MISKOLCI EGYETEMGÉPÉSZMÉRNÖKI És INFORMATIKAI KARVILLAMOSMÉRNÖKI INTÉZETELEKTROTECHNIKAI-ELEKTRONIKAI INTÉZETI TANSZÉK

Tantårgyi dosszié

Tårgy: ELEKTRONIKA ll. Tantårgyköd: GEVEE508BL

Tårgyjegyzö: dr. Kovåcs Ernö egyetcmi docens Félév: tavaszi

Szak: Villamosmérnöki levelezö BSc alapszak ETF: GEVEE507BL

Szakiråny: szakmai közös ismeretek Követelmény: 14 Ora/félév V/5

a) Tantårgyprogram

Hét Elöadås+gyakorlat

MUVELETI EROSITOK kapcs016iizeme: komparåtorok, multivibråtorok. Jelkondicionålö

åramkörök: méröerösitök, hömérséklet åtalakit6k erösitöi. A/D ÉS DIA ÅTALAKiTÖK:l.

mintavételezés kvantålås, k6drendszerek D/A åtalakitök A/D åtalakit6k. Optoelektronika:

alapfogalmak, fotoellenållås, fotoelem, fényelem, fotodiöda, Shottky-fotodiöda, PIN cliöda,

lavina di6da

OPTOELEKTRONIKA: fototranzisztor, fot0-Darlington, fot0-FET , képérzékelök, CCD,

CMOS, Fotoadök: IRED, LED, Teljesitmény LED, Lézer di6da. Optolektronikai ad6-vevö

eszközök: optocsatolök, opto-érzékelök, forgo jeladök lineåris jeladök, lézeres2.

tåvolsågmérök, LED alapü kijelzök, Folyadékkristålyos kijelzök. TÅPEGYSÉGEK:

Stabilizålatlan AC-DC tåpegységek, Analög lineåris üzemü tåpegységek, Kapcsolöüzemü

tåpegységek: Primer oldali kapcsolöüzemü tåpegységek, Szekunder oldali kapcsolöüzemü

tåpegységek, Szünetmentes energiaellåtås.

3. Laboratöriumi gyakorlat: Tranzisztoros kapcsolåsok mérése

b) Kötelezö irodalom:

Dr. Kovåcs E: Elektronika Il. on-line jegyzet Villamosmérnöki BSc alapszak levelezö hallgatöknak(http://www.uni-miskolc.hu/—elkke)

Ajånlott irodalom:

Tietze-Schenk: Analög és digitålis åramkörök, Müszaki Könyvkiad6, 1990.[21 Herpy-Barka: Aktiv RC szürök, Akadémiai Kiadö, 1985

131 Schnell szerk.: Jelek és rendszerek méréstechnikåja, Müszaki Könyvkiadö, 1985.[41 Millmann: Microelectronics, McGraw-Hill, 1992

Winzer: Linear Integrated Circiuts, Saunders College Publishing, 1992Kissel: Industrial Electronics, Prentice Hall, 1997

Doebelin: Measurement Systems, McGraw-Hill, 1990Savant-Roden-Carpenter: Electronic Design, Benjamin/Cummings Publishing, 1991Smith,S.D.: Optoelectronic devices, Prentice Hall, 1995.

[101 Kwork,K,NG: Complete Guide to Semiconductor Devices, IEEE Press, 2002.Gies: Optokoppler und Displays, Franzis Verlag, 1987.

1121 Usher,M.J.-Keating,D.A.: Sensors and transducers, MacMillan Press, 1996.

[13] Ferenczi Ö.: Félvezetős feszültségátalakítók, Műszaki Könyvkiadó 1979.[14] Ferenczi Ö.: Kapcsolóiizemú tápegységek, Miiszaki Könyvkiadó 1979.[15] Marty Brown: Power Supply Cookbook, Newness Publ. 2001 .[16] M.H. Rashid: Power electronics: Prentice Hall, 1993.[171 Komarik J: Számítástechnika analóg áramkörei, LSI Oktatóközpont[181 J.G. Proakis- D.G. Manolakis: Digital Signal Processing, MacMillan Publ. 1992.[19] C. Marven-G. Ewers: Simple Aproach to Digital Signal Pocessing, Wiley International-

Texas Instruments, 1996.

c) Félévi követelmények

A tantárgy lezárásának módja: aláírás, kollokvium

Az aláírás megszerzésének feltételei:az előadásokon való aktív részvétel. A mérési gyakorlaton valófelkészült és aktív részvétel.

