W1: Elektronika - Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego

Transkrypt

Elektronika i techniki
mikroprocesorowe
Elektronika
Podstawowe elementy stosowane w elektronice
Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki
Wydział Elektryczny, ul. Krzywoustego 2
Jednostka organizacyjna prowadząca przedmiot:
przedmiot
Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki
Wydział Elektryczny, ul. Krzywoustego 2
Wymiar godzinowy przedmiotu:
1 godzina wykładu/tydzień
1 godzina laboratorium/tydzień
Osoby prowadzące przedmiot:
dr hab. inŜ. Bogusław Grzesik, prof. Pol. Śl.
dr inŜ. Marcin Zygmanowski
dr inŜ. Jarosław Michalak
dr inŜ. Arkadiusz Domoracki
dr inŜ. Michał Jeleń
dr inŜ. Aleksander Bodora
mgr inŜ. Grzegorz Jarek
mgr inŜ. Wojciech Jurczak
mgr inŜ. Krzysztof Bodzek
W1: Elektronika
2
PLAN WYKŁADÓW
Wykład 1 – Podstawowe elementy stosowane w elektronice
Źródła energii, elementy bierne, elementy półprzewodnikowe,
unipolarne i bipolarne, układy z tranzystorem bipolarnym
Wykład 2 – Wybrane układy elektroniczne I
Wzmacniacze operacyjne i ich zastosowania
Zasilacze prądu stałego
Wykład 3 – Wybrane układy elektroniczne II
Generatory drgań sinusoidalnych
Generatory drgań niesinusoidalnych
Wykład 4 – Podstawy techniki cyfrowej
Zapis binarny, algebra Boole’a, podstawowe układy cyfrowe,
technologie realizacji i ich charakterystyki, układy kombinacyjne
W1: Elektronika
3
PLAN WYKŁADÓW
Wykład 5 – ZłoŜone układy cyfrowe
Układy sekwencyjne: przerzutniki, rejestry, liczniki
Układy programowalne: zalety, zastosowania, programowanie
Wykład 6 – Układy peryferyjne, mikroprocesory - podstawy
Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe,
pamięci półprzewodnikowe, technika mikroprocesorowa podstawy,
Wykład 7 –Mikroprocesory, sterowniki programowalne
Mikroprocesory i mikrokontrolery, sterowniki modułowe i
dedykowane, rodzina MSC 51, komunikacja z otoczeniem,
budowa PLC, zastosowania i metody programowania,
W1: Elektronika
4
LITERATURA
1. Horowitz P., Hill W.: Sztuka elektroniki, WKŁ Warszawa
1996
2. Thietze U., Schenk C.: Układy półprzewodnikowe, WNT
Warszawa 1996
3. Głocki W.: Układy cyfrowe, WSiP Warszawa 1996
4. Wilkinson B.: Układy cyfrowe, WKŁ Warszawa 2000
5. Pasierbiński J., Zbysiński P.: Układy programowalne w
praktyce, WKŁ Warszawa 2001
6. Pełka R.: Mikrokontrolery. Architektura,
programowanie, zastosowania, WKŁ Warszawa 1999
W1: Elektronika
5
Podział funkcjonalny elektroniki
Ze względu na funkcjonalność elektronikę moŜna podzielić na
elektronikę informatyczną i elektronikę mocy.
mocy
Elektronika informatyczna - przeznaczona jest do przenoszenia i
przetwarzania (przekształcania i obróbki) sygnałów, których zadaniem
jest przenoszenie informacji. Procesy te powinny odbywać się przy
minimalnej mocy i maksymalnej sprawności.
Elektronika mocy - (obejmuje energoelektronikę) przeznaczona jest do
przekształcania energii elektrycznej, w celu zasilania róŜnych
odbiorników energii (w tym równieŜ układy elektroniki informatycznej).
