ΤΟΜΕΑΣ:ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΙΤΛΟΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ:ΡΥΘΜΙΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΧΩΡΟΥ ΜΕΣΩ ARDUINO

Transcript

1 1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ: ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ:ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΟΝΟΜΑ:ΡΕΚΚΑΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ-ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΑΕΜ:13568 ΤΙΤΛΟΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ:ΡΥΘΜΙΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΧΩΡΟΥ ΜΕΣΩ ARDUINO (TEMPERATURE ADJUSTMENT VIA ARDUINO)

2 2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στη συγκεκριμένη πτυχιακή εργασία, Ρύθμιση θερμοκρασίας χώρου μέσω Arduino, αναλύεται η διαδικασία ρύθμισης της θερμοκρασίας ενός χώρου βασισμένη σε μετρήσεις τόσο της εξωτερικής όσο και της εσωτερικής θερμοκρασίας του χώρου, ενώ παράλληλα γίνεται μελέτη του φαινομένου Peltier. Στο πρώτο κομμάτι της εργασίας παρατίθεται το ενεργειακό κομμάτι, ενώ στο δεύτερο γίνεται η ανάλυση της κατασκευής που πραγματοποιήθηκε. Αναλύεται η λειτουργία της πλακέτας και των στοιχείων που την αποτελούν καθώς και ο μικροελεγκτής Arduino UNO, μέσω του οποίου πραγματοποιείται η ρύθμιση της θερμοκρασίας.

3 3 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ 1.1 Γενικές Πληροφορίες Σχετική Θερμοκρασία Απόλυτη Θερμοκρασία Θερμοκρασία Θαλάσσης Θερμοκρασία Εδάφους Θερμοκρασία Ατμόσφαιρας Θερμοκρασία πάνω από ξηρά Θερμοκρασία πάνω από θάλασσα Μετάδοση Θερμότητας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 2.1 Όργανα μέτρησης Θερμοκρασίας Θερμόμετρα Μεταλλάκτες Θερμοκρασίας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΘΕΩΡΙΑ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ 3.1 Δίοδοι Θερμιονικές δίοδοι ή δίοδοι αέριας κατάστασης... 17

4 Δίοδοι ημιαγωγών Τρανζίστορ Ρελέ Φαινόμενο Peltier ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4:ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ-ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ 4.1 Ψηφιακό Θερμόμετρο LM Οθόνη LCD Κύκλωμα ειδοποίησης υπέρβασης ορίων Στοιχείο Peltier Θερμοστάτες με χρήση relay Σχεδίαση φωτοευαίσθητης πλακέτας Κατασκευή φωτοευαίσθητης πλακέτας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗΣ ARDUINO-ΚΩΔΙΚΑΣ-ΘΕΡΜΟΣΤΑΤΗΣ 5.1 Γενικές Πληροφορίες για τον Arduino Πλεονεκτήματα Πλατφόρμα-Επίσημες πλακέτες Arduino UNO Λογισμικό-Προγραμματισμός Λογισμικό Προγραμματισμός-Βασικές Λειτουργίες Ψηφιακό θερμόμετρο-θερμοστάτης Λειτουργία κυκλώματος... 53

5 ΕΝΟΤΗΤΑ 1:ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ- ΘΕΩΡΙΑ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ 5

6 6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ 1.1 Γενικές Πληροφορίες Θερμοκρασία είναι το φυσικό μέγεθος που μετρά την ενέργεια κίνησης ή ταλάντωσης της ύλης σε ατομικό επίπεδο. Η ανταλλαγή της ενέργειας αυτής μας δίνει την αίσθηση του ψυχρού ή του θερμού με την κατάσταση μεγαλύτερης ενέργειας να αντιστοιχεί στο ζεστό ή θερμό, όταν συνολικά παίρνουμε ενέργεια, και την κατάσταση μικρότερης ενέργειας, κατά την οποία αντιλαμβανόμαστε να χάνουμε συνολικά ενέργεια, να αντιστοιχεί στο κρύο. Η θερμοκρασία στη πράξη είναι ακριβώς το μέτρο εκείνο με το οποίο προσδιορίζεται η "θερμική κατάσταση" των διαφόρων σωμάτων, είναι δηλαδή ένα φυσικό μέγεθος που συνδέεται με την μέση κινητική ενέργεια των σωματιδίων ενός συστατικού, το οποίο και χαρακτηρίζει πόσο θερμό ή πόσο ψυχρό είναι αυτό. Το αίτιο που δημιουργεί το αίσθημα του θερμού ή ψυχρού είναι η θερμότητα, που όταν χορηγείται (απορροφάται) ή αφαιρείται (εκλύεται) από ένα σώμα προκαλεί "μεταβολή θερμοκρασίας" (ύψωση ή υποβιβασμό της). Η θερμοκρασία μετριέται με ειδικά όργανα που λέγονται θερμόμετρα η λειτουργία των οποίων βασίζεται στο φαινόμενο της διαστολής ή συστολής ως αποτέλεσμα παροχής ή αφαίρεσης της θερμότητας. Αλλά και η μεταβολή της θερμοκρασίας (ύψωση ή υποβιβασμός) είναι επίσης αποτέλεσμα της παροχής ή αφαίρεσης της θερμότητας. Έτσι με την παρατήρηση της διαστολής ή συστολής του υδραργύρου, που χρησιμοποιείται συνήθως στα θερμόμετρα, διαπιστώνεται και η μεταβολή της θερμοκρασίας η οποία αναγράφεται στη κατάλληλα βαθμολογημένη σε βαθμούς θερμοκρασίας κλίμακα του θερμομέτρου. Η βαθμολογία των θερμομέτρων γίνεται σε βαθμούς Celsius (Κελσίου) o C, στο μετρικό σύστημα και σε βαθμούς Fahrenheit(Φαρεναιτ) o F, στο αγγλικό σύστημα. Ισχύουν: Στο θερμόμετρο Κελσίου το μηδέν της κλίμακας (0 C) αντιστοιχεί στη θερμοκρασία τήξεως του πάγου, το δε 100 (100 C) στη θερμοκρασία βρασμού του ύδατος. Η ενδιάμεση αυτών απόσταση υποδιαιρείται σε 100 ίσα μέρη που καλούνται "βαθμοί Κελσίου".

7 7 Στο θερμόμετρο Φαρενάιτ η θερμοκρασία τήξεως του πάγου αντιστοιχεί στους 32 F, η δε θερμοκρασία βρασμού στους 212 F. Το ενδιάμεσο αυτών διάστημα υποδιαιρείται σε 180 ίσα μέρη που καλούνται "βαθμοί Φαρενάιτ". Σημείωση: Εκτός των κλιμάκων Κελσίου και Φαρενάιτ υπάρχει και η κλίμακα Κέλβιν για μέτρηση της απόλυτης θερμοκρασίας που θα αναλυθεί παρακάτω. 1.2 Σχετική Θερμοκρασία Κάθε θερμοκρασία που μετριέται αρχίζοντας από το 0 της κλίμακας Κελσίου ή της κλίμακας Φαρενάιτ ονομάζεται σχετική θερμοκρασία και καλείται θετική όταν είναι υψηλότερα του μηδενός και αρνητική όταν είναι χαμηλότερα. Συμβολίζεται με το λατινικό γράμμα t. 1.3 Απόλυτη Θερμοκρασία Κάθε θερμοκρασία που έχει ως αρχή μέτρησης το απόλυτο μηδέν της όποιας κλίμακας (Κελσίου ή Φαρενάιτ) χαρακτηρίζεται απόλυτη θερμοκρασία. Το απόλυτο μηδέν είναι η θερμοκρασία από την οποία ξεκινά η κλίμακα Κέλβιν και που προσδιορίζεται για μεν την κλίμακα Κελσίου στους 273,15 C, για δε την κλίμακα Φαρενάιτ στους 459,67 F. Θεωρητικά είναι η κατάσταση εκείνη στην οποία ένα υλικό δεν έχει καμία άλλη ενέργεια παρά αυτή από τις κβαντομηχανικές ταλαντώσεις των ατόμων που το αποτελούν (ενέργεια μηδενικού σημείου). Η απόλυτη θερμοκρασία συμβολίζεται με το γράμμα Τ και μπορεί να οριστεί σαν ένα μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας των μορίων ενός σώματος δηλαδή: T=C 1 2 m<υ2 > Όπου C σταθερά, m η μάζα του σώματος και υ η ταχύτητα κίνησης των μορίων του. 1.4 Θερμοκρασία Θαλάσσης Με τον όρο θερμοκρασία θαλάσσης χαρακτηρίζεται η θερμοκρασία που παρατηρείται στην επιφάνεια αυτής. Η ημερήσια και ετήσια μεταβολή της θερμοκρασίας της επιφάνειας της θάλασσας παρουσιάζει εύρος πολύ μικρότερο από εκείνο της θερμοκρασίας της επιφάνειας του εδάφους. Αυτό οφείλεται στη μεγάλη θερμοχωρητικότητα που χαρακτηρίζει τη θάλασσα, στη μικρή απορρόφηση που

8 8 χαρακτηρίζει το νερό, καθώς επίσης και στη συνεχή ανατάραξη που υφίσταται η επιφάνειά της από κυματισμό, θαλάσσια ρεύματα κ.λπ. Έτσι το μεν ημερήσιο εύρος κυμαίνεται περί τον ένα βαθμό μόνο, ενώ το ετήσιο εξαρτάται περισσότερο από το γεωγραφικό πλάτος, τα τυχόν θαλάσσια ρεύματα κ.λπ. Π.χ. στον Ατλαντικό ωκεανό ( που πρόκειται για μια τεράστια επιφάνεια) το ημερήσιο εύρος είναι 2 3 βαθμοί Κελσίου κοντά στον Ισημερινό, 7-8 βαθμοί δυτικά των Αζορών, 5-6 βαθμοί στο γεωγραφικό πλάτος των 50 που αυξάνεται πολύ περισσότερο σε κλειστές θάλασσες και κοντά στις ακτές. Η μέγιστη μέση θερμοκρασία στον Ατλαντικό παρατηρείται μεταξύ του Ισημερινού και του βόρειου γεωγραφικού πλάτους των 5, που ανέρχεται στους 27 Κελσίου, ενώ στο πλάτος των 36 Βόρειο και 28 Νότιο δεν υπερβαίνει του 20 βαθμούς Eικόνα 1.1: Μέσες θερμοκρασίες επιφανειακών υδάτων 1.5 Θερμοκρασία εδάφους Από ενεργειακής πλευράς, η θερμοκρασία του εδάφους είναι ο δείκτης της αποθηκευµένης στο έδαφος θερμότητας. Οι παράγοντες που επηρεάζουν την θερμοκρασία του εδάφους μπορούν να χωριστούν σε δύο κύριες κατηγορίες.

9 9 Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν οι παράγοντες που έχουν να κάνουν µε το ίδιο το έδαφος και αυτοί είναι: Η σύσταση του εδάφους Η κάλυψη της επιφάνειας του εδάφους με βλάστηση ή άλλα υλικά Η περιεχόμενη στο έδαφος υγρασία Ο παγιδευμένος στο έδαφος αέρας ή άλλους είδους αέρια όπως αέρια θείου, υδρογονάνθρακες κλπ. Στην δεύτερη κατηγορία εντάσσονται οι παράγοντες που επηρεάζουν την θερμοκρασία του εδάφους µέσω του περιβάλλοντος. Οι παράγοντες αυτοί είναι: Η θερμοκρασία του αέρα Η ηλιακή ακτινοβολία Η ταχύτητα του αέρα Η βροχόπτωση Η χιονόπτωση Τα βασικά συμπεράσματα που προκύπτουν από μελέτες πάνω στην θερμοκρασία του εδάφους είναι τα εξής: Η διακύμανση της θερμοκρασίας κάτω από βάθος 1,5 m είναι μικρή και οι όποιες μεταβολές σε αυτήν είναι ελάχιστα διακριτές. Το είδος της κάλυψης του εδάφους (χορτάρι, χιόνι) παίζει σημαντικότατο ρόλο στην ικανότητα του να συσσωρεύει θερμότητα λειτουργώντας ως μόνωση που εμποδίζει την απαγωγή θερμότητας από το έδαφος τους χειμερινούς και φθινοπωρινούς μήνες. Το χορτάρι µε την ανάκλαση και απορρόφηση μέρους της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια της γης διατηρεί τη θερμοκρασία του εδάφους κατά τους θερινούς μήνες μικρότερη από την αντίστοιχη θερμοκρασία κάτω από το γυμνό έδαφος.

10 10 Εικόνα 1.2: Μέτρηση θερμοκρασίας εδάφους 1.6 Θερμοκρασία ατμόσφαιρας Θερμοκρασία ατμόσφαιρας ονομάζεται θερμοκρασία την οποία έχει ο ατμοσφαιρικός αέρας πάνω από μια περιοχή. Ο ατμοσφαιρικός αέρας θερμαίνεται αφενός μεν από τις ηλιακές ακτίνες που τον διαπερνούν και αφετέρου από την επιφάνεια του εδάφους που θερμαίνεται επίσης από την ηλιακή ακτινοβολία, πολύ όμως ισχυρότερα του αέρος. Γι αυτό και τα κατώτερα στρώματα της ατμοσφαίρας είναι θερμότερα των υπερκειμένων. Κατά τις ανέφελες νύκτες η επιφάνεια του εδάφους λόγω έντονης ακτινοβολίας αρχίζει και ψύχεται πολύ περισσότερο του υπερκείμενου αέρα. Τα κατώτερα επομένως στρώματα θα έχουν θερμοκρασία μικρότερη των υπερκειμένων τους, δηλαδή η θερμοκρασία κατά ύψος μέχρις ενός σημείου θα αυξάνει αντί να μειώνεται. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται "αναστροφή της θερμοκρασίας" ή θερμοκρασιακή αναστροφή. Η αναστροφή αυτή είναι η αιτία της διατήρησης της ομίχλης Θερμοκρασία πάνω από ξηρά

11 11 Η επιφάνεια της Γης μέχρι μερικά εκατοστά βάθος θερμαίνεται την ημέρα από τον Ήλιο. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι μέρα με τη μέρα η επιφάνεια της Γης γίνεται και πιο θερμή, και αυτό διότι μεγάλο μέρος της προσλαμβανόμενης ηλιακής θερμότητας ακτινοβολείται προς την ατμόσφαιρα ή μεταφέρεται σ αυτήν δια αγωγιμότητας και κατακόρυφου μεταφοράς. Με την αγωγιμότητα μέρος αυτής μεταδίδεται στο άμεσα υπερκείμενο του εδάφους στρώμα αέρος. Η μεταφορά αυτή περιορίζεται σε ένα πολύ λεπτό στρώμα αέρος που βρίσκεται σε επαφή με το έδαφος εκτός και αν δημιουργούνται ανοδικά ή καθοδικά ρεύματα ή στρόβιλοι. Γενικά η μεταφορά αυτή δεν είναι μικρή σε σύγκριση με τη δια ακτινοβολίας μεταφορά θερμότητας. Το αποτέλεσμα της δια ακτινοβολίας μεταφοράς της θερμότητας από τη Γη προς την ατμόσφαιρα είναι περισσότερο χαρακτηριστικό κατά τη νύκτα και μάλιστα όταν ο ουρανός είναι ανέφελος. Τότε η επιφάνεια της γης ψύχεται πολύ ταχύτερα. Τα νέφη όταν υπάρχουν περιορίζουν αυτή την πτώση της θερμοκρασίας από το γεγονός ότι και αυτά αντανακλούν την προσλαμβανόμενη από το έδαφος ακτινοβολία πάλι προς το έδαφος. Το αντίθετο κατά τη διάρκεια της ημέρας τα νέφη εμποδίζουν κατά πολύ τη θέρμανση της επιφάνειας της Γης, διότι ανακόπτουν τη κάθοδο των ηλιακών ακτίνων προς αυτή, Γενικά η θερμοκρασία της ατμοσφαίρας πάνω από τη ξηρά αυξάνει τάχιστα καθώς το ύψος του Ηλίου αυξάνει Θερμοκρασία πάνω από θάλασσα Η ημερήσια μεταβολή της θερμοκρασίας της επιφάνειας της θαλάσσης και κατά συνέπεια του ευρισκομένου σε επαφή προς αυτή αέρος, είναι πολύ μικρή. Τούτο οφείλεται στο γεγονός ότι στη θάλασσα η ηλιακή ακτινοβολία εισχωρεί σε σημαντικό βάθος με αποτέλεσμα η αύξηση της θερμοκρασίας στην επιφάνεια να είναι μικρή. Ακόμη όμως και η ανατάραξη της επιφάνειας λόγω των κυμάτων και των ανέμων ως και των θαλασσίων ρευμάτων μεταβάλλει την υπέρ της θαλάσσης θερμοκρασία του αέρα. Συνεπώς η επίδραση των νεφών στη θερμοκρασία του υπέρ της θάλασσας αέρα εις μεν τις «ανοικτές θάλασσες» θεωρείται αμελητέα, εν αντιθέσει στις «κλειστές θάλασσες» και τις λίμνες που είναι υπολογίσιμη λόγω γειτνίασης της ξηράς Μετάδοση Θερμότητας Η μετάδοση θερμότητας στην ατμόσφαιρα γίνεται με τους ακόλουθους τρόπους:

12 12 Αγωγιμότητα, δηλαδή μεταφορά θερμότητας από μόριο σε μόριο. Γενικά η δια αγωγιμότητας μεταφορά θερμοκρασίας στην ατμόσφαιρα είναι πολύ μικρή. Κατακόρυφη μεταφορά. Λέγεται η μεταφορά θερμότητας εντός υγρού ή αερίου σώματος μέσω ανοδικών ή καθοδικών ρευμάτων εντός του σώματος. Η με αυτό το τρόπο μετάδοση θερμότητας, στην ατμόσφαιρα, είναι πολύ μεγάλη. Οριζόντια μεταφορά. Λέγεται η μεταφορά θερμότητας εντός υγρού ή αερίου σώματος μέσω οριζοντίων ρευμάτων εντός του αυτού σώματος. Και με αυτό το τρόπο η μετάδοσης θερμότητας στην Ατμόσφαιρα είναι επίσης πολύ μεγάλη. Ακτινοβολία. Λέγεται η μεταφορά της θερμότητας υπό μορφή κυμάτων ενέργειας, όπως π.χ. του Ηλίου προς τη Γη ή εκ της Γης προς τον υπερκείμενο ενός τόπου αέρα και το διάστημα. Κυριότεροι συνεπώς τρόποι μεταφοράς θερμότητας στην Ατμόσφαιρα από την επιφάνεια της Γης, που θερμαίνεται περισσότερο από τον Ήλιο είναι η κατακόρυφη μεταφορά και η οριζόντια μεταφορά. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 2.1 Όργανα μέτρησης θερμοκρασίας Όπως αναφέρθηκε στην ενότητα 1.1( Γενικές Πληροφορίες ) η θερμοκρασία μετριέται με ειδικά όργανα που λέγονται θερμόμετρα. Στην ενότητα αυτή θα γίνει μια περαιτέρω ανάλυση των οργάνων αυτών, καθώς επίσης και μια αναφορά σε μια κατηγορία επιστημονικών οργάνων που χρησιμοποιούνται για την μέτρηση της θερμοκρασίας, των μεταλλακτών θερμοκρασίας Θερμόμετρα Θερμόμετρα ονομάζονται γενικά τα όργανα μέτρησης της θερμοκρασίας των διαφόρων σωμάτων. Τα θερμόμετρα βασίζονται στις ιδιότητες που έχουν διάφορα σώματα, τα λεγόμενα και "θερμομετρικά" να διαστέλλονται ή να συστέλλονται και γενικά να μεταβάλλουν σχήμα ή όγκο ανάλογα: με την αυξομείωση της θερμοκρασίας, ή και με την υπόθεση ότι οι πιέσεις αερίου σταθερού όγκου είναι ανάλογοι της θερμικής κατάστασης αυτού, ή επί της μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης διαφόρων μετάλλων, ακριβώς λόγω της μεταβολής της θερμοκρασίας τους, ή τέλος επί της αρχής της μεταβολής ακτινοβολίας ενός σώματος συνεπεία αυξομείωσης επίσης της θερμοκρασίας του. Παρακάτω αναφέρονται τα πιο συνηθισμένα θερμόμετρα που χρησιμοποιούνται:

13 13 Υδραργυρικό θερμόμετρο: Χρησιμοποιείται ως μέσο ένδειξης η διαστολή - συστολή του υδραργύρου. Οινοπνευματικό θερμόμετρο/θερμόμετρο υγρού: Είναι όλα του τύπου του υδραργυρικού θερμομέτρου και απλά αντικαθίσταται ο υδράργυρος με άλλο υγρό (αιθυλική αλκοόλη ή πεντάνιο με κάποια χρωστική ουσία, επειδή αυτά είναι διαφανή), αν προορίζονται για μετρήσεις χαμηλών θερμοκρασιών. Μεταλλικό θερμόμετρο/θερμόμετρο ελατηρίου: Χρησιμοποιούν ένα διμεταλλικό σπειροειδές επίπεδο ελατήριο, το οποίο συστέλλεται και διαστέλλεται ανομοιόμορφα ανάλογα με τη θερμοκρασία και μεταβάλλει τη διάμετρό του. Στο άκρο του ελατηρίου είναι προσαρμοσμένος ένας δείκτης ο οποίος δίνει τις ενδείξεις σε κατάλληλα βαθμολογημένη κλίμακα. Δεν είναι ιδιαίτερα ακριβής. Ηλεκτρικό θερμόμετρο: Στηρίζονται στο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο, σύμφωνα με το οποίο αν ένας αγωγός έχει διαφορετική θερμοκρασία στα άκρα του, τότε σε αυτά αναπτύσσεται διαφορά δυναμικού, η οποία είναι δυνατό να μετρηθεί με γαλβανόμετρο. Σε αυτό τον τύπο ανήκουν τα θερμόμετρα στον πίνακα οδήγησης αυτοκινήτων. Ανάλογα με την κατασκευή και την επιλογή υλικών είναι δυνατό να παρέχουν μεγάλη ακρίβεια, ιδιαίτερα στις μετρήσεις υψηλών θερμοκρασιών, όπου οι άλλοι δύο τύποι θερμομέτρων μειονεκτούν. Πέρα από τα παραπάνω θερμόμετρα που αναφέρθηκα και στα οποία έγινε μια μικρή ανάλυση του πως λειτουργούν υπάρχουν και άλλα χρήσιμα θερμόμετρα όπως: Ιατρικό θερμόμετρο Θερμογράφος Θερμόμετρο Beckmann Θερμόμετρο εδάφους Θερμόμετρο αερίου Πυρόμετρο Υδρόμετρα Μεταλλάκτες Θερμοκρασίας Ο όρος μεταλλάκτης θερμοκρασίας αναφέρεται σε μια κατηγορία επιστημονικών οργάνων που χρησιμοποιούνται στην μέτρηση του φυσικού μεγέθους της θερμοκρασίας. Για την μέτρηση της θερμοκρασίας χρησιμοποιούμε τις ιδιότητες των σωμάτων που μεταβάλλονται ανάλογα με αυτή, π.χ. μεταβολή όγκου υγρού, ηλεκτρική αντίσταση μετάλλου, ακτινοβολία

14 14 μέλανος σώματος κτλ. Στους μεταλλάκτες θερμοκρασίας υπάγονται τα παρακάτω όργανα: Θερμοζεύγη Ένα θερμοζεύγος αποτελείται από δύο αγωγούς από διαφορετικά μέταλλα ή κράματα μετάλλων. Όταν δυο διαφορετικά μέταλλα έρθουν σε επαφή αναπτύσσεται μεταξύ τους μια διαφορά δυναμικού E(Seebeck) που εξαρτάται από την θερμοκρασία Τ και το είδος των μετάλλων. Για μικρές μεταβολές της θερμοκρασίας ΔΤ ισχύει ο τύπος Ε=αΔΤ, όπου α ο συντελεστής Seebeck σε μv/oc. Η μέτρηση της θερμοκρασίας με το θερμοζεύγος γίνεται βάζοντας το στη περιοχή ή το σώμα που θέλουμε και μετράμε την τάση στα άκρα του. Οι επαφή των αγωγών της συσκευής μέτρησης της τάσης με τους αγωγούς του θερμοζεύγους δημιουργεί επιπλέον δυναμικά επαφής Ε. Η λύση του προβλήματος της δημιουργίας νέων δυναμικών επαφής λύνεται με ένα από τους παρακάτω τρόπους: Διατηρώντας τη θερμοκρασία στις άλλες επαφές σταθερή(συνήθως στους 0οC), ώστε να έχουμε σταθερό σφάλμα. Τις επαφές σε σταθερή γνωστή θερμοκρασία τις ονομάζουμε επαφές αναφοράς. Με λογισμική αντιστάθμιση. Μετράμε την θερμοκρασία στις επαφές αναφοράς με ένα θερμίστορ, υπολογίζουμε την τάση Ε1 στις επαφές αναφοράς μέσο πινάκων, μετράμε την τάση Ε2 στο θερμοζεύγος και αφαιρώντας την τάση Ε2 από την Ε1, παίρνουμε την τάση Ε3, μέσο της οποίας υπολογίζουμε την θερμοκρασία που μας ενδιαφέρει. Με ηλεκτρονική αντιστάθμιση. Ένας τελεστικός ενισχυτής σε συνδυασμό με ένα θερμίστορ στις επαφές αναφοράς λειτουργεί ως πηγή τάσης που αντισταθμίζει την τάση των πηγών αναφοράς στη θερμοκρασία 0οC. Για να αυξήσουμε την ευαισθησία συνήθως συνδέουμε πολλά θερμοζεύγη σε σειρά. Μεταλλικές αντιστάσεις Η ηλεκτρική αντίσταση των μετάλλων είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας. Ο θερμικός συντελεστής είναι συνήθως θετικός και δεν μεταβάλλεται σημαντικά. Τα μέταλλα ή κράματα που χρησιμοποιούνται

15 15 για την κατασκευή θερμόμετρων αντίστασης πρέπει να είναι χημικά αδρανή, να έχουν σχετικά μεγάλο θερμικό συντελεστή αντίστασης α, καλή μηχανική αντοχή και μεγάλη ειδική αντίσταση ρ. Τα θερμόμετρα αντίστασης κατασκευάζονται σε δυο κυρίως τύπους, σε μορφή σύρματος ή λεπτού μεταλλικού φιλμ: Στη μορφή σύρματος χρησιμοποιείται σύρμα σε διπλή περιέλιξη, για να αποφεύγονται τα ηλεκτρομαγνητικά παράσιτα, σε πυρήνα από κεραμικό υλικό, με ίδιο συντελεστή διαστολής με το σύρμα. Στη μορφή λεπτού φιλμ το μέταλλο στερεώνεται σε μορφή λεπτού φιλμ επάνω σε κεραμικό υλικό και είναι σφραγισμένο. Οι θερμοαντιστάσεις είναι πιο γραμμικοί μετατροπείς από τα θερμοζεύγη. Η μεταβολή της αντίστασης με την θερμοκρασία, για μικρή περιοχή θερμοκρασιών είναι: Rθ: αντίσταση σε θερμοκρασία θ R0: αντίσταση σε θερμοκρασία 0 C Οι θερμοαντιστάσεις είναι παθητικοί μετατροπείς, όταν διαρρέονται από ρεύμα, η θερμοκρασία τους αυξάνεται ανάλογα με την θερμική αγωγιμότητα αντίστασης-περιβάλλοντος, οπότε δίνουν σφάλματα λόγο αυτοθέρμανσης. Για να μειωθούν τα σφάλματα χρησιμοποιείται το μικρότερο δυνατό ρεύμα μέτρησης, η μεγαλύτερη σε μέγεθος αντίσταση, με αποδεκτό χρόνο απόκρισης και γίνεται συχνά βαθμονόμηση. Οι συνδέσεις με αγωγούς χαλκού δημιουργούν διαφορά δυναμικού, που διορθώνεται με ηλεκτρονική αντιστάθμιση. Ακόμα επειδή συνήθως ο συντελεστής α και η απόλυτη τιμή της αντίστασης είναι μικροί αριθμοί, οδηγούν σε σφάλματα εξαιτίας της αντίστασης των αγωγών σύνδεσης. Αυτό το πρόβλημα λύνεται με χρήση γέφυρας Wheatstone και μεταλλάκτη τριών αγωγών ή με την τεχνική των τεσσάρων αγωγών, στην οποία μετράμε την πτώση τάσης στα άκρα της αντίστασης. Θερμίστορ Τα θερμίστορ κατασκευάζονται από ημιαγωγά υλικά, έχουν μεγάλο συντελεστή θερμοκρασίας, είναι χημικά σταθερά, δεν επηρεάζονται

16 16 από την γήρανση του υλικού, ισχυρά πεδία και την ραδιενέργεια, έχουν μικρή μηχανική αντοχή. Έχουν μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας τους 150 C. Τα θερμίστορ με θετικό συντελεστή θερμοκρασίας ονομάζονται τύπου PTC και με αρνητικό NTC. Τα θερμίστορ είναι μη γραμμικά στοιχεία. Η μεταβολή της αντίστασης τους, συναρτήσει της θερμοκρασίας δίνεται από τον τύπο: RT= A e^(-δε/rt) όπου: RT: η αντίσταση του θερμίστορ σε θερμοκρασία Τ Α: συντελεστής ανάλογος του είδους του ημιαγωγού ΔΕ: ενεργειακό χάσμα μεταξύ μιας ζώνης που είναι πλήρης σε ηλεκτρόνια και της ζώνης στην οποία πρέπει να διεγερθούν τα ηλεκτρόνια για να προκληθεί αγωγιμότητα. R: παγκόσμιος σταθερά των αερίων(8,314jmol-1k-1) Τ: η απόλυτη θερμοκρασία σε Κ Για θερμοκρασίες ~50 C από την μέση θερμοκρασία λειτουργίας έχει ακρίβεια ~0.02 C. Για να μετατραπεί η μη γραμμική συμπεριφορά των θερμίστορ σε γραμμική χρησιμοποιούμε δύο ή περισσότερα στοιχεία με αντισταθμιστικές αντιστάσεις ή χρησιμοποιούμε μικροεπεξεργαστή. Τα θερμίστορ λειτουργούν σε περιορισμένη περιοχή θερμοκρασιών, έχουν μικρή θερμική μάζα γι αυτό έχουν ταχεία απόκριση, παρουσιάζοντας σφάλματα αυτοθέρμανσης. Τα θερμίστορ είναι παθητικά στοιχεία για αυτό έχουν ανάγκη από σταθεροποιημένη πηγή τάσης.