Az aláíráspótlás: az aláírás a vizsgaidöszakban —az engedélyezett időtartamon belül- a mérés sikerestejesítésével pótolható.

A vizsga jegy megszerzése: A vizsga írásbeli és szóbeli. Az írásbeli rész a félév teljes anyagából azelőre kiadott tételjegyzék alapján három tétel részletes kidolgozásával teljesíthető. A vizsgaelégtelen, ha bármelyik tétel kidolgozottsági szintje az elégséges szintet nem éri el. A szóbeli résza tételekhez fűzött kiegészítésekből és/vagy az anyag többi részét érintő kérdésekből tevődik össze

Tételjekvzék

Múveleti erösítók kapcsolóüzeme, paraméterek. Hiszterézis-nélküli komparátorok. Bemenetekvédelme. A komparátor kimenetek kialakításai.

2. Invertáló és a nem-invertáló bemenetről vezérelt hiszterézises komparátorok.3. Astabil és monostabil multivibrátorok műveleti erősítővel.4. Jelkondicionáló áramkörök jellemzói, egy- és többvezetékes rendszerek elve, tulajdonságaik.5. Méróerósítók jellemzói. Három műveleti erősítős méröerósítö (múszererósítö) és kimeneti

kiegészítői.6. Hőmérséklet átalakítók erősítői.

7. A/D és DIA átalakítók általános felépítése, az átalakítók jellemzöi, mintavételezés,mintavételezett jel spektruma.

8. Nyquist és Shannon-Kotelnyikov tételek. Antialiasing szúrók alkalmazása és jellemzői. Követő-tartó áramkörök (S&H).

9. Kvantálás, kvantálási zaj. Kódrendszerek. Átalakítók pontossága és hibái: statikus hibák,dinamikus hibák.

IO. D/A átalakítók (DAC): súlyozott áramok módszere, létrahálózatos átalakítók.Il. Közvetlen/teljesen dekódolt átalakítós DIA. Számláló típusú A/D átalakító.12. Sorozatos közelítéses (szukcesszív approximációs) átalakító, kettős meredekségü (dual slope)

átalakító.

13. Közvetlen A/D átalakító. Speciális átalakítók: szigma-delta átalakítók.

14. Optoelektronikai alapfogalmak, fénytechnikai alapfogalmak, optoelektronikai eszközökhullámtartománya (optikai spektrum), az emberi szem érzékenysége, detektálási küszöb,hőmérséklet hatása, öregedés.

15. Fotodetektorok zajai. Fotoellenállás.

16. Foto-elektromos jelenségek a pn átmenetben, fotoelem, fényelem. Fotodióda.17. Lavina dióda. Fototranzisztor és üzemei, Foto-Darlington. Foto-FET.

18. Képérzékelók. CCD múködése és tulajdonságai. CMOS képérzékelô. ,SzÍnes képérzékelôk.

19. Fotoadók (enłittálók), IRED, kis és nagyfényerejĺi LED-ek. OIT.D múködé.se. Lézer dióda

(SDL).20. Optolektronikai adó-vevő eszközök, optocsatolók és alkalmansaik (legalább egy alkalmazás),

Opto-érzékelók (inicializátorok).21. Üvegszálas átvitel alapjai. Optoelektronikai elven miiködö méróeszközök, forgó jeladÓk

(enkóderek), lineáris jeladók. Háromszögeléses elven míiködö lézeres távolságmérők.

22. LED alapú kijelzők: folytonos és multiplex üzem, (pontszerii és skálaszerii kijelzök). LED-

kijelzök multiplex- üzeme, szegmens és pontmátrix kijelzök, intelligens kijelzök. LED-display.

23. Folyadékkristályos kijelzők (LCD): működése, jellemzói, tulajdonságai,

24. LCD vezérlési megfontolások, TFT folyadékkristályos monitorok (LCD), plazma kijelzôk,

megjelenítök (PDP).