Cechą charakterystyczną tych układów jest fakt Ŝe elementy
elektroniczne pracują w tym przypadku jak przełączniki.
W1: Elektronika
6
Elektronika informatyczna
Przykładowe urządzenia elektroniki informatycznej, to: odbiornik
radiowy, komputer, telefon komórkowy
Przykładowe układy elektroniki informatycznej, to: procesor,
mikrokontroler, filtr aktywny, generator sinusoidalny, wzmacniacz
A Najprostszy odbiornik radiowy (AM)
i
i
D iD
S
C
L
U
CF
D
S
t
iS
A–antena; U–uziemienie; C,L–kondensator i cewka obwodu rezonansowego;
D–dioda; S–słuchawka; CF–kondensator filtrujący; iD–prąd wyprostowany,
iS–prąd w słuchawce (częstotliwość akustyczna).
W1: Elektronika
7
Elektronika mocy
Przykładowe urządzenia elektroniki mocy, to: zasilacze, falowniki
Przykładowe układy elektroniki mocy, to: prostownik diodowy,
przekształtnik DC/DC
Najprostszy przekształtnik AC/DC
id~Me
D1 D2
ud
ud
M
Me
e=Emsin ωt
D3 D4
id
t
mg
Silnik prądu stałego zasilany z sieci napięcia przemiennego napędzający windę:
e – źródło napięcia przemiennego, D1-D4 – prostownik, M – silnik; mg - siła w
linie windy; Me – moment napędzający (elektromagnetyczny); ud – napięcie
wyprostowane, id – prąd wyprostowany (proporcjonalny do Me)
W1: Elektronika
8
Podstawowe elementy elektroniczne
1. Źródła energii elektrycznej
Źródło napięcia
c)
a)
i
i
u
E
u
(ŹRÓDŁO
NAPIĘCIA
STAŁEGO)
V
b)
u
E
(ŹRÓDŁO
NAPIĘCIA
STAŁEGO
(RZECZYWISTE))
R
V
10
10
8
8
6
u=E
=const
4
u
Rw
R
d)
u
∆u=Rwi
6
u=E-∆
∆u
=E-Rwi
4
2
2
i
i
2
W1: Elektronika
4
6
8
10
A
2
4
6
8
10
A
9
Źródło prądu
c)
a)
i=J
u=RJ
J
(ŹRÓDŁO
PRĄDU
STAŁEGO)
b)
V
u
u
R
(ŹRÓDŁO
PRĄDU
STAŁEGO
(RZECZYWISTE))
V
i=J
10
10
8
8
6
6
4
4
2
i
2
4
6
J
W1: Elektronika
8
10
Gw
J
d)
u
i=J-Gwu
u
A
R
i=J-∆
∆i
=J-Gwu
u
∆i=Gwu
2
i
2
4
6
8
10
A
J
10
Źródło napięcia - charakteryzuje się brakiem zmian napięcia
(idealne źródło) lub niewielkimi zmianami napięcia (źródło
rzeczywiste) przy zmianach prądu pobieranego ze źródła.
Parametrami opisującymi źródło napięcia (rzeczywiste) są:
- napięcie wyjściowe w stanie nieobciąŜonym E
- rezystancja wewnętrzna źródła Rw
Źródło prądu - charakteryzuje się brakiem zmian prądu (idealne
źródło) lub niewielkimi zmianami napięcia (źródło rzeczywiste)
przy zmianach prądu pobieranego ze źródła.
Parametrami opisującymi źródło prądu (rzeczywiste) są:
- prąd wyjściowy w stanie zwarcia J
- konduktancja wewnętrzna źródła Gw
W1: Elektronika
11
Źródło sterowane - przy analizie elementów półprzewodnikowych
często wykorzystuje się sterowane źródła napięcia i prądu.
iwe
uwe
kuu
kui
uwy=kuu uwe
ŹRÓDŁO NAPIĘCIA
STEROWANE NAPIĘCIEM
uwy=kui iwe
ŹRÓDŁO NAPIĘCIA
STEROWANE PRĄDEM
iwe
uwe
kiu
iwy=kiu uwe
ŹRÓDŁO PRĄDU
STEROWANE NAPIĘCIEM
W1: Elektronika
kii
iwy=kii iwe
ŹRÓDŁO PRĄDU
STEROWANE PRĄDEM
12
2. Elementy pasywne - rezystor
Rezystor- element rozpraszający energię - wykorzystywany w
elektronice do dopasowywanie sygnałów między układami
elektronicznymi, stabilizacji punktu pracy tranzystora, kształtowanie