17 17 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1 ου -2 ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ el.wikipedia.org eng.auth.gr Δ.Σ. Κυριάκος, Κεφάλαιο 1 Θερμοκρασία στο: ΦΥΣΙΚΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ- ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ Εκδόσεις ΖΗΤΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2006 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3:ΘΕΩΡΙΑ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ 3.1 Δίοδοι Η δίοδος είναι ένα στοιχείο που περιορίζει τη κατευθυντήρια ροή των φορέων αγωγιμότητας (charge carriers). Ουσιαστικά, η δίοδος επιτρέπει στο ηλεκτρικό ρεύμα να περάσει από τη μια κατεύθυνση, αλλά μπλοκάρει την κίνηση από την αντίθετη κατεύθυνση. Έτσι, η δίοδος μπορεί να θεωρηθεί ως μια ηλεκτρονική εκδοχή της βαλβίδας, η οποία, για παράδειγμα, σε ένα σωλήνα νερού, δεν επιτρέπει ροή αντίθετη από την επιθυμητή. Οπότε, τα κυκλώματα που απαιτούν ροή προς μία μόνο κατεύθυνση περιλαμβάνουν μία ή περισσότερες διόδους στη σχεδίαση του κυκλώματος. Οι πρώτες δίοδοι περιλάμβαναν κρυστάλλους cat s whisker και λυχνίες κενού. Σήμερα, οι περισσότερες δίοδοι είναι κατασκευασμένες από υλικά ημιαγωγών όπως πυρίτιο ή γερμάνιο Θερμιονικές δίοδοι ή δίοδοι αέριας κατάστασης Οι θερμιονικές δίοδοι είναι θερμιονικές βαλβίδες (γνωστές και ως λυχνίες κενού), οι οποίες είναι διατάξεις ηλεκτροδίων που βρίσκονται μέσα σε αεροστεγή γυάλινο σωλήνα και είναι παρόμοιες σε εμφάνιση με τους κοινούς λαμπτήρες πυρακτώσεως. Στις θερμιονικές διόδους, ηλεκτρικό ρεύμα περνά μέσα από το νήμα πυρακτώσεως. Αυτό θερμαίνει έμμεσα την κάθοδο, η οποία είναι ένα άλλο νήμα το όποιο είναι μίγμα από βάριο και οξείδια του στροντίου, τα οποία είναι οξείδια αλκαλικών γαιών. Αυτά τα συστατικά επιλέγονται επειδή έχουν μικρό έργο εξαγωγής. (Κάποιες λυχνίες χρησιμοποιούν απευθείας θέρμανση, στην οποία το ρεύμα περνάει μέσα από την ίδια την κάθοδο). Η θέρμανση προκαλεί θερμιονική εκπομπή ηλεκτρονίων μέσα στο κενό του σωλήνα. Στην ευθύ λειτουργία, ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο που ονομάζεται άνοδος, φορτίζεται θετικά έτσι ώστε να

18 18 έλξει ηλεκτροστατικά τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια. Παρόλ αυτά, τα ηλεκτρόνια δεν αφήνονται εύκολα από την επιφάνεια της μη θερμής ανόδου όταν η πολικότητα της τάσης αντιστραφεί και επομένως οποιαδήποτε αντίστροφη ροή έχει πολύ μικρή ένταση. Στο μεγαλύτερο μέρος του 20ου αιώνα οι θερμιονικές δίοδοι χρησιμοποιήθηκαν σε αναλογικές εφαρμογές σήματος καθώς και ως ανορθωτές σε παροχείς ενέργειας. Σήμερα, οι θερμιονικές δίοδοι χρησιμοποιούνται μόνο σε εφαρμογές όπως ανορθωτές σε κιθάρες και hi-fi ενισχυτές και σε ειδικά εξαρτήματα υψηλής τάσης Δίοδοι ημιαγωγών Η δίοδος ημιαγωγού(semiconductor diode) δημιουργείται με την ένωση ενός υλικού τύπου-n και ενός υλικού τύπου-p, δηλαδή ενώνοντας ένα υλικό με πλειονότητα φορέων ηλεκτρόνια με ένα υλικό με πλειονότητα φορέων οπές. Η περιοχή που περιέχει μόνο τα θετικά και τα αρνητικά ιόντα ονομάζεται περιοχή απογύμνωσης(depletion region) λόγω της εξαφάνισης των ελεύθερων φορέων της περιοχής. Αν στα άκρα των δυο υλικών συνδεθούν αγωγοί, τότε δημιουργείται μια διάταξη δυο ακροδεκτών(two-terminal device). Σε αυτή την περίπτωση οι τρεις επιλογές που υπάρχουν είναι οι εξής: 1. Χωρίς πόλωση(no bias) 2. Ορθή πόλωση(forward bias) 3. Ανάστροφη πόλωση(reverse bias) O όρος πόλωση (bias) αναφέρεται στην εφαρμογή μιας εξωτερικής τάσης στους δυο ακροδέκτες της διάταξης για την διέγερση μιας απόκρισης Συνθήκη ανάστροφης πόλωσης(v D<0V) Aν εφαρμοστεί ένα εξωτερικό δυναμικό V volts στα άκρα μιας επαφής p- n έτσι ώστε ο θετικός ακροδέκτης να συνδέεται στο υλικό τύπου-n και ο αρνητικός ακροδέκτης να συνδέεται στο υλικό τύπου-p, τότε ο αριθμός των ακάλυπτων θετικών ιόντων στην περιοχή απογύμνωσης του υλικού τύπου-n θα αυξηθεί λόγω του μεγάλου αριθμού ελεύθερων ηλεκτρονίων που έλκονται από θετικό δυναμικό της εφαρμοζόμενης τάσης. Αντίστοιχα, ο αριθμός των ακάλυπτων αρνητικών ιόντων θα αυξηθούν στο υλικό τύπου-p. Σε κάθε περίπτωση, το τελικό αποτέλεσμα είναι η διεύρυνση της

19 19 περιοχής απογύμνωσης, η οποία θα αποτελεί πλέον αξεπέραστο εμπόδιο για τους φορείς πλειονότητας, μειώνοντας σταδιακά τη ροή τους στο μηδέν. Το ρεύμα που υπάρχει υπό συνθήκες ανάστροφης πόλωσης ονομάζεται ανάστροφο ρεύμα κόρου και συμβολίζεται με I S. O όρος κόρος ή κορεσμός οφείλεται στο γεγονός ότι φτάνει στη μέγιστη τιμή του γρήγορα και δεν αλλάζει σχεδόν καθόλου με την αύξηση της τάσης ανάστροφης πόλωσης. Συνθήκη ορθής πόλωσης(v D>0V) H συνθήκη ορθής πόλωσης (forward-bias) δημιουργείται με την εφαρμογή θετικού δυναμικού στο υλικό τύπου-p και αρνητικού δυναμικού στο υλικό τύπου-n. Η εφαρμογή μιας τάσης V D ορθής πόλωσης θα πιέσει τα ηλεκτρόνια στο υλικό τύπου-n και τις οπές στο υλικό τύπου-p για να ανασυνδυαστούν με τα ιόντα που βρίσκονται κοντά στην ένωση της επαφής και να μειώσει την περιοχή απογύμνωσης. Η ροή φορέων μειονότητας των ηλεκτρονίων που δημιουργείται από το υλικό τύπου-p προς το υλικό τύπου-n( και των οπών από το υλικό τύπου-n προς το υλικό τύπου-p) δεν έχει αλλάξει σε μέγεθος(επειδή η αγωγιμότητα ελέγχεται πρωτίστως από τον περιορισμένο αριθμό προσμίξεων του υλικού), όμως η μείωση του εύρους της περιοχής απογύμνωσης έχει ως αποτέλεσμα μια πολύ μεγάλη ροή φορέων πλειονότητας κατά μήκος της επαφής. Ένα ηλεκτρόνιο του υλικού τύπου-n βλέπει τώρα ένα χαμηλότερο φραγμό στην επαφή εξαιτίας της στενότερης περιοχής απογύμνωσης και μια ισχυρή έλξη από το θετικό δυναμικό που εφαρμόζεται στο υλικό τύπου-p. Καθώς η εφαρμοζόμενη πόλωση αυξάνεται σε μέγεθος, το εύρος της περιοχής απογύμνωσης θα συνεχίσει να μειώνεται μέχρι την απρόσκοπτη διέλευση μεγάλου αριθμού ηλεκτρονίων μέσα από την επαφή, με αποτέλεσμα την εκθετική αύξηση του ρεύματος. Οι γενικές χαρακτηριστικές μιας διόδου ημιαγωγής για τις περιοχές ορθής και ανάστροφης πόλωσης καθορίζονται από την εξίσωση Shockley: ID=IS (e VD/nVT -1) Όπου I S: ανάστροφο ρεύμα κόρου V D: εφαρμοζόμενη τάση ορθής πόλωσης στα άκρα της διόδου

20 20 N: ένας συντελεστής ιδανικής κατάστασης, ο οποίος είναι συνάρτηση των συνθηκών λειτουργίας και της φυσικής κατασκευής και έχει μια περιοχή τιμών από 1 ως 2 εξαρτώμενος από μεγάλη ποικιλία συνιστωσών. V T: θερμική τάση Η θερμική τάση V T(thermal voltage) ορίζεται από την σχέση: V T= kt q Όπου k: η σταθερά του Boltzmann k=1,38x10 - T: η απόλυτη θερμοκρασία σε kelvin q: το μέγεθος του ηλεκτρικού φορτίου Χαρακτηριστική καμπύλη Η χαρακτηριστική καμπύλη I-V της διόδου μπορεί να προσεγγιστεί από δυο περιοχές λειτουργίας. Αν η τάση ανάμεσα στα δύο άκρα(leads) είναι κάτω από μια συγκεκριμένη τιμή, η ζώνη κατάρρευσης έχει σημαντικό πλάτος και η δίοδος μπορεί να θεωρηθεί ως ένα ανοικτό(μη αγώγιμο) κύκλωμα. Όσο η τάση αυξάνεται, σε κάποιο σημείο η δίοδος θα γίνει αγώγιμη και θα επιτρέψει τη διαρροή του ηλεκτρικού ρεύματος, και μπορεί να θεωρηθεί ως μια σύνδεση με μηδενική (ή τουλάχιστον πολύ μικρή) αντίσταση. Σε μια κανονική δίοδο από πυρίτιο, η πτώση τάσης σε μια αγώγιμη δίοδο είναι περίπου 0.6 με 0.7 volts. Η τιμή αυτή είναι διαφορετική για άλλους τύπους διόδων. Σχετικά με το διάγραμμα της χαρακτηριστικής καμπύλης I-V, στην περιοχή ανάστροφης πόλωσης για μια κανονική ανορθωτική δίοδο P-Ν, το ρεύμα μέσω της συσκευής είναι πολύ μικρό (της τάξεως των μα) για όλες τις ανάστροφες τάσεις μέχρι ένα σημείο που ονομάζεται Κορυφή Ανάστροφης Τάσης (PIV). Μετά από αυτό το σημείο, συμβαίνει μια διαδικασία που ονομάζεται αντίστροφη κατάρρευση η οποία προκαλεί βλάβες στη συσκευή με ταυτόχρονη μεγάλη αύξηση στο ηλεκτρικό ρεύμα.

21 21 Εικόνα 3.1 Χαρακτηριστική καμπύλη μη ιδανικής διόδου Δίοδος Zener Η Δίοδος Ζένερ (Zener diode) είναι μια δίοδος που μπορεί να λειτουργεί στην περιοχή κατάρρευσης, δηλαδή στην περιοχή τάσης στην οποία οι λοιπές δίοδοι κινδυνεύουν να καταστραφούν. Γι αυτό το λόγο ονομάζεται και δίοδος κατάρρευσης. Είναι το βασικότερο εξάρτημα των σταθεροποιητών τάσης που κρατούν την τάση στο φορτίο του κυκλώματος σταθερή ανεξάρτητα από μεταβολές στην τάση της γραμμής και στην αντίσταση του φορτίου. Είναι πρακτικά κάτι σαν ασφάλεια τάσης. Μεταβάλλοντας τη στάθμη προσμίξεων των διόδων πυριτίου, στην πράξη μπορούμε να έχουμε τέτοιες διόδους με τάσεις κατάρρευσης από 2 έως 200 βολτ οι οποίες έχουν δυνατότητα λειτουργίας και στις 3 περιοχές ορθής διαρροής και κατάρρευσης. Η δίοδος Ζένερ στην ορθή περιοχή αρχίζει να άγει γύρω στα 0,7 βολτ σαν μια απλή δίοδος. Στην περιοχή διαρροής ανάμεσα στο 0 και την κατάρρευση έχει ένα μόνο ανάστροφο ρεύμα.

22 22 Εικόνα 3.2:Χαρακτηριστική καμπύλη και σύμβολο διόδου Zener Στην κατάρρευση έχει μια πολύ απότομη καμπή που συνοδεύεται από μία σχεδόν κατακόρυφη αύξηση του ρεύματος. Ακόμα η τάση στην περιοχή κατάρρευσης είναι σχεδόν σταθερή και περίπου ίση με Uz. Η τιμή αυτή συνήθως καθορίζεται από τα φυλλάδια προδιαγραφών της διόδου σε ένα ρεύμα δοκιμής. Η δίοδος λειτουργεί, όσο το ανάστροφο ρεύμα είναι μικρότερο του Ι zmax. Αν το ρεύμα γίνει μεγαλύτερο από το I zmax, η δίοδος θα καταστραφεί. Η αντίσταση που παρουσιάζει η δίοδος Zener στην περιοχή κατάρρευσης είναι πολύ μικρή, με αποτέλεσμα μια μεγάλη αύξηση του ρεύματος να δημιουργεί μόνο μια μικρή αύξηση της τάσης, που αντιστοιχεί σε λίγα δέκατα του βολτ Στο κύκλωμα χρησιμοποιείται πάντοτε μια αντίσταση περιορισμού ρεύματος Rs η οποία συνδέεται πάντα σε σειρά με την δίοδο με σκοπό την προστασία της διόδου. Στο κύκλωμα η τάση στα άκρα της αντίστασης είναι: Vr = Vin Vz και το ρεύμα μέσα από την αντίσταση και την δίοδο Zener είναι: Ι= (Vin Vz) / Rs. Δίοδος Εκπομπής Φωτός Δίοδος Εκπομπής Φωτός, (LED, Light Emitting Diode), αποκαλείται ένας ημιαγωγός ο οποίος εκπέμπει φωτεινή ακτινοβολία στενού φάσματος όταν του παρέχεται μία ηλεκτρική τάση κατά τη φορά ορθής πόλωσης (forward-biased).

23 23 Μια δίοδος εκπομπής φωτός (light emitting diode,led) είναι στην ουσία μια ένωση pn που έχει κατασκευαστεί από ένα ημιαγωγό άμεσου ενεργειακού χάσματος, όπως για παράδειγμα το GaAs, και στην οποία η επανασύνδεση των ζευγών ηλεκτρονίων οπών (ΖΗΟ) έχει ως αποτέλεσμα την εκπομπή φωτονίων. Η ενέργεια των εκπεμπόμενων φωτονίων, hv, ισούται κατά προσέγγιση με το ενεργειακό χάσμα E g E g = E φωτονίου = h v Η δομή ενός LED πρέπει να είναι τέτοια ώστε τα εκπεμπόμενα φωτόνια να μπορούν να απομακρύνονται από την διάταξη χωρίς να επαναπορροφώνται από το ημιαγώγιμο υλικό. Αυτό σημαίνει ότι η p-περιοχή πρέπει να είναι επαρκώς ρηχή, ή διαφορετικά πρέπει να χρησιμοποιήσουμε διατάξεις ετεροδομών. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε πολλά ημιαγώγιμα υλικά άμεσου ενεργειακού διακένου, τα οποία μπορούν εύκολα να νοθευτούν και να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή εμπορικών LED που εκπέμπουν ακτινοβολία στην ερυθρή και την υπέρυθρη περιοχή μηκών κύματος του φάσματος. Μια σημαντική κατηγορία εμπορικών ημιαγώγιμων υλικών, που εκπέμπουν ακτινοβολία στην ορατή περιοχή είναι τα τριαδικά κράματα III-V. Η εξωτερική απόδοση η εξ ενός LED είναι ένα μέτρο της απόδοσης της μετατροπής της ηλεκτρικής ενέργειας σε εκπεμπόμενη εξωτερικά φωτεινή ενέργεια. Στο μέγεθος αυτό συνυπολογίζεται η εσωτερική απόδοση της ακτινοβολούσας διαδικασίας επανασύνδεσης και η επακόλουθη απόδοση της εξόδου των φωτονίων από την διάταξη. Η ηλεκτρική ενέργεια στην είσοδο ενός LED ισούται απλά με το γινόμενο του ρεύματος επί την ηλεκτρική τάση της διόδου (I V). Αν η φωτεινή ισχύς που εκπέμπεται από την διάταξη είναι P out,τότε η εξ = P εξ(οπτική) 100% / I V Για τους ημιαγωγούς εμμέσου ενεργειακού διακένου, η τιμή της απόδοσης είναι μικρότερη από 1%, ενώ για τους ημιαγωγούς αμέσου ενεργειακού διακένου με την ορθή δομή διάταξης, η η εξ μπορεί να είναι αρκετά μεγάλη. Θα αναφερθούν παρακάτω ορισμένες κατηγορίες LED: LED ετεροεπαφής υψηλής έντασης Μια ένωση p-n ανάμεσα σε δύο ημιαγωγούς με διαφορετική νόθευση, οι οποίοι όμως αποτελούνται από το ίδιο υλικό, έχουν δηλαδή το ίδιο ενεργειακό διάκενο g E, ονομάζεται ομοεπαφή. Μια ένωση ανάμεσα σε δύο ημιαγωγούς με το ίδιο ενεργειακό διάκενο ονομάζεται ετεροεπαφή. Μια ημιαγώγιμη δομή

