Подборка Уголок радиоконструктора

Транзисторы IGBT

   Продолжая публикацию ряда статей, описывающих свойства и параметры современных транзисторов, нельзя не отметить эту разновидность как отдельную группу. Итак-

Особенности применения биполярных

транзисторов с изолированным затвором (IGBT)

    Современные силовые устройства преобразования параметров электроэнергии строятся на силовых полупроводниковых ключах, отличающихся от биполярных транзисторов. Особое место среди них занимают рассматриваемые в статье IGBT технологии, то есть устройства с использованием БТИЗ транзисторов (биполярных транзисторов с изолированным затвором) или в английской аббревиатуре IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) транзисторов. Применение этих технологий существенно расширяет энергетические возможностями и повышает надежность силовых электротехнических устройств.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором

igbt_1

Tехнологии реализации IGBT транзисторов

     Сочетание двух полупроводниковых приборов в одной структуре позволило объединить преимущества полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление и малое сопротивление между силовыми электродами во включенном состоянии. Обратим внимание на то, что на эквивалентных схемах у силового транзистора в том месте, где обозначен эмиттер, написано «коллектор», а где обозначен коллектор написано «эмиттер». Это общепринятое обозначение по принципу управления, указывающее, что входной сигнал управления подается между затвором и эмиттером.

igbt11

Символическое обозначение IGBT (слева) и его эквивалентная схема

     Кратко охарактеризуем историю создания и развития IGBT транзисторов, являющихся продуктом развития технологии силовых транзисторов. Эта история насчитывает несколько десятилетий. С 80-х годов прошлого века и по сегодняшний день создано четыре поколения этих приборов: первое поколение – с 1985 года, когда были достигнуты максимальные значения напряжения Uмакс=1000В, тока Iмакс≈ 25А и минимальное значение времени переключения tпер.мин≈1мкс второе – с 1990 года, когда были достигнуты максимальные значения Uмакс=1600В, Iмакс≈ 50А и минимальное значение времени переключения tпер.мин≈0.5мкс третье – с 1994 года, когда были достигнуты максимальные значения напряжения Uмакс=3500В тока Iмакс≈ 100А и минимальное значение времени переключения tпер.мин≈0.25мкс и, наконец, четвертое поколение – с 1998 года, для которого характерны следующие достижения:Uмакс=4500В, Iмакс≈ 150А, время переключения tпер.мин≈0.2мкс. Для входного пробивного напряжение Uвх.пр современных IGBT транзисторов в справочных данных практически всех фирм-производителей транзисторов приводится значение, равное Uвх.пр=±20В, и таким образом при работе с этими приборами необходимо следить, чтобы напряжение затвор-эмиттер не превышало указанное значение напряжения. Далее, напряжение на затворе IGBT транзистора, при котором входной МОП и выходной биполярный транзистор начинают отпираться, составляет от 3,5 до 6,0 В, и гарантированное напряжение, при котором транзистор полностью открыт, то есть может пропускать максимально допустимый ток через коллектор-эмиттерный переход, составляет от 8 до предельного значения 20 В.


 IGBT против MOSFET: история противостояния

В первой половине восьмидесятых годов прошлого века, сразу после начала серийного производства IGBT, разгорелись споры: что лучше применять в качестве силовых токовых ключей (СТК)? К началу девяностых IGBT значительно улучшили свои характеристики и были признаны основными кандидатами для применений, требующих высоковольтных СТК и допускающих при этом работу на сравнительно невысоких частотах. Во многих публикациях 90-х годов обосновывалась технико-экономическая эффективность замены MOSFET на IGBT.

igbt_fet

    Однако, за прошедшие полтора десятилетия с момента первой публикации выше указанного рисунка, СТК были очень серьезно усовершенствованы. «Команда» кремниевых MOSFET получила мощнейшее пополнение в виде Superjunction-приборов, при производстве IGBT стала применяться технология обработки очень тонких пластин (толщиной менее 100 мкм), и на этой основе реализована FieldStop-концепция профиля легирования IGBT, сочетающая лучшие качества PT-IGBT и NPT-IGBT. Кроме того, во многих современных IGBT планарная MOSFET-структура заменена на Trench-MOSFET, что обеспечивает дополнительный выигрыш по величине падения напряжения в проводящем состоянии. Все это делает актуальным перепроверку рекомендаций выше указанного рисунка по рациональному распределению областей применения между различными СТК. При этом надо учитывать примерное соотношение относительной себестоимости производства приборов разной конструкции (на единицу площади чипа). Особняком стоят мощные БТ (они намного дешевле других СТК, но их рабочая плотность тока годаздо ниже, чем у полевых приборов, особенно IGBT). Среди высоковольтных СТК с полевым управлением наиболее экономически выгодны в производстве «классические» MOSFET: планарные, в целом, подешевле, чем Trench-MOSFET, но разница невелика; IGBT несколько дороже, чем MOSFET (примерно в 1,5…3 раза), вследствие выполнения дополнительных операций при изготовлении и испытаниях, либо из-за необходимости обрабатывать очень тонкие пластины (это еще более дорогая технология, чем длительная эпитаксия на подложку стандартной толщины). Superjunction-MOSFET обеспечивают выигрыш по удельному сопротивлению открытого прибора в 5…10 раз по сравнению с классическими MOSFET. Они примерно во столько же раз дороже последних в производстве, но имеют значительный потенциал усовершенствования (в том числе — удешевления), отчасти уже реализованный за 12 лет с начала их серийного производства. Высоковольтные кремниевые Superjunction-MOSFET кратно дороже при изготовлении, чем IGBT. За последние годы начато серийное производство высоковольтных карбид-кремниевых полевых СТК. По комплексу важнейших электрофизических характеристик SiC настолько превосходит кремний как материал для изготовления мощных высоковольтных полупроводниковых приборов, что даже первые, во многом еще несовершенные карбид-кремниевые MOSFET на напряжение 1200 В уже имеют лучшие технические характеристики, чем конкурирующие кремниевые СТК. Главной проблемой серийного производства SiC-приборов считается значительная плотность опасных дефектов кристалла полупроводника. Некоторые из этих дефектов могут отрицательно влиять на долговременную стабильность характеристик СТК. Поэтому, SiC-приборы вынужденно имеют небольшие размеры чипов, в пределах которых можно найти достаточное количество подложек с приемлемым качеством. Не случайно наибольших успехов в серийном производстве SiC-приборов добилась компания Cree, массово применяющая карбид-кремниевые подложки при изготовлении светодиодов. Пока сложно прогнозировать динамику цен карбид-кремниевых СТК и возможность их по-настоящему массового выпуска.


     Максимальные токи, которые могут коммутировать современные IGBT транзисторы, находятся в пределах от 7 до 150 А, а их допустимый импульсный ток, как правило, в 2,5 – 3,0 раза превышает максимальный. Для больших мощностей выпускаются составленные из нескольких транзисторов модули с предельными значениями тока до 1000 А. Пробивные напряжения IGBT транзисторов находятся в пределах от 400 до 4500 В.

Основные параметры некоторых IGBT транзисторов приведены в табл.1, а параметры модулей, выпускаемых по технологии Trench или NPT, – в табл. 2

Табл.1
Тип элемента

Uкэ

В

Uкэн
В

Iк при
t=25°С

А

Iк при
t=100°С

А

Р


Вт

IRG4BC30FD

600

1,6

31

17

100

IRGBC30MD2

600

3,9

26

16

100

IRG4PC30FD

600

1,6

31

17

100

IRG4PC40FD

600

1,5

49

27

160

IRG4PC50FD

600

1,5

70

39

200

IRGPC40MD2

600

4,0

40

24

160

IRGPC50MD2

600

3,0

59

35

200

IRGPH30MD2

1200

4,5

15

9

100

IRGPH40FD2

1200

4,3

29

17

160

IRGPH40MD2

1200

4,4

31

18

160

IRGPH50FD2

1200

3,9

45

25

200

IRGPH50MD2

1200

3,9

42

23

200

OM6516SC

1000

4,0

25

125

OM6520SC

1000

4,0

25

125


Табл.2
Тип модуля

Uкэ

В

Uкэн
В

Iк при
t= 25°С

А

Iк при
t= 100°С

А

Р

Вт

IRGDDN300M06

600

3,0

399

159

1563

IRGDDN400M06

600

3,0

599

239

1984

IRGDDN600M06

600

3,7

799

319

2604

IRGRDN300M06

600

3,0

399

159

1563

IRGRDN400M06

600

3,0

599

239

1984

IRGRDN600M06

600

3,7

799

319

2604

IRGTDN200M06

600

3,0

299

119

1000

IRGTDN300M06

600

3,0

399

159

1316

Где:

  • Uкэ — Напряжение коллектор-эмиттер
  • Uкэн- Напряжение коллектор-эмиттер открытого транзистора
  • Iк - Постоянный ток коллектора
  • Р — Максимальная рассеиваемая мощность

    Напряжение коллектор-эмиттерного перехода открытого транзистора находится в пределах от 1,5 до 4,0 В (в зависимости от типа, значений тока и предельного напряжения IGBT транзистора) в одинаковых режимах работы. Для различных типов приборов напряжение на переходе открытого транзистора тем выше, чем выше значение пробивного напряжения и скорость переключения. Вследствие низкого коэффициента усиления выходного биполярного транзистора в целом, IGBT транзистор защищен от вторичного пробоя и имеет (что особо важно для импульсного режима) прямоугольную область безопасной работы. С ростом температуры напряжение на коллектор-эмиттерном переходе транзистора несколько увеличивается, что дает возможность включать приборы параллельно на общую нагрузку и увеличивать суммарный выходной ток. Также как МОП транзисторы, IGBT транзисторы имеют емкости затвор-коллектор, затвор-эмиттер, коллектор-эмиттер. Величины этих емкостей обычно в 2 – 5 раз ниже, чем у МОП транзисторов с аналогичными предельными параметрами. Это связано с тем, что у IGBT транзисторов на входе размещен маломощный МОП транзистор. Для управления им в динамических режимах нужна меньшая мощность. Время нарастания или спада напряжения на силовых электродах IGBT транзисторов при оптимальном управлении составляет около 50 – 200 нс и определяется в основном скоростью заряда или разряда емкости затвор-коллектор от схемы управления. Существенным преимуществом IGBT транзисторов по сравнению с биполярными транзисторами является то, что биполярные транзисторы в структуре IGBT не насыщаются и, следовательно, у них отсутствует время рассасывания. Однако после уменьшения напряжения на затворе ток через силовые электроды еще протекает в течение от 80 – 200 нс до единиц мкс в зависимости от типа прибора. Уменьшить эти временные параметры невозможно, так как база p-n-p транзистора недоступна.

