TO92 ( także pod innymi nazwami i w obudowach SMD ) mają Uceo=300 V i prąd kolektora 500 mA. Ich wzmocnienie i Ft zachowuje się w skali Ic tak samo jak typów BF na 100 mA czyli użyteczne są do prądów 100-250 mA. Mają większe struktury i circa 3 razy większą pojemność Cbc niż tranzystory BF . Koncerny japońskie takie tranzystory produkują też na wyższe ( Uceo do 450 V ) napięcia.
-Tranzystory o dużym napięciu Uceo mogą pracować w układzie propagacji sygnału do drivera górnego klucza mocy ( zawsze NPN lub N ) w mostku.
-Tranzystory o dużym napięciu Uceo mogą pracować w energooszczędnym układzie zasilania startowego każdego układu zasilanego z prostownika sieciowego 220Vac. Układ może mieć redundancje i po przebiciu tranzystora pobiera po prostu więcej mocy traconej w rezystorze. Mały rezystor może być typu FP.
Krajowe tranzystory mocy BDP395 / BDP396 w obudowach TO220 mają importowane chipy tranzystorów 2N6488 / 2N6499 w obudowach TO220. Ich Ic=15A a Uceo=80V. Z uwagi na szybko spadające wzmocnienie prądowe i spadającą częstotliwość graniczną Ft ich użyteczny prąd pracy wynosi 10 A czyli niemało.
W krajowym sprzęcie Audio zastosowano komplementarne tranzystory Darlingtona ogólnego przeznaczenia BD645/646 lub BDX53/54 o Ic=8A.Można też kupić tranzystory Darlingtona BDV65/64 o Ic=12A w obudowie TOP3. Wymienione tranzystory Darlingtona mają na tle zwykłych tranzystorów bardzo szeroki obszar bezpiecznej pracy SOA. Mankamentem jest brak możliwości szybkiego wyłączenia a w zastosowaniach liniowych szkodliwy, bardzo wysoki współczynnik temperaturowy napięcia dUbe/dt wynosi aż 3.8 mV/C co na przykład we wzmacniaczach mocy zmusza do zastosowania stabilizujących rezystorów emiterowych co najmniej dwa razy większej wartości (co z innych względów jest szkodliwe ) niż z tranzystorami pojedynczymi.
W zastosowaniach przełącznikowych i szybkich liniowych tranzystory Power Mosfet są bez porównania lepsze ale jeszcze droższe ale tranzystory Mosfet są długofalowym malejącym trendzie cenowym.
Szeroki obszar pracy bezpiecznej i dużą moc Pc mają tranzystory Darlingtona dedykowane / stosowane w elektronicznym zapłonie silników spalinowych. Wykonane są specjalną technologią. Potentatem w ich produkcji są koncerny Japonii. Typowo mają Uceo=400 V a Ic=10...15A. Mankamentem ( ale nie w zapłonie ) jest brak możliwości szybkiego ich wyłączenia i powolna dioda antyrównoległa.
Tranzystory JFet
Scalone tranzystory JFet stosowane są we wzmacniaczach operacyjnych i innych układach analogowych jako wejściowa para różnicowa i jako źródła prądowe. Mają bardzo małe szumy prądowe a duże geometrycznie tranzystory pracujące z dużym prądem mają też małe szumy napięciowe. Masowa produkcja tranzystorów JFET ma zbliżony koszt do tranzystorów bipolarnych ale ich produkcja jest mała co rzutuje na ich stosunkowo wysoką cenę.
-Tranzystor BF245A (=2N3819 z Bomisu ) z rezystorem 2 KOhm w źródle jest dwukońcówkowym stabilizatorem prądu ca 600 uA. Niestety wartość rezystora i prądu dla uzyskania zerowego współczynnika temperaturowego prądu ma pewną dyspersje i w praktyce źródło nie jest za stabilne ale jego ogromną zaletą jest to że ma tylko dwa elementy i ma znikome szumy ! Nadaje się znakomicie jako mało krytyczne, pomocnicze źródło prądowe lub tam gdzie krytyczne są szumy.
-Symetryczny tranzystor JFET jako dwójnik D-S z rezystorem między G-S przy dodatniej polaryzacji D jest źródłem prądowym o prądzie malejącym z temperatura ( sam się odciąża w chronionej sytuacji ) a przy ujemnej polaryzacji źródłem prądowym z równoległym z rezystorem. Jest znakomitym niskoszumnym zabezpieczeniem delikatnych układów analogowych. W wersji scalonej rezystorem może być drugi tranzystor JFet.