24 24 διάταξης η οποία περιλαμβάνει ενώσεις ανάμεσα σε υλικά με διαφορετικό ενεργειακό διάκενο ονομάζεται διάταξη ετεροδομής. Αν η LED κατασκευάζεται από ένα απλό ημιαγωγό, υπάρχει ένας αριθμός προβλημάτων που μειώνει την απόδοση της συσκευής. Ένα σημαντικό πρόβλημα είναι ότι σε μία LED ομοιδομής (μια συσκευή βασισμένη σε ένα απλό ημιαγωγό), ο όγκος εκπομπής φωτονίων πρέπει να είναι κοντά στην επιφάνεια ώστε τα εκπεμπόμενα φωτόνια να μην απορροφώνται ξανά. Αφού κοντά στην επιφάνεια η ποιότητα του ημιαγωγού δεν είναι συνήθως πολύ καλή λόγω της παρουσίας καταστάσεων ατελειών, αυτό προκαλεί μεγάλο αριθμό μη ακτινοβόλων επανασυνδέσεων με την βοήθεια επιφανειακών καταστάσεων. Ένα ακόμα πρόβλημα είναι το ότι τα ηλεκτρόνια που εγχέονται από την πλευρά στην p-περιοχή μπορούν να διαχυθούν σε μεγάλες αποστάσεις πριν επανασυνδεθούν με οπές. Έτσι ο ενεργός όγκος από τον οποίο εξέρχονται τα φωτόνια είναι πολύ μεγάλος. Η ετεροδομή LED λύνει αυτά τα προβλήματα εγχέοντας φορτίο από ένα υλικό μεγαλύτερου ενεργειακού διάκενου σε μια περιοχή στενού διάκενου. Οι διατάξεις LED που έχουν στόχο την αύξηση της έντασης του φωτός στην έξοδο κάνουν χρήση της διπλής ετεροδομής. Οι LEDs ετεροδομών κατασκευάζονται με επιταξιακές διαδικασίες και η ενεργός περιοχή κρατείται στα μm. Τα υλικά που συνήθως χρησιμοποιούνται είναι GaAs/AlGaAs το οποίο αναπτύσσεται σε GaAs και InGaAs/InGaAsP που αναπτύσσεται σε στρώματα InP. LED εκπομπής άκρου Ένα σημαντικό στοιχείο στην οπτική επικοινωνία είναι η απόδοση με την οποία το φως που εκπέμπεται από μια LED συζεύγνυται σε μια οπτική ίνα. Για να πραγματοποιηθεί μια ικανοποιητική σύζευξη χρειάζεται κανείς μια ισχυρά ευθυγραμμισμένη δέσμη. Η τεχνολογία ετεροδομών χρησιμοποιείται για να κατασκευαστεί η LED εκπομπής άκρου (edge emitting LED) Ένα σημαντικό στοιχείο της LED εκπομπής άκρου είναι τα στρώματα μανδύα μεγάλου ενεργειακού χάσματος τα οποία περιορίζουν όχι μόνο τα ηλεκτρόνια και τις οπές στο ενεργό στρώμα, αλλά επίσης αναγκάζουν τα εκπεμπόμενα φωτόνια να κινηθούν κατά μήκος του άξονα της LED και να εξέρχονται από το άκρο της συσκευής. LED εκπομπής επιφάνειας Μια σημαντική κατηγορία των LEDs είναι η LED εκπομπής επιφάνειας (surface emitting LED) η οποία πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά από τους Burrus και Dawson το Μια οπτική ίνα συζεύγνυται στο άκρο της LED με απόξεση της LED, προσαρμόζοντας την ίνα με εποξική ρητίνη. Η ίδια η LED είναι μια LED

25 25 ετεροδομής με μία λεπτή ενεργό περιοχή χαμηλού ενεργειακού χάσματος η οποία περιβάλλεται από περιοχές μεγάλου ενεργειακού χάσματος. Τα φωτόνια που εκπέμπονται συζεύγνυται απ ευθείας στην οπτική ίνα. Σε διάφορες δομές ένας μικροφακός τοποθετείται στη LED για να βελτιώσει την απόδοση σύζευξης. Πλεονεκτήματα των LEDs: 1. Απόδοση: Τα LED παράγουν περισσότερο φως ανά watt συγκριτικά με της λάμπες πυράκτωσης. 2. Χρώμα: Τα LED εκπέμπουν φως συγκεκριμένου χρώματος χωρίς την χρήση φίλτρων που απαιτούν οι παραδοσιακοί μέθοδοι φωτισμού. Είναι πιο αποδοτικά και χαμηλώνουν το αρχικό κόστος. 3. Μέγεθος: Τα LED είναι πολύ μικρά (μικρότερα από 2mm) και μπορούν να τοποθετηθούν σε πινάκες αποτύπωσης. 4. Χρόνος ON/OFF: Τα LED έχουν γρήγορη απόκριση. Μια τυπική κόκκινη LED μπορεί να έρθει σε κατάσταση πλήρους φωτεινότητας σε χρόνο microsecond. Τα LED που χρησιμοποιούνται ως συσκευές επικοινωνίας έχουν ακόμα μικρότερους χρόνους απόκρισης. 5. Ψυχρό φως: Σε αντίθεση με τις κοινές πήγες φωτός, τα LED εκπέμπουν πολύ λίγη θερμότητα σε μορφή υπέρυθρης ακτινοβολίας που μπορεί να προκαλέσει ζημιά σε ευαίσθητα αντικείμενα ή κατασκευές. Η ενέργεια που χάνεται διαχέεται ως θερμότητα μέσω της βάσης του LED. 6. Χρόνος ζωής: Τα LED έχουν μεγάλους χρόνους ζωής. Οι ώρες λειτουργίας τους κυμαίνονται από έως ώρες, αριθμός τεράστιος συγκριτικά με αυτόν των λαμπτήρων πυράκτωσης που κυμαίνεται από έως ώρες και των λαμπτήρων φθορισμού που κυμαίνεται από έως ώρες. 7. Αντίσταση σε κραδασμούς: Τα LED, όντας στοιχεία στερεάς κατάστασης, είναι δύσκολο να υποστούν ζημιά από κραδασμούς όπως συμβαίνει με τις λάμπες πυράκτωσης και φθορισμού. 8. Εστίαση: Τα LED μπορούν να σχεδιαστούν ώστε να εστιάζουν το φως σε ένα συγκεκριμένο σημείο ή περιοχή. Οι λάμπες πυράκτωσης και φθορισμού απαιτούν ένα εξωτερικό ανακλαστήρα για να συλλέγει το φως και να το κατευθύνει με ένα χρήσιμο τρόπο.

26 26 9. Τοξικότητα: Τα LED δεν περιέχουν υδράργυρο όπως οι λάμπες φθορισμού. Μειονεκτήματα των LEDs: 1. Υψηλό αρχικό κόστος. Τα LED σήμερα είναι ακριβότερα στην αγορά τους από ότι οι κοινές τεχνολογίες φωτισμού. Ωστόσο το κόστος αντισταθμίζεται με την χαμηλή κατανάλωση ενέργειας που έχουν. 2. Εξάρτηση από τη θερμοκρασία: Η λειτουργιά των LED έχει ισχυρή εξάρτηση από της θερμοκρασιακές συνθήκες που επικρατούν στον χώρο που τα περιβάλει. Σε περιβάλλον υψηλών θερμοκρασιών, τα LED μπορούν να υπερθερμανθούν και να υποστούν ζημιά. Αυτός ο παράγοντας είναι πολύ σημαντικός αν σκεφτούμε ότι αυτοκινητιστικές, στρατιωτικές και ιατρικές εφαρμογές απαιτούν η συσκευή να λειτουργεί σε ένα επαρκώς μεγάλο εύρος θερμοκρασιών και να είναι ανθεκτική στις βλάβες. 3. Ευαισθησία στην Τάση: Τα LED είναι αρκετά ευαίσθητα στη τάση και κατ επέκταση στο ρεύμα που τα τροφοδοτεί. Έτσι πολλές φορές χρησιμοποιούνται σειρές αντιστάσεων ή πηγές ελέγχου του ρεύματος. 4. Ποιότητα φωτός: Τα περισσότερα ψυχρού λευκού LED έχουν φάσμα που διαφέρει σημαντικά από αυτό ενός ακτινοβολέα μελανού σώματος όπως ο ήλιος ή ο λαμπτήρας πυράκτωσης. Αυτό σημαίνει ότι το χρώμα κάποιων αντικειμένων μπορεί να φαίνεται διαφορετικό κάτω από μια LED ψυχρού λευκού απ ότι θα φαίνονταν κάτω από το φως του ήλιου ή κάτω από μια λάμπα πυράκτωσης. 5. Μόλυνση από το μπλε: Επειδή τα μπλε LED και αυτά του ψυχρού λευκού είναι πλέον ικανά να εκπέμπουν περισσότερο μπλε φως απ ότι οι κοινές πηγές φωτός όπως οι λάμπες νατρίου υψηλής πίεσης, η ισχυρή εξάρτηση από το μήκος κύματος της σκέδασης Rayleigh σημαίνει ότι τα LED μπορούν να προκαλέσουν περισσότερη φωτορύπανση απ ότι οι άλλες πηγές φωτός. 3.2 Τρανζίστορ

27 27 Το τρανζίστορ (transistor) είναι διάταξη ημιαγωγών στερεάς κατάστασης, η οποία βρίσκει διάφορες εφαρμογές στην ηλεκτρονική, μερικές εκ των οποίων είναι η ενίσχυση, η σταθεροποίηση τάσης, η διαμόρφωση συχνότητας, η λειτουργία ως διακόπτης και ως μεταβλητή ωμική αντίσταση. Το τρανζίστορ μπορεί, ανάλογα με την τάση με την οποία πολώνεται, να ρυθμίζει την ροή του ηλεκτρικού ρεύματος που απορροφά από συνδεδεμένη πηγή τάσης. Τα τρανζίστορ κατασκευάζονται είτε ως ξεχωριστά ηλεκτρονικά εξαρτήματα είτε ως τμήματα κάποιου ολοκληρωμένου κυκλώματος. Το τρανζίστορ θεωρείται μία από τις μεγαλύτερες εφευρέσεις του 20ου αιώνα. Είναι το κυριότερο συστατικό όλων σχεδόν των σύγχρονων ηλεκτρονικών κατασκευών. Η πλατιά χρήση του οφείλεται κυρίως στη δυνατότητα παραγωγής του σε τεράστιες ποσότητες που μειώνουν το κόστος ανά μονάδα. Παρόλο που αρκετοί παραγωγοί παράγουν, ακόμα και σήμερα, μεμονωμένες συσκευασίες τρανζίστορ, η μεγαλύτερη ποσότητα παράγεται μέσα σε ολοκληρωμένα κυκλώματα (που συχνά αναφέρονται ως τσιπς) μαζί με τις διόδους, αντιστάσεις, πυκνωτές και άλλα ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Διπολικό τρανζίστορ επαφής(bipolar Junction Transistor-BJT) Το διπολικό τρανζίστορ επαφής είναι ένας κρύσταλλος με τρεις περιοχές εμπλουτισμένες με προσμίξεις, δηλαδή αποτελείται από τρία διαδοχικά εναλλασσόμενα στρώματα υλικού, εκ των οποίων το ενδιάμεσο υλικό είναι είτε τύπου-n(τρανζίστορ τύπου pnp) ή τύπου-p(τρανζίστορ τύπου npn). Ένα τρανζίστορ αποτελείται από τρεις περιοχές, καθεμιά με διακεκριμένη λειτουργία: Εκπομπός(emitter): Είναι μια έντονα εμπλουτισμένη περιοχή με προορισμό είτε να εκπέμπει είτε να εισάγει ηλεκτρόνια στη βάση. Βάση(base): Είναι μια λιγότερο εμπλουτισμένη και πολύ λεπτή περιοχή. Το πάχος της βάσης επιτρέπει στα περισσότερα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από τον εκπομπό να φθάνουν στον συλλέκτη. Συλλέκτης(collector): Συλλέγει τα ηλεκτρόνια που καταφθάνουν από τον εκπομπό. Το επίπεδο εμπλουτισμού του βρίσκεται μεταξύ αυτών του εκμπομπού και της βάσης, ενώ η ισχύς που καταναλώνεται σε αυτόν είναι μεγαλύτερη από εκείνες που καταναλώνονται στον εκπομπό και στην βάση, για αυτό και η περιοχή που καταλαμβάνει ο συλλέκτης είναι μεγαλύτερη.

28 28 Μπορεί να θεωρηθεί ότι το διπολικό τρανζίστορ αποτελείται από δυο διόδους συνδεδεμένες σε αντίθετη φορά, μια μεταξύ βάσης και εκπομπού(δίοδος/επαφή εκπομπού) και μια μεταξύ βάσης και συλλέκτη(δίοδος/επαφή συλλέκτη). Οι φορείς πλειονότητας σε εκπομπό και συλλέκτη στο τρανζίστορ pnp είναι οπές, ενώ στο τρανζίστορ npn είναι ηλεκτρόνια. Αυτό σημαίνει πως ο ένας τύπος τρανζίστορ είναι συμπληρωματικός του άλλου ή ισοδύναμα ότι κατά την λειτουργία τους θα έχουν ρεύματα και πολώσεις αντίθετης φοράς. Όταν δεν εφαρμόζεται πόλωση στο τρανζίστορ(θεωρούμε ότι είναι npn,θα μπορούσε να γίνει αντίστοιχα η μελέτη για pnp), τότε τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του εκπομπού και του συλλέκτη διαχέονται προς την επαφή εκπομπού και εισέρχονται στην βάση, όπου προκαλούν την δημιουργία μιας περιοχής φορτίων χώρου(εβ περιοχή φορτίων χώρου). Ομοίως τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του συλλέκτη διαχέονται προς την επαφή του συλλέκτη και δημιουργούν την περιοχή φορτίων χώρου CB. Και στις δυο περιοχές φορτίων χώρου το φράγμα δυναμικού είναι 0,7V για τρανζίστορ πυριτίου στους 25 0 C(0,3V για τρανζίστορ γερμανίου). Σημειώνεται πως τα τρανζίστορ πυριτίου έχουν μεγαλύτερους απόλυτους περιορισμούς τάσης και ρεύματος, ενώ είναι και λιγότερο ευαίσθητα στην θερμοκρασία, γιαυτό και χρησιμοποιούνται και περισσότερο από τα τρανζίστορ γερμανίου. Επειδή οι τρεις περιοχές του τρανζίστορ έχουν διαφορετικά επίπεδα εμπλουτισμού, οι περιοχές φορτίων χώρου δεν έχουν το ίδιο εύρος. Όσο περισσότερο είναι εμπλουτισμένη μια περιοχή φορτίων χώρου, τόσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση των ιόντων κοντά στην επαφή. Αυτό σημαίνει πως η περιοχή φορτίων χώρου διεισδύει ελάχιστα στην περιοχή του εκπομπού(μεγάλος εμπλουτισμός), αλλά πολύ βαθιά μέσα στην περιοχή της βάσης(μικρός εμπλουτισμός) Έτσι η περιοχή φορτίων χώρου του εκπομπού είναι μικρή, ενώ αυτή του συλλέκτη είναι μεγάλη. Για να είναι σε θέση ο εκπομπός να εκπέμπει φορτία προς την βάση, θα πρέπει η δίοδος εκπομπού να είναι ορθά πολωμένη και αντίστοιχα, για να είναι εφικτή η συλλογή φορτίων από τον συλλέκτη, πρέπει η δίοδος συλλέκτη να είναι ανάστροφα πολωμένη.

29 29 Εικόνα 3.3:Φορτία χώρου σε τρανζίστορ npn Ανάλογα με την τιμή της τάσης βάσης εκπομπού(v BE) είναι δυνατές οι ακόλουθες περιπτώσεις: α)όταν είναι V BE<0,7V, τότε πρακτικά δεν διέρχεται ρεύμα από την βάση προς τον εκπομπό. β) Όταν είναι V BE>0,7V, υπάρχει αισθητή ροή ηλεκτρονίων από τον εκπομπό προς την βάση και οπών από την βάση προς τον εκπομπό αντίστοιχα. Η επαφή του συλλέκτη(που είναι ανάστροφα πολωμένη) περιορίζει σημαντικά το εύρος της βάσης, με αποτέλεσμα την αύξηση του ποσοστού των ηλεκτρονίων που δεν θα παραμείνουν στον χώρο της βάσης αλλά θα εισέλθουν στον χώρο της επαφής του συλλέκτη. Το ηλεκτρικό πεδίο στην περιοχή φορτίου χώρου του συλλέκτη έχει φορά που ωθεί τα ηλεκτρόνια που έχουν εισέλθει προς τον συλλέκτη. Αυτά τα ηλεκτρόνια συλλέγονται από την επαφή του συλλέκτη και δίνουν το ρεύμα συλλέτη I C(βέβαια υπάρχει και το ρεύμα ανάστροφης πόλωσης της διόδου συλλέκτη, το οποίο όμως θεωρείται αμελητέο). Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που παραμένουν στον χώρο της βάσης, μαζί με τις ελεύθερες οπές, οι οποίες εισέρχονται στην περιοχή του εκπομπού, δίνουν το ρεύμα βάσης I B. Επειδή το ρεύμα αυτό προκύπτει από αλληλεξουδετέρωση ελεύθερων ηλεκτρονίων με ελεύθερες οπές, ονομάζεται και ρεύμα επανασύνδεσης. Γενικότερα ισχύουν: Το ρεύμα συλλέκτη(i C) είναι περίπου ίσο με το ρεύμα του εκπομπού(i E) Το ρεύμα βάσης(i B) είναι πολύ μικρό.