J.ll,.ké.r.desgsgpgr!........

25. Tápegységek, stabilizálatlan AC-DC tápegységek, IF2U2Ü kapcsolás (Greatz) müködése,

jellemző karakterisztikái, paraméterei. IFI U2Ü kapcsolás (középpont-kapcsolás).

26. Egyenirányító transzformátorok, egyenirányító dióda, szúrókondenzátor, passzív túláram-

védelem. Túlfeszültség-védelem.27. A stabilizált kimenetü DC-DC tápegységek jellemző karakterisztikái és paraméterei. Analóg

lineáris üzennťi tápegységek: soros stabilizálás elve, párhuzamos (shunt) stabilizálás elve.

28. Visszacsatolt tápegységek elve, jellemzöi, egyszerii (határolós) túláram-védelem. Visszahajló

áranł-karakterisztikájú túláram-védelem.

29. Monolitikus integrált tápegységek, a stabilizátor külsö alkatrészei. Kettős tápegység kialakítása.

Az áramterhelés növelése, kimeneti feszültség megváltoztatása monolitikus tápegységnél.

Négyvezetékes tápegységek, tápegységek soros és párhuzamos kapcsolása.

30. Kapcsolóiizemü tápegységek: a PWM és a PFM szabályozás elve és tulajdonságaik.

31. Primer oldali kapcsolóüzemú tápegységek felépítése, fajtái. Primeroldali külsö gerjesztésü

záróüzemú és nyitóüzemú tápegységek múködése, jellemzöi.

32. Ellenütemú kapcsolóüzemú tápegység felépítése és jellemzöi. Híd- és félhíd kapcsolású

kapcsolóüzemú tápegység. A primer oldali kapcsolóiizemťi tápegységek jellemző veszteségei

33. Szekunder oldali kapcsolóüzemú tápegységek (DC-DC konverterek), fesziiltségcsökkentó

tápegység, folytonos és szakaszos üzem, határterhelés.

34. Szekunder oldali kapcsolóüzemú tápegység: fesziiltségnöveló tápegység és jellemző

karakterisztikák, paraméterek, nagyfrekvenciás transzformátorok jellemzói.

35. Szekunder oldali kapcsolóüzemú tápegység: polaritásváltó tápegység.

36. Nagyfrekvenciás tekercsek, teljesítménykapcsolók. Kapcsolóüzemú tápegységek

összehasonlítása. Az analóg és kapcsolóüzemü tápegységek összehasonlítása. Szünetmentes

energiaellátás megoldásai.

c) Előadások anyaga

Az előadások teljes anyagát az internetröl letölthetö jelszóval védett pdf állományú jegyzet alkotja. A jelszót az

elsö elöadáson kapják meg a hallgatók. Az elérési útvonal a kötelezö irodalomnál található meg.

Tartalomjegyzék

3.03.4,3.4. l.3.4.1.1.

3.4.1.1.1.

3.4.1.1.2.

3.4. I .2.

3.4.1 l.3.4.1.2.2,

Műveleti erősítők (folytatás)

A műveleti erősítők hibái

A frekvencia karakterisztika és kompenzálása

A nyílthurkú erősítés frekvenciafiiggése

A negatív visszacsatolás hatása a frekvenciamenetre

A határfrekvencia hatása a dinamikus paraméterekre

FázistartalékA fázismenet hatása a linearitásra

A fázistartalék hatása a dinamikus tulajdonságokra

2

2

2

2

3

34

4

3.4.1.3.3.4.2.

3.4.2. I .3.4.2.2.

3.4.2.2. I .

3.5.

3.5.1.

3.5.2.3.6.

3.6.1.

3.6.1.1.3.6.1.2.

3.6.2.3.6.2.1.

3.6.2.2.

3.7.

3.7.1.

3.7.1.1.

3.7.2.

3.7.2.1.3.7.2.2.3.7.3.4.0

4.1.

4.1.1.

6.1.3.6.1.4.

6.1.5.

6.1.5.1.

6.1.5.2.4.2.

4.2.1.

4.2.2.

4.3.

4.3. l.4.3.2.

4.3.3.4.4.

4.4.1.

5.0.