    Технологические методы уменьшения времени спада ведут к увеличению напряжения насыщения коллектор-эмиттерного перехода. Поэтому чем более быстродействующим является транзистор, тем выше напряжение насыщения. IGBT транзисторы по сравнению с МОП транзисторами обладают следующими преимуществами:

  • Экономичностью управления, связанной с меньшим значением емкости затвора и, соответственно, меньшими динамическими потерями на управление.
  • Высокой плотностью тока в переходе эмиттер-коллектор – такой же, как и у биполярных транзисторов.
  • Меньшими потери в режимах импульсных токов.
  • Практически прямоугольной областью безопасной работы.
  • Возможностью параллельного соединения транзисторов для работы на общую нагрузку.
  • Динамическими характеристиками у транзисторов, выпущенных за последние годы, приближающимися к характеристикам МОП транзисторов.

Основным недостатком IGBT транзисторов является сравнительно большое время выключения, что ограничивает частоты переключения до 20 – 100 кГц даже у самых быстродействующих транзисторов. Кроме того, с ростом частоты необходимо уменьшать ток коллектора. Например, из зависимости тока коллектора IGBT транзистора от частоты для транзистора IRGPC50UD2, приведенной на рис. 2, следует, что при частотах работы транзисторов, превышающих 10 кГц, приходится уменьшать ток коллектора более чем в два раза. Но все же для силовых инверторов с увеличением мощности преобразования рабочую частоту необходимо уменьшать также из соображений уменьшения влияния паразитных индуктивностей монтажа.

Картинки по запросу зависимости тока коллектора IGBT транзистора от частоты для транзистора IRGPC50UD2

     Процесс включения IGBT транзистора разделяется на два этапа. При подаче положительного напряжения между затвором и истоком открывается полевой транзистор, и далее движение зарядов из области n в область p приводит к открыванию биполярного транзистора, то есть к появлению тока между эмиттером и коллектором. Таким образом, полевой транзистор управляет биполярным. У IGBT транзисторов с максимальным значением напряжения в пределах 500 – 1200 В падение напряжения в насыщенном состоянии находится в диапазоне 1,2 – 3,5 В, то есть оно приблизительно такое же, как и у биполярных транзисторов. Однако эти значения падения напряжения намного меньшие по сравнению со значениями падения напряжения на силовых MOП транзисторах в проводящем состоянии с аналогичными параметрами. С другой стороны, MOП транзисторы с максимальными значениями напряжения, не превышающими 200 В, имеют меньшие значения падения напряжения между силовыми электродами во включенном состоянии, чем IGBT транзисторы. В связи с этим применение МОП транзисторов является более предпочтительным в области низких рабочих напряжений и коммутируемых токов до 70 А. По быстродействию IGBT транзисторы превосходят биполярные транзисторы, однако уступают MOП транзисторам. Значения времен рассасывания накопленного заряда и спада тока при выключении IGBT транзисторов находятся в пределах 0,2 – 0,4 мкс. Область безопасной работы IGBT транзисторов позволяет обеспечить надежную работу этих устройств без усложнений дополнительными цепями ускорения переключения при частотах от 10 до 20 кГц. Этого не могут обеспечить биполярные транзисторы. IBGT транзисторы относятся к приборам силовой электроники, и выпускаемые промышленностью на сегодняшний день реальные приборы имеют предпочтение в их использовании в диапазоне мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт. Дальнейшее совершенствование IGBT транзисторов проводится по пути повышения быстродействия, предельных коммутируемых токов и напряжений.

IGBT седьмого поколения производства IR

International Rectifier имеет, пожалуй, наибольший опыт разработки и производства высококачественных IGBT, который воплотился в создание приборов 7-го поколения. Наибольший интерес среди них представляют две серии IGBT 12-го класса. Они изготовлены по наиболее прогрессивной на сегодняшний день технологии обработки особо тонких пластин кремния, имеют Trench-MOSFET-структуру и оптимизированный профиль легирования кристалла FieldStop. Это обеспечивает хороший баланс характеристик приборов как в режиме проводимости тока, так и при переключениях. Все важнейшие характеристики СТК подвергаются 100% контролю на ПСИ, причем установлены достаточно жесткие нормы годности. В завершении испытаний все приборы проверяются на отключение тока коллектора, вчетверо превышающего Iк ном при напряжении ограничения Uкэ огр = 960 В. Такой жесткий тест способны пройти только качественные приборы, не имеющие каких-либо слабых мест в своей конструкции. В отличие от большинства конкурентов, компания International Rectifier выделила IGBT, имеющие нормированную стойкость к КЗ в цепи нагрузки, в самостоятельную линейку приборов. Если по смыслу применения IGBT «близкое» короткое замыкание маловероятно (последовательно с СТК включен дроссель, ограничивающий скорость изменения тока до безопасных значений, которые без проблем отрабатываются штатным контуром регулирования тока), рекомендуется применять серию U. По сравнению с приборами серии K10, выдерживающими КЗ в течение, по крайней мере, 10 мкс при Uкэ = 600 В и Tп = 150°C, IGBT из линейки U имеют на 300 мВ меньшее прямое падение напряжения при паритете по коммутационным свойствам. Выигрыш на 15% — серьезный бонус для пользователя! Серия K10 предназначена, преимущественно, для применения в электроприводах. Uкэ пров IGBT 7-го поколения на 1200 В имеет, при токах порядка Iк ном, небольшой положительный температурный коэффициент. Он не сильно увеличивает потери режима проводимости при нагреве, совершенно безопасен в отношении электротеплового разгона, но эффективно обеспечивает симметрирование режимов работы при параллельном включении нескольких приборов. Старшие модели серий отличаются весьма большими значениями рабочих токов. Например, IRG7PSH73K10 в корпусе Super247 имеет номинальный ток 75 А и может конкурировать со значительно более дорогими модульными IGBT или заменять несколько параллельно включенных дискретных приборов. Повышение предельно допустимой температуры кристалла IGBT 7-го поколения — до 175°C (у большинства конкурентов только 150°C) очень эффективно (на 20…30%) увеличивает допустимую рассеиваемую мощность приборов, их токонесущую способность и частотный потенциал. Использование тонких чипов уменьшило тепловое сопротивление между наиболее горячей областью кристалла и медным основанием прибора, а также снизило термомеханические напряжения в конструкции, что улучшает стойкость этих IGBT при циклических режимах нагружения. Новинкой является модификация исполнения чипов IGBT 7-го поколения с двухсторонним отводом тепла и электрическим присоединением медными «шинками» (вместо обычно применяемых проволочек). Циклостойкость таких приборов исключительно высока. Большинство СТК предлагается как в виде одиночных IGBT, так и Co-PACK, совместно с быстровосстанавливающимися диодами. Основные характеристики IGBT седьмого поколения производства International Rectifier представлены в таблице 2.

 

Таблица 2. IGBT седьмого поколения производства International Rectifier

Наименование Uкэк,В Корпус Схема прибора Рекомен-дуемый час-тотный диа-пазон приме-нения, кГц Iк макс доп, А при Ткорп=100°С Uкэ откр, В при Тп=25°С (макс.)
IRG7I313U 330 TO220FP IGBT 8…30 10 1,45
IRG7P313U 330 TO247AC IGBT 8…30 20 1,45
IRG7R313U 330 DPAK IGBT 8…30 20 1,45
IRG7S313U 330 D2PAK IGBT 8…30 20 1,45
IRG7I319U 330 TO220FP IGBT 8…30 15 1,45
IRG7S319U 330 D2PAK IGBT 8…30 20 1,43
IRG7IA13U 360 TO220FP IGBT 8…30 10 1,52
IRG7RA13U 360 DPAK IGBT 8…30 20 1,52
IRG7IA19U 360 TO220FP IGBT 8…30 15 1,52
IRG7PA19U 360 TO247FP IGBT 8…30 26 1,52
IRG7IC18FD 600 TO220FP IGBT+диод 1…8 7,5 1,85
IRG7IC20FD 600 TO220FP IGBT+диод 1…8 8 1,85
IRG7IC23FD 600 TO220FP IGBT+диод 1…8 9 1,85
IRG7IC28U 600 TO220FP IGBT 8…30 12 1,95
IRG7PC28U 600 TO247FP IGBT 8…30 33 1,95
IRG7IC30FD 600 TO220FP IGBT+диод 1…8 12 1,85
IRG7RC07SD 600 DPAK IGBT+диод 0…1 8,5 1,5
IRG7RC10FD 600 DPAK IGBT+диод 1…8 9 1,85
IRGP4266 650 TO247AC IGBT 0…1 90 2,1
IRGP4266-E 650 TO247AD IGBT 0…1 90 2,1
IRGP4263 650 TO247AC IGBT 8…30 60 2,1
IRGP4263-E 650 TO247AD IGBT 8…30 60 2,1
IRG7PH28UD1 1200* TO247AC IGBT+диод 8…30 15 2,3
IRG7PH28UD1M 1200* TO247AD IGBT+диод 8…30 15 2,3
IRG7PH30K10 1200 TO247AC IGBT 4…20 23 2,35
IRG7PH30K10D 1200 TO247AC IGBT+диод 4…20 16 2,35
IRG7PH35U 1200 TO247AC IGBT 8…30 35 2,2
IRG7PH35U-E 1200 IGBT 8…30 35 2,2
IRG7PH35UD 1200 TO247AC IGBT+диод 8…30 25 2,2
IRG7PH35UD-E 1200 TO247AD IGBT+диод 8…30 25 2,2
IRG7PH35UD1 1200* TO247AC IGBT+диод 8…30 25 2,2
IRG7PH35UD1-E 1200* TO247AD IGBT+диод 8…30 25 2,2
IRG7PH35UD1M 1200* TO247AD IGBT+диод 8…30 25 2,2
IRGPH42U 1200 TO247AC IGBT 8…30 60 2,0
IRGPH42U-E 1200 TO247AD IGBT 8…30 60 2,0
IRGPH42UD 1200 TO247AC IGBT+диод 8…30 45 2,0
IRGPH42UD-E 1200 TO247AD IGBT+диод 8…30 45 2,0
IRGPH42UD1 1200* TO247AC IGBT+диод 8…30 45 2,0
IRGPH42UD1-E 1200* TO247AD IGBT+диод 8…30 45 2,0
IRGPH42UD1M 1200* TO247AD IGBT+диод 8…30 45 2,0
IRG7PH46U 1200 TO247AC IGBT 8…30 75 2,0
IRG7PH46U-E 1200 TO247AD IGBT 8…30 75 2,0
IRG7PH46UD 1200 TO247AC IGBT+диод 8…30 57 2,0
IRG7PH46UD-E 1200 TO247AD IGBT+диод 8…30 57 2,0
IRG7PH50U 1200 TO247AC IGBT 8…30 90 2,0
IRG7PH50U-E 1200 TO247AD IGBT 8…30 90 2,0
IRG7PH50K10D 1200 TO247AC IGBT+диод 4…20 50 2,4
IRG7PH50K10D-E 1200 TO247AD IGBT+диод 4…20 50 2,4
IRG7PSH50UD 1200 TO247AA IGBT+диод 8…30 70 2,0
IRG7PSH73K10 1200 TO247AA IGBT 4…20 130 2,3
* — допускает повторяющиеся импульсные перенапряжения до 1300 В.

