Βιοµηχανικά Ηλεκτρονικά (Industral Electroncs) Κ.Ι.Κυριακόπουλος Καθηγητής Ε.Μ.Π.
Εισαγωγή Control Systems Laboratory Γιατί Ηλεκτρονικά? Τι είναι τα Mechatroncs (hqp://mechatronc- desgn.com/)? Περιεχόμενο Μαθήματος: Θεωρία Δίοδοι Ανόρθωση Transstor Ενίσχυση Τελεστικοί Ενισχυτές Φίλτρα & Αυτόματος Ελέγχος Ψηφιακά Συστήματα Διαχείριση Πληροφορίας Εφαρμογές Επεξεργασία Εικόνας Επιθεωρηση Ποιότητας Διασύνδεση Μηχανοτρονικών Συστημάτων (Η/Υ Αισθητήρες - Επενεργητές Εισαγωγή στον Προηγμένο Αυτοματισμό & Ρομποτική Προγραμματιζόμενοι Λογικοί Ελεγκτές 2
Κεφάλαιο 1 Ηµιαγωγοί Δίοδοι (Semconductor Dodes) 1. Εισαγωγή - Γενικά 2. Η σύνδεση pn (pn juncton) 3. Ηµιαγωγοί Δίοδοι 4. Ανορθωτές 5. Δίοδοι Zener 6. LED - Δίοδοι Laser - Φωτοδίοδοι 7. Οι άλλες δίοδοι
Εισαγωγή - Γενικά Control Systems Laboratory Τα ηλεκτρονικά στοιχεία που κατασκευάζονται από ηµιαγωγά υλικά ονοµάζονται ηµιαγωγές συσκευές (semconductor devces) ή συσκευές στερεάς καταστάσεως (sold state components) δεδοµένου ότι κατασκευάζονται από στερεά υλικά όπως Γερµάνιο (Ge), Πυρίτιο (S), Αρσενίδιο του Γαλλίου (GaAs) κ.λ.π. Τρία από τα πιο διαδεδοµένα τέτοια στοιχεία είναι οι δίοδοι, τα transstor και τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα (ntegrated crcuts) Είναι στοιχεία µε χρήση των οποίων µπορούµε να επιτύχουµε, µε τα ηλεκτρονικά κυκλώµατα, λειτουργίες όπως ανόρθωση, επιλεκτική διακοπή (swtchng), ενίσχυση κλπ. Στους αγωγούς τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στοιβάδας των ατόµων έλκονται χαλαρά από τον πυρήνα και είναι σχεδόν ελεύθερα να κινούνται αν ευρεθούν υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου, δηµιουργώντας έτσι το ηλεκτρικό ρεύµα. Στους µονωτές δεν υπάρχουν πολλά τέτοια ελεύθερα ηλεκτρόνια επειδή έλκονται ισχυρά από του πυρήνες. 4
Εισαγωγή Γενικά συνεχ. Οι ηµιαγωγοί είναι κρυσταλλικά στερεά των οποίων οι ηλεκτρικές ιδιότητες σε χαµηλές θερµοκρασίες προσοµοιάζουν αυτές των µονωτών, ενώ σε υψηλότερες οι δεσµοί έλξης γίνονται πιο χαλαροί και εµφανίζουν ολίγα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Σε περίπτωση ύπαρξης ηλεκτρικού πεδίου αυτά τα ηλεκτρόνια κινούνται αφήνοντας οπές (κενές θέσεις) που καταλαµβάνονται από άλλα ερχόµενα ελεύθερα ηλεκτρόνια κ.λ.π. Έτσι δηµιουργείται µία "ροή" οπών αντίθετη µε την ροή ηλεκτρονίων. Η προσθήκη µικρών ποσοτήτων προσµίξεων υλικών µε διαφορετικούς αριθµούς ηλεκτρονίων εξωτερικής στοιβάδας στους ηµιαγωγούς αλλάζει δραστικά τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες και οδηγεί στη ταξινόµηση των ηµιαγωγών σε ηµιαγωγούς τύπου p, όπου υπαρχει περίσσεια οπών (φορείς θετικών "φορτίων") ένεκα προσµίξεων µε υλικά πού έχουν λιγότερα ηλεκτρόνια σθένους (π.χ. Βόριο Βο), και ηµιαγωγούς τύπου n, όπου υπάρχει περίσσεια ηλεκτρονίων ένεκα προσµίξεων µε υλικά που έχουν περισσότερα ηλεκτρόνια σθένους (π.χ. Φώσφορος Ph). 5