5.1.

5.1.1.

5.1.1.1.

5.1.1.2.

5.1.2.

5.1.2.1.

5. I .2.2.

5.1.2.3.

5. I .2.4.

5. I .2.5.

5.2.

5.3.

5.3.1.

5.3.1.1.

5.3. I .2.

5.3.2.

5.3.2. l.

A frekvencia karakterisztika kompenzálásaOfszet hibák és kompenzálásukOfszet hiba csökkentése a tervezés során

Ofszet kompenzálásKülsö kivezetett kompenzációjú áramkörökAktív szúrókKonjugált komplex gyökpár tulajdonságaiAktív szúrók tervezése

Míiveleti erősítők kapcsolóiizemeKomparátorokHiszterézis-nélküli komparátorokHiszterézises komparátorokMultivibrátorokAstabil multivibrátor műveleti erösítövel

Monostabil multivibrátor műveleti erősítővel

Jelkondicionáló áramkörökMéröerösítök (Miiszererósítök, Instrumentation amplifiers)

Három műveleti erösítös méröerösítö (múszererösítö)

Szigetelt erősítőkTranszformátoros leválasztású szigetelt erösítök

Optoelektronikai leválasztású szigetelt erősítő

Töltéscsatolt erösítôkA/D és DIA átalakítók

Az átalakítók jellemzöi és paramétereiMintavételezésKövetö-tartó áramkörök (S&H)

KvantálásKódrendszerek

Átalakítók pontossága és hibái

Statikus hibák

Dinamikus hibákDIA átalakítók (DAC)

Létrahálózatos átalakítóKözvetlen/teljesen dekódolt átalakító

A/D átalakítók (ADC)

Sorozatos közelítéses (szukcesszív approximációs) átalakító

Közvetlen átalakító

Kettős meredekségł'i (dual slope) átalakító

Speciális átalakítókSzigma-delta átalakítókTÁPEGYSÉGEKStabilizálatlan AC-DC tápegységek

Egyfázisú egyenirányító kapcsolások

I F2U2Ü kapcsolás (Graetz)

I FI U2Ü kapcsolás (középpont-kapcsolás)

AC-DC átalakítók elemei

Egyenirányító transzformátorokEgyenirányító diódaSzúrókondenzátorTúláram-védelemTúlfeszültség-védelemStabilizált kimenetii DC-DC tápegységek jellemzöiAnalóg lineáris üzemü tápegységek

Stabilizálási elvek

Soros stabilizálás elvePárhuzamos (shunt) stabilizálás elveVisszacsatolt tápegységekAnalóg lineáris tápegység feszültség-referencia elemmel

4

6

6

6

677

7

9

9

9

12

12

13

15

15

16

17

17

18

19

20

20

22

23

23

24

2425

25

25

26262727

27

28

28

30

31

31

31

3334

34

34

3535

35

3638

38

38

393939

405.3.2.2

5.3.2.3.

5.3.2.3. I .5.3.2.3.2.

5.3.2.4.

5.3.2.4. l.5.3.2.4.2.

5.3.2.4.3.5.3.2.4.4.

5.3.2.5.

Analóg lineáris tápegység áram-referencia elemmel 40Aktív túláramvédelem 41Egyszerü (határolós) túláram-védelem 41Visszahajló áram-karakterisztikájú túláram-védelem 42Fix kimenetü feszültségú három-lábás tápegységek 42A stabilizátor külsö alkatrészei 42Kettős tápegység kialakítása 43Aramterhelés növelése 43Kimeneti feszültség változtatásaVáltoztatható kimeneti feszültségü tápegységek három-lábas fix feszültségü

43stabilizátorral 435.3.4.

5.3.4. l.5.3.4.2.

5.3.4.3.

5.3.5.

5.3.6.5.4.

5.4. l.5.4.1.1.

5.4. I .2.5.4.1.3.5.4.1.4.

5.4.1.6.

5.4.2.

5.4.2. l.5.4.2.2.

5.4.2.3.

5.4.2.8.

5.4.2.4.

5.5.

5.6.

6.0

6.1.

6.1.1.

6.1.2.

6.2.

6.2. l.6.2.2.

5.2.2.1.

6.2.22.6.2.3.