30 30 DC άλφα Όπως αναφέρθηκε παραπάνω ο ρεύμα συλλέκτη(i C) είναι περίπου ίσο με το ρεύμα του εκπομπού(i E). Το dc άλφα(α dc) ενός τρανζίστορ δείχνει το πόσο κοντά βρίσκονται οι τιμές αυτών των ρευμάτων. Ορίζεται ως ο λόγος του ρεύματος συλλέκτη προς το ρεύμα του εκπομπού. Όσο πιο λεπτή και εμπλουτισμένη είναι η βάση τόσο μεγαλύτερο γίνεται το α dc. Παρακάτω θα αναφερθούν κάποιες βασικές συνδεσμολογίες BJT τρανζίστορ: I. Συνδεσμολογία κοινού εκπομπού(common emitter CE):Οι βρόχοι έχουν ως κοινό σημείο τον εκπομπό, ο οποίος είναι γειωμένος. II. III. Συνδεσμολογία κοινής βάσης(common base CB): Οι βρόχοι έχουν ως κοινό σημείο την βάση, η οποία είναι γειωμένη. Συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη(common collector CC): Οι βρόχοι έχουν ως κοινό σημείο τον συλλέκτη, ο οποίος είναι γειωμένος. Εικόνα 3.4:Συνδεσμολογίες bjt τρανζίστορ Συνδεσμολογία κοινής βάσης Όλες οι φορές των ρευμάτων της εικόνας 3.4 είναι οι πραγματικές φορές όπως ορίζονται από την επιλογή της συμβατικής φοράς. Σε κάθε περίπτωση ισχύει I E=I C+I B, καθώς επίσης και πως ότι οι εφαρμοζόμενη πόλωση(πηγές τάσης) είναι τέτοια ώστε να δημιουργεί ρεύμα κατά την φορά που σημειώνεται για κάθε κλάδο.

31 31 Για να γίνει μια πλήρης περιγραφή της συμπεριφοράς μιας διάταξης όπως οι ενισχυτές κοινής βάσης απαιτούνται δύο σμήνη χαρακτηριστικών, ένα για τις παραμέτρους του σημείου οδήγησης/εισόδου(input) και ένα για τις παραμέτρους εξόδου(output). Το σμήνος των παραμέτρων εισόδου για τον ενισχυτή κοινής βάσης συσχετίζει το ρεύμα εισόδου(i E) με την τάση εισόδου(v BE) για τις διάφορες τιμές της τάσης εξόδου(v CB), όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα 1.7 Εικόνα 3.5:Χαρακτηριστικές εισόδου-εξόδου ενισχυτή κοινής βάσης Το σμήνος χαρακτηριστικών εξόδου συσχετίζει το ρεύμα εξόδου(i C) με την τάση εξόδου(v CB) για διάφορες τιμές του ρεύματος εισόδου(i E). Οι χαρακτηριστικές εξόδου έχουν τρεις βασικές περιοχές: την ενεργό περιοχή(active region), την περιοχή αποκοπής(cutoff region) και την περιοχή κόρου(saturation region). Η ενεργός περιοχή ορίζεται από τις εφαρμοζόμενες πολώσεις του σχήματος 1.6. Στο κάτω μέρος της ενεργού περιοχής το ρεύμα εκπομπού(i E) είναι μηδέν και το ρεύμα συλλέκτη είναι ουσιαστικά το ανάστροφο ρεύμα κόρου I CO. Το ρεύμα I CO είναι τόσο μικρό(της τάξης των μα) συγκρινόμενο με την κατακόρυφη κλίμακα του I C(της τάξης των ma) που πρακτικά φαίνεται ότι βρίσκεται πάνω στον οριζόντιο άξονα, όπως συμβαίνει όταν I C=0. Παρατηρούμε πως καθώς το ρεύμα εκπομπού αυξάνεται πάνω από το μηδέν, το ρεύμα συλλέκτη αυξάνεται στα ίδια περίπου επίπεδα με το ρεύμα εκπομπού. Επίσης παρατηρείται η ασήμαντη σχεδόν επίδραση της τάσης V CB στο ρεύμα συλλέκτη για την ενεργό περιοχή.

32 32 Οι καμπύλες δείχνουν ξεκάθαρα ότι μια πρώτη προσέγγιση μεταξύ του I E και του I C στην ενεργό περιοχή δίνεται από την εξίσωση: I C Ι Ε Η περιοχή αποκοπής ορίζεται ως η περιοχή στην οποία το ρεύμα συλλέκτη είναι 0 Α. Επίσης στην περιοχή αποκοπής οι επαφές βάσηςεκπομπού και συλλέκτη βάσης είναι ανάστροφα πολωμένες. Η περιοχή κόρου είναι η περιοχή στην οποία βρίσκεται το τμήμα των χαρακτηριστικών για τις τιμές της V CB ίσες ή μικρότερες του μηδενός. Η οριζόντια κλίμακα στην περιοχή αυτή έχει επεκταθεί για να δείξει με σαφήνεια την απότομη μεταβολή των χαρακτηριστικών. Η αύξηση του ρεύματος συλλέκτη είναι εκθετική καθώς η τάση V CB αυξάνεται προς την τιμή των 0 V. Για σταθερές τιμές της τάσης συλλέκτη V CB, όσο αυξάνεται η τάση μεταξύ βάσης και εκπομπού, το ρεύμα εκπομπού αυξάνεται με τέτοιο τρόπο που θυμίζει την χαρακτηριστική της διόδου. Συνδεσμολογία κοινού εκπομπού Όλες οι φορές των ρευμάτων του σχήματος 1.6 είναι οι πραγματικές φορές όπως ορίζονται από την επιλογή της συμβατικής φοράς. Παρά το γεγονός ότι η συνδεσμολογία του τρανζίστορ έχει αλλάξει, η σχέση των ρευμάτων που είδαμε στη συνδεσμολογία κοινής βάσης εξακολουθούν να ισχύουν δηλαδή I E=I C+I B και Ι c=αi E. Για την συνδεσμολογία του κοινού εκπομπού οι χαρακτηριστικές εξόδου είναι το διάγραμμα του ρεύματος εξόδου(i C) συναρτήσει της τάσης εξόδου (V CE) για μια περιοχή του ρεύματος εισόδου(i B). Οι χαρακτηριστικές εισόδου είναι το διάγραμμα του ρεύματος εισόδου I B συναρτήσει της τάσης εισόδου(v BE) για μια περιοχή της τάσης εξόδου(v CE). Έτσι έχουμε:

33 33 Εικόνα 3.6:Χαρακτηριστικές εισόδου-εξόδου ενισχυτή κοινού εκπομπού Το μέγεθος του ρεύματος Ι Β είναι της τάξης των μα, ενώ του ρεύματος Ι C είναι της τάξης των ma. Επίσης οι καμπύλες για τα διάφορα Ι Β δεν είναι οριζόντιες, όπως οι καμπύλες του Ι Ε στη συνδεσμολογία κοινής βάσης, γεγονός που υποδηλώνει πως η τάση μεταξύ συλλέκτη και εκπομπού θα επηρεάσει την τιμή του ρεύματος συλλέκτη. Η ενεργός περιοχή(active region) για την συνδεσμολογία κοινού εκπομπού είναι το τμήμα του διαγράμματος που παρουσιάζει την μεγαλύτερη γραμμικότητα, δηλαδή στην περιοχή που οι καμπύλες είναι σχεδόν ευθείες και απέχουν εξίσου μεταξύ τους, όπως φαίνεται και στην εικόνα 1.8, είναι στα δεξιά της σκιασμένης γραμμής για V CE(sat) και πάνω από την καμπύλη που αντιστοιχεί σε Ι Β=0 μα. Η σκιασμένη περιοχή στα αριστερά του διαγράμματος είναι η περιοχή κόρου. Η ενεργός περιοχή της συνδεσμολογίας κοινού εκπομπού μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ενίσχυση τάσης, ρεύματος ή ισχύος. Η περιοχή αποκοπής για τη συνδεσμολογία κοινού εκπομπού δεν είναι ορισμένη με τον ίδιο απόλυτο τρόπο που ορίζεται σε αυτή της κοινής βάσης. Στις χαρακτηριστικές εξόδου το Ι C δεν είναι μηδέν όταν I B=0. Στη συνδεσμολογία κοινής βάσης, όταν το ρεύμα εισόδου Ι Ε ήταν μηδέν, το ρεύμα συλλέκτη ήταν ίσο μόνο με το ανάστροφο ρεύμα κόρου I CO, με αποτέλεσμα η καμπύλη Ι Ε=0 πρακτικά να ταυτίζεται με τον οριζόντιο άξονα.

34 34 Για συνθήκες γραμμικής ενίσχυσης(δηλαδή με την ελάχιστη δυνατή παραμόρφωση) η περιοχή αποκοπής για την συνδεσμολογία κοινού εκπομπού θα ορίζεται από την σχέση I C=I CEO Με άλλα λόγια, για την λήψη απαραμόρφωτου σήματος εξόδου πρέπει να απογεύγεται η λειτουργία στην περιοχή που βρίσκεται κάτω από την καμπύλη I B=0μΑ. Συντελεστής β Σε συνθήκες dc οι τιμές των I C και Ι Β σχετίζονται με ένα μέγεθος που ονομάζεται συντελεστής β(beta) και ορίζεται από την σχέση: β dc=i C/I B όπου τα Ι C και Ι Β είναι τιμές ρεύματος για ένα συγκεκριμένο σημείο λειτουργίας πάνω στην χαρακτηριστική. Στην πράξη η τιμή του β κυμαίνεται από 50 μέχρι 400, με τα περισσότερα τρανζίστορ να βρίσκονται κάπου στην μέση. Όπως και με τον συντελεστή α, που αναφέρθηκε παραπάνω, ο συντελεστής β εκφράζει το σχετικό μέγεθος ενός ρεύματος ως προς το άλλο. Για ένα τρανζίστορ με συντελεστή β=100, το ρεύμα συλλέκτη είναι 100 φορές μεγαλύτερο από το ρεύμα βάσης. Συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη Η τρίτη συνδεσμολογία είναι η συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη με τα ρεύματα και τις πολικότητες όπως αναφέρθηκαν και στις 2 προηγούμενες συνδεσμολογίες. Η συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη χρησιμοποιείται σαν βαθμίδα προσαρμογής, καθώς εμφανίζει πολύ μεγάλη σύνθετη αντίσταση εισόδου και πολύ μικρή σύνθετη αντίσταση εξόδου, ακριβώς το αντίθετο δηλαδή από τις συνδεσμολογίες κοινού εκπομπού και κοινής βάσης. Οι χαρακτηριστικές εξόδου της συνδεσμολογίας κοινούς συλλέκτη είναι ίδιες με αυτής του κοινού εκπομπού. Για τη συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη οι χαρακτηριστικές εξόδου είναι ένα διάγραμμά του ρεύματος Ι Ε συναρτήσει της V CE για μια περιοχή τιμών του Ι Β. Άρα το ρεύμα εισόδου για τις χαρακτηριστικές κοινού εκπομπού και κοινού συλλέκτη είναι το ίδιο.

35 35 3.3Ρελέ Ο ηλεκτρονόμος ή ρελέ (relay) είναι ένας ηλεκτρικός διακόπτης που ανοίγει και κλείνει ένα ηλεκτρικό κύκλωμα κάτω από τον έλεγχο ενός άλλου ηλεκτρικού κυκλώματος. Στην αρχική μορφή του, ένας ηλεκτρομαγνήτης ενεργοποιούσε το διακόπτη, με το άνοιγμα ή κλείσιμο μιας ή περισσότερων επαφών. Εφευρέθηκε από τον Τζόζεφ Χένρυ το Επειδή ένας ηλεκτρονόμος είναι ικανός να ελέγχει ένα κύκλωμα εξόδου υψηλότερης ισχύος από το κύκλωμα εισόδου, μπορεί να θεωρηθεί, γενικά, μια μορφή ηλεκτρικού ενισχυτή. Κάθε επαφή ενός ρελέ μπορεί να είναι Κανονικά-Ανοικτή (Normally Open, NO), Κανονικά-Κλειστή' (Normally Closed, NC) ή μεταγωγικός (change-over), ανάλογα με τον τύπο της: Μια επαφή Κανονικά-Ανοικτή(ΝΟ) συνδέει το κύκλωμα όταν το ρελέ ενεργοποιείται: το κύκλωμα αποσυνδέεται όταν το ρελέ είναι ανενεργό. Μια τέτοια επαφή καλείται επίσης Επαφή Μορφής A ή επαφή "make". Η επαφή μορφής Α είναι ιδανική για εφαρμογές που απαιτούν την ενεργοποίηση μιας πηγής υψηλής τάσης από απόσταση. Μια επαφή Κανονικά-Κλειστή(NC) αποσυνδέει το κύκλωμα όταν το ρελέ ενεργοποιείται το κύκλωμα συνδέεται όταν το ηλεκτρονόμος είναι ανενεργό. Μια τέτοια επαφή καλείται επίσης Επαφή Μορφής B ή επαφή "break". Η επαφή μορφής Β είναι ιδανική για εφαρμογές που απαιτούν το κύκλωμα να παραμένει κλειστό (ενεργό) μέχρι το ρελέ να ενεργοποιηθεί. Μια επαφή Μεταγωγική μπορεί να ελέγχει δύο κυκλώματα. Ισοδυναμεί με μια επαφή κανονικά-ανοικτή και μια επαφή κανονικά-κλειστή που έχουν ένα κοινό ακροδέκτη. Μια τέτοια επαφή καλείται επίσης Επαφή Μορφής C. Συνήθως ένας ηλεκτρονόμος αποτελείται από περισσότερες από μία ελεγχόμενες επαφές. Οι επαφές χωρίζονται σε κύριες και βοηθητικές. Οι κύριες διαρρέονται συχνά από ισχυρότερα ρεύματα και έτσι είναι αυτές που διακόπτουν το κύριο κύκλωμα και συνήθως είναι Κανονικά-Ανοικτές. Οι βοηθητικές έχουν όπως υπονοεί και το όνομά τους επικουρικό χαρακτήρα και ο ρόλος τους είναι να βοηθούν στον έλεγχο των αυτοματισμών (που είναι ο κύριος τομέας χρήσης των ηλεκτρονόμων). Για παράδειγμα βοηθούν στην ενεργοποίηση/απενεργοποίηση βοηθητικών κυκλωμάτων όπως ενδεικτικές λυχνίες.