Η σύνδεση pn (pn juncton) Μία σύνδεση pn δηµιουργείται όταν δηµιουργηθεί ένα κοινό υπόστρωµα ηµιαγωγού µε υλικά τύπου p και τύπου n Όταν είναι ξεχωριστά είναι ηλεκτρικά ανενεργά ενώ όταν σχηµατισθεί η σύνδεση pn, µέσω διάχυσης, αποκτούν η µεν πλευρά p αρνητικό φορτίο (ηλεκτρόνια) η δε πλευρά n θετικό. Αυτό συµβαίνει µόνο σε µία στενή περιοχή ανάµιξης ή "απογύµνωσης" (depleton regon) γύρω από την σύνδεση pn. Επειδη το τµήµα της πλευράς p αποκτά αρνητικό φορτίο & το τµήµα της n αποκτά θετικό δηµιουργείται ένα τοπικό δυναµικό παρεµπόδισης (barrer potental) που είναι περίπου V b =0.7 V για πυρίτιο και V b =0.3 V για γερµάνιο. Η σύνδεση pn είναι ορθά πολωµένη όταν η πλευρά p είναι συνδεδεµένη µε τον θετικό ακροδέκτη πηγής συνεχούς τάσεως ενώ η n είναι συνδεδεµένη µε τον αρνητικό. το εύρος της περιοχής ανάµιξης µικραίνει, και όταν η τάση που ασκείται είναι υψηλότερη του δυναµικού παρεµπόδισης, τα ηλεκτρόνια µπορούν να κινηθούν άνετα µέσα από τον ηµιαγωγό. Η σύνδεση pn είναι ανάστροφα πολωµένη όταν η πλευρά p είναι συνδεδεµένη µε τον αρνητικό ακροδέκτη πηγής συνεχούς τάσεως ενώ η n είναι συνδεδεµένη µε τον θετικό. η περιοχή ανάµιξης διευρύνεται και τα ηλεκτρόνια δεν µπορούν να κινηθούν άνετα µέσα από τον ηµιαγωγό εκτός όταν η τάση που ασκείται είναι πιο αρνητική) από το δυναµικό ανακοπής. P Περιοχή Ανάµιξης 6 P V b Περιοχή Ανάµιξης V b N N
Η σύνδεση pn Control Systems Laboratory συνεχ. Η συµπεριφορά της σύνδεσης pn είναι µη-γραµµική και η σχέση ρεύµατος και τάσης στην περιοχή άνω του δυναµικού ανακοπής δίδεται από όπου V T I s είναι η θερµική τάση και το ρεύµα κορεσµού. Αν και η θερµική τάση διαφέρει ελαφρά µεταξύ S και Ge, εδώ θα ληφθεί ενιαία και ίση µε 0.025 V ενώ το ρεύµα κορεσµού I s είναι της τάξης των na έως µα. Η παραπάνω σχέση για ( V T 1) = I e υ I s <-0.1V δίνει Μπορούµε να θεωρήσουµε λοιπόν ότι στην περίπτωση αντίστροφης πόλωσης ( υ < 0) συµβαίνει αποκοπή ρεύµατος, όσο δηλαδή η τάση στους ακροδέκτες είναι θετικότερη από µία χαρακτηριστική τιµή που ονοµάζεται µέγιστη αντίστροφή τάση (peak nverse voltage - PIV) και σχετίζεται άµεσα µε το δυναµικό ανακοπής. s υ Δυναµικό Κατάρρευσης P PIV Περιοχή Ανάµιξης V b Ανάστροφη Πόλωση N P Ορθή Πόλωση Περιοχή Ανάµιξης V b N υ 7