-Tranzystor JFet jest normalnie włączony i może bez zasilania bocznikować wrażliwy obwód. Produkowane są w obudowie TO92 JFety o Rdson = 4 Ohm. Taki tranzystor może spoczynkowo blokować bramkę dużego wyłączanego tyrystora GTO aby efektem szybko narastającego napięcia anodowego du/dt nie został dynamicznie włączony. Zablokowanie bramki GTO rezystorem Rgk jest niemożliwe jako że roboczo podane jest jej napięcie do -15...18 V i straty mocy byłyby koszmarne. Gdy zostanie podane napięcie zasilania do drivera GTO aktywujący go układ logiczny Power On Reset poda ( aktywny Driver podaje do bramki GTO napięcie ujemne ) jednocześnie ujemne blokujące napięcie do bramki JFeta.
-Elektroniczne dzielniki DC do multimetru autoranging są znane z aplikacji Intersil do układu ICL7106 ale mają tragicznie wąskie pasmo przenoszenia. Tranzystory JFet mogą być przełącznikami w aktywnym dzielniku z OPA o dość szerokim paśmie na zakresy zmiennoprądowe AC.
Tranzystory Mosfet
Jako przełączniki cyfrowe i analogowe tranzystory Mosfet używane są w układach scalonych CMOS. Zajmują bardzo mało miejsca na powierzchni chipa i są bardzo tanie. Multiplexery i demultiplexery CMOS są bardzo użyteczne ale wymagają odpowiedniej ochrony przepięciowej, głównie ESD. Jako liniowy element aktywny Mosfety używane są we wzmacniaczach operacyjnych CMOS i BiMOS. Klucze i wzmacniacze CMOS to jądro filtrów ( mniej innych układów ) z przełączanymi pojemnościami oraz modulatorów Sigma - Delta do ovesamplingowych przetworników ADC.
Krzemowe dwubramkowe tranzystory Mosfet ( RCA wypuściła pierwsze w 1970 roku) mają obecnie w przedziale częstotliwości od kilkunastu MHz do ponad 1 GHz najniższe szumy i najwyższe wzmocnienie ( przy 800 MHz wzmocnienie wynosi 18 dB !) ze wszystkich elementów aktywnych. Obecnie są scalone z diodami Zenera chroniącymi obie bramki co jest kolejną ich zaletą.
Są elementami bardzo liniowymi. Dopiero ich zastosowanie pozwoliło na wyprodukowanie po rozsądnej cenie znakomitych głowic TVC do systemów telewizji CATV. Masowo produkowane są dość tanie. Przy małym poziomie intermodulacji mają bardzo szeroki zakres regulacji wzmocnienia do systemu AGC czyli ARW lub innego systemu.
Oprócz wzmacniacza można ich użyć jako mieszacza quasi mnożącego ( także zrównoważonego w sprzęcie pomiarowym ) o bardzo dobrych parametrach – to ich typowe masowe zastosowania w zakresie radiowym w sprzęcie konsumenckim i profesjonalnym.
Dwubramkowe Mosfety mają obudowy z 4 pinami ale tranzystor 2SK241 - Toshiba dla taniości ma 3 piny i górną bramkę połączoną w chipie ze źródłem. Górny Mosfet jest technologicznie silniej załączony i zewnętrzna dodatnia polaryzacja górnej bramki jest zbędna. We wzmacniaczu głowicy UKF FM przy częstotliwości 100 MHz ma on w układzie ( z uwzględnieniem strat w LC ) wzmocnienie aż 28 dB. Jest liniowy i ma znikome intermodulacje. Znikome szumy i potężne wzmocnienie dają niewiarygodną czułość odbiornika ! Nawet z marną anteną odbiór Stereo jest bezszumny. Tranzystor JFet 2SK41 były stosowany w głowicy UKF licencyjnego odbiornika Elizabeth. Cyfra 2 w oznaczeniu mogłaby fałszywie sugerować że jest to druga, ulepszona generacja JFeta i w istocie dla innych tranzystorów tak jest jak przykładowo z 2SK246. Tranzystor 2SK241 można zastosować zamiast starszego JFeta ale bardzo dobrze muszą być rozprzężone / obwody wejściowe i wyjściowe LC bowiem wzmocnienie jest potężne.
