Elementy bierne. Model rezystora (opornika) Rezystory - oznaczenia

Transkrypt

1 Elementy bierne Model rezystora (opornika) Istotne parametry: Rezystancja (0.1Ω 10MΩ szeregi E12(10%)? i E24(5%)?) Moc (0,125 5) W Maksymalne napięcie (100V 1000V) Stabilność termiczna (10ppm/deg 500ppm/deg) termistory? Stabilność czasowa (np.. 1%/1000h) Indukcyjność pasożytnicza (indukcyjność doprowadzeń 6-8nH) Pojemność (0.1pF 5pF) Nieliniowość (R=R(U) rzędu 0.01%/V) Szumy (inny wykład) U = RI 2 U RMS = 4kTRB I U Rezystory - oznaczenia Oznaczenia rezystorów: a) bezpośrednie zapisanie wartości na obudowie rezystora, wystepuje w przypadku rezystorów przewlekanych, - np. wartość 0.47Ω zapisujemy 0.47 lub R47 lub 0E47 - np. wartość 4.7Ω zapisujemy 4R7 - np. wartość 470Ω zapisujemy 470 lub 470R lub k47 - np. wartość 4.7 kω zapisuje się 4.7k lub 4k7 - np. wartość 4.7MΩ zapisujemy 4M7 lub 4.7M 1

2 Rezystory - oznaczenia Oznaczenia rezystorów: b) zakodowanie wartości poprzez podanie dwóch pierwszych cyfr i potęgi liczby dziesięć - np. wartość 47Ω zapisujemy 470 co oznacza - np. wartość 470Ω zapisujemy 471 co oznacza np. wartość 4.7 kω zapisujemy 472 co oznacza np. wartość 4.7MΩ zapisujemy 475 co oznacza Rezystory - oznaczenia Rezystory - oznaczenia 2

3 Rezystory - tolerancja Wartości rezystorów są rozłożone w szeregi, mówiące o tolerancji czyli granicy przedziału w jakiej znajduje się rzeczywista wartość rezystancji.tolerancja: R R tolerancja = R znam znam max 100% Wartości rezystancji tworzą szereg geometryczny: 6 np. dla szregu E6 iloraz wynosi dla szregu E12 iloraz wynosi 10 = 1. 2 Szeregi wartości E24±5% 3,3 3,6 3,9 ( ) 24 n 10 = W = n E3(40%); E6(20%); E12(10%); E24(5%); E48(2%); E96(1%); E192(0,5%) Rezystory - szeregi 3

4 Rezystory - szeregi Rezystory schemat zastępczy C~0,5pF R L~5-10nH C~0.5pF C~0.5pF Masa to może być inna część układu!!!! Rezystory parametry pasożytnicze 4

5 Potencjometry - podział Potencjometry dzielimy na: - tablicowe (obrotowe, suwakowe) - precyzyjne (jedno lub wieloobrotowe) - dostrojcze (trymery) - tłumiki Parametry - takie jak rezystorów. Potencjometry - charakterystyki Charakterystyki rezystorów zmiennych: (LG) logarytmiczna, (L) liniowa, (W) wykładnicza, (M) typu M, (S) typu S, (N) typu N. (α - kąt obrotu) Oporniki 5

6 Model pojemności (kondensatora) t du 1 u(t) i( t) = C ; u( t) = i( t) dt + u( o) Istotne parametry: dt C 0 Pojemność (0.1pF 5F; szeregi E6 E12) i(t) Napięcie przebicia (5V 10kV) Polaryzacja (dla kondensatorów elektrolitycznych!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!) Rezystancja upływu (0-10µA) Stratność (rodzaj dielektryka i upływność) Rezystancja szeregowa Stabilność termiczna (obudowa i rodzaj dielektryka np. NP0.) Prąd maksymalny (szczególnie impulsowy; specjalne do pracy impulsowej) Temperatura pracy (elektrolity 85 lub 105) Indukcyjność doprowadzeń Kondensatory płaski Kondensator płaski Pojemność: S C = ε 0 ε r d ε 0 = F m Niektóre stałe dielektryczne powietrze 1 woda 80 szkło 10 papier impregnowany 3,5 6 laminat fenolowo-papierowy 3,5 4,5 poliester 3,3 poliwęglan 2,8 polipropylen 2,2 polistyren 2,6 mika 4 8 tlenek aluminium Al2O3 7 tlenek tantalu Ta2O5 11 ceramika klasy ceramika klasy ceramika klasy ceramika NP0 60 ceramika X7R 1500 ceramika Z5U