Μία σύνδεση pn εγκλεισµένη σε υάλινο ή µεταλλικό περίβληµα ονοµάζεται δίοδος. Οι δίοδοι χρησιµοποιούνται σε βιοµηχανικά ηλεκτρονικά κυκλώµατα που γενικά υφίστανται υψηλές τιµές ρεύµατος και γι αυτό τοποθετούνται σε ψύκτρες (µεταλλικές πλάκες µε απολήξεις που επιτρέπουν την διάχυση θερµότητας µέσω συναγωγής). Οι δίοδοι πυριτίου είναι πιο συνηθισµένες και µπορούν επιτυχώς και µε ευσταθή θερµική συµπεριφορά να δέχονται χιλιάδες ampere. Ηµιαγωγοί Δίοδοι 8
Οι ακροδέκτες µίας διόδου διακρίνονται σε άνοδο και κάθοδο. Η κάθοδος έχει σπείρωµα που της επιτρέπει το βίδωµα σε ψήκτρα. Χαρακτηριστικό για κάθε τύπο διόδου είναι το µέγιστο ορθής φοράς συνεχές ρεύµα που µπορεί να διέλθει χωρίς να δηµιουργεί επιβράδυνση του χρόνου ζωής της ή υποβίβαση των χαρακτηριστικών της π.χ. για την δίοδο 1Ν456 αυτό είναι περίπου 135 ma. Ηµιαγωγοί Δίοδοι 9
Μοντέλα Διόδων Ανάστροφη Δυναµικό Πόλωση Κατάρρευσης PIV Ορθή Πόλωση υ Δυναμικό Παρεμπόδισης Δίοδος Διακόπτης Δίοδος Πηγή =(υ) υ =(υ) υ 0 γιά υ = 0 = 0 γιά υ < 0 0 γιά = 0 γιά υ = V 10 b υ < V b
Μοντέλα Διόδων συνεχ. Ανάστροφη Δυναµικό Πόλωση Κατάρρευσης PIV Ορθή Πόλωση υ Δυναμικό Παρεμπόδισης Δίοδος Πηγή µε εσωτερική αντίσταση ( ) = υ r B υ V b ( υ ) για = V r υ V = 0 για υ V b B b 11 b
Σηµείο Λειτουργίας Διόδου Το Σ.Λ. µιας διόδου καθορίζεται από την τάση υ στους ακροδέκτες της και το δι' αυτής διερχόµενο ρεύµα. Για κάθε µία από τις προσεγγίσεις του µοντέλου της διόδου, το Σ.Λ. µπορεί να ευρεθεί από τη τοµή της γραµµής φορτίου επί του διαγράµµατος της χαρακτηριστικής της διόδου: Vs υ υ V T Μη γραμμικό μοντέλο = = Is e 1 Δίοδος διακόπτης Δίοδος πηγή RL Vs =, υ = 0 R Vs Vb =, υ = V R Δίοδος πηγή με εσωτερική αντίσταση L L V υ R s = = L Μοντέλο Διόδου Διακόπτη Q = ( υ, ) 12 b υ V r B b V R S L 2 Vs Μοντέλο Διόδου Διακόπτη Με Πηγή 3 1 4 υ Vs υ = R L Γραµµή Φορτίου V S υ RL Μη-Γραµµικό Μοντέλο Διόδου Μοντέλο Διόδου Διακόπτη Με Πηγή & Εσωτερική Αντίσταση
Ασκήσεις Αν θεωρηθούν οι δίοδοι του διπλανού σχήματος ως «διακόπτες», να σχεδιασθεί το διάγραμμα που σχετίζει την είσοδο V n με την έξοδο V out. 0 γιά υ = 0 = 0 γιά υ < 0 =(υ) =! u " υ u V n V n D 1 R 1 =5 Ω "1" R 3 =5 Ω + + V n 1 D 1 R 1 =5 Ω "1" R 3 =5 Ω "3" + + 1 D 1 R 2 =10 Ω R 1 =5 Ω "1" R 3 =5 Ω "3" + + 1 R 2 =10 Ω 2 2 V s =10 V - - "2" "4" R 2 =10 Ω 2 3 S D 2 V out V s =10 V - - "2" 3 S 3 D 2 S L R L =5 Ω D 2 V out V out V s =10 V - - "2" 13