36 36 Όταν ηλεκτρικό ρεύμα διαρρέει το πηνίο του ηλεκτρονόμου, το παραγόμενο μαγνητικό πεδίο έλκει έναν οπλισμό που είναι μηχανικά συνδεδεμένος σε μια κινούμενη επαφή. Έτσι, η κινούμενη επαφή είτε συνδέεται με μια σταθερή επαφή είτε αποσυνδέεται από τη σταθερή επαφή. Μόλις το ηλεκτρικό ρεύμα στο πηνίο διακοπεί, ο οπλισμός επιστέφει στη θέση ηρεμίας του εξαιτίας μιας δύναμης επαναφοράς, που είναι ίση με το ήμισυ της μαγνητικής. Η δύναμη επαναφοράς παρέχεται συνήθως από ένα ελατήριο, αλλά και η βαρύτητα χρησιμοποιείται συχνά σε βιομηχανικούς εκκινητές μηχανών. Η μεταβολή της μαγνητικής ροής στο πηνίο γεννά ένα ηλεκτρικό ρεύμα, το λεγόμενο "επαγωγικό", που έχει αντίθετη φορά από εκείνο που παρέχεται στο πηνίο. Για τη λειτουργία του πηνίου και τη μετακίνηση των επαφών απαιτείται σχετικά μεγάλη ένταση ηλεκτρικού ρεύματος, αλλά - μόλις ο οπλισμός κλείσει - το ηλεκτρικό ρεύμα που απαιτείται για να κρατήσει τον οπλισμό κλειστό είναι ένα μικρό κλάσμα του αρχικού, τυπικά το 1 / 10. Οι ηλεκτρονόμοι κατασκευάζονται για να λειτουργούν γρήγορα. Σε μια εφαρμογή χαμηλής τάσης, αυτό γίνεται για τη μείωση του θορύβου. Σε μια εφαρμογή υψηλής τάσης ή υψηλής έντασης ρεύματος, αυτό γίνεται για τη τη μείωση των σπινθήρων, Εάν το πηνίο διεγείρεται με συνεχές (DC) ρεύμα, ανεξάρτητα από το ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει διαμέσου των επαφών, μια δίοδος μπαίνει συνήθως παράλληλα με το πηνίο. Όταν το πηνίο διεγείρεται, αποκαθίσταται ένα μαγνητικό πεδίο. Όταν το πηνίο αποδιεγείρεται, το καταρρέον μαγνητικό πεδίο δημιουργεί μια αιχμή ηλεκτρικού ρεύματος που θα μπορούσε να βλάψει το υπόλοιπο κύκλωμα. Αν το πηνίο διεγείρεται με εναλλασσόμενο (AC) ρεύμα, ένα μικρό χάλκινο δαχτυλίδι πτυχώνεται στο άκρο του σωληνοειδούς πηνίου. Το εναλλασσόμενο ρεύμα μηδενίζεται 100 φορές το δευτερόλεπτο. Σε κάθε χρονική στιγμή μηδενισμού, δεν υπάρχει καμιά μαγνητική δύναμη που να συγκρατεί τις επαφές κλειστές. Το μικρό χάλκινο δαχτυλίδι παρέχει ένα μικρό ρεύμα εκτός φάσεως που καλείται shadow pole (σκιώδης πόλος). Το άθροισμα του εναλλασόμενου ρεύματος και του shadow pole εξασφαλίζει τη συγκράτηση του οπλισμού στη θέση εμπλοκής σε όλες τις χρονικές στιγμές. 3.4 Φαινόμενο Peltier Ο Γάλλος Φυσικός Jean Peltier το 1839 ότι σε ένα σύστημα απαρτιζόμενο από δύο ζεύξεις ανόμοιου υλικού που συνδέεται με μία πηγή χαμηλής ΗΕΔ συνεχούς ρεύματος, η θερμότητα θα απορροφηθεί από τη μία ζεύξη και θα αποβληθεί από την άλλη σε αναλογία με την ένταση του ρεύματος που ρέει δια μέσω των αγωγών. Καθώς οι φορείς (ηλεκτρόνια) μετακινούνται από μία κατάσταση χαμηλής ενέργειας σε μία κατάσταση υψηλότερης ενέργειας κατά μήκος της ζεύξης, απορροφούν ενέργεια από το περιβάλλον. Αντίστροφα, αν αλλάξει η πολικότητα της πηγής, όπως οι φορείς μετακινούνται από μία υψηλότερη κατάσταση ενέργειας σε μία χαμηλότερη, απελευθερώνουν ενέργεια στη ζεύξη.

37 37 Η ποσότητα της θερμότητας που μεταφέρεται κατά αυτό τον τρόπο εξαρτάται από τον αριθμό των φορέων που μετακινούνται, οι οποίοι με τη σειρά τους δημιουργούν και το ηλεκτρικό ρεύμα. Η πρακτική σημασία του παραπάνω φαινομένου αποτελεί τη βάση της χρήσης των Θερμοηλεκτρικών στοιχείων στην θερμική διαχείριση των ηλεκτρονικών συστημάτων. Αναλυτικότερα, τα θερμοηλεκτρικά στοιχεία Peltier είναι ηλεκτρονικά εξαρτήματα βασισμένα σε ημιαγωγούς στερεάς κατάστασης τα οποία λειτουργούν σαν μικρές αντλίες θερμότητας. Όταν λοιπόν μία χαμηλή τάση dc εφαρμοστεί στο στοιχείο, η θερμότητα μεταφέρεται δια μέσω του από τη μία πλευρά στην άλλη σε αναλογία με την εφαρμοσμένη τάση. Αντιστρέφοντας την πολικότητα της πηγής, η θερμότητα μεταφέρεται ακολουθώντας την αντίθετη φορά. Επομένως το ίδιο στοιχείο μπορεί να λειτουργήσει είτε για θέρμανση είτε για ψύξη, δίνοντας τη δυνατότητα στο χρήστη να σταθεροποιήσει τη θερμοκρασία με εξαιρετική ακρίβεια. Q Μπορούμε να ορίσουμε τον λόγο π αβ= όπου παβ=πα+πβ ως τον συντελεστή Peltier I του θερμοζεύγους, ή ακριβέστερα ως αθροιστικό συντελεστή Peltier π αβ, επειδή εκφράζει το άθροισμα των απολύτων συντελεστών Peltier των δύο υλικών. Για δεξιόστροφη φορά έντασης του ρεύματος, εάν το πρόσημο του π αβ είναι θετικό, η επαφή Α του θερμοζεύγους θερμαίνεται ενώ η επαφή Β ψύχεται. Για τους συντελεστές Peltier έχουμε: π<0 : Έχουμε αρνητικό συντελεστή Peltier. Υψηλότερης ενέργειας ηλεκτρόνια κινούνται από τα δεξιά προς τα αριστερά. Η ροή του ηλεκτρικού και θερμικού ρεύματος είναι προς την αντίθετη κατεύθυνση.

38 38 π>0 : Έχουμε θετικό συντελεστή Peltier. Υψηλότερης ενέργειας οπές κινούνται από τα αριστερά προς τα δεξιά. Η ροή του ηλεκτρικού και θερμικού ρεύματος είναι προς την ίδια κατεύθυνση. Ο ρυθμός μεταφοράς της θερμότητας δίνεται από την σχέση: Q=π αβi=(π Α-π Β)I, όπου π αβ ο αθροιστικός συντελεστής Peltier/σταθερά Peltier και π α,π β οι συντελεστές/σταθερές Peltier κάθε υλικού. Τα θερμοηλεκτρικά στοιχεία δεν είναι ιδανικά για κάθε εφαρμογή ψύξης και υπάρχουν αρκετές περιπτώσεις όπου πιο απλές συσκευές όπως ψύκτρες για παράδειγμα είναι πιο κατάλληλες. Επίσης τα θερμοηλεκτρικά στοιχεία δεν μπορούν να πετύχουν την ίδια χαμηλή ψύξη όπως οι μηχανικές ψυκτικές συσκευές (stirling coolers). Παρόλα αυτά υπάρχουν περιπτώσεις όπου η χρήση των θερμοηλεκτρικών στοιχείων για ψύξη είναι η μοναδική ταιριαστή λύση ή για τις οποίες παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με άλλες μεθόδους. Για παράδειγμα, ένα θερμοηλεκτρικό στοιχείο μπορεί να ψύξει μία εφαρμογή σε θερμοκρασία χαμηλότερη του περιβάλλοντος. Επίσης συγκρινόμενα με ανεμιστήρες και chillers τα TEs είναι πιο αποδοτικά και γενικότερα πιο συμπυκνωμένα σε μέγεθος. Η Θερμοηλεκτρική ψύξη είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική σε περιπτώσεις όπου απαιτείται ακριβής έλεγχος θερμοκρασίας, όπως οι εφαρμογές laser. Με το κατάλληλο κύκλωμα ελέγχου θερμοκρασίας τα TEs μπορούν να σταθεροποιήσουν τη θερμοκρασία σε επίπεδα καλύτερα από ± 0.1 C. Εκτός από τα πλεονεκτήματα σε θέματα απόδοσης, τα θερμοηλεκτρικά στοιχεία χρησιμοποιούνται συνήθως σε περιπτώσεις όπου τα δεσμευτικά κριτήρια ενός design περιλαμβάνουν υψηλή αξιοπιστία, μικρό μέγεθος, χαμηλό κόστος και χαμηλό βάρος. Θα έπρεπε να σημειωθεί ότι τα θερμοηλεκτρικά στοιχεία αποτελούν μόνο ένα μέρος του ψυκτικού συστήματος. Η λειτουργία τους ως αντλίες θερμότητας είναι η αδιάλειπτη μεταφορά θερμότητας από την πηγή της (από ένα εξάρτημα ή ένα ολόκληρο σύστημα). Αυτή η θερμότητα πρέπει να μεταφερθεί από το TE στο

39 39 περιβάλλον χρησιμοποιώντας έναν οχετό θερμότητας (heat sink) ή συναφείς συσκευές. Επίσης θέματα υγροποίησης ως υποπροϊόντα της λειτουργίας σε θερμοκρασίες υπό του περιβάλλοντος πρέπει πάντα να λαμβάνονται υπόψη στο σχεδιασμό και την επιλογή του καταλληλότερου μοντέλου. Παρακάτω παρατίθενται ορισμένες εφαρμογές του στοιχείου Peltier: Lasers Πηγές Φωτός Γυαλιά Νυκτός Ανιχνευτές Ακτινοβολίας Όργανα Φασματοσκοπίας Μπαταρία αυτοκινήτων Άλλες βιομηχανικές εφαρμογές ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 3 ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ el.wikipedia.org ROBERT L. BOYLESTAD-LOUIS NASHELSKY, ΚΕΦΑΛΑΙΑ 1-2-3, ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΤΖΙΟΛΑ 10 η ΕΚΔΟΣΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 2:ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ- ΑΝΑΛΥΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

40 40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ-ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ

41 Ψηφιακό Θερμόμετρο Για την κατασκευή του ψηφιακού θερμομέτρου χρησιμοποιήθηκαν τα παρακάτω στοιχεία: 2 θερμικοί αισθητήρας LM35CZ Ο μικροελεγκτής Arduino Uno Μια οθόνη LCD Καλώδια(για τις συνδέσεις) Αρχικά θα αναλυθούν ο θερμικός αισθητήρας LM35,που αντιλαμβάνεται την θερμοκρασία και η LCD οθόνη, η οποία την εμφανίζει LM35 Ένας από τους πιο διαδεδομένους αισθητήρες θερμοκρασίας είναι το ολοκληρωμένο κύκλωμα LM35.Η λειτουργία του στηρίζεται στις ιδιότητες που έχει η επαφή PN. Η επαφή PΝ είναι πολωμένη ανάστροφα, οπότε το ανάστροφο ρεύμα κόρου είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας της επαφής. Ο LM35 μεταβάλλει την έξοδό του κατά 10 mv, όταν η θερμοκρασία μεταβάλλεται κατά 1 0 C. Ο αισθητήρας LM35 μετρά θερμοκρασίες από C μέχρι C. Το ρεύμα που τον διαρρέει είναι 60 μa(που πρόκειται για μια πολύ μικρή τιμή) και για αυτό τον λόγο εμφανίζει πολύ μικρό φαινόμενο αυτοθέρμανσης(της τάξης των C όταν βρίσκεται ακίνητο σε ακίνητο αέρα). Ο LM35 μπορεί να τροφοδοτηθεί από μια ευρεία περιοχή τάσεων που κυμαίνεται μεταξύ 4V και 30 V, ενώ επίσης έχει χαμηλή αντίσταση εισόδου(0,1ω για ρεύμα εξόδου 1μΑ) και μπορεί εύκολα να συνδεθεί με κυκλώματα ελέγχου ή διασύνδεσης. Τέλος εμφανίζει άριστη γραμμικότητα στη λειτουργία του Οθόνη LCD Εικόνα 4.1 Αισθητήρας θερμοκρασίας LM35CZ

42 42 H πρώτη πειραματική συσκευή ηλεκτρονικής απεικόνιση με τη βοήθεια υγρών κρυστάλλων έγινε από την εταιρία RCA το 1968 και από τότε μέχρι σήμερα η ραγδαία τεχνολογική εξέλιξη έχει καταστήσει τις οθόνες υγρών κρυστάλλων ως το μεγαλύτερο αντίπαλο των οθονών τεχνολογίας CRT. Το βασικό δομικό στοιχείο μιας οθόνης υγρών κρυστάλλων είναι ο υγρός κρύσταλλος. Λόγω της μοριακής τους δομής, οι υγροί κρύσταλλοι έχουν την ιδιότητα να αλλάζουν την πολικότητα του φωτός που περνά από μέσα τους, ανάλογα με την τάση του ηλεκτρικού ρεύματος που εφαρμόζεται σε αυτούς. Συνεπώς, εσωκλείοντας ένα στρώμα υγρών κρυστάλλων μεταξύ δύο φίλτρων οριζόντιας πόλωσης του φωτός, τα οποία είναι προσανατολισμένα ώστε να μην αφήνουν τη διέλευση του, είναι εφικτό να ελεγχθεί η ποσότητα του φωτός που θα περάσει τη διάταξη αυτή ανάλογα με την ηλεκτρική τάση που εφαρμόζεται στο στρώμα των υγρών κρυστάλλων. Επειδή οι υγροί κρύσταλλοι δεν εκπέμπουν φως, οι οθόνες υγρών κρυστάλλων φωτίζονται από κάποια εξωτερική πηγή φωτός, η οποία στην περίπτωση των οθονών υγρών κρυστάλλων που χρησιμοποιούνται στους Η/Υ, είναι μια μικρή λάμπα φθορίου, η οποία συνοδεύεται από μια επιφάνεια διάχυσης του φωτός για την ισόποση κατανομή της φωτεινότητας σε όλη την επιφάνεια της οθόνης. Η εικόνα σχηματίζεται ανάλογα με το ηλεκτρικό φορτίο που ασκείται στους υγρούς κρυστάλλους, είτε από ένα πλέγμα μικροσκοπικών ηλεκτροδίων στις οθόνες τύπου LCD, οι οποίες έχουν είδη ξεπεραστεί και η παραγωγή τους έχει περιοριστεί στο ελάχιστο, είτε από μια συστοιχία ημιαγωγών (τρανζίστορ) στις οθόνες τύπου TFT, οι οποίες αποτελούν την πλέον αποδεκτή πρόταση απεικόνισης με τη βοήθεια υγρών κρυστάλλων. Εικόνα 4.2: Οθόνη LCD Εικόνα 4.3: LCD pins

43 43 Σε αυτό το κύκλωμα της εργασίας οι 2 θερμικοί αισθητήρες αντιλαμβάνονται την εξωτερική και εσωτερική θερμοκρασία του χώρου, την οποία στην συνέχεια εισάγουν στον μικροελεγκτή Arduino UNO, για να πραγματοποιηθούν στην συνέχεια ορισμένες διαδικασίες μέσω αυτού. Περισσότερη ανάλυση για την λειτουργία αυτή θα πραγματοποιηθεί στο κεφάλαιο 5, που θα γίνει ανάλυση της λειτουργίας του Arduino UNO, ο οποίος αποτελεί την βάση αυτής της εργασίας. 4.2 Κύκλωμα ειδοποίησης υπέρβασης ορίων Για το κύκλωμα αυτό χρησιμοποιήθηκαν τα εξής στοιχεία: 2 LED Arduino Uno Οθόνη LCD Σε αυτό το κομμάτι της εργασίας πραγματοποιείται ένα κύκλωμα, το οποίο ενημερώνει για υπέρβαση των ορίων θερμοκρασίας τόσο στην περίπτωση που υπερβεί κατά πολύ την επιθυμητή θερμοκρασία του χώρου, όσο και στην περίπτωση που η θερμοκρασία του χώρου πέσει αρκετά κάτω από το επιθυμητό. Αυτό πραγματοποιείται μέσω 2 διόδων LED, που καθένα ανάβει για κάθε μια περίπτωση υπέρβασης των ορίων. Παράλληλα, μαζί με τις διόδους LED, υπάρχει ταυτόχρονη ειδοποίηση στην οθόνη LCD με κατάλληλο μήνυμα για την κάθε περίπτωση. Όπως και το κύκλωμα του θερμομέτρου, έτσι και αυτό θα αναλυθεί περαιτέρω στο κεφάλαιο 5. Εικόνα 4.4: Red LED Εικόνα 4.5: Green LED