International Rectifier – 65 лет инноваций

Рейнгольд Тойрер (International Rectifier)

     Р.Т.: Уже 65 лет IR находится на переднем крае инноваций в области управления электропитанием. Независимо от макроэкономической обстановки, IR продолжает инвестировать разработки и исследования, применяя агрессивные стратегии для увеличения доли рынка и фокусируя усилия на росте прибыли. В последнее время мы представили на рынок 600 В и 1200 В Trench IGBT; силовые MOSFETs серии StrongIRFETTM со сверхнизким значением RDS(on) для широкого круга промышленных приложений, включающих аккумуляторные сборки, инверторы, источники бесперебойного питания, инверторы солнечных батарей, вилочные погрузчики и силовые приборы; семейство интегральных силовых модулей PowIRaudioTM для высококачественных систем домашнего кинотеатра и автомобильных аудиоусилителей; а также — большую линейку микросхем для систем освещения.

IOR-Factory

   Р.Т.: Поскольку физические пределы возможностей кремния уже достигнуты, становится все сложнее и требует все больших затрат дальнейшее повышение производительности. В некоторых случаях для повышения плотности мощности системы при минимуме затраченной энергии с одновременным ограничением размера системы, ее сложности и цены, необходимы новые технологии, в то время как в других случаях нужны новые материалы. Хороший пример этого — революционная технологическая платформа компании IR для силовых компонентов на основе нитрида галлия GaNpowIR®, которая знаменует собой новую эру в разработке высокоэффективных силовых изделий.

    Недавно компания IR объявила, что завершила испытания и отгрузила изделия, выпущенные на базе GaN-платформы для систем домашнего кинотеатра, которые выпускает один из ведущих производителей потребительской электроники. Это достижение подчеркивает стратегическое преимущество International Rectifier на рынке управления электропитанием, поскольку представляет собой эффективную, с точки зрения капитализации, модель производства, которая означает для покупателя рост значения показателя качества примерно в десять раз по сравнению с самой современной технологией на базе кремния. Это новейшее достижение демонстрирует неизменное стремление IR предоставить своим клиентам наиболее современные технологические достижения в области управления электропитанием.

НОВАЯ СЕРИЯ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ IRFP4XXX

Новая серия мощных МОП-транзисторов IRFP4xxx компании International Rectifier (IR) с ультранизким сопротивлением канала позволяет существенно повысить КПД преобразования электрической энергии и значительно сократить потери проводимости в конверторах.

Отличительная особенность новой серии IRFP4xxx, производимой по новейшей технологии Trench HEXFET Power MOSFETs, — уменьшенное сопротивление Rds(on) до 2,5 раз по сравнению с транзисторами предыдущего поколения. Все они выпускаются в стандартном популярном корпусе TO-247AC, что позволяет существенно снизить стоимость готового устройства. Производитель рекомендует следующие области применения новых МОП-транзисторов:

 — синхронные выпрямители телекоммуникационных и промышленных преобразователей энергии с напряжением шин питания до 80 В;

— мощные инверторы постоянного и переменного тока;

— источники бесперебойного питания (UPS);

— силовые O’Ring узлы (замена диодов Шоттки в мощных схемах ИЛИ для суммирования выходных токов);

— привод электроинструмента;

— промышленный привод постоянного тока с батарейным питанием от 12 до 80 В (электрокары, вилочные подъемники);

— силовая автоэлектроника — мощные DC/DC-преобразователи для сетей 14 В/42 В, инверторы стартер-генераторов и электромеханических усилителей руля;

— инверторы солнечных батарей.

Преимущества по отношению к предыдущим поколениям MOSFET

На рисунке 1 представлено сравнение Rds(on) новых транзисторов (выделены желтым цветом) и лучших приборов предыдущего поколения IR (выделены синим цветом).

 Сравнение Rds(on) транзисторов новой серии IRFP4xxx и приборов предыдущих

Рис. 1. Сравнение Rds(on) транзисторов новой серии IRFP4xxx и приборов предыдущих поколений

В таблицу 1 сведены для сопоставления основные параметры транзисторов, производимых по новейшей технологии, и некоторых предыдущих серий MOSFET в корпусе ТО-247АС.

Таблица 1. Параметры новых полевых транзисторов IRFP4xxx и транзисторов IR предыдущих поколений в корпусе TO-247AC

Наименование Vси, макс,
В
Rds(on)
макс.,
мОм,
Vзи=10 В
Iстока,
A,
t° = 25°C
Iстока,
A,
t° = 100°C
Qg.*,
тип.,
нКл
Qgd**,
тип.,
нКл
Rth(JC)***,
К/Вт
Мощ-
ность,
Вт, макс.
(при t°=25°C)
IRFP4004PBF(New) 40 1,7 350**** 250**** 220 75 0,40 380
IRFP044N 55 20,0 53 37 40,7 16,0 1,5 100
IRFP1405 55 5,3 160 110 120,0 53,3 0,49 310
IRFP064N 55 8,0 98 69 113,3 50,0 1,0 150
IRFP054N 55 12,0 72 51 86,7 35,3 1,2 130
IRFP048N 55 16,0 62 44 59,3 26,0 1,2 130
IRFP064V 60 5,5 130 95 173,3 62,7 0,60 250
IRFP054V 60 9,0 93 66 113,3 39,3 0,85 180
IRFP3206PBF 60 3,0 200 140 120,0 35,0 0,54 280
IRFP3306PBF 60 4,2 160 110 85,0 26,0 0,67 220
IRFP2907Z 75 4,5 170 120 180,0 65,0 0,49 310
IRFP4368PBF(New) 75 1,8 350**** 250**** 380,0 105,0 0,29 520
IRFP3077PBF 75 3,3 200 140 160,0 42,0 0,44 340
IRFP2907 75 4,5 177 125 410,0 140,0 0,45 330
IRFP4710 100 14,0 72 51 110,0 40,0 0,81 190
IRFP4410ZPBF 100 9,0 97 69 83,0 27,0 0,65 230
IRFP150V 100 24,0 46 32 86,7 28,7 1,1 140
IRFP150N 100 36,0 39 28 73,3 38,7 1,1 140
IRFP140N 100 52,0 27 19 62,7 28,7 1,6 94
IRFP3710 100 25,0 51 36 66,7 17,3 0,83 180
IRFP4310ZPBF 100 6,0 134 95 120,0 35,0 0,54 280
IRFP4468PBF(New) 100 2,6 290**** 200**** 360,0 89,0 0,29 520
IRFP4110PBF 100 4,5 180 130 150,0 43,0 0,40 370
IRFP3415 150 42,0 43 30 133,3 65,3 0,75 200
IRFP4321PBF 150 15,5 78 55 71,0 21,0 0,49 310
IRFP4568PBF(New) 150 5,9 171**** 121**** 151,0 55,0 0,29 517
IRFP4227PBF 200 25,0 65 46 70,0 23,0 0,45 330
IRFP260N 200 40,0 49 35 156,0 73,3 0,50 300
IRFP4668PBF(New) 200 9,7 130 92 161,0 52,0 0,29 520
IRFP90N20D 200 23,0 94 66 180,0 87,0 0,26 580
IRFP250N 200 75,0 30 21 82,0 38,0 0,70 214
IRFP4332PBF 250 33,0 57 40 99,0 35,0 0,42 360
IRFP4229PBF 250 46,0 44 31 72,0 26,0 0,49 310
IRFP4232 250 35,7 60 42 160,0 60,0 0,35 430
IRFP4242PBF 300 59,0 46 33 165,0 61,0 0,35 430
*     Qg — Total Gate Charge — суммарный (полный) заряд затвора
**    Qgd — Gate-to-Drain («Miller») Charge — заряд затвора, обусловленный эффектом Миллера
***  Rth(JC) — тепловое сопротивление «переход-корпус» (Junction-to-Case), измеренное
ри температуре около 90°С
**** Максимальный ток, ограниченный кристаллом
ток, ограниченный выводами корпуса, см. в документации производителя).

      Необходимо обратить внимание на то, что новые транзисторы IRFP4004PBF, IRFP4368PBF, IRFP4468PBF, IRFP4568PBF имеют ограничение тока из-за сопротивления выводов корпуса ТО-247АС, а не из-за кристалла (кристалл способен на гораздо большее). При расчетах схем с этими транзисторами и сравнении с аналогичными приборами целесообразнее ориентироваться на сопротивление канала в открытом состоянии, не забывая об ограничении тока выводами корпуса ТО-247АС. В новой серии появился транзистор IRFP4004PBF с максимальным напряжением сток-исток 40 В (см. рисунок 1), обладающий рекордно низким сопротивлением Rds(on) 1,7 мОм (это максимальное значение, типовое значение обычно еще меньше). Однако за это приходится расплачиваться увеличением заряда затвора, что влечет за собой выбор драйверов MOSFET с большими выходными токами, короткими фронтами и малыми задержками, хотя выбор таких драйверов достаточно велик и обычно не вызывает никаких затруднений. Все новые транзисторы обладают очень низкими значениями теплового сопротивления переход-корпус, что позволяет более эффективно отводить тепло от кристалла. Нужно отметить, что пять новых транзисторов заменяют большое количество транзисторов предыдущего поколения International Rectifier (см. таблицу 1) и некоторые MOSFET известных фирмFairchild, ST, IXYS (см. таблицы 2 и 3).