wzmocnienia we wzmacniaczach itp.
SIEĆ NAPIĘCIA
PRZEMIENNEGO
(AC)
(źródło napięcia)
e
ciepło do
otoczenia
i
R
i = (1/R)u
W1: Elektronika
u=Um sin ωt
Um
10ms
π
20ms
t
2π ωt
i=Im sin ωt
u=e
Im
t
φ=0
ωt
13
2. Elementy pasywne - dławik
Dławik- element gromadzący energię w polu magnetycznymwykorzystywany w elektronice do kształtowania charakterystyk
filtrów elektronicznych, gromadzenia energii oraz do ograniczania
pochodnej prądów w układach
SIEĆ NAPIĘCIA
PRZEMIENNEGO
(AC)
Energia
gromadzona w
polu
magnetycznym
u=Um sin ωt
Um
i
e
L
u=e
10ms
π
20ms
t
2π ωt
i=Im sin ωt
Im
t
ωt
di/dt=(1/L)u
W1: Elektronika
φ=π/2
14
2. Elementy pasywne - kondensator
kondensator- element gromadzący energię w polu elektrycznymwykorzystywany w elektronice do do kształtowania charakterystyk
filtrów elektronicznych, gromadzenia energii oraz do ograniczania
pochodnej napięcia w układach
u=Um sin ωt
Energia
SIEĆ NAPIĘCIA
Um
gromadzona w
PRZEMIENNEGO
(AC)
polu
elektrycznym
10ms
π
i=Im sin ωt
20ms
t
2π ωt
i
e
C
u=e
t
ωt
φ=-π/2
du/dt=(1/C)i
W1: Elektronika
15
3. Elementy półprzewodnikowe - dioda
Dioda - nieliniowy element półprzewodnikowy, pozwalający na
przepływ prądu tylko w jednym kierunku. Wykorzystywany w
elektronice do prostowania (zamiany napięcia przemiennego na stałe),
kształtowania nieliniowych charakterystyk wzmacniaczy,
zabezpieczania wejść układów elektronicznych itp.
Charakterystyki
statyczne
iD
iD
uD
Symbol diody
W1: Elektronika
Is
dioda
idealna
(eksponenta)
uD
dioda
idealna
(model)
16
3. Elementy półprzewodnikowe - dioda
D
iD
uD
Prostownik jednopołówkowy
R
e=Emsin ωt
e
(SIEĆ NAPIĘCIA
PRZEMIENNEGO)
t
id
2
3
1
uD
1
t
2
4
W1: Elektronika
4
4
3
id
2
1,3
id
uD
uD
t
17
3. Elementy półprzewodnikowe - dioda Zenera
Dioda Zenera - nieliniowy element półprzewodnikowy, który w
kierunku przewodzenia zachowuje się jak klasyczna dioda, natomiast
w kierunku zaporowym pozwala na stabilizację napięcia w układzie.
Wykorzystywany w elektronice do stabilizacji napięcia na zaciskach
odbiornika.
Charakterystyka
statyczne
Uz
Symbol diody
Zenera
W1: Elektronika
Model diody
Zenera
18
3. Elementy półprzewodnikowe - dioda Zenera
iDZ
UZ
mA
Stabilizator napięcia
14
12
10
8
6
4
2
R<<Rs
D
C
A B
2
4
uDZ
8 10 12 14
6
EA
EB (=min)
EC (∆E=0)
ED
W1: Elektronika
19
V
3. Elementy półprzewodnikowe - tranzystor bipolarny
Tranzystor bipolarny - (ang. Bipolar Junction Transistor - BJT),
podstawowy sterowany element półprzewodnikowy, wykorzystywany
w elektronice. Tranzystor moŜe pracować w trzech stanach pracy:
odcięcia, aktywnym i nasycenia. Tranzystor bipolarny moŜna
traktować jako źródło prądu sterowane prądowo i dzięki temu
wpływać na większą moc za pomocą mniejszej (wzmacniacz).
Podstawowym parametrem
KOLEKTOR
C
Symbol
opisującym tranzystor
B
tranzystora
bipolarny jest współczynnik
BAZA
E
bipolarnego
wzmocnienia prądowego β.
EMITER
Parametr ten opisuje ile razy
ZaleŜności opisujące tranzystor
mniejszym prądem bazy iB
iC = β * iB
moŜna sterować prądem
iE = iB + iC