7 Schemat zastępczy RU C RS L C~0.5pF C~0.5pF Kondensatory - parametry ESR (equivalent series resistance) zastępcza rezystancja szeregowa R s. ESL (equivalent series inductance) zastępcza indukcyjność szeregowa L s i związana z nią resztkowa reaktancja indukcyjna X L =ωl s. Wpółczynnik strat - tgδ: tg P P ESR X R X CZYNNA S ( δ ) = = = = R ωc BIERNA Dobroć kondensatora: 1 Q = tg C ( δ ) C S Kondensatory - parametry Przykładowe przebiegi impedancji kondensatorów: elektrolitycznego i ceramicznego Konieczność blokowania wielostopniowego!!! 7

8 Kondensatory - parametry Zależność od temperatury Różne rodzaje kondensatorów 8

9 Różne rodzaje kondensatorów Typ kondensatora Zakres pojemności Napięcie przebicia [V] Dokładność Stałość tempera- turowa Upływ- ność Uwagi Mikowy 1 pf-0,01uf dobra mała doskonały; dobry w układach w.cz. Ceramiczny 10pF-luF 50-30k kiepska Zależy od rodzaju ceramiki średnia mały, niedrogi, bardzo popularny Poliestrowy 0,001uF- 50jiF dobra kiepska mała tani, dobry, bardzo po- pularny Polistyrenowy (styrofleksowy) 10pF-2,7uF b. dobra dobra b.mała wysokiej jakości, o dużych wymiarach, dobry do filtracji sygnałów Poliwęglanowy 100pF-30uF b. dobra znakomita mała wysokiej jakości, o ma- łych wymiarach Polipropylenowy 100pF-50uF b. dobra dobra b.mała wysokiej jakości, mała absorpcja dielektryczna Teflonowy 1 nf-2uf b. dobra najlepsza b.b.mała wysokiej jakości, najmniejsza absorpcja dielektryczna Różne rodzaje kondensatorów Typ kondensatora Zakres pojemności Napięcie przebicia [V] Dokła- dność Stałość temperaturo- wa Upływ- ność Uwagi Szklany 10pF-l000pF dobra b.mała duża stałość długoczasowa pojemności Porcelanowy 100 pf-0,1uf dobra dobra mała dobry, duża stałość długoczasowa pojemności Tantalowy 0,1 uf-500uf kiepska kiepska duże pojemności, polaryzowany, małe wymiary; mała indukcyjność własna; Elektrolityczny aluminiowy 0,1uF-1F 1F zła okropna b.duża filtry w zasilaczach; polaryzowany, krótki czas życia Buck-up up 0,1 F-10F F 1,5-6 kiepska kiepska mała do podtrzymywania za- wartości pamięci; duża rezystancja szeregowa Olejowy 0,1 uf-20uf k mała filtry wysokonapięciowe; we; duże wymiary; długi czas życia Próżniowy 1 pf-5nf 2k-36k b.mała Układy w.cz. Elementy indukcyjne - definicje Podział cewek: - dławiki służą do tłumienia napięć zmiennych - cewki indukcyjne wykorzystywane w obwodach rezonansowych filtrów i generatorów - transformatory służące do przekazywania energii elektrycznej, zmieniając wartości napięć lub prądów (podwyższając je lub obniżając), lub służą do separacji galwanicznej obwodów 9

10 Model indukcyjności (cewki) t 1 di i( t) = u t dt + i u t = L L ( ) (0); ( ) dt 0 i(t) u(t) Istotne parametry: Indukcyjność (szereg E12 tylko dla dławików małej dobroci) A L [nh/zw 2 ] - stała rdzenia (L = A L z 2 ) Rezystancja szeregowa - dobroć Q = ωl / R s Naskórkowość Nieliniowość i histereza rdzenia, straty w rdzeniu Maksymalny prąd (nasycenie materiału rdzenia Bmax=0,2-1.6T) Maksymalne napięcie pracy (przebicie międzyuzwojeniowe) Model cewki C RS L C~0.5pF C~0.5pF Elementy indukcyjne parametry 10