Таблица 2. Сравнение параметров новых транзисторов IR серии IRFP4xxx с аналогичными от других производителей

Произво-
дитель
Наименова-
ние
Vси,
макс.,
В
Rds(on)
макс.,
мОм,
Vзи=
10 В
Iстока,
A,
t°=
25°C
Qg.*,
тип.,
нКл
Qgd**,
тип.,
нКл
Rth(JC)
***
К/Вт
Мощ-
ность,
Вт,
макс.
(при
t°=
25°C)
Корпус
IR IRFP4004PBF 40 1,7 350**** 220,0 75,0 0,40 380 TO-247AC
Fairchild FDA8440 40 2,1 100 345 74 0,49 306 TO-247AC
IR IRFP4368PBF 75 1,8 350**** 380,0 105,0 0,29 520 TO-247AC
Fairchild FD038AN08A1 75 3,5 80 125 0,33 450 TO-247AC
STM STW220NF75 75 4,4 120 500 135 0,3 460 TO-247AC
IR IRFP4468PBF 100 2,6 290**** 360,0 89,0 0,29 520 TO-247AC
Fairchild HUF75652G3 100 8 75 475 74 0,29 515 TO-247AC
IXYS IXTR200N10P 100 8 120 235 0,5 300 Super247
IXYS IXFX250N10P 100 6,5 250 205 0,12 1250 Super247
IR IRFP4568PBF 150 5,9 171**** 151,0 55,0 0,29 517 TO-247AC
Fairchild HUF7588G3 150 16 75 480 66 0,3 500 TO-247AC
IXYS IXTQ120N15P 150 16 120 150 0,25 600 TO-3P
IXYS IXTQ150N15P 150 13 150 190 0,21 714 TO-3P
IR IRFP4668PBF 200 9,7 130 161,0 52,0 0,29 520 TO-247AC
Fairchild FQA65N20 200 32 65 200 75 0,4 310 TO-3P
IXYS IXTH96N20 200 24 96 145 0,25 600 TO-247AC
IXYS IXTQ120N20 200 22 120 152 0,21 713 TO-3P
*, **, ***, **** — расшифровка приведена в таблице 1.

Таблица 3. Рекомендуемые замены от IR для транзисторов с близкими параметрами других производителей

Произво-
дитель
Наименова-
ние
Прямая
замена
от IR
Замена
от IR с
улучшением
параметров
Возмож-
ная
замена
от IR
Корпус
других
произво-
дителей
Корпус
IR
  FDA8440 - IRFP4004PBF - TO-3P TO-247
FDH038AN08A1 - IRFP4368PBF - TO-247 TO-247
HUF75653G3 - IRFP4468PBF - TO-247 TO-247
HUF75882G3 - IRFP4568PBF - TO-247 TO-247
FQA65N20 - IRFP4668PBF - TO-247 TO-247
  STW200NF75 IRFP4368PBF - - TO-247 TO-247
  IXTR200N10P - - IRFP4468PBF ISO247 TO-247
IXFX250N10P - - IRFP4468PBF PLUS247 TO-247
IXTQ120N15P - IRFP4568PBF - TO-3P TO-247
IXTQ150N15P - - - TO-3P TO-247
IXTH96N20 IRFP4668PBF - - TO-247 TO-247
IXTQ120N20 - IRFP4668PBF - TO-3P TO-247

Сравнение новых Trench HEXFET Power MOSFETs с аналогами других производителей

Среди транзисторов с напряжением сток-исток 40 В прибор IRFP4004PBF не имеет аналогов. По сопротивлению канала с ним может конкурировать только транзистор IR в дорогом 7-выводном корпусе для поверхностного монтажа IRF2804S-7P. Самый близкий прибор от другого производителя — этоFDA8440 с сопротивлением канала 2,1 мОм от компании Fairchild (параметры для сравнения приведены в таблице 2). В крайнем правом столбце таблицы 2 для всех транзисторов других производителей указано отношение сопротивлений Rds(on) близкого по параметрам транзистора IR к Rds(on) конкретного транзистора другого производителя. Все эти соотношения меньше 1, что говорит о том, что сопротивление канала транзисторов IR меньше или гораздо меньше аналогичного параметра приборов фирм Fairchild, ST и IXYS.

В диапазоне напряжений сток-исток 55…75 В бесспорным лидером является IRFP4368PBF.Сопротивление канала 1,8 мОм в сочетании с остальными параметрами обеспечивают ему большой отрыв от популярных IRFP044N, IRFP048N и IRFP064N (диапазон 55 В). 75-вольтовый новый транзистор IRFP4368PBF с успехом заменяет 60-вольтовые IRFP064V, IRFP054V, IRFP3206PBF, IRFP3306PBF и очень популярный 75-вольтовый IRFP2907Z. У нового транзистора IRFP4368PBF сопротивление канала снижено в 2,5 раза по сравнению с лучшим прибором IR предыдущего поколенияIRFP2907Z. Ближайшие конкуренты для напряжения 75 В от компаний Fairchild — FD038AN08A1 и от компании ST — STW220NF75 имеют сопротивление канала 3,5 и 4,4 мОм соответственно (см. таблицу 2).

В диапазоне 100 В тон задает IRFP4468PBF c сопротивлением канала 2,6 мОм. 100-вольтовый транзистор IR предыдущего поколения IRFP4110PBF имеет Rds(on) 4,5 мОм, а ближайшие по параметрам 100-вольтовые HUF75652G3 (Fairchild) и IXTR200N100P (IXYS) - 8 мОм, аIXFX250N10P (IXYS) - 6,5 мОм. Однако последние два транзистора фирмы IXYS выпускаются в более дорогих корпусах Super247.

Диапазон 150 В. Здесь в большом отрыве IRFP4568PBF с сопротивлением канала 5,9 мОм. Среди догоняющих — 150-вольтовые HUF75882G3 компании Fairchild с Rds(on) 16 мОм, а также IXTQ120N15P и IXTQ150N15P компании IXYS с сопротивлениями канала 16 и 13 мОм соответственно. Справедливости ради нужно отметить, что транзисторы IXYS производятся в более дорогих корпусах ТО-3Р.

Наконец, мы подошли к диапазону 200 В. Здесь самый сильный игрок — новый транзистор IRFP4668PBF с сопротивлением канала 9,7 мОм, что для 200-вольтовых приборов является эталонным показателем при таком напряжении. Ближайшие транзисторы этого класса FQA65N20 (Fairchild) имеют Rds(on) 32 мОм, а IXTH96N20 и IXTQ120N20 компании IXYS - 24 и 22 мОм соответственно. Однако кристаллы FQA65N20 и IXTQ120N20 упакованы в более дорогие корпуса ТО-3Р, что дает дополнительное преимущество транзистору IRFP4668PBF. 200-вольтовые транзисторы предназначены для работы в телекоммуникационных источниках питания с шиной с постоянным напряжением до 80 В.

В таблице 3 приведены рекомендуемые замены от International Rectifier для МОП-транзисторов компаний Fairchild, ST, IXYS.

В некоторых случаях один новый МОП-транзистор IR может заменить до трех параллельно включенных транзисторов IR предыдущих поколений в диапазоне 100…200 В. Кроме того, при параллельном соединении транзисторов добавляются сопротивления соединительных проводников, которые при токах десятки и сотни Ампер могут существенно ухудшать статические и динамические параметры эквивалентного транзистора. Цена одного нового транзистора меньше стоимости трех параллельно включенных приборов предшествующих поколений. При этом можно уменьшить размер радиатора и снизить температуру в блоке. Следует учесть, что при снижении температуры в блоке на 10 процентов срок службы электролитических конденсаторов удваивается. Как известно, именно электролитические конденсаторы в большинстве случаев определяют время безотказной работы силового преобразователя.

Графические зависимости основных параметров 40-вольтового IRFP4004PBF

На рисунке 2 приведены зависимости сопротивления канала в открытом состоянии (максимальное значение при Uзи = 10 В) от температуры перехода и полного заряда затвора Qg от напряжения Uзи для транзистора IRFP4004PBF.

Зависимости Rds(on) от температуры перехода, заряда затвора от напряжения затвор-исток для транзистора IRFP4004PBF

Рис. 2. Зависимости Rds(on) от температуры перехода, заряда затвора от напряжения затвор-исток для транзистора IRFP4004PBF

    Новейшая технология Trench HEXFET обеспечивает низкий рост сопротивления открытого канала от температуры перехода. Новые транзисторы серии IRFPxxx обеспечивают высокие динамические характеристики при низкой мощности управления, устойчивость к лавинному пробою и надежную работу в режимах жесткого переключения в широком диапазоне частот.На рисунке 3 приведены выходные характеристики IRFP4004PBF (графики снимались при длительности импульсов менее 60 мкс и температурах перехода 25°С и 175°С).

Выходные характеристики IRFP4004PBF при длительности импульса менее 60 мкс

Рис. 3. Выходные характеристики IRFP4004PBF при длительности импульса менее 60 мкс

Нижние кривые иллюстрируют работу транзистора при управляющем напряжении 4,5 В, что близко к логическим уровням цифровых микросхем с питанием от 5 В.

На рисунке 4 иллюстрируется зависимость максимально допустимых токов транзистора IRFP4004PBF от температуры корпуса, ограниченных кристаллом и выводами корпуса транзистора.

Максимальные токи IRFP4004PBF, ограниченные кристаллом и выводами

Рис. 4. Максимальные токи IRFP4004PBF, ограниченные кристаллом и выводами корпуса TO-247AC

    К сожалению, полностью реализовать потенциал кристалла транзистора IRFP4004PBF в корпусе ТО-247АС невозможно (для этого нужен более мощный корпус), однако и корпус ТО-247АС ограничивает ток для IRFP4004PBF на уровне 195 А (режимы измерения см. в документации производителя), что является очень высоким показателем для приборов такого класса.

Заключение

     Главные преимущества новых МОП-транзисторов IR — ультранизкое сопротивление открытого канала и недорогой стандартный корпус ТО-247АС. При модернизации серийно выпускаемых преобразователей энергии в большинстве случаев достаточно без изменения схемы и печатной платы заменить используемые ранее транзисторы на новые из серии IRFP4xxx. При замене нескольких параллельно включенных транзисторов на один новый получается ощутимый выигрыш в цене и надежности за счет снижения выделяемого тепла и увеличения срока службы электролитических конденсаторов. Всего пять новых транзисторов могут заменить большое количество транзисторов IR предыдущих поколений и довольно большое количество аналогичных приборов других производителей (см. таблицы 1, 2 и 3 данной статьи). В статье рассмотрены транзисторы только наиболее популярных мировых производителей MOSFET, хорошо известных нашим разработчикам, но, конечно, читатель может попробовать заменить и транзисторы от производителей, не рассмотренных выше.

Евгений Звонарев

Микроконтроллеры. Достоинства и недостатки

Картинки по запросу Обзорная статья про микроконтроллеры     В 1971 придумали разместить всю обвязку процессора (ОЗУ, контроллеры портов, ПЗУ и т.д.) на одном чипе. В 1980 intel уже выпускает первый микроконтроллер.Микроконтроллеры (старое красивое название — однокристалльные микро-ЭВМ) в настоящее время имеют невероятно много областей применения. От промышленной автоматики до бытовых приборов, от управления ядерными установками до детских игрушек, от секретных военных систем до переключения каналов в вашем радиоприемнике. Одним словом, проще перечислить, где они не применяются. Около 55% проданных в мире процессоров приходится на 8ми битные микроконтроллеры. Изобретение и дальнейшее развитие микроконтроллеров произвело настоящую революцию в цифровой электронике. Изменились не только схемотехника и элементная база, но и сами принципы построения систем. Значительные изменения претерпел и цикл разработки. Появились целые классы устройств, существование которых было бы невозможно без контроллеров.  Но у всякой технологии, как бы хороша она не была, всегда есть обратная сторона. Достоинства и недостатки, особенности  и ньюансы в разработке схем и софта — этому посвящен собирательный цикл данных статей собранных на просторах интернета и по следам печатных изданий. Материал, размещенный в данном разделе как всегда ориентирован на НАЧИНАЮЩИХ радиолюбителей.