44 Στοιχείο Peltier Τα θερμοηλεκτρικά στοιχεία ή tec (thermoelectric coolers) είναι συσκευές solid-state οι οποίες λειτουργούν σαν αντλίες θερμότητας. Χρησιμοποιούνται κυρίως σε εφαρμογές ηλεκτρονικών για τον έλεγχο της θερμοκρασίας, συνήθως ψύξη, κάποιων εξαρτημάτων, προκαλώντας μεταφορά θερμότητας από την μία επιφάνεια στην άλλη. Αν εφαρμόσουμε συνεχή τάση στους ακροδέκτες του peltier η θερμότητα θα μεταφερθεί από την μία επιφάνεια, στην άλλη με αποτέλεσμα η μία πλευρά να θερμανθεί και η άλλη να ψυχθεί. Η θερμότητα πού αναπτύσσεται στην θερμή επιφάνεια του peltier διοχετεύεται στο περιβάλλον μέσω κάποιου θερμοαπαγωγού. Την κρύα πλευρά χρησιμοποιούμε συνήθως για να ψύξουμε κάποιο ηλεκτρονικό εξάρτημα αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σε άλλες εφαρμογές όπως τα φορητά ψυγεία αυτοκινήτου. 4.4 Θερμοστάτες με χρήση relay Σε αυτό το τμήμα της εργασίας χρησιμοποιήθηκαν τα εξής εξαρτήματα: 2 12V DC ρελέ Αντιστάσεις R 1,R 2 των 1kΩ 2 δίοδοι ΙΝ4004 Μπαταρία Φωτοευαίσθητη πλακέτα Καταρχάς θα αναλύσουμε την σχεδίαση της φωτοευαίσθητης πλακέτας, η οποία έγινε με το πρόγραμμα σχεδίασης EAGLE

45 Σχεδίαση φωτοευαίσθητης πλακέτας H σχεδίαση της φωτοευαίσθητης πλακέτας έγινε με το πρόγραμμα σχεδίασης EAGLE. Αρχικά πραγματοποιείται η σχεδίαση του κυκλώματος στο EAGLE σε ένα αρχείο schematic(παρατίθεται παρακάτω στην εικόνα 4.6) και στην συνέχεια επιλέγεται από το πρόγραμμα η μετατροπή του σε board(εικόνα 4.7) πάνω στην οποία βασίζεται η πλακέτα PCB που πραγματοποιούμε. Εικόνα 4.6: Schematic Με βάση την παραπάνω εικόνα μέσω του EAGLE πραγματοποιείται η μετατροπή του σε PCB:

46 46 Εικόνα 4.7:Board Στη συνέχεια γίνεται ανάλυση της κατασκευής της φωτοευαίσθητης πλακέτας που χρησιμοποιήθηκε: Κατασκευή φωτοευαίσθητης πλακέτας Η διαδικασία κατασκευής μιας φωτοευαίσθητης πλακέτας είναι η παρακάτω: Αφού σχεδιάσουμε το κύκλωμα σε κατάλληλο πρόγραμμα σχεδίασης (στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιήθηκε το EAGLE), τυπώνουμε το κύκλωμα σε μια θερμοδιαφάνεια(εικόνα 4.8). Στη συνέχεια προετοιμάζουμε το χώρο που θα τοποθετήσουμε το κύκλωμα που θέλουμε να τυπώσουμε πάνω στην πλακέτα, φροντίζουμε δηλαδή να έχει απόλυτο σκοτάδι. Επιλέγουμε μέγεθος πλακέτας ανάλογο του μεγέθους του κυκλώματος επάνω στη διαφάνεια. Έπειτα την τοποθετούμε την πλακέτα μαζί με τη διαφάνεια ανάμεσα σε δύο τζάμια και φωτοβολούμε με ακτίνες UV για περίπου έξι περίπου λεπτά (Εικόνα 4.9 ). Έπειτα τοποθετούμε σε μία λεκάνη χλιαρό νερό και καυστική σόδα και ρίχνουμε μέσα την πλακέτα προκειμένου να εμφανιστεί σταδιακά το κύκλωμά μας (Εικόνα 4.10). Στο τέλος πραγματοποιείται η αποχάλκωση, η οποία επιτυγχάνεται με τοποθέτηση της πλακέτας μέσα σε λεκάνη με καυτό νερό και τριχλωριούχο σίδηρο(εικόνα 4.11)

47 47 Εικόνα 4.8: Σχεδίαση στο EAGLE Εικόνα 4.9:Φωτοβόληση Εικόνα 4.10:Αποχάλκωση Εικόνα 4.11:Τελική πλακέτα Eπανερχόμαστε τώρα στην ανάλυση του κυκλώματος θερμοστάτη. Μέσω εντολών του Arduino UNO(θα παρατεθεί παρακάτω ο κώδικάς του στο κεφάλαιο 5) τα 2 ρελέ(από τα οποία το ένα είναι συνδεδεμένο με τον ανεμιστήρα του κυκλώματος-που αποτελεί το εργαλείο ψύξης του χώρου και το άλλο με το πιστολάκι, που αποτελεί το εργαλείο θέρμανσης του χώρου και αναπαριστά το καλοφιφέρ) τa pins μεταβαίνουν στην θέση NO και από εκεί ολοκληρώνεται το κύκλωμα αυτό και στην συνέχεια μπαίνουν-ανάλογα με τις συνθήκες που

48 48 επικρατούν- σε λειτουργία είτε η ψύξη του χώρου(μέσω του ανεμιστήρα), είτε η θέρμανση του χώρου(μέσα από το πιστολάκι). ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 4 ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ National Semiconductor Hlektronika.gr ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5:ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗΣ ARDUINO-ΚΩΔΙΚΑΣ-ΘΕΡΜΟΣΤΑΤΗΣ 5.1 Γενικές πληροφορίες για τον Arduino Το Arduino είναι ένας single-board μικροελεκτής, δηλαδή μια απλή μητρική πλακέτα ανοικτού κώδικα, με ενσωματωμένο μικροελεγκτή και εισόδους/εξόδους, και η οποία μπορεί να προγραμματιστεί με τη γλώσσα Wiring (ουσιαστικά πρόκειται για τη γλώσσα προγραμματισμού C++ και ένα σύνολο από βιβλιοθήκες, υλοποιημένες επίσης στην C++ ). Το Arduino μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη ανεξάρτητων διαδραστικών αντικειμένων αλλά και να συνδεθεί με υπολογιστή μέσω προγραμμάτων σε Processing, Max/MSP, Pure Data, SuperCollider. 5.2 Πλεονεκτήματα Το Arduino μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία προσωποποιημένων ηλεκτρονικών project, παίρνοντας εισερχόμενα δεδομένα από μια ποικιλία από εξερχόμενων δεδομένων. Τα προγράμματα μπορεί να είναι ανεξάρτητα (να εκτελούνται δηλαδή μόνο πάνω στην πλατφόρμα), ή μπορεί να χρησιμοποιηθούν για να προωθούν ή να λαμβάνουν πληροφορίες από εφαρμογές που τρέχουν στον υπολογιστή. Το λογισμικό που χρησιμοποιείται για να προγραμματιστεί η πλατφόρμα είναι ανοιχτού κώδικα και μπορεί να ληφθεί δωρεάν. Τα πλεονεκτήματα του μικροελεγκτή Arduino είναι τα παρακάτω:

49 49 Χαμηλό κόστος: Τα Arduino είναι σχετικά φθηνά σε σύγκριση με άλλες πλατφόρμες. Σχεδόν όλα τα εξαρτήματα μπορούνε να συναρμολογηθούν με το χέρι και ακόμα και τα έτοιμα δεν έχουν πολύ μεγάλο κόστος. Ξεκάθαρο προγραμματιστικό περιβάλλον: Το περιβάλλον του Arduino είναι εύκολο στο χρήση για αρχάριους, αλλά παρ όλα αυτά αρκετά ευέλικτο για να το εκμεταλλευτούν οι μυημένοι στον προγραμματισμό χρήστες. Ανεξάρτητο λειτουργικού συστήματος: Το λογισμικό τους τρέχει σε Windows, Macintosh OSX και Linux Ανοιχτού κώδικα και αναπτυσσόμενο λογισμικό: Το λογισμικό του Arduino εκδίδεται σαν ανοιχτού κώδικα εργαλεία, διαθέσιμα για ανάπτυξη από έμπειρους προγραμματιστές. Η γλώσσα μπορεί επίσης να επεκταθεί μέσω βιβλιοθηκών C Πλατφόρμα-Επίσημες πλακέτες Ένας μικροελεγκτής μπορεί να θεωρηθεί ένας μικρός υπολογιστής πάνω σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα (μικροτσίπ) που περιλαμβάνει έναν πυρήνα επεξεργασίας, μνήμη, και προγραμματίσιμα περιφερειακά εισόδου και εξόδου (πχ διακόπτες, ηλεκτρονόμους, σωληνοειδή, LEDs, προσαρμόσιμου μεγέθους οθόνες LCD, συσκευές ραδιοσυχνοτήτων, και αισθητήρες για δεδομένα όπως η θερμοκρασία, η υγρασία, το φως κλπ.), μνήμη προγραμματισμού (στην μορφή Flash μνήμης) περιλαμβάνεται επίσης συχνά σε ολοκληρωμένα κυκλώματα, όπως και μνήμη RAM. Οι μικροελεγκτές είναι ένα πολύ δημοφιλές εξάρτημα στα σύγχρονα ηλεκτρονικά συστήματα. Τα κύρια χαρακτηριστικά μιας μονάδας μικροελεγκτή είναι τα εξής: Θύρες Εισόδου/Εξόδου (I/O - Input/Output ports). Υπάρχουν συνήθως pins που συλλέγουν και παράγουν ψηφιακά σήματα προς άλλα κυκλώματα. Αυτά είναι η διεπαφή των μικροελεγκτών με τον εξωτερικό κόσμο. Αισθητήρες και ενεργοποιητές όπως και άλλες συσκευές που επικοινωνούν με τον μικροελεγκτή συνδέονται σε αυτές τις θύρες. Καθώς αυτές είναι ψηφιακές θύρες, ο μικροελεγκτής λαμβάνει την πληροφορία σε αλληλουχίες Bits και Bytes. CPU: Η κύρια μονάδα επεξεργασίας όπου εκτελούνται όλες οι πράξεις βασίζονται στον προγραμματισμό και την αλληλεπίδραση με εξωτερικά κυκλώματα. Η μνήμη: Περιλαμβάνει το πρόγραμμα που εκτελείται και είναι επίσης διαθέσιμη για την αποθήκευση δεδομένων που δημιουργεί το πρόγραμμα. Είναι συνήθως περιορισμένη και μπορεί να προκαλέσει σφάλματα και προβλήματα σε μεγάλα προγράμματα και σε περιπτώσεις που δεν γίνεται σωστή και αποδοτική διαχείριση της μνήμης. Μια σειριακή γραμμή από τον μικροελεγκτή (Transmit TX) και μια επίσης σειριακή γραμμή προς τον μικροελεγκτή (Receive RX) που επιτρέπουν την ροή των δεδομένων από και προς την πλακέτα μέσω της διασύνδεσης.

50 50 Το πρωτότυπο υλισμικό του Arduino κατασκευάζεται από την Ιταλική εταιρία Smart Projects, ενώ κάποιες πλακέτες με την μάρκα του Arduino έχουν σχεδιαστεί απο την Αμερικάνικη εταιρία SparkFun Electronics Δεκαέξι εκδοχές του Arduino Hardware έχουν χρησιμοποιηθεί εμπορικά μέχρι τώρα: 1. Το Serial Arduino, προγραμματισμένο με μία σειριακή DE-9 σύνδεση χρησιμοποιώντας τεχνολογία ATmega8. 2. Το Arduino Extreme, με ένα USB interface για προγραμματισμό χρησιμοποιώντας τεχνολογία ATmega8. 3. Το Arduino Mini, μία έκδοση μινιατούρας του Arduino χρησιμοποιώντας τεχνολογία surface-mounted ATmega Το Arduino Nano, ένα ακόμα πιο μικρό, USB τροφοδοτούμενη εκδοχή του Arduino χρησιμοποιώντας τεχνολογία surface-mounted ATmega168 (ATmega328 για την νεότερη έκδοση). 5. Το LilyPad Arduino, ένα μινιμαλιστικό σχέδιο για εφαρμογές ένδυσης και E- textiles χρησιμοποιώντας τεχνολογία surface-mounted AT-mega Το Arduino NG, με ένα USB interface για προγραμματισμό και χρησιμοποιώντας τεχνολογία ATmega8 7. Το Arduino NG plus, με ένα USB interface για προγραμματισμό και χρησιμοποιώντας τεχνολογία atmega Το Arduino Bluetooth, με Bluetooth interface για προγραμματισμό χρησιμοποιώντας τεχνολογία ATmega Το Arduino Diecimila, με ένα USB interface και χρησιμοποιεί τεχνολογία ATmega168 σε ένα DIP28 πακέτο 10. Το Arduino Duemilanove ( 2009 ), χρησιμοποιεί τεχνολογία ATmega168 (ATmega328 για την καινούργια έκδοση) και τροφοδοτείτε μέσω ενέργειας USB/DC, αυτόματα εναλλασσόμενης 11. Το Arduino Mega, χρησιμοποιώντας τεχνολογία surface-mounted ATmega1280 για περαιτέρω I/O και μνήμη 12. Το Arduino Uno, χρησιμοποιώντας την ίδια τεχνολογία ATmega328 όπως το τελευταίο μοντέλο Duemilanove, αλλά ενώ το Duemilanove χρησιμοποιεί ένα FTDI chipset για το USB, το Uno χρησιμοποιεί τεχνολογία ATmega8U2 προγραμματισμένο ως σειριακός μετατροπέας 13. Το Arduino Mega2560, χρησιμοποιεί τεχνολογία surface-mounted ATmega2560 φέρνοντας την ολική μνήμη στα 256kB. Επίσης ενσωματώνει

51 51 την νέα τεχνολογία ATmega8U2 (ATmega16U2 σε αναθεώρηση τύπου 3) USB chipset. 14. Το Arduino Leonardo, με ένα ATmega32U4 chip που εξαλείφει την ανάγκη για συνδεσιμότητα μέσω USB και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ψηφιακό πληκτρολόγιο ή ποντίκι. Κυκλοφόρησε στο Maker Faire Bay Area το Το Arduino Esplora, με εμφάνιση που παραπέμπει σε χειριστήριο κονσόλας βιντεοπαιχνιδιών με joystick και ενσωματωμένους αισθητήρες για ήχο, φώς, θερμοκρασία και επιτάχυνση 16. Το Arduino Due είναι ένα μικροχειριστήριο board βασισμένο στην τεχνολογία Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3 CPU. Είναι το πρώτο board της Arduino βασισμένη σε επεξεργαστή 32-bit ARM microcontroller 5.4 Arduino UNO Σε αυτή την πτυχιακή εργασία, από όλους τους παραπάνω τύπους που αναφέρθηκαν, χρησιμοποιήθηκε ο μικροελεγκτής Arduino UNO, για αυτό τον λόγο θα αναλυθεί περαιτέρω ακριβώς παρακάτω. Η κάρτα του Arduino απαρτίζεται από έναν μικροελεγκτή. Ο πιο διαδεδομένος είναι ο ATmega328, που παρέχει την δυνατότητα σύνδεσης με αισθητήρες και άλλα εξωτερικά κυκλώματα. Στην παρακάτω εικόνα παρουσιάζεται μια πλακέτας Arduino UNO εικόνα 5.1), με τα βασικά μέρη της. Πρόκειται ένα μοντέλο κυκλώματος μικροελεγκτή με 40 pins, που έχει τοποθετηθεί πάνω σε μία υποδοχή chip περίπου στο κέντρο της διάταξης. Περιλαμβάνει το σημείο τροφοδοσίας (power jack), μία θύρα USB, ένα πλήκτρο επανεκκίνησης, έναν σειριακό προγραμματιστή, και δύο σειρές pins I/O στο πάνω και στο κάτω μέρος της κάρτας. Το πλήκτρο επανεκκίνησης ξαναρχίζει την λειτουργία της πλακέτας από την αρχή. Ο σειριακός προγραμματιστής μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε περίπτωση που θέλουμε να προγραμματίσουμε το Arduino χρησιμοποιώντας εξωτερικό προγραμματισμό (επίσης μας δίνει την δυνατότητα να τροποποιήσουμε η να ενημερώσουμε τον Bootloader). Η τροφοδοσία του Arduino μπορεί να γίνει μέσω σύνδεσης USB ή χρησιμοποιώντας εξωτερική πηγή.