11 Różne rodzaje cewek i transformatorów Elementy indukcyjne - budowa Typowy element indukcyjny składa się z nastepujących elementów: - uzwojenia - magnetowodu (rdzenia) - karkasu (korpusu uzwojenia) - korpusu obudowy - końcówek, podkładek, obejmy - ekranu Najważniejsze dla parametrów cewki są dwa pierwsze elementy. Elementy indukcyjne - uzwojenia Uzwojenia są wykonywane z materiałów o dobrej przewodności elektrycznej np..: miedzi, srebra. W uzwojeniu występują straty dla prądu stałego i zmiennego. Straty dla prądu stałego rezystancja drutu nawojowego. Straty dla prądu zmiennego rezystancja drutu nawojowego + efekt naskórkowości (ang. skin effect). 11

12 Elementy indukcyjne - uzwojenia Efekt naskórkowy związany jest z nierównomiernym rozkładem prądu płynącego przez przewodnik. Ze wzrostem częstotliwości największa gęstość (czasami całość) prądu występuje przy powierzchni zewnętrznej przewodu. Wtedy wzrastają straty w przewodniku. Parametrem opisującym efekt naskórkowy jest głębokość wnikania: δ = 503 ρ µ r f gdzie: ρ - rezystywność przewodnika [Ωm] (dla miedzi 17.2nΩm); µ r względna przenikalność magnetyczna przewodnika (dla miedzi równa 1), f = częstotliwość Elementy indukcyjne - uzwojenia Rozkład prądu w. cz. w przewodniu w zależności od odległości od jego powierzchni Przykładowo dla miedzi: f =10kHz δ = 1mm, f =1MHz δ = 0.1mm, f =100MHz δ = 0.01mm Elementy indukcyjne - uzwojenia Dla częstotliwości powyżej 1MHz stosuje się licę. Dla częstotliwości od kilkudziesięciu MHz stosuje się drut miedziany, srebrzony (srebrzankę). Dla b.w.cz., zwłaszcza przy dużych mocach stosuje się falowody różnego kształtu rury miedziane. 12

13 Elementy indukcyjne - magnetowody Rdzeń, umieszczony wewnątrz cewki, skupia strumień magnetyczny, zwiększając jednocześnie jej indukcyjność. Zależność indukcji od natężenia pola w magnetowodzie (krzywa magnesowania) Elementy indukcyjne - magnetowody Natężenie pola: Iz H = l gdzie: z - liczba zwojów, I natężenie prądu, l średnia dł. zwoju Indukcja magnetyczna: B = µ 0 µ H gdzie: µ r przenik. magn. względna; µ 0 = 4π10-7 H/m Przy pracy liniowej indukcyjnośc cewki z rdzeniem nie zależy od prądu. I max wartość prądu dla której L spada o 5%. r Elementy indukcyjne - magnetowody Krzywe magnesowania materiałów: a) miękkiego, b) twardego 13

14 Elementy indukcyjne - magnetowody Rodzaj materiału Właściwości Ferryt manganowow - cynkowy Najwyższa wartość przenikalności magnetycznej i indukcji nasycenia strumienia, transformatory zasilaczy dla f<1mhz, filtry przeciwzakłóceniowe Ferryt niklowo - cynkowy Małe straty, zastosowania w układach w.cz., filtry przeciwzakłóceniowe Rdzenie proszkowe Duże prądy uzwojeń, duża wartość indukcji nasycenia, dobra stabilnośc temperaturowa i dobroć, zastosowanie m. cz. Rdzenie z blach stalowych Transformatory sieciowe, duże straty, zastosowanie w zasadzie dla f<1khz Elementy indukcyjne parametry Dobroć określa zdolność cewki do gromadznia energii w polu magnetycznym w odniesieniu do strat energii w jednym cyklu pobudzenia: X L ωl Q = = R R s s Schemat zastępczy cewki: Rs rezystancja strat (rezyst. uzwojeń, naskórkowość, straty na prądy wirowe i histerezę),cr pojemność pomiedzy warstwami uzwojenia i między zwojami) Elementy indukcyjne parametry Typowe wartości dobroci to zakres dla częstotliwości 100kHz 30MHz. Przy f=100khz, dla cewek nawiniętych licą z zamkniętym rdzeniem Q=1000. W zakresie mikrofalowym, gdy cewką jest odcinek linii długiej lub rezonator wnękowy Q może przekraczać kilka tysięcy. 14