 

Читать далее

Отладочная плата STM32F4-DISCOVERY

Картинки по запросу stm32f4-discovery

   32-разрядные микроконтроллеры выпускаются многими производителями, но наиболее широкое распространение, на текущий момент, получил продукт совместной франко-итальяно-японской фирмы STMicroelectronics (STM). Достаточно низкая стоимость, удобство программирования и наличие бесплатного ПО способствовали его продвижению. Выпуск отладочных плат с данными микроконтроллерами для STM стало практически уже стандартом. Наличие готовой периферии, собранной уже на плате,  упрощает процесс тестирования и отработки отдельных частей программ как начинающему пользователю (только начавшему изучать 32 разрядные системы) так и опытному разработчику.

  Для начинающих разработчиков производители предлагают, так называемые, оценочные платы, на которых устанавливается тот или иной микроконтроллер со схемами обвязки и различной периферией. Обязательным атрибутом оценочных плат сегодня является большое число контактов, которые позволяют получить доступ практически ко всем портам микроконтроллера, а также интерфейсы в виде светодиодов и кнопок.  Также во многие оценочные платы встраивается программатор, который позволяет программировать внешние микросхемы.  В таблице ниже приведены оценочные платы начального уровня линейки STM32F4.

Плата Микроконтроллер Периферия
STM32F429I Disco STM32F429ZIT6 (180 МГц, 2 Мб Flash, 256 Кб ОЗУ, LQFP144) Встроенный программатор/отладчик ST-LINK/V2, дисплей 2.4″ QVGA TFT, ОЗУ SDRAM 64 Мбит, гироскоп, USB-OTG, 6 светодиодов, 2 кнопки
STM32F407 Discovery STM32F407VGT6 (168 МГц, 1 Мб Flash, 192 Кб ОЗУ, LQFP100) ST-LINK/V2, 3-х осевой акселерометр, цифровой микрофон, USB-OTG, 24-разрядный аудио ЦАП с усилителем класса D, 8 светодиодов, 2 кнопки
STM32F401C Disco STM32F401CVT6 (84 МГц, 256 Кб Flash, 64 Кб ОЗУ, LQFP100, низкое энергопотребление) ST-LINK/V2, гороскоп, компас, цифровой микрофон, USB-OTG, 24-разрядный аудио ЦАП с усилителем класса D, 8 светодиодов, 2 кнопки
STM32F401 Nucleo STM32F401RET6 (84 МГц, 512 Кб Flash, 96 Кб ОЗУ, LQFP64, низкое энергопотребление) ST-LINK/V2, разъем для подключения шилдов Arduino, 2 светодиода, 2 кнопки

   Популярность подобных отладочных плат заключается в том, что кроме кристалла контроллера, периферии, изготовитель предлагает комплект библиотек-полуфабрикатов для разработки готовых приложений даже на отладочных платах. Но не смотря на все это имеется и ряд подводных камней, которые «всплывают » по ходу работы с платой. Поэтому с начала следующего года в разделе библиотека появится ряд статей, ориентированных на НАЧИНАЮЩИХ радиолюбителей, которые решили освоить программирование 32-разрядных микроконтроллеров. Цикл статей будет посвящен созданию проектов в среде STM32CubeMX (с использованием библиотеки компании STM32 — HAL) и программированию платы STM32F407-DISCOVERY с помощью программы IAR AVR Embedded Workbench на СИ. У этой платы имеется две модификации: MB997C и MB997B. Первая пришла на смену второй и имеет на борту более современную микросхему акселерометра LIS3DSH взамен устаревшей LIS302DL.

Основные компоненты на плате STM32F407 Discovery

Обратная сторона платы имеет две гребенки сдвоенных выводов для установки/подключения в изделие или к стенду через шлейфы с разъемами.

Вид снизу оценочной платы STM32F407 Discovery

   Основные характеристики этой платы:

  • 32-битный микроконтроллер STM32F407VGT6 с ядром ARM Cortex-M4F с 1 Мб памяти программ и 193 Кб ОЗУ в 100-выводном корпусе LQFP100 с тактовой частотой 168 МГц. Встроенные операции с плавающей точкой (FPU).
  • Встроенный программатор/отладчик ST-LINK/V2 с возможностью выбора режима работы (позволяет программировать внешние микросхемы, используя SWD-коннектор для программирования и отладки)
  • Питание платы: через шину USB или от внешнего 5В источника питания
  • Питание для внешних устройств: 3В и 5В
  • 3-х осевой МЭМС акселерометр на базе микросхемы LIS302DL компании ST
  • Всенаправленный цифровой МЭМС микрофон на базе микросхемы MP45DT02 компании ST
  • Аудио ЦАП CS43L22 со встроенным усилителем класса D
  • Восемь светодиодов: LD1 (красный/зеленый) для индикации активности шины USB, LD2 (красный) для питания 3.3В, 4 пользовательских диода: LD3 (оранжевый), LD4 (зеленый), LD5 (красный) и LD6 (синий), 2 диода USB OTG: LD7 (зеленый) для VBus и LD8 (красный) при перегрузке
  • Две кнопки (Reset и User)
  • USB OTG с разъемом micro-AB
  • Выводные колодки для всех контактов ввода/вывода микроконтроллера для быстрого подключения к макетной плате и простого проведения измерений

     Большим плюсом является наличие в микроконтроллере модуля для работы с числами с плавающей точкой, что увеличивает скорость обработки в приложениях, связанных, например со спектральным анализом (для вычисления БПФ) или же в БПЛА для алгоритмов ориентации, если вдруг кто-то захочет создать на базе этой платы робота или квадра-гекса и прочие коптеры.

     Тем кто привык работать с отлачиком  JTAG немного не повезло — разъема под него нет. Вместо этого используется внешний программатор/отладчик ST-LINK.

     Ниже представлена упрощенная, практически структурная, схема платы.

Структурная схема платы STM32F4 Discovery

    Общее питание платы осуществляется от источника 5В. На колодке штырьевых контактов имеется вывод «+5 V» к которому можно подключить внешний источник питания. Благодаря диоду D1 есть возможность одновременно использовать внутренний и внешний источники питания. При отсутствии отдельного источника 5В подается через мини-USB разъем «CPU» с компьютера. Из-за диода D1 на микро-USB разъеме «OTG» будет чуть меньшее напряжение. Формирование питающего напряжения 3В происходит внутри платы и используетсяне для всех узлов периферии. Из-за диода Шоттки D3 напряжение +3 В не является строго стабилизированным. По умолчанию, общее питающее напряжение в плате и подключаемых к ней элементах должно быть в пределах 2,9-3,3В. Ток нагрузки через контакт «+3V» не должен превышать 150 мА. Если вместо джампера J1 подключить амперметр, что можно увидеть, что, учитывая потребляемый микроконтроллером ток, реально выдается 80-130мА.

   Программатор ST-Link реализован на микроконтроллере STM32F103C8T6 (см. рисунок платы выше). Основной программируемый микроконтроллер подключается для программирования через два джампера J2 и J3. Для программирования внешних микросхем, используя разъем «SWD» эти джамперы необходимо удалить.

  Как уже упоминалось — на отладочной плате есть готовые сконфигурированные устройства. Для работы цифрового МЭМС-микрофона, 3-х осевого акселерометра и аудио ЦАП задействованы несколько линий портов микроконтроллера. Данные передаются по шинам SPI, I2C, I2S. Поэтому при подключении к плате новых периферийных устройств пользователя или программирование задействованных для уже установленной периферии портов надо быть очень внимательным. В ряде случаев, наблюдалось неправильная работа платы целиком или отдельных портов, не из-за программных ошибок, а из-за подключения нагрузок (создания сигнальных выходов) на уже подключенных портах, где узлы встроенной в плату периферии искажали или блокировали сигнал .

В таблице приведены задействованные периферией и свободные порты.

Вывод Функционал
PA0 Кнопка «User»
BOOT0 Вход бутлоудера, сигнал BOOT0
PB2 Вход бутлоудера, сигнал BOOT1
PA1-PA3, PA8, PA15, PB0, PB1, PB4, PB5, PB7, PB8, PB11, PB13-PB15, PC1, PC2, PC4-PC6, PC8, PC9, PC11, PD0-PD3, PD6-PD11, PE2, PE4-PE15 Свободные линии I/O, с возможностью комутации к 5 В, максимальная нагрузка ±25 мА, pull-up/down резисторы 30…50 кОм (всего 46 линий)
PB12 Свободная линия с pull-up/down резистором 8…15 кОм
PC13 Свободная линия с нагрузкой ±3 мА
PA3-PA6, PB6, PB9, PC7, PC10, PC12, PD4 Стереофонический аудио ЦАП CS43L22
PA5-PA7, PE0, PE1, PE3 3-х осевой акселерометр LIS3DSH
PA9-PA12, PC0, PD5 Разъем микро-USB (OTG)
PA13, PA14, PB3 Разъем программатора SWD
PB10, PC3 Встроенный цифровой микрофон MP45DT02
PC14, PC15 Кварцевый резонатор 32 кГц (есть место)
PD12-PD15 Зеленый, оранжевый, красный, синий светодиоды
PH0, PH1 Кварцевый резонатор 8 МГц для МК
NRST Внешний начальный сброс МК
+3V, +5V, VDD, GND, NC Цепи питания 3 В, 5 В, МК, «земля», пустой контакт

Чтобы проверить работоспособность платы:

  • Удостоверьтесь, что на плате установлены перемычки JP1 и CN3
  • Подключите плату STM32F407 Discovery к компьютеру, используя USB-кабель типа A/mini-B через мини-USB разъем CN1 программатора ST-Link на плате для подачи питания. Засветится красный светодиод LD2 (PWR) и начнут мигать четыре светодиода (зеленый, оранжевый, красный, синий), находящиеся между кнопками B1 и B2
  • Нажатие пользовательской клавиши B1 включает МЭМС акселерометр. Четыре цветных светодиода будут показывать направление движения платы и скорость. При подключении к компьютеру через второй USB-разъем на плате CN5, используя кабель типа A/micro-B, плата распознается как стандартный манипулятор «мышь».