D 1 Αν θεωρηθούν οι δίοδοι του διπλανού σχήματος ως «διακόπτες», να σχεδιασθεί το διάγραμμα που σχετίζει την είσοδο V n με την έξοδο V out. Λύση: Λόγω της διακριτής μορφής του μοντέλου - Άσκηση -1 R 1 =5 Ω "1" R 3 =5 Ω + + V n 1 R 2 =10 Ω V s =10 V - - "2" διακόπτη θα πρέπει να θεωρήσουμε όλους τους δυνατούς συνδυασμούς: D 1 - άγει, D 2 - άγει: πράγμα που σημαίνει 1 S 3. Αν πάρουμε τους 2 βρόχους και τον κόμβο «1» και γράψουμε τις αντίστοιχες εξισώσεις Krchoff : απ όπου προκύπτει, και για να ισχύει, όπως απαιτήθηκε παραπάνω, 1 S 3 θα πρέπει V > 15 V. και προφανώς σε αυτή την περίπτωση V = V = 10 V. n 2 > 0, = > 0 Vn = R 1 1+ 2R2 2R2 = 3R3 + VS 3 = 1 2 ( 2 + 3) 2 2 ( 1+ 2) 1 = 3 = ( )( ) ( )( ) > 0, = > 0 V R R V R V R R R V n S n S 2 2 1+ 2 2 + 3 2 1+ 2 2 + 3 2 R R R R R R R R R R 3 out S S D 2 V out 14
Άσκηση -1 R 1 =5 Ω D 1 - άγει, D 2 δεν άγει: πράγμα "1" R 3 =5 Ω που σημαίνει. + + 1 > 0, S = 3 = 0 Άν πάρουμε τον πρώτο βρόχο 3 1 D 2 (ο δεύτερος δεν διαρρέεται V R 2 =10 Ω n από ρεύμα) και τον κόμβο «1» S και γράψουμε τις αντίστοιχες 2 V s =10 V εξισώσεις Krchoff : - - "2" Control Systems Laboratory D 1 V R R V n = 1 1+ 2 2 n 1 = 1 = 2 R1+ R2 και για να ισχύει, όπως απαιτήθηκε παραπάνω, 1 > 0, S = 3 = 0 θα πρέπει V n >. 0V και προφανώς σε αυτή την περίπτωση V R2 out = R 2 2 = n 2 V δηλαδή.. Το ότι δεν άγει η D 2 εξασφαλίζεται αν R 1 + 2 V R out = Vn 3 2 Vout = Vn < VS = 10 V Vn < 15 V 3 2 Επομένως οι συνθήκες ισχύουν για 0< V n < 15V οπότε Vout = Vn. 3 D 1 - δεν άγει, D 2 δεν άγει: πράγμα που σημαίνει 1 = 0, S = 3 = 0. Δεδομένου ότι ο κλάδος 1-2 (όπως και όλοι) δεν διαρρέεται από ρεύμα, τότε Vout = V = V =. Για να μην άγει η δίοδος D 1 θα πρέπει Vn V"1" < 0 δηλαδή ισχύει V n < 0 V out = 0V 15 V out "1" "2" 0V
Άσκηση -1 R D 1 - δεν άγει, D 2 άγει: πράγμα 1 =5 Ω "1" R 3 =5 Ω που σημαίνει + + Control Systems Laboratory D 1 = 0, = > 0 1 S 3 Άν πάρουμε τον 2 ο βρόχο (ο 1 ος δεν διαρρέεται από ρεύμα) και τον κόμβο «1» και γράψουμε τις αντίστοιχες εξισώσεις Krchoff : V n R 2 2 = R 3 3 + VS VS 3 = = R + R Αυτό αντίκειται στην παραπάνω συνθήκη 3 > 0 και επομένως αυτή η περίπτωση είναι αδύνατη. ( ) 3 2 2 3 R 2 =10 Ω Η σχέση εισόδου / εξόδου (γ) (δ) V n προκύπτει από σύνθεση των 15 V ανωτέρω περιπτώσεων και φαίνεται στο διπλανό σχήμα 16 1 2 3 S D 2 V out V s =10 V - - "2" 10 V V out (β) (α)
Ανορθωτές Control Systems Laboratory Η ιδιότητα των διόδων να άγουν ρεύμα μόνο κατά την πρόσω πόλωση τους τα κάνει ιδανικά στοιχεία γιά χρήση στην ανόρθωση της εναλασσόμενης (AC) τάσεως σε συνεχή (DC). Στα βιομηχανικά δίκτυα αυτό γίνεται τόσο σε μονοφασικά όσο και σε τριφασικά συστήματα. Ένας μονοφασικός - ημίσεως κύματος - ανορθωτής (ΜΗΚΑ) χρησιμοποιείται για την ανόρθωση μονοφασικής τάσεως n ( ) = sn ( ω ) V t V t p όπου ω = 2π = 2π f T και T = 1 είναι η περίοδος του f εναλλασσόμενου (AC) ρεύματος. Η δίοδος άγει ρεύμα μόνο κατά την μισή περίοδο (αυτή που αντιστοιχεί στην πρόσω πόλωση) του εναλλασσόμενου