Elektronika i techniki mikroprocesorowe

Transkrypt

1 lektronika i techniki mikroprocesorowe lektronika Podstawowe elementy stosowane w elektronice Katedra nergoelektroniki, Napędu lektrycznego i obotyki Wydział lektryczny, ul. Krzywoustego 2

2 Jednostka organizacyjna prowadząca przedmiot: Katedra nergoelektroniki, Napędu lektrycznego i obotyki Wydział lektryczny, ul. Krzywoustego 2 Wymiar godzinowy przedmiotu: 1 godzina wykładu/tydzień 1 godzina laboratorium/tydzień Osoby prowadzące przedmiot: dr hab. inŝ. ogusław Grzesik, prof. Pol. Śl. dr inŝ. Marcin Zygmanowski dr inŝ. Jarosław Michalak dr inŝ. Arkadiusz Domoracki dr inŝ. Michał Jeleń dr inŝ. Aleksander odora mgr inŝ. Grzegorz Jarek mgr inŝ. Wojciech Jurczak mgr inŝ. Krzysztof odzek W1: lektronika 2

3 PLAN WYKŁAD ADÓW 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 Wzmacniacze operacyjne i ich zastosowania Zasilacze prądu stałego Wykład 3 Wybrane układy elektroniczne Generatory drgań sinusoidalnych Generatory drgań niesinusoidalnych Wykład 4 Podstawy techniki cyfrowej Zapis binarny, algebra oole a, podstawowe układy cyfrowe, technologie realizacji i ich charakterystyki, układy kombinacyjne W1: lektronika 3

4 PLAN WYKŁAD ADÓW Wykład 5 ZłoŜone układy cyfrowe kłady sekwencyjne: przerzutniki, rejestry, liczniki kłady programowalne: zalety, zastosowania, programowanie Wykład 6 kłady 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 MS 51, komunikacja z otoczeniem, budowa PL, zastosowania i metody programowania, W1: lektronika 4

5 LTATA 1. Horowitz P., Hill W.: Sztuka elektroniki, WKŁ Warszawa Thietze., Schenk.: kłady półprzewodnikowe, WNT Warszawa Głocki W.: kłady cyfrowe, WSiP Warszawa Wilkinson.: kłady cyfrowe, WKŁ Warszawa Pasierbiński J., Zbysiński P.: kłady programowalne w praktyce, WKŁ Warszawa Pełka.: Mikrokontrolery. Architektura, programowanie, zastosowania, WKŁ Warszawa 1999 W1: lektronika 5

6 Podział funkcjonalny elektroniki Ze względu na funkcjonalność elektronikę moŝna podzielić na elektronikę informatyczną i elektronikę mocy. lektronika 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. lektronika mocy - (obejmuje energoelektronikę) przeznaczona jest do przekształcania energii elektrycznej, w celu zasilania róŝnych odbiorników energii (w tym równieŝ układy elektroniki informatycznej). echą charakterystyczną tych układów jest fakt Ŝe elementy elektroniczne pracują w tym przypadku jak przełączniki. W1: lektronika 6

7 lektronika 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) L D i D F S i S i D i S t A antena; uziemienie;,l kondensator i cewka obwodu rezonansowego; D dioda; S słuchawka; F kondensator filtrujący; i D prąd wyprostowany, i S prąd w słuchawce (częstotliwość akustyczna). W1: lektronika 7

8 lektronika mocy Przykładowe urządzenia elektroniki mocy, to: zasilacze, falowniki Przykładowe układy elektroniki mocy, to: prostownik diodowy, przekształtnik D/D Najprostszy przekształtnik A/D D1 D2 u d i d ~M e u d i d e= m sin ωt M M e t D3 D4 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; M e moment napędzający (elektromagnetyczny); u d napięcie wyprostowane, i d prąd wyprostowany (proporcjonalny do M e ) W1: lektronika 8

9 Źródło o napięcia a) (ŹÓDŁO NAPĘA STAŁGO) V u Podstawowe elementy elektroniczne 1. Źródła a energii elektrycznej u b) A i i u u= =const c) (ŹÓDŁO NAPĘA STAŁGO (ZZYWST)) V u w u d) i i A u= w i u=- u =- w i W1: lektronika 9

10 Źródło o prądu a) Podstawowe elementy elektroniczne 1. Źródła a energii elektrycznej i=j c) u i=j-g w u b) J (ŹÓDŁO PĄD STAŁGO) V u u=j i=j A i u (ŹÓDŁO PĄD STAŁGO (ZZYWST)) J J W1: lektronika 10 d) V J u G w i=j- i =J-G w u i=g w u i A u