15 Elementy indukcyjne parametry Dopuszczalna wartość prądu drut musi mieć odpowiednią średnicę ze względu na gęstość prądu J (stosunek natężenia prądu do powierzchni przekroju poprzecznego drutu). Drut się nagrzewa i w ekstr. sytuacji może się przepalić. Dlatego ważne są warunki chłodzenia. Średnica drutu dla zakresu m. cz.: d = Dla miedzi J=2.5A/mm 2 i zależnośc przybiera postać: d = 0. 8 I I J Bezpieczniki Napięcie znamionowe to największe trwałe napięcie, oraz jego charakter (zmienne lub stałe), przy którym można stosować dany bezpiecznik. Prąd znamionowy to wartość prądu roboczego, która może płynąć przez bezpiecznik (????-istnieją różnice w różnych normach CSA, IEC, Miti, UL) Charakterystyka wyłączania - czas zadziałania bezpiecznika 15

16 Bezpieczniki w aparaturze elektronicznej - parametry Prąd zadziałania I N minimalna wartość prądu powodująca zadziałanie bezpiecznika (przerwanie obwodu) Charakterystyka zadziałania opisuje zależność pomiędzy szybkością zadziałania bezpiecznika a wartością prądu: - bezpieczniki szybkie krótkim czasie zadziałania, stosowane w układach gdzie przekroczenie prądu maksymalnego może uszkodzić układ - bezpieczniki zwłoczne zadziałanie bezpiecznika nastepuje po przepływie prądu większego/równego prądowi zadziałania przez określony czas; stosowane w układach gdzie występuje tzw. prądy rozruchowe, dużo większe od prądu pobieranego przez układy podczas pracy normalnej Charakterystyka wyłączania - czas zadziałania bezpiecznika Prąd zadziałania (temperatura) I zadziała nia = I znamionowy Współczynnik 16

17 Bezpieczniki praca impulsowa Parametr I 2 t Zdolność do pracy z prądem impulsowym np.: I N = 1A I 2 t = 1,4 (bez. zwłoczny) I N = 1A I 2 t = 0,32 (bez. szybki) Bezpieczniki zdolność łączeniowa Zdolność łączeniowa to najwyższy prąd, jaki dany bezpiecznik może przerwać przy danym napięciu, bez ryzyka wystąpienia przebicia lub stopienia obudowy. Specyfikacja zdolności łączeniowej może obejmować np. wartość prądu przerwania, wartość napięcia roboczego i jego rodzaj (zmienne lub stałe). Zdolność łączeniowa musi być dobrana biorąc pod uwagę warunki ekstremalne. Np. przy zwarciach należy się liczyć z całym prądem jaki może dać źródło. Bezpieczniki zdolność łączeniowa Zdolność łączeniowa: np. dla wkładek 5x20mm (szklanych, ceramicznych): I N = 1A Izł = 35A (typowa) I N = 1A Izł = 1500A (podwyższona) I N = 1A Izł = 150kA (bardzo wysoka) 17

18 Bezpieczniki rezystancja, spadek napięcia Rezystancja bezpieczników Ω (mały prąd znamionowy duża oporność) Spadek napięcia dla prądu znamionowego 10V(I N =30mA) 0,1V(I N =10A) Obudowy różne Obudowy SMD Długość rzędu 6mm 18

19 Obudowy - najpopularniejsze Wymiary: 5x20mm 4,5x14,5 6,3x32 6,3x25,4 8,5x31,5 10,3x34,9 10,3x38, Bezpieczniki szybkie i zwłoczne Bezpieczniki polimerowe 19

20 Bezpieczniki w aparaturze elektronicznej Bezpiecznik element zabezpieczający układ elektroniczny (elektryczny) przed uszkodzeniem spowodowanym przepływem długotrwałego prądu o określonej wartości. Bezpieczniki samochodowe Bezpieczniki topikowe stosowane w aparaturze elektronicznej Bezpieczniki pólprzewodnikowe stosowane w aparaturze elektronicznej Bezpieczniki w aparaturze elektronicznej - parametry Napięcie znamionowe największe napięcie (stałe lub zmienne) dla którego można stosować dany bezpiecznik Prąd znamionowy prąd (roboczy), dla którego przystosowany jest bezpiecznik. Jest mniejszy od maksymalnego prądu, który nie powoduje zadziałania bezpiecznika. Zdolność łączenia najwyższa wartość prądu, który może być przerwany przez bezpiecznik, przy danym napięciu, bez ryzyka wystąpienia przebicia lub stopienia obudowy Bezpieczniki polimerowe - parametry Prąd znamionowy (I hold ) (0,1 do 10A) Prąd przeskoku (I trip ) (2xI hold ) Czas do przeskoku dla I trip (wykres) Rezystancja pracy (3 do 0,005Ω) 20