-Aktywna szerokopasmowa do 1 GHz sonda oscyloskopowa (ale nie tylko) analogowa i cyfrowa o znikomej pojemności wejściowej. Wielokrotnie mniejszej niż mają inne rozwiązania. Razem z dwubramkowym Mosfetem pracują tranzystory szerokopasmowe.
-Niskoszumny generator Clappa w układzie jak wspólnego drenu ale z sygnałem wyprowadzonym drenem podobnie jak lampowy generator z pentodą. Zbędny jest stopień separujący na przykład do wejścia syntezera częstotliwości PLL.
-Elektroniczny szerokopasmowy dzielnik wejściowy do oscyloskopu Autoranging. W konwencjonalnym oscyloskopie czułość toru Y przełączana jest ręcznie obrotowym przełącznikiem. Skompensowane pojemnościowo dzielniki mogą być przełączane miniaturowymi przekaźnikami sterowanym przez komputerek. Lepszym rozwiązaniem jest przełączanie zakresów kluczami elektronicznymi. Bardzo dobre rezultaty uzyskuje się w dwutorowym ( DC i AC ale ze sprzężeniem zwrotnym i bez błędów wynikających z różnych stałych czasowych torów ) szerokopasmowym systemie z użyciem dwubramkowych Mosfetów UHF oraz diod PIN oraz innych elementów.
-Wzmacniacz do anteny UHF ( także pomiarowej i także antenki ) na zakres IV-V o znikomych szumach i dużym wzmocnieniu
-Dwubramkowy Mosfet jest dobrym kluczem do wzmacniaczy z przetwarzaniem sygnału. Kluczem faktycznie operuje brama 1 ale doprowadzone w przeciwfazie niewielkie napięcie kluczujące do bramki 2 całkowicie likwiduje przeciek sygnału sterującego do wejścia sygnału kluczowanego. Taki wzmacniacz zbudowany z dużej ilości elementów ( w tym OPA ) obecnie staje się anachronizmem.
Tranzystory power Mosfet.
Pionierem w dziedzinie tranzystorów Power Mosfet jest firma International Rectifier z USA. Oznaczone są one głównie jako IRFvst gdzie v to napiecie Uds wiodącego modelu, s to rozmiar struktury a rosnące t oznacza rosnącą słabość ( napięcie i Rdson ) względem modelu wiodącego.
Obecnie każdy światowy koncern mikroelektroniczny ma te tranzystory w ofercie. Część z nich ma oznaczenie jak IR i są „drugim” źródłem. Tranzystory Mosfet pracują tylko z nośnikami większościowymi i stąd ich szybkość praktycznie limitowana jest pojemnościami struktury i indukcyjnością wyprowadzeń. Czas odzyskania zdolności zaworowej trr pasożytniczej diody ( jest to faktycznie tranzystor z przywartą B i E pracujący jako dioda inversyjnie ) antyrównoległej szybko rośnie z maksymalnym napięciem tranzystora. Nie nadają się więc one do inverterów.
Tranzystory Mosfet mają w porównaniu z tranzystorami bipolarnymi małą transkonduktancje i w zasadzie nie występuje w nich II przebicie charakterystyczne lokalizacją strat mocy w strukturze.
Wyjątkiem są niskonapięciowe tranzystory na duży prąd i o małym napięciu bramki Ugsth przeznaczone do sterowania wprost z układów logicznych napięciem 5V, które mają bardzo dużą transkonduktancje.
Antyrównoległa pasożytnicza „dioda”-tranzystor przy napięciu Ucer ( zazwyczaj jest wyższe o 10-20 % od katalogowego napięcia Mosfeta ) zachowuje się jak dioda Zenera ale jej zdolność absorpcji impulsu energii bardzo zależy od projektu tranzystora i producenta ! Tranzystory IR tolerują silne impulsy Avalanche a tranzystory Siemensa nie tolerują ich.
Częstotliwość pracy zasilacza impulsowego SMPS z Mosfetem jako kluczem / kluczami jest limitowana tylko własnościami ferrytu rdzenia transformatora ( drogie są też diody UF ) i obecnie nie przekracza 100 KHz. Niemniej trwają prace nad ferrytami do wyższych częstotliwości pracy. Generalnie im wyższa jest „optymalna” częstotliwość pracy tym mniejszy jest SMPS co w części zastosowań ma duże znaczenie.