kolektora ic.
W1: Elektronika
20
3. Elementy półprzewodnikowe - tranzystor bipolarny
mA I C
Charakterystyka
statyczne
Model
tranzystora
IB =120 µA
12
10
8
6
4
2
IB
=10 µA
IB
=80 µA
IB
=60 µA
IB
=40 µA
IB
=20 µA
U CE
0
2
4
6
8
10
12
V
Typowe wartości współczynnika wzmocnienia β
zawierają się w zakresie (100 - 10000)
Zastosowania tranzystora bipolarnego zostaną
omówione w dalszej części wykładu
W1: Elektronika
21
3. Elementy półprzewodnikowe - tranzystor MOSFET
Tranzystor MOSFET - sterowany element półprzewodnikowy, który
moŜna traktować jako źródło prądu sterowane napięciowo i dzięki
temu, podobnie jak w przypadku tranzystora bipolarnego, moŜna
wpływać na większą moc za pomocą mniejszej. MoŜe on pracować w
trzech stanach pracy: odcięcia, aktywnym i rezystancyjnym.
D
BRAMKA
DREN
iD
G
uGS
S
uDS
Symbol
tranzystora
MOSFET
ŹRÓDŁO
ZaleŜność opisująca tranzystor
iD = g * uGS
W1: Elektronika
Podstawowym parametrem
opisującym tranzystor
MOSFET jest
transkonduktancja g. Parametr
ten opisuje jakim napięciem
bramka-źródło uGS moŜna
sterować prądem drenu iD.
22
3. Elementy półprzewodnikowe - tranzystor MOSFET
Schemat zastępczy
tranzystora MOSFET
Charakterystyka statyczna
ID [mA]
D
iD=u'GS
G
u'GS
uGS
RG
g
S
S
Tranzystory MOSFET stopniowo wypierają bipolarne w
elektronice informatycznej ze względu na mniejsze straty mocy,
jednak przy duŜych mocach - częściej stosuje się tranzystory
bipolarne, bądź tranzystory IGBT
W1: Elektronika
23
3. Elementy półprzewodnikowe - tranzystor IGBT
Tranzystor IGBT - sterowany element półprzewodnikowy, który
moŜna traktować jako hybrydę tranzystora bipolarnego i tranzystora
MOSFET. Jest on głównie stosowany w elektronice mocy. Łączy
moŜliwość sterowania napięciem (zmniejszone straty w układzie
sterowania) ze zmniejszoną rezystancją w stanie przewodzenia
(mniejsze straty mocy).
Schemat zastępczy
Symbol tranzystora Charakterystyka
statyczna
C
I [A]
KOLEKTOR
C
C
UGE5 >UGE4 >UGE3 >UGE2 >UGE1
UGE5
UGE4
G
BRAMKA
E
EMITER
UGE3
UGE2
UGE1
UCE [V]
W1: Elektronika
G
E
24
3. Elementy półprzewodnikowe - tranzystor IGBT
Zasilacz impulsowy DC/DC
L
IGBT
E
R obc
C
Us
D
Filtr
dolnoprzepustowy
E
E
E/2
Tranzystory IGBT jest najczęściej wykorzystywany jako przełącznik
w układach duŜej mocy. Pracuje on wtedy (jako klucz) w dwóch
stanach - załączony i wyłączony. Dzięki temu ogranicza się straty w
tranzystorze i zwiększa sprawność układu - przykładem zastosowania
moŜe być zasilacz impulsowy DC/DC
W1: Elektronika
25
3. Elementy półprzewodnikowe - tyrystor
Tyrystor - półsterowalny element półprzewodnikowy (moŜna go w
sposób kontrolowany załączyć a wyłącza się pod wpływem czyników
zewnętrznych), który pracuje tylko jako łącznik. Stosowany jest w
układach zasilanych z prądu przemiennego duŜych mocy. Najczęstsze
zastosowanie - regulatory prądu przemiennego i prostowniki
sterowane.
A
iA
Symbol tyrystora
E1
ANODA
BRAMKA
A
iA
G
K
uAK
Schemat zastępczy
C1
- obejmuje dwa
iC1
klasyczne
iG
tranzystory
G
B2
bipolarne
B1
KATODA