6.2.3.2.

5.2.3.3.

6.2.8.

6.2.4.6.2.4.1.

6.3.

6.3.1.

6.3.2.

6.3.3.

6.4.

6.4. l.

6.4.3.

6,4.

Tápegységek különleges kapcsolásai 43Négyvezetékes tápegység 44Tápegységek soros kapcsolása 44Tápegységek párhuzamos kapcsolása 44Alacsony feszültségesésú tápegységek (Low Dropout-LDO)

44Analóg lineáris tápegységek jellemző paraméterei

45Kapcsolóüzemĺi tápegységek 46Primer oldali kapcsolóüzemii tápegységek

47Záróüzemú tápegység (flyback converter)

49Nyitóüzemü (gerjesztő átalakító) tápegység (IT forward converter)

49Ellenütemĺi kapcsolóiizemú tápegység (Push-pull converter)

50Hídkapcsolású kapcsolóüzemťi tápegység (Full-bridge converter)

51A primer oldali kapcsolóüzemú tápegységek jellemző veszteségei

51Szekunder oldali kapcsolóüzemü tápegységek (DC-DC konverterek)

Feszültségcsökkentö tápegység (buck/step down regulator) 5153

Feszültségnövelö tápegység (boost/step up regulator)

Polaritásváltó tápegység (inverting regulator) 54

Nagyfrekvenciás transzformátorok és tekercsek 55

Teljesítménykapcsolók 55

Tápegységek összehasonlítása 55

Szünetmentes energiaellátás 5658Optoelektronika

Optoelektronikai alapfogalmak 58

Fénytechnikai alapfogalmak 58

Az optoelektronikai eszközök hullámtartománya (optikai spektrum) 58

Az emberi szem érzékenysége 58

Hőmérséklet hatása, öregedés 58

Fotovevök/detektorok 59

Fotoellenállás (Light Dependent Resistor, LDR) 59

Foto-elektromos jelenségek a pn átmenetben 60

Fotoelem 61

Fényelem 61

Fotodióda 61

PIN dióda 62

Lavina dióda (APD, Avalanche Photo Diode) 62

Fototranzisztor 63

Foto-FET 64

Képérzékelök 64

Fotoadók (emittálók) 68

IRED 68

LED 68

Lézer dióda (SDL) 70Optolektronikai adó-vevő eszközök 71

Optocsatolók 71Opto-érzékelók 72Üvegsnłas átvitel alapjai 73Optoelektronikai elven működő mérőeszközök 74

5.4. l.6.4.2.6.4.3.

6.7.

6.7. l.6.7.2.

Forgó jeladókLineáris jeladókHáronnszögeléses elven mťiködó lézeres távolságmérőkFolyadékkristályos kijelzök (LCD)Miiködése, tulajdonságaiFolyadékkristályos monitorok (LCD)

Gyakorlatok anyaga

74

75

76

76

7679

3.1. példa: Határozzuk meg a differencia-erősítónél az alkatrészek eltéréséből

adódó hibát

A kapcsolás alkalmazása mérőerösitöként ellenállás típusú szenzorok esetén (teljes hidas kapcsolás):

Rst

Legyen Rkio= 50 Q, Ao=2.105 és IAul=20

mn ! ez érték összemérhetö a nyomtatott-áramköri huzalozás ellenállásával.

ellenállás típusú érzékelők pl. nyúlásmérö-bélyeg, hóellenállás, stb.

l, a hid tápárama

Ud a hid két ága között keletkező különbségi feszültség

Us a hídágak nyugalmi feszültsége

Az UH) V, amennyiben az érzékelö ellenállások nem kapnak jelet. Ilyenkor a hidágak feszültsége azonos.

Legyen AR az egyes ellenállások megváltozásának értéke a mérés során! (Két-két átlósan levő ellenállás együtt

változik és ellentétes elöjellel.) Tételezzük fel, hogy az Rsiés Rsa értéke AR ellenállással nö a másik két ellenállás

ugyanilyen mértékben csökken (teljes hidas megoldás).