Демонстрационное ПО, различная документация на плату STM32F407 Discovery, а также примеры, позволяющие ознакомится с особенностями семейства микроконтроллеров STM32F4 доступны на официальном сайте STMicroelectronics. Документация и описания различных библиотек на сайте производителя выполнены на английской языке. Общее описание микроконтроллера на базе ядра CORTEX M4 составляет примерно 1700 страниц. Частичный перевод разделов будет публиковаться в цикле статей в соответствующих разделах.

Информация представлена с разных интернет источников.

LM386 — микромощный усилитель

  Данная микросхема, производимая компанией National Semiconductor, прочно закрепила свое положение в ряде конструкций, где необходим экономичный и мощный усилитель НЧ. В описание от производителя говорится, что область применения данной микросхемы широка ( в унч ам-фм радиоприемников, унч для носимых плееров, домофонах, телевизионных радиоприемников, линейных драйверов-предусилителей, маломощных драйверов для сервомашинок и прочее). И конечно же, эта микросхема привлекает к себе начинающих радиолюбителей — в первую очередь минимальным количеством элементов во внешней обвязке и удобным диапазоном питания от 4 до 12 вольт. А для исполнения LM386N-4 диапазон питающего напряжения от 5 до 18 вольт.

  Но существуют и свои подводные камни для этой микросхемы. Ссылка на pdf — файл с даташитом (на англ.) LM386 здесь. Как видно из него существуют модификации с индексами N-1, М-1, N-3, N-4  и только последняя ( с расширенным напряжением питания) выдает мощность более 1 Вт. Остальные имеют задаваемый коэффициент усиления (от 20 до 200), но при выходной мощности 325 (N-1, М-1) и 700 (N-3) мВт соответственно. Это пожалуй самая частая ошибка для начинающих радиолюбителей, мало обращающих внимание на индексы и пытающихся «выдавить» из кристалла 1 Вт при Ку=200. Чаще всего результатом являются серьезные искажения звука с Кг более 15%, после чего микросхему откладывают в сторону и бывает навсегда.

  На практике, правильно включенная обвязка микросхемы с соблюденными параметрами элементов, является залогом надежной и длительной работы в правильном режиме этого чипа. Вот самая простая схема включения микросхемыс Ку=20.

lm386

   Схема по входу представляет собой сдвоенный усилительный дифференциальный каскад. Чтобы сделать LM386 более универсальным усилителем, предусмотрены два контакта (1 и 8) для управления усилением. При разомкнутых контактах 1 и 8, внутренний резистор 1,35 кОм устанавливает Ку=20 (26 дБ). Если подключить электролитический конденсатор 10 мкФ с вывода 1 на 8, минуя резистор 1,35 кОм, коэффициент усиления увеличится до 200 (46 дБ). Если последовательно с конденсатором подключается резистор , коэффициент усиления может быть установлен на любое значение от 20 до 200. Кроме того, регулирование усиления также может быть выполнено путем емкостной связи через резистор (или полевой транзистор) вывода 1 на общий провод. Для подавления помех по цепи питания (выводы 4 и 6) желательно разместить как можно ближе к корпусу микросхемы керамический конденсатор емкостью 0,1мкФ и электролитический 100мкФ.  Также допускается включение керамического конденсатора, емкостью 0,47 — 1мкФ между переменным резистором на входном выводе 3, для исключения шунтирования входного сопротивления усилителя. Менять значения элементов выходной цепи R1, C1, C2 производителем не рекомендуется.

lm386-1

   Дополнительные внешние компоненты могут быть размещены параллельно с внутренними резисторами обратной связи для адаптации коэффициента усиления и частотной характеристики для отдельных приложений. Например, можно увеличить низкий басовый отклик сигнала, формируя путь обратной связи. Это делается с помощью цепи RC от вывода 1 до 5 (параллельно с внутренним резистором 15 кОм). Для эффективного усиления басов на 6 дБ: R = 15 кОм, самое низкое значение для хорошей стабильной работы — R = 10 кОм, если контакт 8 разомкнут и не используется. Если RC включена между выводами 1 и 8, тогда можно использовать R = 1…2kОм. Это ограничение связано с тем, что усилитель компенсируется только для усиления с замкнутым контуром больше 9. Используя микросхему с большим коэффициентом усиления Ку = 150-200, для стабильной работы следует использовать компенсационную емкость — керамический конденсатор емкостью 0,1 мкФ, включенный между выводом 7 и общим проводом.

lm386-2

   Простое соблюдение правил эксплуатации этого усилителя сэкономит общее время на настройку вашего аппарата в целом. На базе данной микросхемы начинающие радиолюбители строят стетоскопы, аккустические датчики, мегафоны, усилители для наушников и мобильных телефонов и прочее. Микросхема хорошо зарекомендовала себя и как отдельное устройство — УНЧ и в совокупности с другими узлами современной РЭА.

ATMEL AVR

Картинки по запросу atmel  эмблема

В современной радиоэлектронике понятие микроконтроллера прочно укрепилось во всех направлениях. К примеру — собрать экономичную автосигнализацию или сигнализацию на дачу — микроконтроллер, радиоуправление моделями и аппаратами — тоже микроконтроллер, пульты управления и устройства сопряжения компьютера с каким либо внешним устройством — тоже задача решаемая микроконтроллером. Кроме всего этого, сам микроконтролеер может выступать в роли отдельного устройства с определенными функциями. Этот элемент, как радиодеталь, давно применяется в большинстве электронных схем и популярность его растет все более и более. Только в конце 90-х компания Атмел, производитель своих микроконтроллеров серий АТ89 АТ90 ATTiny ATMega, надежно закрепила себя в позиционирование 8 битных многофункциональных контроллеров, а в середине первого 10-летия нового века выпускает 32 разрядные широкодоступные микроконтроллеры с огромным потенциалом на будущее. Но, как показывает практика, не все радиолюбители имеют возможность получить необходимую информацию о данных элементах. У кого то нет возможности получить печатное издание потому что его не публикуют в нужном регионе, а кто то не владеет достаточно английским языком, чтобы прочитать даташит на конкретный контроллер, выложенный на сайте производителя — причины могут быть разные. Поэтому в данной статье приводится ряд электронных версий справочников для программирования атмеловских микроконтроллеров (почему именно атмеловских, а не микрочиповских — потому что это теперь одно и тоже, что показано на их официальном сайте), их внутренне устройство и состав, описание языка программирования и схем программаторов и многое другое. Необходимо напомнить что, Atmel Corporation — изготовитель полупроводниковых электронных компонентов. Компания основана в 1984 году. Имеет свой собственный официальный сайт — http://www.atmel.com

Справочная литература:

Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL (А. В. Евстифеев) 2008год.

Микроконтроллеры AVR вводный курс (Джон Мортон) 2006 год

Микроконтроллеры AVR статьи в журналах и публикации

Самоучитель по микропроцессорной технике (Белов А.В.) 2003 год

Микроконтроллеры AVR в радиолюбительской практике (Белов А.В.) 2007 год

Конструирование устройств на микроконтроллерах (Белов А.В.) 2005 год

Применение микроконтроллеров AVR: схемы, алгоритмы, программы (Баранов В.Н.) 2006 год

Самоучитель — разработка устройств на микроконтроллерах AVR (Белов А.В.) 2008 год

Дистанционное управление моделями /500 схем для радиолюбителя/ (Днищенко В.А.) 2007 год

Указанная выше литература также присутствует в разделе — БИБЛИОТЕКА

Новое поколение 8-разрядных микроконтроллеров

Microchip выпускает новое поколение 8-разрядных микроконтроллеров AVR с независимой от ядра периферией

  Новая серия микроконтроллеров с богатым набором возможностей, поддерживаемая веб-платформой START, выпускается с флеш-памятью объемом 4 КБ и 8 КБ

  Microchip Technology выпустила новое поколение 8-разрядных микроконтроллеров tinyAVR. Четыре новых устройства с числом выводов от 14 до 24 и объемом флеш-памяти от 4 КБ до 8 КБ стали первыми микроконтроллерами tinyAVR с независимой от ядра периферией (Core Independent Peripherals – CIP). Новые приборы будут поддерживаться веб-платформой Atmel START – инновационным онлайн инструментом для интуитивно понятного графического конфигурирования встраиваемых программных проектов.

   «Это событие имеет для Microchip очень большое значение, поскольку означает объединение под одной крышей 8-разрядных микроконтроллеров двух самых мощных брендов, – сказал Стив Санги (Steve Sanghi), генеральный директор и председатель правления компании Microchip Technology. – Потребителям нравятся как PIC, так и AVR, и Microchip вкладывает средства в разработку нового продукта, чтобы не только продолжать поддержку существующих приборов, но и расширять заслуживший высокую репутацию портфель AVR».

   Новые устройства ATtiny817/816/814/417 содержат полный набор функций, необходимых для разработки инновационных продуктов, включая компактные приборы с малым числом выводов, но с богатым набором возможностей, с объемом флеш-памяти 4КБ или 8 КБ. В перечень остальных функций и характеристик серии входят:

  • контроллер сенсорного интерфейса,
  • событийная система для координации взаимодействия периферии,
  • программируемые пользователем логические блоки,
  • самопрограммирование для обновления прошивок,
  • энергонезависимая память данных,
  • внутренний генератор 20 МГц,
  • высокоскоростной последовательный интерфейс USART,
  • диапазон напряжений питания от 1.8 В до 5.5 В,
  • 10-битный АЦП с внутренним источником опорного напряжения,
  • ток потребления в дежурном режиме менее 100 нА с сохранением содержимого ОЗУ.

   «Являясь поставщиком номер один на рынке 8-битных микроконтроллеров, предлагающим изделия с ядрами PIC, AVR и 8051, мы стремимся предоставить нашим клиентам больше продуктов, позволяющих им дифференцировать свои разработки, – сказал Стив Дрехобл (Steve Drehobl), вице-президент отделения 8-битных микроконтроллеров компании Microchip. – Благодаря добавлению инновационных возможностей, таких как независимая от ядра периферия, взаимосвязанные аналоговые блоки и интуитивно понятные графические средства поддержки, на протяжении определенного времени доступных в линейке PIC, теперь мы продолжаем помогать пользователям микроконтроллеров AVR в быстром выпуске на рынок самых современных продуктов».

  CIP дает периферийным устройствам, включая последовательные интерфейсы и аналоговые блоки, возможность работать независимо от ядра. В совокупности с использованием событийной системы, позволяющей периферии обмениваться данными без участия центрального процессора, приложения могут оптимизироваться на системном уровне. Это снижает потребление мощности, а также повышает производительность и надежность системы.

  В дополнение к выпуску четырех новых устройств, Microchip добавила их поддержку онлайн инструментом Atmel START для конфигурирования программных компонентов и настройки встраиваемых приложений. Этот бесплатный инструментарий обеспечивает оптимизацию общей структуры, позволяя пользователю сосредоточиться на специфических функциях его приложения.