Rezystancja załączonego Mosfeta Rdson rośnie z nominalnym napięcie Uds i przy danym rozmiarze chipa Mosfeta jako przełącznik ma on największą moc przy napięciu 500-600 V. Trwają studia i prace nad zmniejszeniem Rdson Mosfetów na duże napięcia. Produkowane są typy na napięcie 1000 V a nawet 1500 V ale mają dużą wartość Rdson.
-Dwie omówione wersje wysokonapięciowych Integratorów do zautomatyzowanego, szybkiego pomiaru krytycznej stromości narastania napięcia du/dt dla tyrystorów bez niebezpiecznych wysokonapięciowych zasilaczy dużej mocy. Wadą drugiego rozwiązania jest maksymalny skok napięcia do 1000-1500 V.
-Klucz w systemie do badania / testowania odporności diody na energie Avalanche i jednoczesnego wyznaczenia napięcia przebicia.
-Regulowany / programowany aktywny Snubber zastępujący w testerze snubber RC przy tyrystorze. Szeregowy rezystor mocy R odciąża Mosfeta a zarazem zapobiega przewodzeniu jego pasożytniczej diody.
-Klucz do pomiaru parametrów Trr i Qrr diod Ultra Fast. Tranzystory Mosfet mają znaczną prądową przeciążalność impulsową i do testera obecnych diod UF wystarczy jeden Mosfet jako klucz mocy. Łatwo jest ( także programowo ) zmienić prąd i szybkość narastania prądu diody di/dt. Sprzęt do zmian programowalnych jest prosty.
Ładunek Qrr można mierzyć bezpośrednio z opisanym użyciem diody Schottky. Krótki czas Trr można mierzyć z pomocą Expandera czasu. W praktyce parametr Qrr jest najważniejszy jako że wprost w inverterze i SMPS przekłada się na straty mocy w załączanym kluczu!
Można też mierzyć parametry diod Fast i Very Fast oraz tyrystorów ale dla przyrządów energetycznych na wielkie prądy jednak należy stosować mało elastyczny system z tyrystorem jako kluczem mocy.
-Wzmacniacz wyjściowy silnego generatora impulsowego
-Liniowy „szerokopasmowy” wzmacniacz mocy
-Sterownik bramki potężnego tyrystora wyłączalnego GTO z power Mosfetami może być całkiem mały. Moc zasilania driverowi bramki GTO dostarczana jest izolującym transformatorem co ogranicza napięcie na jakim może pracować GTO. Energie można pobrać i obniżyć napięcie przetworniczką z obwodu snubbera ale nie zawsze. W takiej sytuacji równolegle połączone niskonapięciowe tranzystory Mosfet o bardzo małej rezystancji załączenia Rdson można umieścić w katodzie GTO. Prąd główny GTO płynie przez te tranzystory i dla kompaktowości mogą być on chłodzone radiatorem wodnym tak jak GTO. GTO w tym rozwiązaniu jest załączany i podtrzymywany w razie czego wysokonapięciowym Mosfetem włączonym z tyrystorem GTO w „Darlingtona”.
Tyrystory
Tyrystory jest dość wolnym przełącznikiem. W całej historii tyrystora najszybsze tyrystory asymetryczne ASCR ( nie GTO ) masowo produkowano do telewizyjnych TVC układów odchylania poziomego H-Out. Takie krajowe tyrystory BTP127-128-129 mają chip koncernu RCA. Bez selekcji są one dostępne w zestawach sprzedawanych w Składnicy Harcerskiej. Ich katalogowy czas Tq jest niezwykle mały na tle tyrystorów średniej i dużej mocy. Należy jednak zwrócić uwagę na to że czasy te są zdefiniowane z ujemną polaryzacją bramki i to w przypadku tyrystora wybierania potężną ujemną polaryzacją ! Bez tej polaryzacji czas Tq jest większy. Z szybkim silnym impulsem wyzwalania bramki tolerują szybkie narastanie znacznego załączanego prądu.
-Masowy, tani tyrystor BT152 o Itav=13 A w obudowie TO220 toleruje prąd zwarciowy 200 A i szybkość narastania prądu 200 A/usec. Jego czas wyłączania Tq=30 usec jest dość krótki mimo iż nie jest to tyrystor szybki ale standardowy. Znakomicie nadaje się on do układów testowych półprzewodników mocy.