σήματος εισόδου. Ασφαλής λειτουργία είναι δυνατή όταν το εύρος της AC τάσης είναι σαφώς μικρότερο από το PIV της διόδου αλλοιώς, κατά την αντίστροφη πόλωση, θα έχουμε το φαινόμενο της χιονοστιβαδας (avalanche effect) δηλαδή τη διάσπασης του (κατά την αντίστροφη πόλωση) μονωτικού χαρακτήρα της διόδου πράγμα που οδηγεί σε αθρώα ροή ηλεκτρονίων και κατά συνέπεια στην καταστροφή της. Στην πράξη επιλέγεται δίοδος με PIV περίπου διπλάσια της V p. 17 V p Για «Δίοδο Διακόπτη»
Ανορθωτές Ένας μονοφασικός - ολικού κύματος ανορθωτής (ΜΟΚΑ) άγει ρεύμα καθ όλη την περίοδο του εναλασσόμενου σήματος εισόδου. Στο σχήμα φαίνεται ο πιό συνήθης τύπος ΜΟΚΑ, αυτός της γέφυρας πλήρους κύματος. Η μέση τάση εξόδου είναι 1 = Vp γιά MHKA 1 T π Vdc = VR ( t) dt = 0 L T = 2 Vp γιά MOKA π όπου VR L ( t) είναι η στιγμιαία τάση στα άκρα του φορτίου. συνεχ. 18
Ανορθωτές συνεχ. Είναι προφανές ότι η μέση τάση στο φορτίο για την περίπτωση των ΜΟΚΑ είναι μεγαλύτερη από αυτή των ΜΗΚΑ και το σήμα εξόδου ομαλότερο και γι αυτό το λόγο είναι και πιο συνήθεις. Τα παραπάνω ισχύουν για μοντελοποίηση διόδων με το απλό μοντέλο διακόπτη. Στην περίπτωση που χρησιμοποιηθεί το μοντέλο πηγής τότε το εύρος της τάσης στα άκρα της αντίστασης είναι μειωμένο κατά το άθροισμα των δυναμικών παρεμπόδισης των δύο διόδων οι οποίες παρεμβάλλονται σε κάθε φάση, δηλαδή είναι οπότε 1 T 2 Vdc = VR ( t) dt ( V -2 ) γιά MOKA 0 L p Vb T = π V p 2 V b 19
R L Ανορθωτές Τα ανορθωτικά φίλτρα (rec fer flters) χρησιμοποιούνται για να μειώσουν τον AC χαρακτήρα του DC σήματος εξόδου, δηλαδή να το κάνουν πιο ομαλό. Μεταξύ φάσης 0 και 90 ο πυκνωτής φορτίζεται και φθάνει στο μέγιστο φορτίο οπότε μετά την φάση 90, όταν μειώνεται η πρόσω πόλωση, αρχίζει και αποδίδει αυτό το φορτίο σταδιακά. Όσο το C είναι μεγαλύτερo τόσο η αποφόρτιση, μέσω του φορτίου, θα διαρκέσει περισσότερο. Στην περίπτωση χρήσης ενός πυκνωτή σε ένα ΜΟΚΑ ο πυκνωτής θα φθάσει στο μέγιστο φορτίο τόσο για 90 ο όσο και 270 ο. Γι αυτή την περίπτωση αποδεικνύεται ότι αν είναι το φορτίο εξόδου, τότε 1 + = V 1 + ( 4 frc) ( 4 frc) συνεχ. διοδος διακοπτης 20 V dc p V p 1 L 2 V 1 L b διοδος πηγη
Δίοδοι Zener Δίοδοι με μεγάλο ποσοστό κατάλληλων προσμίξεων που έχει σαν αποτέλεσμα, κατά την ανάστροφη πόλωση όταν η τάση ξεπεράσει (δηλ. γίνει πιο αρνητική από) ένα χαρακτηριστικό όριο, να μην συμβαίνει το φαινόμενο της χιονοστιβάδας αλλά το φαινόμενο Zener που δεν οδηγεί στην καταστροφή τους. Η αντίστροφη τάση απομακρύνει τα ηλεκτρόνια από τις τροχιές τους και έτσι με μικρή αύξηση της τάσης παρατηρούνται μεγάλες μετακινήσεις φορτίων. Ανάστροφη Πόλωση Η