52 52 Εικόνα 5.1:Πλακέτα μικροελεγκτή Arduino UNO Στην κάτω δεξιά γωνία παρατηρούμε τα αναλογικά pins (0-5). Αυτά χρησιμοποιούνται για την σύνδεση με αναλογικούς αισθητήρες και για την ανάγνωση των εισόδων αυτών απευθείας από το Arduino. Αριστερά υπάρχουν άλλα 6 pins. Το pin επανεκκίνησης (reset pin) είναι μία ψηφιακή θύρα εισόδου. Μπορούμε για παράδειγμα, να θέσουμε έναν ενεργοποιητή με τιμή κατωφλίου 5V, ώστε όταν διέρχεται ρεύμα κατάστασης HIGH, το pin επανεκκίνησης να επανακκινεί την κάρτα. Τα επόμενα δύο pins παράγουν τάση 3.3V και 5V αντίστοιχα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την τροφοδοσία των αισθητήρων και των υπόλοιπων εξαρτημάτων της πλακέτας. Δίπλα σε αυτά βρίσκονται δύο pins γείωσης καθώς και ένα pin τάσης. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το ζεύγος των pin γειώσεων και το pin τάσης για να συνδέσουμε το Arduino με μπαταρία. 5.5 Λογισμικό-Προγραμματισμός Υπάρχει ένα κύκλωμα που χρησιμοποιεί μικροελεγκτή, το οποίο μας δίνει ένα αριθμό πυλών οι οποίες μπορεί να λειτουργήσουν είτε ως είσοδοι είτε ως έξοδοι στα κυκλώματά μας. Αυτές τις εισόδους ή εξόδους μπορούμε να τις διαχειριστούμε γράφοντας κώδικα στο περιβάλλον προγραμματισμού Arduino IDE που έχει βασιστεί στη γλώσσα C/C Λογισμικό Το ολοκληρωμένο περιβάλλον ανάπτυξης (IDE) του Arduino είναι μία εφαρμογή γραμμένη σε Java, που λειτουργεί σε πολλές πλατφόρμες,

53 53 και προέρχεται από το IDE για τη γλώσσα προγραμματισμού Processing και το σχέδιο Wiring. Έχει σχεδιαστεί για να εισαγάγει τον προγραμματισμό στους καλλιτέχνες και τους νέους που δεν είναι εξοικειωμένοι με την ανάπτυξη λογισμικού. Περιλαμβάνει ένα πρόγραμμα επεξεργασίας κώδικα με χαρακτηριστικά όπως είναι η επισήμανση σύνταξης και ο συνδυασμός αγκύλων και είναι επίσης σε θέση να μεταγλωττίζει και να φορτώνει προγράμματα στην πλακέτα με ένα μόνο κλικ. Δεν υπάρχει συνήθως καμία ανάγκη να επεξεργαστείτε αρχεία make ή να τρέξετε προγράμματα σε ένα περιβάλλον γραμμής εντολών. Ένα πρόγραμμα ή κώδικας που γράφτηκε για Arduino ονομάζεται σκίτσο (sketch). Τα Arduino προγράμματα είναι γραμμένα σε C ή C++.Το Arduino IDE έρχεται με μια βιβλιοθήκη λογισμικού που ονομάζεται "Wiring" από το πρωτότυπο σχέδιο Wiring γεγονός ου καθιστά πολλές κοινές λειτουργίες εισόδου/εξόδου πολύ πιο εύκολες Προγραμματισμός Βασικές λειτουργίες Δήλωση Μεταβλητών Όπως σε όλες τις γλώσσες προγραμματισμού, μπορούμε να δηλώσουμε ονόματα μεταβλητών. Οι τύποι μεταβλητών που υποστηρίζονται στο Arduino είναι αρκετοί: o byte, με τιμές από 0 έως και 255 o float, δεκαδικοί αριθμοί o boolean, με τιμές το 0 και (True-False) o int, ακέραιος με δυνατές τιμές από έως και o char, ένας χαρακτήρας (μέγεθος ένα Byte) o long, ακέραιος με δυνατές τιμές από έως και o string, πίνακας χαρακτήρων

54 54 Θύρες εισόδου/εξόδου Το Arduino Uno R3 έχει 14 ψηφιακές θύρες εισόδου ή εξόδου (digital input/output pins) και έξι αναλογικές εισόδους (analog input pins). Οι 14 ψηφιακές θύρες ονομάζονται με νούμερα από το 0 έως το 13, ενώ οι έξι αναλογικές με το γράμμα Α ακολουθούμενο από ένα νούμερο από 0 μέχρι το 5 (π.χ. Α3). Στην έξοδο τα pins μπορούν να δώσουν 0 έως και 5V τάση. Από τις 14 ψηφιακές θύρες οι έξι, και ειδικότερα οι 3, 5, 6, 9, 10, 11, είναι και PWM θύρες (Pulse Width Modulation), δηλαδή μπορούν να προσομοιώσουν αναλογικές εξόδους. Έτσι, συνοπτικά για την είσοδο και έξοδο έχουμε: Για ψηφιακή είσοδο, χρησιμοποιούμε τις 14 ψηφιακές Όταν δουλεύουν ψηφιακά, η είσοδος μπορεί να είναι ή 0 ή 5V, με τον χαρακτηρισμό LOW ή HIGH όπως θα δούμε παρακάτω. Για ψηφιακή έξοδο, χρησιμοποιούμε τις 14 ψηφιακές Όταν δουλεύουν ψηφιακά, η έξοδος μπορεί να είναι 0 ή 5V, με τον χαρακτηρισμό LOW ή HIGH όπως θα δούμε παρακάτω. Για αναλογική είσοδο, δηλαδή να διαβάσουμε τιμές ρεύματος στο διάστημα 0 έως 5V, χρησιμοποιούμε τις έξι αναλογικές θύρες A0..A5. Για αναλογική έξοδο, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τις έξι PWM ψηφιακές θύρες (3, 5, 6, 9, 10, 11), οι οποίες θα μας δώσουν ρεύμα εξόδου όποιας τιμή θέλουμε στο διάστημα από 0 έως 5V. Γράφοντας κώδικα θα πρέπει να αρχικοποιήσουμε τις θύρες που χρησιμοποιούμε με τη συνάρτηση pinmode(), δηλαδή να δίνουμε την πληροφορία για όποιες χρησιμοποιήσουμε αν θα είναι για είσοδο ή για έξοδο. Η συνάρτηση αυτή αναλύεται στην επόμενη ενότητα.όταν χρησιμοποιείται η σειριακή οθόνη παρακολούθησης της επικοινωνίας με τον υπολογιστή, χρησιμοποιούνται τα pins 0 και 1 για αυτό, οπότε προτείνουμε να μην τα χρησιμοποιείτε στις εφαρμογές σας, εκτός αν αυτό είναι απαραίτητο (π.χ. δεν μας φτάνουν τα υπόλοιπα 12 pins για την εφαρμογή μας).επίσης, στη θύρα 13 υπάρχει συνήθως συνδεδεμένο ήδη ένα Led πάνω στην πλακέτα Arduino Uno, κι έτσι μπορούμε να το χρησιμοποιούμε για σχετικές λειτουργίες. Οι χρήστες πρέπει μόνο να ορίσουν δύο λειτουργίες για να κάνουν ένα πρόγραμμα κυκλικής εκτέλεσης: -setup():μία συνάρτηση που τρέχει μία φορά στην αρχή του προγράμματος η οποία αρχικοποιεί τις ρυθμίσεις, ορίζει τις εντολές που θέλουμε να τρέξουν μια φορά και μπαίνουν αρχικοποιήσεις τιμών μεταβλητών,όπως και ο χαρακτηρισμός των εισόδων/εξόδων που θα χρησιμοποιήσουμε (αν δηλαδή ένα συγκεκριμένο Pin θα είναι είσοδος ή έξοδος). -loop():μία συνάρτηση η οποία καλείται συνέχεια μέχρι η πλακέτα να απενεργοποιηθεί Σχόλια

55 55 Μπορούν να χρησιμοποιηθούν δύο κάθετες // για να γράψουμε κάποιο σχόλιο σε μία γραμμή (ό,τι ακολουθεί τις // αγνοείται), ή τα /* */ που περικλείουν τα σχόλια που γράφονται σε περισσότερες γραμμές (ό,τι υπάρχει ανάμεσα στο /* και στο */ αγνοείται). Διαχείριση pins H κύρια λειτουργία του μικροελεγκτή βασίζεται στο να ελέγχει τις θύρες που διαθέτει και είτε να δίνει ρεύμα είτε να παίρνει ρεύμα από αυτές. Στην αρχικοποίηση κάθε προγράμματος (μέσα στη συνάρτηση setup) θα χρειαστεί να χαρακτηρίσουμε τα Pins που χρησιμοποιούμε ως είσοδο ή ως έξοδο. Η συνάρτηση pinmode (Pin, Mode) χρησιμοποιείται με το όνομά της και ορίσματα α) τον αριθμό Pin και β) την κατάσταση λειτουργίας που χαρακτηρίζεται με τη λέξη INPUT (είσοδος) ή OUTPUT(έξοδος).Όπως έχουμε αναφέρει έχουμε 14 ψηφιακά Pins, 6 εκ των οποίων είναι PWM, με ονόματα 0-13 και έξι αναλογικά με ονόματα Α0-Α5. Ψηφιακή είσοδος Και τα 14 ψηφιακά pins του Arduino μπορούν δουλεύουν ως ψηφιακές είσοδοι, δηλαδή να διαβάσουν ως είσοδο τάση με τιμή είτε 0 είτε 5V. Αυτό γίνεται με χρήση της συνάρτησης digitalread(pin), όπου το όρισμα Pin αναφέρεται στο νούμερο της θύρας για την οποία θα πάρουμε είσοδο, ενώ η συνάρτηση επιστρέφει με το όνομά της την τιμή εισόδου. H τάση εισόδου μπορεί να είναι 0V ή 5V, οι οποίες αναπαρίστανται με προκαθορισμένες τιμές στην τιμή που διαβάζουμε: - LOW : όταν λάβει τάση 0 V στην είσοδο (pin) -HIGH : όταν λάβει τάση 5 V στην είσοδο (pin) Ψηφιακή έξοδος Και τα 14 pins του Arduino μπορούν δουλεύουν ως ψηφιακές έξοδοι, δηλαδή δίνουν έξοδο 0 ή 5V. Αυτό γίνεται με χρήση της συνάρτησης digitalwrite(pin, Value), όπου το όρισμα Pin αναφέρεται στο νούμερο της θύρας για την οποία θα δώσουμε τάση εξόδου, ενώ η τάση εξόδου μπορεί να είναι 0 V ή 5 V, οι οποίες αναπαρίστανται με προκαθορισμένες τιμές στην παράμετρο value -LOW : θα δώσει 0 V στην έξοδο (pin) -HIGH : θα δώσει 5 V στην έξοδο (pin) Αναλογική είσοδος To Arduino έχει 6 αναλογικές εισόδους, οι οποίες χαρακτηρίζονται με τα σύμβολα A0, A1, A2, A3, A4, A5. Μπορούμε να συνδέσουμε κάποιο αναλογικό εξάρτημα (π.χ. αναλογικός αισθηρήρας LM35) και να το διαβάσουμε ως είσοδο. Αυτό γίνεται με χρήση της συνάρτησης

56 56 analogread(pin), όπου το όρισμα Pin αναφέρεται στο νούμερο της θύρας για την οποία θα πάρουμε είσοδο, ενώ η συνάρτηση επιστρέφει με το όνομά της την τιμή εισόδου. Η τιμή εισόδου κυμαίνεται από 0 μέχρι και Συνήθως χρησιμοποιούμε μια μεταβλητή για να καταχωρήσουμε την τιμή. Αναλογική έξοδος Κάποια από τα 14 Pins του Arduino έχουν την ένδειξη PWM, δηλαδή μπορούν να προσομοιώσουν την αναλογική έξοδο μέσω παλμοκωδικής διαμόρφωσης. Έτσι, με τιμές από το 0 μέχρι το 255 προσομοιώνουμε (αναλογικά) το διάστημα από 0 έως 5V. Αυτό γίνεται με χρήση της συνάρτησης analogwrite(pin, Value), όπου το όρισμα Pin αναφέρεται στο νούμερο της θύρας για την οποία θα δώσουμε ρεύμα εξόδου, ενώ η τάση εξόδου κυμαίνεται από 0 V μέχρι και 5 V, οι οποίες τιμές της τάσης αναλογικά αναπαρίστανται με τιμές στη μεταβλητή value. Τιμή 0 δίνει 0V στην έξοδο (pin), τιμή 255 δίνει τάση 5V στην έξοδο (pin), ενώ αναλογικά μπορούμε να δώσουμε ενδιάμεσες τάσεις. Συνάρτηση delay(καθυστέρησης) Στο πρόγραμμά μας μπορούμε να ορίσουμε μια καθυστέρηση ώστε να διαρκέσει για το χρόνο που εμείς ορίζουμε ένα γεγονός. Αυτό το επιτυγχάνουμε με χρήση της συνάρτησης delay(time) όπου στη θέση time δίνουμε το χρόνο σε ms (1/1000 sec). Η εντολή delay(time) σημαίνει ότι σταματά στο σημείο αυτό η εκτέλεση του προγράμματός μας για το χρόνο time που εμείς ορίζουμε. Έχοντας υπόψιν όσα αναφέρθηκαν θα αναλυθεί στην επόμενη υπό ενότητα ο τρόπος με τον οποίο χρησιμοποιήθηκε στην εργασία αυτή ο Arduino UNO, δηλαδή ως θερμοστάτης και ως ψηφιακό θερμόμετρο(με παράλληλη ειδοποίηση για υπέρβαση οριακών τιμών θερμοκρασίας) 5.6 Ψηφιακό Θερμόμετρο-Θερμοστάτης Τα στοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν για το κύκλωμα αυτό είναι τα εξής: Μικροελεγκτής Arduino UNO 2 θερμικοί αισθητήρες LM35CZ Θερμοστάτες με 2 relay(αναλύθηκε παραπάνω) Μπαταρία Οθόνη LCD16*2 Αντιστάσεις 1kΩ

57 57 Καλώδια Τρανζίστον 2Ν3904 Δίοδοι ΙΝ Λειτουργία κυκλώματος Το παραπάνω κύκλωμα έχει προγραμματιστεί να λειτουργεί ως εξής: Ορίζουμε μια επιθυμητή θερμοκρασία στον χώρο μας και ένα κατώφλι διαφοράς με την μετρούμενη εσωτερική θερμοκρασία του χώρου μας. Οι θερμικοί αισθητήρες λαμβάνουν την εσωτερική θερμοκρασία του χώρου, καθώς και την εξωτερική, και την εμφανίζουν στην LCD οθόνη. Όταν η διαφορά μεταξύ της επιθυμητής θερμοκρασία και της μετρούμενης εσωτερικής θερμοκρασίας γίνει μεγαλύτερη από το κατώφλι που έχει οριστεί, τότε το pin του ArduinoUNO το ρελέ «ανοίγει» (ο «μοχλός» του πηνίου του ρελέ μεταβαίνει από τη θέση COM στη NO) διέρχεται από τη βάση του τρανζίστορ ρεύμα και εκείνο άγει, ανάβοντας έτσι το (πράσινο) LED και θέτοντας το στοιχείο Peltier σε λειτουργία(θα αξιοποιηθεί η πλευρά του στοιχείου που θερμαίνεται). Ταυτόχρονα, για όσο χρόνο η διαφορά παραμένει μεγαλύτερη του κατωφλιού, εμφανίζεται στην LCD οθόνη το μήνυμα Alert system is COLD, προειδοποιώντας για την ψύξη του χώρου. Όταν η διαφορά μεταξύ της επιθυμητής θερμοκρασία και της μετρούμενης εσωτερικής θερμοκρασίας γίνει μικρότερη από το ( )κατώφλι που έχει οριστεί, τότε το άλλο ρελέ «ανοίγει» (ο «μοχλός» του πηνίου του ρελέ μεταβαίνει από τη θέση COM στη NO) διέρχεται από τη βάση του τρανζίστορ ρεύμα και εκείνο άγει, ανάβοντας έτσι το (κόκκινο) LED και θέτοντας τον ανεμιστήρα σε λειτουργία. Ταυτόχρονα, για όσο χρόνο η διαφορά παραμένει μεγαλύτερη του κατωφλιού, εμφανίζεται στην LCD οθόνη το μήνυμα Alert system is HOT, προειδοποιώντας για την υπερθέμανση του χώρου. Όσο η διαφορά θερμοκρασίας παραμένει μεγαλύτερη ή μικρότερη του κατωφλιού που έχει οριστεί τα ρελέ κλείνουν(όπως επίσης και τα LED και ο ανεμιστήρας και το πιστολάκι) και πλέον στην LCD οθόνη (ξανά)εμφανίζονται οι εσωτερική και εξωτερική θερμοκρασία. Όλα τα παραπάνω εμφανίζονται παρακάτω στον κώδικα που χρησιμοποείται στον μικροελεγκτή:

58 58

59 59

60 60