-Tyrystor BT152-800 TO220 zastosowano w generatorze HV silnego impulsu jonizującego do spawarki TIG. Generator ten emituje, na tle prymitywnych generatorów z iskrownikami, niewielkie zakłócenia ( EMC ) tym bardziej ze system sterowania jest inteligenty i wydanych jest niewiele impulsów jonizujących. Tyrystor pracuje z ogromną szybkością narastania prądu di/dt i ogromnym prądem impulsu. Dla niezawodności wymaga szybkiego i silnego impulsu wyzwalania bramką prądem 3 A !
-Tyrystory mające w nazwie „106” są bardzo czułe ( typowo prąd wyzwalania Igt wynosi ledwie 15 uA !) ale mają bez zablokowania bramki bardzo małą odporność zakłóceniowa du/dt. Dobrze nadają się do urządzeń mikromocowych.
Generator synchroniczny bez wzbudzenia generuje małe napięcie z magnetyzmu szczątkowego. Im dłużej generator był odstawiony tym mniejsze jest to napięcie. To napięcie musi wystarczyć dla zasilanego nim AVR aby podjął pracę czyli wzbudzenie generatora. Gdy wymaga większego napięcia startowego trzeba stosować dodatkowe rozwiązania startowe co komplikuje system AVR, podraża go i obniża niezawodność.
-Tyrystory mogą być kluczami w Testerze wiązki kabli gdzie połączenia są testowane dużymi prądami a przy okazji mierzona jest mała oporność przewodu ze złączami. Użycie odpowiednich napięciem tyrystorów umożliwia też test izolacji napięciem do 1000 V.
Wzmacniacze operacyjne mocy.
Ponieważ monolityczne i hybrydowe wzmacniacze operacyjne mocy są bardzo drogie i niedostępne do standardowego wzmacniacza operacyjnego dodaje się tranzystory ( w tym tranzystory mocy ) w liczbie od dwóch do 10 oraz inne elementy. Zatem całkowity koszt układu „OPA mocy” jest wysoki.
Monolityczne wzmacniacze mocy Audio TDA2030 ( także inne ) stosowane są w niedrogim sprzęcie Audio oraz w lepszych odbiornikach TVC. Układ TDA2030 jest zbudowany tak jak wzmacniacz operacyjny i można go użyć jako wzmacniacza operacyjnego mocy.
W każdym wzmacniaczu operacyjnym strumień ciepła z wyjściowych tranzystorów mocy trochę asymetrycznie podgrzewa tranzystory wejściowej pary różnicowej wywołując dodatkowy dryft i stąd chip układów precyzyjnych OPA ma specjalny rozkład elementów aby strumienie ciepła były symetryczne.
Nagrzewanie układu TDA2030 powoduje wejściowy dryft ale jest on dużo mniejszy niż można by się spodziewać ! Jest mało prawdopodobne aby stało się to problemem. W razie czego można dodać zwykły wzmacniacz operacyjny który zadecyduje o dryfcie całości.
-Eksperymentalnie układem TDA2030 z sukcesem zastąpiono wieloelementowy układ „OPA mocy” w plotterze.
-Zastąpiono przez TDA2030 układ wzmacniacza mocy OPA zasilający sensory położenia LVDT. Zresztą okazało się że wystarczy zwykły wzmacniacz operacyjny z szeregowym dwójnikiem RC ( mała rezystancja R dla stabilności wzmacniacza ) na wyjściu OPA kompensujący moc bierną zasilanej indukcyjności sensorów. Zresztą generator sygnału sinusoidalnego z OPA mocy do zasilania LVDT jest wodotryskiem i wystarczy stabilny jednotranzystorowy generator LC.
-Dwa układy TDA2030 mogą zasilać zestaw 3 resolverów (selsyn do pomiaru położenia ) do maszyny CNC lub > 6 resolverów do robota przemysłowego.
Transoptory.