Поддержка разработчиков

  Для ускорения исследования и разработки своего изделия пользователи могут за $8.88 приобрести новый набор Xplained Mini, совместимый также с экосистемой Arduino. Набор может использоваться для автономной разработки и полностью поддерживается инструментальными средствами создания программ Atmel START и Atmel Studio 7.

Цены и доступность

   8-битные микроконтроллеры tinyAVR нового поколения уже запущены в массовое производство в корпусах QFN и SOIC. Устройства выпускаются в версиях с 4 КБ и 8 КБ флеш-памяти. Цены для партий из 10,000 приборов начинаются от $0.43 за штуку. Для получения дополнительной информации обращайтесь к любым торговым представителям Microchip или к авторизованным дистрибьюторам компании в любой стране мира.

Гальваническая развязка для USB

      В различных разработках радиолюбителей или готовых изделиях бывает необходимо вести управление оборудованием через компьютер. В настоящее время все виды протоколов с малой скоростью — RS-232, LPT, IrPort заменил унивесальный протокол USB. Всего 4 провода и двусторонняя связь, а заодно и питание +5В —  можно использовать от каждого порта USB. На сегодняшний момент существует много преобразователей протоколов из USB  в практически любой другой тип. Остается вопрос электрической защиты портов компьютера от случайного замыкания в исполнительной схеме или (если схема питается отдельно от сети и управляет высокими напряжениями) защиты от потенциала на линии связи. Компания Analog Device предлагает компромис — конечно, микросхема ADuM4160  не сравнится в скорости с форматом USB 3.0, но при этом способна гальванически развязать порт USB при разности потенциалов устройств до 5 киловольт!!!! Общее описание и типовая схема включения находятся в даташите от производителя. ADuM4160.PDF

Распиновка USB

Сугубо ради быстрого информационного просмотра для себя и своих коллег. Просто очень часто надо смотреть на разъемы разных типов и сторон подключения — таким образом решил сделать себе и коллегам радиолюбителям напоминалку по USB различных видов на кабель и слоты.

USB


USB_brief

Разрешение и разрядность.

В современном модельном ряду представленно большое количество микросхем — аналового цифровых преобразователей (АЦП) от разных производителей. Чаще всего, начинающие радиолюбители и разработчики сталкиваются с элементарным вопросом — какой вид (тип) АЦП использовать в своей конструкции. Сколько будет достаточно для измерения и оцифровки сигнала — 8, 10, 12 или лучше сразу 16 разрядов. В этой заметки предполагается решить данную задачу простыми математическими расчетами.

Чаще всего понятие графического разрешения привязывают к размерности графического дисплея в пикселах. Но это только в том случае, если вывод информации ведется на дисплей!!! А если вывод планируется на принтер, то здесь вступает в силу разрешение в dpi — количество точек на дюйм (Для примера — лазерный принтер с разрешением 600dpi сможет разместить на листе формата А4 до 7000 отдельных точек). Тем, кому интересно рассмотреть полностью статью о разрешениях и параметрах растровых и векторальных отображений — рекомендуется посетить этот раздел в WIKI- Разрешение (компьютерная графика)  В нашем случае оговоримся заранее речь пойдет о специализированных и компьютерных графических дисплеях. Остановимся на наиболее популярным размерах матриц компьютеров — 1920×1080, 1600×900, 1366×768 пикселов. Графические дисплеи, применяемые в мобильных телефонах (они также популярны в радиолюбительских конструкциях) имеют широкую комбинацию размерности — 96х96, 128х128, 256х256 и прочие.

АЦП различного типа и алгоритма работы имеют разные скорости обработки сигналов — это параметр, который выводится на горизонтальное разрешение графического дисплея. Разрядность АЦП — вертикальное разрешение графического дисплея. Нетрудно подсчитать что для:

8 разрядов   2^8=256 точек для отображения максимальной амплитуды сигнала на дисплее;

10 разрядов 2^10=1024 точек для отображения максимальной амплитуды сигнала на дисплее;

12 разрядов 2^12=4096 точек для отображения максимальной амплитуды сигнала на дисплее;

16 разрядов 2^16=65536 точек для отображения максимальной амплитуды сигнала на дисплее.

Как видно, АЦП от 8-ми до 12-ти разрядов могут обеспечить разрешение и оцифровку графического сигнала для большинства задач. Таким образом, при выборе устройства индикации, необходимо четко представлять разумную достаточность оцифровываемой и выводимой графической информации. Кроме того, следует помнить, что применение высокоразрядных АЦП в первую очередь в прицезионных измерительных системах, требует использование специализированных источников опорного напряжения (ИОН), малошумящих цепей и входных каскадов согласования для подводимого к АЦП оцифровываемого сигнала, поскольку диапазон входных напряжений у этих микросхем весьма невелик и составляет предел от 0 до 1 или 2В максимум. В промышленности и науке широко применяются 16-, 24 и даже более разрядные устройства. Поэтому  эксплуатация таких АЦП требует высочайшей точности при калибровке всего измерительного комплекса — от датчиков и цепей подключения до устройств индикации и вывода на печать.

Учитывая все выше приведенное — малые графические дисплеи (128х128, 256х256) могут с достаточной информативностью отображать данные 8-и разрядного АЦП. При организации графического интерфейса на компьютере с помощью отдельного программного обеспечения, путем подключения устройства через комуникационный порт, следует обратить внимание, что выводить информацию на полный размер экрана не всегда удобно, если учесть что на форме кроме отображения сигнала должен присутствовать виртуальный минимальный кнопочный интерфейс для управления данного устройства. Не следует так же забывать и о том, что если устройство и софт выполняется с целью повторения, то надо принять во внимание и то что он может запускаться и на нетбуке с минимальным размером матрицы, и на ноутбуке и на стационарном компьютере с разными типами мониторов.

Пример возможного интерфейса на мониторе компьютера.

Высокоскоростной АЦП AD9280

   Недавно пришлось иметь дело с этой микросхемой AD9280 — собирать быстрый АЦП с паралелльным выходом. Предварительно, как обычно, пролистав великие просторы гугловского интернета, успел отметить — схем, в которых применяется данная микросхема достаточно много, как и вопросов по ней, а вот удобно читаемого описания работы (во всяком случае на русском языке) практически нигде нет. Единственным источником является стандартный даташит от производителя — Analog Device AD9280.

Чем удобен данный чип?? — Одним из достоинств является удобная интеграция выводов (если смотреть на корпус микросхемы сверху — все левые выводы цифровые, а все правые — аналоговые) Соединение аналоговой и цифровой «земли» обязательно проводится под корпусом микросхемы (обязательное замечание из даташита). Расположение выводов питания по цифровым и аналоговым цепям также упрощает топологию разводки платы — так как присутствуют рядом с выводами соотвествующих «земель». Скорость работы определяется тактовыми импульсами (подаются на отдельный вход) и достигает 32МPSа. Здесь предлагается перевод оригинального даташита Analog Device AD9280 на русский язык в стиле как есть (то есть переведены самые необходимые абзацы с описанием работы чипа без литературной обработки).

Из практики работы с микросхемой — необходимо выполнить несколько условий. Микросхема выдает код сигнала на каждом 4 тактовом импульсе — соответственно тактировать ее для необходимой скорости надо на соотвествующей частоте!!! Для исключения сбоев в оцифровке имеется вывод переполнения по уровню — для уточнения полученного кода. Диапазон работы зависит от конфигурации внутреннего/внешнего опорного источника напряжения — и может быть настроен на предел 0 — 1В, 0 — 2В, среднюю точку в пределе 0 — 1В, 0 — 2В. Кроме ограничения входного сигнала желательна также развязка через буфер по входу (поскольку коммутаторы АЦП делают в процессе обработки замыкание по входу на низкоомную нагрузку). Сам АПЦ очень просто подключается напрямую к микроконтроллерам разных серий (я использовал AVR серии ATMega) и имеет уровни совместимые с ттл и кмоп при питающих напряжениях от 3,3В до 5В. Входную цепь можно выполнить как для однополярного сигнала, так и дифференциальным входом.

КВАРЦЕВЫЙ ФИЛЬТР С ПЕРЕСТРАИВАЕМОЙ ПОЛОСОЙ

В большинстве несложных самодельных КВ-приемников в тракте ПЧ используются в качестве ФСС —  кварцевые фильтры с неизменной полосой пропускания, или набор переключаемых полосовых КвФ для приема CW и SSB. Современные трансиверы, имеющие 2-3 промежуточные частоты, реализуют фильтрацию в верхних ПЧ кварцевыми фильтрами (иногда фильтрами на ПАВ где ПЧ1 выше 65 МГц), а на последней ПЧ практически во всех моделях применяетcя цифровая фильтрация DSP, позволяющая лучше отстроиться от помехи или сузить частоту сигнала для комфортного приема. Реализовывать подобное в простом приемнике с одним преобразованием не имеет смысла (дорого и трудоемко), но когда нужно изменять полосу при приеме SSB(2,5кГц), CW(0,3 — 0,5кГц). А также при приеме AM нужно около 5-6 кГц. Такие изменения полосы пропускания могут понадобиться для приема цифровых мод, которые в принципе тоже можно принимать на связной KB приемник, подключив его выход НЧ с предварительного каскада к звуковой карте персонального компьютера.

В журнале Elektor №7 за 2010 год (Л.1) приводится схема трехзвенного кварцевого фильтра, полосу которого можно перестраивать при помощи варикапов. Эта схема опробована неоднократно на отечественных деталях, кварцах на 8,86 МГц и варикапных матрицах КВС111А. Схема показана на рисунке. Варикапные матрицы заменяют конденсаторы фильтра. Изменяя обратное напряжение на них меняем емкости конденсаторов фильтра, а вместе с ними меняется и полоса пропускания. При опорном напряжении равном 30V получается регулировка полосы от ~1,2 кГц до 11,5 кГц (по уровню -3 дБ). При этом совсем необязательно применять дополнительный источник питания от отдельной обмотки трансформатора. Поскольку в схемах управления варакторами и варикапами важен не ток, а потенциал — необходимо использовать преобразователь. В приемниках с питанием от источников напряжением 6…9В возникает необходимость в преобразователе, повышающем напряжение примерно до 20В. Большинство описанных на страницах радиолюбительских журналов преобразователей напряжения мало подходят для использования в переносных приемниках, поскольку требуют применения повышающих трансформаторов и стабилитронов Д814 с минимальным током стабилизации 3 мА, что усложняет их изготовление и снижает экономичность. Этих недостатков нет у преобразователя, схема которого приведена на рисунке ниже.