21 Bezpieczniki polimerowe charakterystyka prądowo-napięciowa Po nagrzaniu spowodowanym przeciążeniem wzrasta oporność (PTC) i wzrasta spadek napięcia. Obwód nie zostaje jednak przerwany!!!!! Po wyłączeniu i wystygnięciu bezpiecznik powraca do stanu przed przeciążeniem!!!! Bezpieczniki polimerowe czas zadziałania Czas wyłączenia [s] Prąd [A] Bezpieczniki polimerowe (ceramiczne) - parametry Napięcie znamionowe - 30V (265V) Prąd znamionowy - 0,1A 10A (15-200mA) Rezystancja 3Ω 0,001Ω (150Ω - 10Ω) Mogą być stosowane jako zabezpieczenie termiczne Szczególnie nadają się do ochrony akumulatorów, silników, transformatorów itp.. 21

22 Rezystory NTC Czujniki temperatury Rezystancja nominalna 20Ω 40MΩ (typ 2kΩ 40kΩ) Współczynnik temperaturowy -2-5% [%/K] Max temperatura pracy (350) [ºC] Współczynnik B [K] R = R T T 0 exp B 1 T 1 T 0 Rezystory NTC Stosowane są do ograniczenia prądu załączania( surge current) rezystancja w 25ºC 120 0,5[Ω] maksymalny prąd 0,3 30[A] max. Rezystancja przy max. prądzie 0,9 0,01[Ω] Włączane są w szereg z obciążeniem dla ograniczenia prądu rozruchu np.. Prostowników, silników, żarówek. Temperatura pracy wynosi ok [ºC] CTR (critical temperature resistor) Stosowane jako czujniki przekroczenia określonej temperatury. 22

23 Czujniki temperatury Termistory NTC (-2-5 [%/K]) Termometry metalowe (+0,39;0,64;0,42 [%/K] odpowiednio Pt, Ni, Cu) znacznie bardziej liniowe i pokrywają większy zakres temperatur Najpopularniejsze to Pt100, Pt500 i Pt ( t[ C] t ); t[ ] R T = R 0 C Rezystancyjne czujniki temperatury Termopary (siła elektromotoryczna na styku dwóch metali) Kompensacja przez temperaturę odniesienia 23

24 Termopary kompensacja elektroniczna Rodzaje termopar Termopary siła elektromotoryczna 24

25 Czujniki temperatury Półprzewodnikowe (poprzednie wykłady) Termistory NTC Termometry rezystancyjne (Pt100) Termopary Pirometry Ogniwo Peltiera (pompa ciepła) zjawisko odwrotne niż w termoparze Typowe parametry: Prąd maksymalny (1A 20A) Maksymalna różnicz temperatur (do 30K) Napięcie (pojedyncze wolty) Magnetorezystory Typowe parametry (w układzie mostkowym): Zasilanie 10V, Rezystancja 2kΩ Zakres pracy ±0.5kA/m Czułość 5(mV/V)/(kA/m) 25

26 Magnetorezystor przykład FL410 (Siemens) Magnetorezystory typowa charakterystyka Magnetorezystancyjna głowica twardego dysku 26

27 Magnetorezystancyjny izolator Szybkość działania kilka ns Dla izolatora optycznego ułamki µs Przetwornik prąd napięcie (cęgi prądowe) Przetwornik prąd napięcie (cęgi prądowe) 27

28 Czujnik Halla Typowe parametry: Zasilanie 5V, 5mA Zakres pracy ±0.1T Inne czujniki Tensometryczne (naprężenia) Ciśnienia (półprzewodnikowy mostek tensometryczny) Przyspieszenia Gazów Wilgotności (rezystancyjne i pojemnościowe) Optyczne Podsumowanie Modele zastępcze rezystora,kondensatora i cewki, Parametry powyższych elementów Bezpieczniki topikowe (parametry) Bezpieczniki polimerowe (i ceramiczne) Rezystory NTC (termometry i ograniczniki prądu) Resystory PTC i CTR Czujniki temperatury (półprzewodnikowe, rezystancyjne i termopary) Ogniwo Peltiera Czujniki magnetorezystancyjne (parametry i zastosowania) Czujnik Halla Inne czujniki 28