Do driverów kluczy mocy produkowane są specjalne transoptory o bardzo wysokiej odporności na zakłócenia stromościowe dv/dt. Typy o wzmocnionej izolacji ( m.in. szersze obudowy DIL o zwiększonym dystansie między pinami stron izolowanych ) mogą pracować z większym napięciem. Hewlett Packard jako pierwszy produkował nadajniki i odbiorniki cyfrowe połączone światłowodem. W układzie energoelektronicznym wielkiej mocy mogą pełnić role transoptora o izolacji nawet na 1 MV. Z uwagi na ogromne dv/dt skoki napięć trzeba stosować bardzo szczelne ekranowanie optycznych odbiorników.
Transformatory.
Wykonanie transformatora bywa trudne.
-Użyteczne są transformatorki bramkowe stosowane w zaniechanym licencyjnych odbiornikach Thomson TVC T5601
-W zmodyfikowanych i rozbudowanych układach ( bez izolacji od sieci i trzeba dodać izolujący transformator sieciowy mocy 50 Hz ) użyteczne są transformatory (często są zalane w plastiku ) przetwornic Flyback SMPS do TVC. Przekładnia uzwojenia prostownika 110-148 Vdc zasilającego H-Out wynosi do uzwojenia pierwotnego około 1:1. Ale w mocno zmodyfikowanym – rozbudowanym układzie SMPS z kluczem Mosfetem 600 V daje napięcie do 1000 Vdc a z kluczem bipolarnym nawet do 1400 Vdc.
W nowych transformatorach FBT do TVC uzwojenie wtórne HV jest podzielone na identyczne części które są szeregowo połączone wbudowanymi diodami. Między uzwojeniami HV jest praktyczne tylko napięcie stałe ! Pozwala to opanować sprawę rezonansów w uzwojeniu HV.
Identyczne rozwiązanie można zastosować w zasilaczu Flyback ze swoim transformatorem. Jednostkowo wykonany transformator jest drogi i jednak powinniśmy używać elementów produkowanych seryjnie.
-Znakomitym źródłem wysokich napięć HV niemałej mocy jest transformator FBT z TVC. Moc można powiększyć dodając dławik magazynujący energie równolegle do uzwojenia pierwotnego.
-Użyteczne są transformatorki zasilaczy HV małej mocy z oscyloskopu, defibrylatora ( do 50 W ) i rentgenoradiometru z licznikiem Geigera Millera.
Literatura od autora
1.Systemy ratiometryczne dla sensorów i przetworników ADC i DAC
2.Optymalizacja (P) ochrony analogowych pinów I/O układów scalonych a szczególnie analogowych multiplexerów CMOS wejściowych i wyjściowych
3.Niezawodne wejścia i wyjścia sterowników PLC także z kontrolą ich sprawności
4.Scalone klucze trójfazowych mostków mocy (P) do zasilania niewielkich silników
5.Drivery (P) kluczy mocy i wielkiej mocy : tranzystorów bipolarnych, Mosfet oraz IGBT, tyrystorów i GTO z elementów dyskretnych i propozycje do scalenia monolitycznego
6.Systemy ochrony elektroniki w systemach energetycznych
7.Energetyczne zastosowania układu ICL7106 oraz układu ICL7109
8.Zbiór schematów innowacyjnych (P) układów
Sprawdzenie.
Wiele kontrolowanych obiektów ma wiele wejść i wiele wyjść (MIMO).
Koniem roboczym regulacji jest nadal regulator PI – PID do obiektów o jednym wejściu i jednym wyjściu SISO.
W przypadku obiektu MIMO możemy znaleźć pary wejść – wyjść gdzie wejście najmocniej oddziaływuje na to wyjście w parze. Aby osłabić lub wyeliminować wpływ innych wejść stosuje się rozprzęganie czyli Noninteractive Control. Znane są przykłady gdzie rozprzęganie daje dobre rezultaty.
Klasyką jest regulacja kaskadowa, selekcyjna i stosunku. Mądrze zastosowane pozwalają czasem z obiektem MIMO i regulatorami PI-PID uzyskać całkiem dobre rezultaty.
Może zbrojenia są tylko pretekstem do brania łapówek aby w razie wojny uciec za granicę i wygodnie za wzięte łapówki sobie żyć.
OdpowiedzUsuńTo prawdopodobne.
Lepszym określeniem zamiast 'wieży destylacyjnej' jest kolumna destylacyjna. Zadanie jest trudne ale bardzo ciekawe.
OdpowiedzUsuńWitam. Faktycznie jest lepsze ale wiadomo o co chodzi.
Usuń