μεγάλη κλίση της καμπύλης σε αυτή τη περιοχή κάνει τις Zener κατάλληλες για λειτουργία στην περιοχή της V Z τάσεως ανακοπής, σε διατάξεις σταθεροποιητών τάσης. Άνοδος (α) Οι δίοδοι Zener χαρακτηρίζονται από : το δυναμικό ανακοπής και την μέγιστη ισχύ που αναφέρεται στην δυνατότητα απορρόφησης ισχύος στους 25 o C. Ασφαλης λειτουργία των Zener επιτυγχάνεται όταν γίνεται σε αυτή τη περιοχή. 21 V z Περιοχή Φαινοµένου Zener Κάθοδος Οι δίοδοι Zener χρησιμοποιούνται κυρίως σε αντίστροφη πόλωση. Αλλά όταν πολωθούν ορθά τότε, όπως δείχνει το παραπάνω σχήμα, έχουν παρόμοια συμπεριφορά με αυτές των διόδων ανόρθωσης. Ορθή Πόλωση (β) r Z
Δίοδοι Zener Control Systems Laboratory συνεχ. Οι δίοδοι Zener όταν ευρίσκονται σε αντίστροφη πόλωση συνήθως προσεγγίζονται από δύο (2) μοντέλα: Ιδανική Zener 0 γιά = 0 γιά υ= V = υ V r υ V Zener με εσωτερική αντίσταση = 0 για υ V Το σημείο λειτουργίας Q = υ, που καθορίζεται από την τάση στους ακροδέκτες της Zener και το V s διερχόμενο δι' αυτής ρεύμα για δεδομένη τάση πηγής, μπορεί να ευρεθεί, για κάθε μία από τις προσεγγίσεις του μοντέλου της διόδου, με υπέρθεση της γραμμής φορτίου επί του διαγράμματος της χαρακτηριστικής της διόδου, δηλαδή : Ιδανική Zener: Vs + Vz =, υ = Vz R Zener με εσωτερική αντίσταση: z υ > V ( ) z ( ) για z z Z Zener µε Εσωτερική Αντίσταση 22 V + υ υ V R r s = = z z Z V s 2 1 - Ιδανική Zener υ Γραµµή Φορτίου + υ R Vs R Με επίλυση των 2 γραμμικών εξισώσεων 2 αγνώστων προκύπτει το Q
! Control Systems Laboratory Δίοδοι Zener συνεχ. Οι Zener χρησιμοποιούνται σε ρυθμιστές τάσεως (voltage I s regulators) δηλαδή συσκευές όπου η τάση του φορτίου - I V Z υ διατηρείται σταθερή για μία ευρεία περιοχή διακύμανσης n της αντίστασης του φορτίου και της τάσης της πηγής. + Κατά τον σχεδιασμό ρυθμιστών τάσεως ουσιαστική είναι η επιλογή της αντίστασης R S έτσι ώστε το σημείο λειτουργίας της διόδου να ευρίσκεται στην περιοχή Zener, δηλαδή η τάση στα άκρα της να είναι V και το δι' αυτής z < 0 ρεύμα Is > IL. Πρέπει δηλαδή I z > 0 και κατά συνέπεια Vn + υ Vn + Vz υ Vz Vn + Vz Is = = > = = IL Rs < RL R R R R V s s L L z Αυτή η απαίτηση θα πρέπει όμως να σταθμισθεί με το ότι όσο πιο μικρή είναι η αντίσταση τόσο μεγαλύτερη είναι η κατανάλωση ενέργειας τόσον επ' αυτής όσο και επί της Zener. R s - R L I L Μία άλλη χρήση των Zener είναι για τον μετασχηματισμό ή κανονικοποίηση (των σημάτων όπως φαίνεται στην περίπτωση ενός ψαλιδιστή (clpper) με χρήση Zener με V z = - 5 V. 23 V n R s 5 V Ψαλιδισµένο Σήµα V out 5 V