11 Podstawowe elementy elektroniczne 1. Źródła a energii elektrycznej Źródło o 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 - rezystancja wewnętrzna źródła w Źródło o 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 G w W1: lektronika 11

12 Podstawowe elementy elektroniczne 1. Źródła a energii elektrycznej Źródło o sterowane - przy analizie elementów półprzewodnikowych często wykorzystuje się sterowane źródła napięcia i prądu. u we i we k uu u wy =k uu u we k ui u wy =k ui i we ŹÓDŁO NAPĘA STOWAN NAPĘM ŹÓDŁO NAPĘA STOWAN PĄDM u we i we k iu i wy =k iu u we k ii i wy =k ii i we ŹÓDŁO PĄD STOWAN NAPĘM ŹÓDŁO PĄD STOWAN PĄDM W1: lektronika 12

13 Podstawowe elementy elektroniczne 2. lementy pasywne - rezystor ezystor- element rozpraszający energię - wykorzystywany w elektronice do dopasowywanie sygnałów między układami elektronicznymi, stabilizacji punktu pracy tranzystora, kształtowanie wzmocnienia we wzmacniaczach itp. SĆ NAPĘA PZMNNGO (A) (źródło napięcia) e i = (1/)u ciepło do otoczenia i u=e m m u= m sin ωt i= m sin ωt φ=0 10ms π 20ms 2π t ωt t ωt W1: lektronika 13

14 Podstawowe elementy elektroniczne 2. lementy 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 SĆ NAPĘA PZMNNGO (A) (źródło napięcia) e nergia gromadzona w polu magnetycznym L i u=e m m u= m sin ωt i= m sin ωt 10ms π 20ms 2π t ωt t ωt di/dt=(1/l)u φ=π/2 W1: lektronika 14

15 Podstawowe elementy elektroniczne 2. lementy 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 SĆ NAPĘA PZMNNGO (A) (źródło napięcia) e du/dt=(1/)i nergia gromadzona w polu elektrycznym i u=e m u= m sin ωt i= m sin ωt φ=-π/2 10ms π 20ms 2π t ωt t ωt W1: lektronika 15

16 Podstawowe elementy elektroniczne 3. lementy półprzewodnikowe p przewodnikowe - 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. harakterystyki statyczne i D i D u D u D Symbol diody s dioda idealna (eksponenta) dioda idealna (model) W1: lektronika 16

17 Podstawowe elementy elektroniczne 3. lementy półprzewodnikowe p przewodnikowe - dioda i D D u D Prostownik jednopołówkowy e= m sin ωt (SĆ NAPĘA PZMNNGO) e t i d 2 i d 1 u D t t 4 i d 1,3 u D u D W1: lektronika 17

18 Podstawowe elementy elektroniczne 3. lementy półprzewodnikowe p przewodnikowe - 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. harakterystyka statyczne z Symbol diody Zenera Model diody Zenera W1: lektronika 18

19 Podstawowe elementy elektroniczne 3. lementy półprzewodnikowe p przewodnikowe - dioda Zenera Stabilizator napięcia i DZ ma Z D A << s u DZ V A (=min) ( =0) D W1: lektronika 19

20 Podstawowe elementy elektroniczne 3. lementy półprzewodnikowe p przewodnikowe - tranzystor bipolarny Tranzystor bipolarny - (ang. ipolar Junction Transistor - JT), 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). AZA KOLKTO MT Symbol tranzystora bipolarnego ZaleŜności opisujące tranzystor i = β * i i = i + i Podstawowym parametrem opisującym tranzystor bipolarny jest współczynnik wzmocnienia prądowego β. Parametr ten opisuje ile razy mniejszym prądem bazy i moŝna sterować prądem kolektora i c. W1: lektronika 20

21 ma Podstawowe elementy elektroniczne 3. lementy półprzewodnikowe p przewodnikowe - tranzystor bipolarny 0 harakterystyka statyczne =120 µa =10 µa =80 µa =60 µa =40 µa =20 µa Typowe wartości współczynnika wzmocnienia β zawierają się w zakresie ( ) V Model tranzystora Zastosowania tranzystora bipolarnego zostaną omówione w dalszej części wykładu W1: lektronika 21

22 Podstawowe elementy elektroniczne 3. lementy półprzewodnikowe p przewodnikowe - tranzystor MOSFT Tranzystor MOSFT - 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. AMKA G u GS D DN i D S ŹÓDŁO u DS Symbol tranzystora MOSFT ZaleŜność opisująca tranzystor i D = g * u GS Podstawowym parametrem opisującym tranzystor MOSFT jest transkonduktancja g. Parametr ten opisuje jakim napięciem bramka-źródło u GS moŝna sterować prądem drenu i D. W1: lektronika 22