Он не содержит намоточных деталей, экономичен и прост в налаживании. Преобразователь состоит из генератора прямоугольных импульсов на микросхеме DD1, умножителя напряжения на диодах VD1- VD6 (КД522 или 1N4148) и конденсаторах С3 — С7 (47нФ керамического типа до 50 вольт), параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах VT1 — VT3 и С8. В качестве стабилитронов используются эмиттерные переходы транзисторов. Режим стабилизации наступает при токе 5…10мкА. Помимо указанных на схеме, в преобразователе можно использовать микросхемы К176ЛЕ5 и К176ЛА9, транзисторы КТ315, КТ316 с любым буквенным индексом, диоды Д9А, Д9В, Д9Ж. Налаживание преобразователя сводится к подбору транзисторов VT1 — VT3 с требуемым напряжением стабилизации. При изменении напряжения питания приемника от 6,5 до 9В потребляемый преобразователем ток увеличивается с 0,8 до 2,2мА, а выходное напряжение — не более чем на 8…10мВ. При необходимости выходное напряжение преобразователя можно повысить, увеличив число звеньев умножителя напряжения и число транзисторов в стабилизаторе.

Литература: Gert Baars. Variable Crystal Filter. Elektor, 7-8, 2010, p. 67.

И снова Чижевский и его люстры…. Гидроионизатор Чижевского

Этой публикацией на сайте

открывается новая рубрика

Уголок-конструктора

Целебные свойства воздуха лесов, гор, альпийских лугов, моря человечеству известны давно. Еще древнегреческий врач Гиппократ заметил, что горный и морской воздух действуют на человека благотворно, исцеляя от многих болезней. Природу благоприятного воздействия такого воздуха открыли ученые И. Эльстер и Г. Гейтель. Они установили, что целебными свойствами обладают ионы газов воздуха — аэроионы, как их позднее назвал А. Чижевский. Ионизация воздуха происходит под влиянием радиоактивного излучения почвы и воды, ультрафиолетового излучения Солнца, космических лучей, электрических разрядов в атмосфере (молний, разрядов на вершинах гор, иглах хвойных деревьев и т.д.), а также при дроблении воды и ее распылении при шторме, дожде, у водопадов. Аэроионы имеют отрицательный или положительный заряд. Отрицательные аэроионы представлены кислородом, который легко захватывает извне свободные электроны. Положительные аэроионы — углекислым газом и азотом, если они лишаются одного из электронов. Отрицательные и положительные аэроионы действуют на организм человека и животных неодинаково. Чижевский в своих опытах выяснил, что отрицательные аэроионы продлевают жизнь, а положительные, наоборот, сокращают жизнь. Но еще пагубнее влиял на животных воздух, лишенный всех аэроионов. Воздух с избытком аэроионов кислорода стабилизирует артериальное давление, делает дыхание более глубоким, повышает аппетит и улучшает пищеварение. Аэроионы влияют на физико-химические свойства крови: скорость оседания эритроцитов, концентрацию сахара и холестерина. В хвойном лесу в солнечный день количество аэроионов достигает 10 тыс. в 1 см3 воздуха, в горах до 20 тыс., у водопадов — до 100 тыс. Построив дома, человек практически лишил себя возможности дышать ионизированным воздухом. В жилом помещении количество отрицательных аэроионов не превышает 100…200 см3. В служебных помещениях в конце рабочего дня количество отрицательных аэроионов падает до 25…50 в см3. Отрицательные аэроионы практически отсутствуют вблизи телевизоров, мониторов, оргтехники, в помещениях с кондиционерами и приточной вентиляцией. В таких помещениях в основном присутствуют положительные аэроионы, оказывающие на человека негативное влияние. Практически во всех типах ионизаторов используется эффлювиальный способ ионизации воздуха. Он заключается в следующем. Если на острие иглы подать высокое напряжение («минус» на иглу, а «плюс» — на землю), то с острия будут «стекать» электроны («эффлювий» — по-гречески «истечение»). Движущиеся электроны на своем пути «прилипают» к молекулам кислорода, образуя отрицательные аэроионы. А. Чижевский выработал ряд требований к ионизаторам воздуха, особо важно, чтобы ионизатор не вырабатывал озона и азотистых соединений. Так как озон и диоксиды азота являются сильными окислителями. Радиолюбители конструируют «люстры Чижевского», в которых используется эффлювиальный способ ионизации. Но так как любительские конструкции сильно отличаются от той конструкции, которую предложил Чижевский, то либо низка эффективность аэроионизаторов, либо они вырабатывают озон и окислы азота. Так, большинство конструкций, представляет высоковольтный блок на базе доработанного выходного строчного трансформатора телевизионного приемника с умножением напряжения. Конструкции излучателя электронов должного внимания не уделяется. Приборов для измерения количества аэроионов в 1 см3 воздуха пока нет. Такие конструкции хорошо выполняют функции очистки воздуха, но как аэроионизаторы — малоэффективны, поскольку необходимая для человека концентрация аэроионов создается в них на малом расстоянии -в зоне образования озона. Но существуют конструкции, позволяющие генерировать отрицательные аэроионы без высокого напряжения, за счет баллоэффекта (распыления воды). Это так называемые гидроионизаторы. Существуют механические и электронные гидроионизаторы. Распыление воды производится с помощью ультразвуковых колебаний пьезоэлектрической вогнутой пластины, помещенной на дне емкости. Электрическая схема генератора ультразвуковых колебаний показана на рис.1.

ionizatorНа элементах DD1.1-DD1.3 собран генератор прямоугольных импульсов на частоту 1,8…2,0 МГц. Микросхема DD1 типа 74АС04 на комплементарных полевых транзисторах со структурой металл-окисел-полупроводник, являющаяся вариантом широко распространенной серии транзисторно-транзисторной логики SN74, позволила получить крутые фронты импульсов, малый ток потребления, небольшие номиналы частотно-задающих элементов по сравнению с генератором, выполненном на микросхеме SN7404 (К155ЛН1). Элемент DD1.4 — буферный. С выхода DD1.4 импульсы поступают на дифференцирующую цепь C5R3. Изменяя постоянную времени RC-цепи с помощью подстроечного резистора R3, можно менять длительность импульсов на выходе элементов DD1.5, DD1.6, следовательно, будет меняться скважность импульсов от 0 до 2. Таким образом, регулируется мощность, подаваемая на пьезоизлучатель BQ1, и количество генерируемых отрицательных аэроионов. Так как порог открывания мощного MOSFET-транзистора VT1 около 5 В, и для быстрого открытия и закрытия транзистора нужны значительные токи, необходимо использовать усилитель. В качестве него применена микросхема DA2 IRF7105, состоящая из двух полевых транзисторов: n-канального и р-канального. Характеристики n-канального транзистора: ток стока 3,5 А, рассеиваемая мощность 2,0 Вт. Характеристики р-канального транзистора: ток стока 2,5 А, рассеиваемая мощность 2,0 Вт. Такой величины тока, при напряжении питания DA2 12 В, вполне достаточно, чтобы быстро перезаряжать входную емкость MOSFET-транзистора. При низком логическом уровне на выходе DD1.5, DD1.6 открывается р-канальный транзистор в DA2. При этом на затвор транзистора VT1 через резистор R5 подается +12 В, и транзистор VT1 открывается. При высоком логическом уровне на выходе DD1.5, DD1.6 открывается n-ка-нальный транзистор в DA2. В этом случае затвор транзистора VT1 через резистор R5 соединяется с общим выводом источника питания, и транзистор VT1 закрывается. При закрытом MOSFET-транзисторе заряжается статическая емкость пьезоэлемента BQ1 через индуктивность L1. При открытом транзисторе VT1 статическая емкость пьезоэлемента BQ1 разряжается. При этом пьезоэлемент испытывает деформацию. Колебания пьезоэлемента с ультразвуковой частотой создают в жидкости продольные упругие волны. При расположении пьезоэлемента на дне емкости и заполнении ее водой на уровень, равный фокусному размеру пьезоэлемента, с поверхности воды будет подниматься небольшой фонтан, сопровождающийся туманом — мелкодисперсными каплями воды. Эти капли воды являются носителями отрицательных аэроионов. В конструкции (рис.2) использован излучатель вогнутой формы диаметром 30 мм и фокусным расстоянием 70 мм из пьезокерамики ЦТС на частоту 1,8…2,0 МГц. В корпус из латуни 1 вклеен с помощью токопроводящего клея пьезоэлемент 2. Снизу он дополнительно прижат капролоновым кольцом 5. Корпус закреплен на дне емкости 4 с помощью латунного кольца 10 и уплотнительного резинового кольца 3. Снизу к кольцу 5 прижата капролоновой втулкой 11 массивная латунная шайба 6, служащая радиатором для транзистора 7. В шайбе имеется отверстие для проводника, соединяющего пьезоэлемент со стоком транзистора. MOSFET-транзистор закреплен на радиаторе через изолирующую прокладку. Плата с радиоэлементами 8 прижата снизу капролоновым кольцом 13. В нижней части корпуса 1, на его внешней стороне, расположена катушка индуктивности 1 2 (L1 по схеме), намотанная на каркасе из диэлектрика. Питание от выпрямителя подается по двухжильному экранированному кабелю 14 через центральное отверстие в крышке 15 корпуса 1.

ionizator2

Настройка электронной схемы заключается в следующем. В первую очередь, отдельно от силового транзистора настраивают генератор на частоту параллельного резонанса пьезоэлемента BQ1 с помощью резистора R2. Резистором R3 устанавливают на выходе DA2 минимальную длительность импульсов. Затем устанавливают плату в корпус и производят все соединения. В емкость с установленным корпусом наливают отстоянную воду. Уровень наполнения емкости — не выше фокусного расстояния пьезоэлемента. Подают напряжение на схему от источника с ограничением по току. Контролируя напряжение осциллографом в точке соединения L1, стока транзистора VT1 и пьезоэлемента BQ1, путем увеличения мощности резистором R3 добиваются размаха сигнала 120 В от пика до пика. Подстройкой частоты резистором R2 добиваются минимума потребления тока от источника +48 В. Как правило, при этом наблюдается образование наибольшего количества отрицательных аэроионов. Конструкция печатной платы. Радиоэлементы установлены на круглой печатной плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита. Монтаж произведен с обеих сторон платы. Микросхемы DD1 и DA2 в SMD-исполнении. Постоянные резисторы типоразмера 1206, можно установить вертикально резисторы типа С2-23 мощностью 0,062 Вт. Подстроечные резисторы R2, R3 типа СПЗ-19а. Постоянные конденсаторы керамические типоразмера 1206. Электролитические конденсаторы фирмы HITANO серии ЕСА. Диод VD1 любой импульсный типа КД522. MOSFET-транзистор VT1 типа IRF630S, IRF730S в корпусе D2-PACK или аналогичный, n-канальный. Катушка L1 содержит 15 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,8 мм.

По материалам журнала Радіоаматор