Ασκήσεις Control Systems Laboratory Στο κύκλωμα σταθεροποιητή Zener η δίοδος Zener έχει αντίσταση Zener, R z =11.5 Ω και τάση Zener V z = - 12 V. (α) Έστω ότι η τάση τροφοδοσίας V s παίρνει αρχικά μία τιμή 20 V και σταδιακά ελαττώνεται μέχρι 0 V. Σε κάποιο σημείο αυτής της μεταβολής, η δίοδος Zener θα σταματήσει να δρα ως σταθεροποιητής της τάσης επί του φορτίου. Να ευρεθεί αυτή η τάση τροφοδοσίας V s 0 που χάνεται αυτή η δυνατότητα σταθεροποίησης. (β) Έστω ότι η κανονική τάση τροφοδοσίας είναι V s =20 V με κυμάτωση ±5% γύρω από αυτή την τιμή. Να ευρεθεί η κυμάτωση της τάσης στα άκρα του φορτίου (Υπόδειξη: να ευρεθεί η σχέση V s ως προς s, όπου s το ρεύμα που αποδίδει η πηγή τροφοδοσίας). V s 0.33 kω 1.5 kω 24
Ασκήσεις, (α) Ας θεωρήσουμε τα διαρρέοντα ρεύματα στο s διπλανό σχήμα. V z s Όταν οριακά σταματά η δίοδος να σταθεροποιεί (δηλ. να είναι στη περιοχή Zener) θα ισχύουν στιγμιαία: V1 = 12V z = 0 L = S Οπότε με εφαρμογή των νόμων του Κrchoff: - 12V 12 V1 = L 1,5KΩ= 12V S = L = = 8mA 1,5 Οπότε η αντίστοιχη τάση τροφοδοσίας είναι 0.33 kω o o V = 0,33KΩ+ 12V V = 8mA 0,33KΩ+ 12V = 14,64V S S S συνεχ. (β) Εφόσον η τάση τροφοδοσίας είναι V s =20 V, η τάση που εφαρμόζεται στο κύκλωμα παίρνει τιμές μεταξύ των : V =1.05 =1.05 20V = s V 21V max s V =0.95 = s V mn s Αυτές είναι μεγαλύτερες από την τάση πηγής στην οποία εμφανίζεται το φαινόμενο Zener. Επομένως, θα έχουμε εμφάνιση του φαινομένου καθ όλο το εύρος μεταβολής της τάσης. 25 «1» L 1.5 kω =0.95 20V 19V
Ασκήσεις, Από εφαρμογή του Krchoff στους 2 βρόχους και στον κόμβο «1», παίρνουμε: L = L 1, 5KΩ= Z 0,0115KΩ+ 12V S 1,5K 12V Ω Z = S = Z + L 1,5115KΩ V = 0,33KΩ+ 0,0115KΩ+ 12V S S Z V s 0.33 kω συνεχ. «1» s z L 1.5 kω V = 0,3414KΩ+ 11,9087 V S S S V = S 11,9087 0,3414 ± 5 % ± 0.21 % V S = 19V S =15.9667 ma Z = 7.063 ma V L =12.0909 V S = 20V è S =18.2185 ma è Z = 10.1408 ma è V L =12.1166 V S = 21V S =20.4701 ma Z = 12.3753 ma V L =12.1223 è Σταθεροποίηση! Γιατί ύπάρχει 25 φορές μικρότερη διακύμαση στην έξοδο (δηλ. στο φορτίο) από την είσοδο. 26
Σηµαντικό πρόβληµα για εξάσκηση και κατανόηση Στο κύκλωμα σταθεροποιητή Zener η δίοδος Zener έχει αντίσταση Zener, R z και τάση Zener V z. (α) Να ευρεθεί η τάση τροφοδοσίας V s που παύει η δυνατότητα σταθεροποίησης της Zener. (β) Να ευρεθεί η τάση V L στά άκρα του φορτίου σαν συνάρτηση της τάσης της πηγής τροφοδοσίας V s (γ) Έστω ότι η κανονική τάση τροφοδοσίας είναι V s * και παρουσιάζεται κυμάτωση α% γύρω από αυτή την τιμή. Να ευρεθεί η κυμάτωση της τάσης στα άκρα του φορτίου. 27