L(R34 + I,AR2

A kapcsolás aszimmetriájának hatása a közösmódusú elnyomási tényezőre

Tételezzük fel, hogy az RI/R2 arány eltér az R3/R4 aránytól egy Aa értékkel. Ez a CMRR értékének leromlását

eredményezi, amely méröerösítök esetén - ahol a hasznos jel a differencia jel - jelentös hibát okozhat.

aAa+ ut,e2

aAa

CMRR = 20 log

Példa:

Legyen Rs=lOO Qlt=10 mA

a=lOO

= 20 log

Aa=l azaz az ellenállások arányának hibája 1%A hasznos jel a kimeneten

= = 0.01-2.10 • 100 = 20,nVA közös módusú (hiba) jel a kimeneten

—Aau , Us— = o.ołaoo

1 + 100A hibajel összemérhetöen magas a hasznos kimeneti jellel!

A közösmódusú elnyomási tényezö:

dBAhhoz, hogy a hiba a hasznos jelhez viszonyítva I % alatt legyen az ellenállásarányoknak jobbnak kell lenni, mint

2.10 +100)

a 100 100

3.2 Példa: Tervezzünk egy fesziiltség/áram átalakítót (távadót)

Feltételek:

bemeneti jeltartomány V.ig [mA]

A kimeneti áram változzon a 4-20 mA-es tartományban.20

Megoldás:

Válasszuk R=IOO Q! A vezérlő bemenet az u„c2 lesz. (Az4

elöjelek miatt.) Az uŕ,e.l az eltolást végzi, azaz 0 V bemeneti feszültségut,e2

esetén is folyjon 4 mA ('élönullás' rendszer, a vezeték szakadás

vizsgálatára).

3.5. Példa: Tervezzen felüláteresztó szúrót közvetlen szúrótervezéssel

Specifikáció:

IA01=1.5, fc=2 kHz,

Megoldás: A 10-s jósági tényező több szúrófajtánál is a felső határérték, ezért válasszuk a Sallen-Key szúrót,amellyel 20-s jósági tényezőt is meg lehet valósítani.

A választott kapcsolás:

Alkalmazási feltételek:

Q < 20

IA,.lQ 2 = 1.5-5 2 < 100teljesülnek!

A: aktivfeliiláteresztö s:ÜrÖ elméleti átviteli függvénye:

s2

2

s s2

A kapcsolás átviteli fiiggvénye a tényleges alkatrészekkel kifejezve:

s2RIR2ClC2

RIC +C2)- 1212

Együttható összehasonlítás alapján:

R 1212R CC Q

Három egyenlet van és hat ismeretlen paraméter, igy három paraméter vagy feltétel szabadon választható!

Válasszuk: 11F és R3=22 kQ!

C RIR2

R2 2RI -0.5R2

7957.722 -0.5R2

7957.7

6.283-10 +0.2.R2 -15915.4 -O

-0.2± 0.04+4-6.283-10-51.2 2-6.283-10

(7.958-103)2 = 4.4[kQ]14.4-103

108 108RIR2

2Rl 0,5R2

• = 14.4[kQ]

= 7957.7

A nagy jósági tényező szükségessé teszi a szükséges műveleti erösítö határfrekvenciájának meghatározását a

kiválasztáshoz:

0.05fr2Q=2-103 40.27 • 103

vhÔ(Q +2)-2 0.1-5

fr 40.27-10 3

- 0.4[Hz]

105

A fenti határfrekvenciát mindegyik elökompenzált erósitó tudja.

A képletben alkalmazott jelölések:

fr=az erősítő tranzit frekvenciája

erősítő határfrekvenciája

Ao=az erösítö nyílthurkú erősítése

A megtervezett szúró szimulációjának értékelése:

A szúró az elöírt paramétereket teljesíti.

A határfrekvencián jelentős kiemelése van, amely a tervezési módszerben rejlik.

SzimuIåciÖs eredmények:

Kapcsolåsi rajz:

.15V

IonOU14 4k

2 V vi5V

11k

22k

ÅtviteIi karakterisztika:

(200.739 -3€

SEt.>S-so

ISCd

93d

-93d

IOOF: YOOHz

Frequency

a) Tranziens analizis 10 kHz frekvenciåjü szinuszos jellel2.rr.'zzzz

f=2kHz

'55.221K,3.S210)

loone

-