23 Podstawowe elementy elektroniczne 3. lementy półprzewodnikowe p przewodnikowe - tranzystor MOSFT Schemat zastępczy tranzystora MOSFT D D [ma] harakterystyka statyczna i D =u' GS u GS G G u' GS g S S Tranzystory MOSFT stopniowo wypierają bipolarne w elektronice informatycznej ze względu na mniejsze straty mocy, jednak przy duŝych mocach - częściej stosuje się tranzystory bipolarne, bądź tranzystory GT W1: lektronika 23

24 Podstawowe elementy elektroniczne 3. lementy półprzewodnikowe p przewodnikowe - tranzystor GT Tranzystor GT - sterowany element półprzewodnikowy, który moŝna traktować jako hybrydę tranzystora bipolarnego i tranzystora MOSFT. 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). Symbol tranzystora KOLKTO [A] harakterystyka statyczna G5 > G4 > G3 > G2 > G1 Schemat zastępczy G G5 G4 AMKA MT G3 G2 G1 G [V] W1: lektronika 24

25 Podstawowe elementy elektroniczne 3. lementy półprzewodnikowe p przewodnikowe - tranzystor GT Zasilacz impulsowy D/D L GT s D Filtr dolnoprzepustowy obc /2 Tranzystory GT 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 D/D W1: lektronika 25

26 Podstawowe elementy elektroniczne 3. lementy półprzewodnikowe p przewodnikowe - 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 Symbol tyrystora i A AMKA G ANODA A i A K KATODA u AK Schemat zastępczy - obejmuje dwa klasyczne tranzystory bipolarne W1: lektronika 26 G 1 1 i G i 1 2 K 1 i i K

27 Podstawowe elementy elektroniczne 3. lementy półprzewodnikowe p przewodnikowe - tyrystor Przykład zastosowania tyrystora jednopołówkowy prostownik sterowany i d e u d u d t e W1: lektronika 27

28 Zastosowania tranzystorów w 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. lektronika zna szeroką gamę rozwiązań układowych wzmacniaczy, które dzielone są na podstawowe klasy A,, A, D,. Wśród tych klas najpopularniejszymi są wzmacniacze klasy A i D. W1: lektronika 28

29 Zastosowania tranzystorów w bipolarnych 1. Wzmacniacz klasy A we 1 2 zas wy ZałoŜenie - tranzystor idealny, układ wspólnego emitera Zadania elementów: - kondensatory odcinają składową stałą - rezystory 1,, - stabilizują punkt pracy tranzystora - rezystor 2 - określa wraz z we prąd bazy W1: lektronika 29

30 Zastosowania tranzystorów w bipolarnych 1. Wzmacniacz klasy A ównania opisujące wzmacniacz = β = = = P + = β = β = ( + ) P P P P + β β we = β we we sterowanie W1: lektronika 30 Dzięki kondensatorom separującym stala PP tranzystor P = zmienna j = N 2 N 2 D 2 = β 1 P 1 D 1

31 Zastosowania tranzystorów w bipolarnych 1. Wzmacniacz klasy A Zaleta:małe zniekształcenia nieliniowe Wada:niska sprawność - około 50 % W1: lektronika 31

32 Zastosowania tranzystorów w bipolarnych 2. Tranzystor jako klucz Zastosowanie: układy przełączające, generatory, przetworniki 1-bitowe, falowniki itp. W1: lektronika 32

33 Zastosowania tranzystorów w bipolarnych 2. Tranzystor jako klucz a stan odcięcia c stan nasycenia W1: lektronika 33

34 Zastosowania tranzystorów w bipolarnych 2. Wzmacniacz klasy D Zalety: DuŜa sprawność - ponad 90 % (małe straty) Wady: układ jest bardziej skomplikowany niŝ wzmacniacz klasy A W1: lektronika 34

35 Zastosowania tranzystorów w bipolarnych 3. kład Darlingtona tranzystor zastępczy T T ( 1 + ) = ( β1 + 1) β = β ( β + 1) ( β2β1 + β2 ) + ( β β + β + β ) kład Darlingtona umoŝliwia uzyskanie większego współczynnika wzmocnienia. β ZASTPZ β W1: lektronika = β = = = 2 β 1 = = = β β β β β 1 β 2 β 1

36 Zastosowania tranzystorów w bipolarnych 4. Wtórnik emiterowy (β + 1) we = = we wy (β + 1) wy we we wy = 1 + = wy = wy we wy wy = 1 β wy 1 = β Tranzystor pracuje w układzie wspólnego kolektora k 1 we = ( β + 1) + W1: lektronika 36

37 KON WYKŁAD N 1 W1: lektronika 37