Φωτοεκποµποί Δίοδοι Σε μία ορθά πολωμένη δίοδο, η μετάβαση των ηλεκτρονίων μέσω της σύνδεσης pn αντιστοιχεί με μετάπτωση από υψηλότερη ενεργειακή στάθμη σε χαμήλώτερη. Η διαφορά ενέργειας εκλύεται είτε με την μορφή θερμότητας στις απλές διόδους είτε με την μορφή φωτός στις φωτοεκπομπούς διόδους (Lght Em ng Dode - LED). Οι LED είναι κατασκευασμένες από Ga, P ή As. Η σχετική ανάμιξη αυτών των ουσιών οδηγεί σε έκλυση φωτός διαφόρων χρωμάτων (δηλ. μηκών κύματος) ή ακόμα και σε (αόρατες) ακτίνες υπέρυθρες. Οι LED έχουν χαμηλό PIV (- 3-5V) και επομένως θα πρέπει να ελέγχεται η σωστή πολικότητα τους. Το δυναμικό παρεμπόδισης είναι περίπου V. LED =1.5-2.2 V και το τυπικό ρεύμα περίπου I= 20-30 ma. Επομένως, για να αποφευχθεί η καταστροφή τους, θα πρέπει να τίθενται εν σειρά με μία αντίσταση V n ( ) R = V V I s n LED όπου η τάση της πηγής. Η ειδική έκλυση φωτεινής ενέργειας στις LED είναι περίπου 0.1 W/A. 28
Φωτοδίοδοι Δίοδοι Laser Όταν το φώς από την LED οδηγηθεί σε μία κοιλότητα μεταξύ δύο εξαιρετικά ανακλαστικών επιφανειών τότε η συνεχής ανάκλαση οδηγεί στο σχηματισμό μιάς εξαιρετικά φωτεινής και μονο- συχνοτικής ακτίνας φωτός. Γιά την κατασκευή του χρησιμοποιείται GaAs που αυξάνει την οπτική ισχύ κατά 1000 φορές σε σχέση με τις απλές LED. Το μήκος L καθορίζει το μήκος κύματος του εκπεμπομένου φωτός. Χρησιμοποιούνται σε οπτικές επικοινωνίες και συστήματα αναγνωσης με μπάρες (bar codng). Οι φωτοδίοδοι (photododes) είναι δίοδοι σχεδιασμένες να λειτουργούν σε ανάστροφη πόλωση και κατασκευασμένες έτσι ώστε φως να μπορεί να οδηγηθεί στην ένωση pn μέσω ενός φακού που είναι προσαρμοσμένος σε ένα παράθυρο. Το ρεύμα διαρροής, που είναι στα επίπεδα των μα, είναι ανάλογο της εισερχόμενης φωτεινής ισχύος. Παρακάτω φαίνεται μία εφαρμογή ενός καλωδίου οπτικής ίνας (fber op c cable) που χρησιμοποιείται για την μετάδοση δεδομένων και απαιτεί LED, IRED ή δίοδο Laser. 29
Άσκηση Για τη LED του σχήματος ισχύει: Το δυναμικό παρεμπόδισης είναι περίπου V LED =1.5-2.2 V. Εύρυθμη λειτουργία εξασφαλίζεται όταν το ρεύμα που διέρχεται μέσω αυτής είναι στο εύρος I LED = 20-30 ma. Έχει: ειδική έκλυση φωτεινής ενέργειας περίπου 0.1 W/A, και χαμηλό δυναμικό κατάρρευσης (- 4.5-5 V). Να ευρεθεί τό εύρος διακύμανσης V s mn, V smax της τάσης τροφοδοσίας όσο και η εν σειρά αντίσταση που εξασφαλίζει: τόσο ότι σε κανονική σύνδεση (ορθή πόλωση) διέρχεται ρεύμα στο αναμενόμενο εύρος όσο και ότι σε πιθανή λανθασμένη τοποθέτιση της LED, η τάση στα άκρα της δεν θα καταστραφεί. 30
V smax /R V smn /R 30 ma Άσκηση υπόδειξη υ = V s R Γραμμή φορτίου και Εξειδικεύσεις της υ = V smax R 20 ma υ = V smn R 1.5 2.2 V smn V smax υ -5-4.5=-V smax -V smn υ V smn = 4.2 R = 0.1 kω -V smn /R Αυτή η γραμμή, πιο αριστερά δεν μπορεί να πάει. Αρά: V smax = 4.5 -V smax /R 31