W1: Elektronika - Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego
Transkrypt
W1: Elektronika - Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego
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 Podstawowe elementy elektroniczne 1. Źródła energii elektrycznej 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 Podstawowe elementy elektroniczne 1. Źródła energii elektrycznej 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 Podstawowe elementy elektroniczne 1. Źródła energii elektrycznej 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 Podstawowe elementy elektroniczne 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 Podstawowe elementy elektroniczne 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) (źródło napięcia) 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 Podstawowe elementy elektroniczne 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) (źródło napięcia) 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 Podstawowe elementy elektroniczne 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 Podstawowe elementy elektroniczne 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 Podstawowe elementy elektroniczne 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 Podstawowe elementy elektroniczne 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 Podstawowe elementy elektroniczne 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 Podstawowe elementy elektroniczne 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 Podstawowe elementy elektroniczne 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 Podstawowe elementy elektroniczne 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 Podstawowe elementy elektroniczne 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 Podstawowe elementy elektroniczne 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 Podstawowe elementy elektroniczne 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 Podstawowe elementy elektroniczne 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 Zastosowania tranzystorów bipolarnych 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 Zastosowania tranzystorów bipolarnych 1. Wzmacniacz klasy A 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 Zastosowania tranzystorów bipolarnych 1. Wzmacniacz klasy A Zaleta:małe zniekształcenia nieliniowe Wada:niska sprawność - około 50 % W1: Elektronika 31 Zastosowania tranzystorów bipolarnych 2. Tranzystor jako „klucz” Zastosowanie: układy przełączające, generatory, przetworniki 1-bitowe, falowniki itp. W1: Elektronika 32 Zastosowania tranzystorów bipolarnych 2. Tranzystor jako „klucz” a – stan odcięcia c – stan nasycenia W1: Elektronika 33 Zastosowania tranzystorów bipolarnych 2. Wzmacniacz klasy D Zalety: DuŜa sprawność - ponad 90 % (małe straty) Wady: układ jest bardziej skomplikowany niŜ wzmacniacz klasy A W1: Elektronika 34 Zastosowania tranzystorów bipolarnych 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 Zastosowania tranzystorów bipolarnych 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