K
W1: Elektronika
iC2
C2
E1
iK
26
3. Elementy półprzewodnikowe - tyrystor
Przykład zastosowania tyrystora –
jednopołówkowy prostownik sterowany
id
e
ud
ud
t
e
W1: Elektronika
27
Zastosowania tranzystorów bipolarnych
1. Wzmacniacz
Wzmacniacz ma za zadanie wzmocnić sygnał na wyjściu, przy
zachowaniu kształtu sygnału wejściowego. Wzmacniane parametry
elektryczne decydują o typie wzmacniacza, moŜna wyróŜnić:
- wzmacniacz napięcia
- wzmacniacz prądu
- wzmacniacz mocy
Wzmocnienie sygnału odbywa się kosztem poboru energii z
zasilania, przy minimalnym (zerowym) obciąŜeniu wejścia.
Elektronika zna szeroką gamę rozwiązań układowych
wzmacniaczy, które dzielone są na podstawowe klasy – A, B,
AB, D, E. Wśród tych klas najpopularniejszymi są wzmacniacze
klasy A i D.
W1: Elektronika
28
1. Wzmacniacz klasy A
Uzas
RB1
ZałoŜenie - tranzystor
idealny, układ wspólnego
emitera
RC
CC
CB
Uwe
RB2
CE
W1: Elektronika
RE
Uwy
Zadania elementów:
- kondensatory odcinają
składową stałą
- rezystory RB1, RC, RE stabilizują punkt pracy
tranzystora
- rezystor RB2 - określa
wraz z Uwe prąd bazy
29
IC
Równania opisujące wzmacniacz
UR
RC
I C = βI B
C
UP +UB
IB =
= I BP + I Bwe
RB
U CE = E − RC I C = E − β RC I B
U CE = E − βRC ( I BP + I Bwe )
U CE = E − β RC I BP − β RC I Bwe
U CE = E − RC I CP −
βRC
⋅U B
RB
jC=
NIB
I2
sterowanie
RB
N
UCE
U2
D2
U1
D1
E
IB B
PP
UB
UBE
I1
tranzystor
E I
E
UP
U CE − stala = E − RC I CP
Dzięki kondensatorom
RC
U CE − zmienna = − β
UB
separującym
W1: Elektronika
RB
30
Zaleta:małe
zniekształcenia nieliniowe
Wada:niska sprawność
- około 50 %
W1: Elektronika
31
2. Tranzystor jako „klucz”
Zastosowanie:
układy przełączające,
generatory,
przetworniki 1-bitowe,
falowniki itp.
W1: Elektronika
32
2. Tranzystor jako „klucz”
a – stan odcięcia
c – stan nasycenia
W1: Elektronika
33
2. Wzmacniacz klasy D
Zalety: DuŜa sprawność - ponad 90 % (małe straty)
Wady: układ jest bardziej skomplikowany niŜ wzmacniacz klasy A
W1: Elektronika
34
3. Układ Darlingtona
IC
I C1 = β1I B
RC
I B 2 = ( I C1 + I B ) = (β1 + 1)I B
C
tranzystor
zastępczy
IB
RB
IC1
E
IC2
B
UB
UBE
I C = I C1 + I C2
I C = (β 2β1 + β 2 )I B + β1I B
1
T1
I C 2 = β 2 I B 2 = β 2 (β1 + 1)I B
IB2
2
T2
E
IE
I C = (β 2β1 + β1 + β 2 )I B
IC
= β 2β1 + β1 + β 2 ≈ β 2β1
IB
Układ Darlingtona umoŜliwia uzyskanie większego
współczynnika wzmocnienia.
W1: Elektronika
β ZASTEPCZE ≈ β 2 ⋅ β1
35
4. Wtórnik emiterowy
I E = ( β + 1) I B =
IB =
U wy
RE
U we − U wy
( β + 1)
RB
U we − U wy
U we − U wy
U wy
RB
=
=
U wy
RE
U we
R
1
−1 = B
U wy
RE β + 1
U we
R
1
= 1+ B
≈1
U wy
RE β + 1
Tranzystor pracuje w układzie wspólnego kolektora
kU ≈ 1
W1: Elektronika
Rwe = RE ⋅ (β + 1) + RB
36
KONIEC
WYKŁADU NR 1
W1: Elektronika
37

W1: Elektronika - Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego

Transkrypt

Podobne dokumenty

Inzynier AKPiA na www

Informatorem o studiach na Wydziale Elektroniki i Informatyki

Porównanie zestawów

Kamera sportowa PROTIME FULL HD

Elektronika i Telekomunikacja