Βιοµηχανικά Ηλεκτρονικά (Industral Electroncs) Κ.Ι.Κριακόπολος Καθηγητής Ε.Μ.Π.
Εισαγωγή Control Systems Laboratory Γιατί Ηλεκτρονικά? Τι είναι τα Mechatroncs (hop://mechatronc- desgn.com/)? Περιεχόμενο Μαθήματος: Θεωρία Δίοδοι Ανόρθωση Transstor Ενίσχση Τελεστικοί Ενισχτές Φίλτρα & Ατόματος Ελέγχος Ψηφιακά Σστήματα Διαχείριση Πληροφορίας Εφαρμογές Επεξεργασία Εικόνας Επιθεωρηση Ποιότητας Διασύνδεση Μηχανοτρονικών Σστημάτων (Η/Υ Αισθητήρες - Επενεργητές Εισαγωγή στον Προηγμένο Ατοματισμό & 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 πο κατασκεάζονται από ηµιαγωγά λικά ονοµάζονται ηµιαγωγές σσκεές (semconductor devces) ή σσκεές στερεάς καταστάσεως (sold state components) δεδοµένο ότι κατασκεάζονται από στερεά λικά όπως Γερµάνιο (Ge), Πρίτιο (S), Αρσενίδιο το Γαλλίο (GaAs) κ.λ.π. Τρία από τα πιο διαδεδοµένα τέτοια στοιχεία είναι οι δίοδοι, τα transstor και τα ολοκληρωµένα κκλώµατα (ntegrated crcuts) Είναι στοιχεία µε χρήση των οποίων µπορούµε να επιτύχοµε, µε τα ηλεκτρονικά κκλώµατα, λειτοργίες όπως ανόρθωση, επιλεκτική διακοπή (swtchng), ενίσχση κλπ. Στος αγωγούς τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στοιβάδας των ατόµων έλκονται χαλαρά από τον πρήνα και είναι σχεδόν ελεύθερα να κινούνται αν ερεθούν πό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίο, δηµιοργώντας έτσι το ηλεκτρικό ρεύµα. Στος µονωτές δεν πάρχον πολλά τέτοια ελεύθερα ηλεκτρόνια επειδή έλκονται ισχρά από το πρήνες. 4
Εισαγωγή Γενικά σνεχ. Οι ηµιαγωγοί είναι κρσταλλικά στερεά των οποίων οι ηλεκτρικές ιδιότητες σε χαµηλές θερµοκρασίες προσοµοιάζον ατές των µονωτών, ενώ σε ψηλότερες οι δεσµοί έλξης γίνονται πιο χαλαροί και εµφανίζον ολίγα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Σε περίπτωση ύπαρξης ηλεκτρικού πεδίο ατά τα ηλεκτρόνια κινούνται αφήνοντας οπές (κενές θέσεις) πο καταλαµβάνονται από άλλα ερχόµενα ελεύθερα ηλεκτρόνια κ.λ.π. Έτσι δηµιοργείται µία "ροή" οπών αντίθετη µε την ροή ηλεκτρονίων. Η προσθήκη µικρών ποσοτήτων προσµίξεων λικών µε διαφορετικούς αριθµούς ηλεκτρονίων εξωτερικής στοιβάδας στος ηµιαγωγούς αλλάζει δραστικά τις ηλεκτρικές τος ιδιότητες και οδηγεί στη ταξινόµηση των ηµιαγωγών σε ηµιαγωγούς τύπο p, όπο παρχει περίσσεια οπών (φορείς θετικών "φορτίων") ένεκα προσµίξεων µε λικά πού έχον λιγότερα ηλεκτρόνια σθένος (π.χ. Βόριο Βο), και ηµιαγωγούς τύπο n, όπο πάρχει περίσσεια ηλεκτρονίων ένεκα προσµίξεων µε λικά πο έχον περισσότερα ηλεκτρόνια σθένος (π.χ. Φώσφορος Ph). 5
Η σύνδεση pn (pn juncton) Μία σύνδεση pn δηµιοργείται όταν δηµιοργηθεί ένα κοινό πόστρωµα ηµιαγωγού µε λικά τύπο p και τύπο n Όταν είναι ξεχωριστά είναι ηλεκτρικά ανενεργά ενώ όταν σχηµατισθεί η σύνδεση pn, µέσω διάχσης, αποκτούν η µεν πλερά p αρνητικό φορτίο (ηλεκτρόνια) η δε πλερά n θετικό. Ατό σµβαίνει µόνο σε µία στενή περιοχή ανάµιξης ή "απογύµνωσης" (depleton regon) γύρω από την σύνδεση pn. Επειδη το τµήµα της πλεράς p αποκτά αρνητικό φορτίο & το τµήµα της n αποκτά θετικό δηµιοργείται ένα τοπικό δναµικό παρεµπόδισης (barrer potental) πο είναι περίπο V b =0.7 V για πρίτιο και V b =0.3 V για γερµάνιο. Η σύνδεση pn είναι ορθά πολωµένη όταν η πλερά p είναι σνδεδεµένη µε τον θετικό ακροδέκτη πηγής σνεχούς τάσεως ενώ η n είναι σνδεδεµένη µε τον αρνητικό. το εύρος της περιοχής ανάµιξης µικραίνει, και όταν η τάση πο ασκείται είναι ψηλότερη το δναµικού παρεµπόδισης, τα ηλεκτρόνια µπορούν να κινηθούν άνετα µέσα από τον ηµιαγωγό. Η σύνδεση pn είναι ανάστροφα πολωµένη όταν η πλερά p είναι σνδεδεµένη µε τον αρνητικό ακροδέκτη πηγής σνεχούς τάσεως ενώ η n είναι σνδεδεµένη µε τον θετικό. η περιοχή ανάµιξης διερύνεται και τα ηλεκτρόνια δεν µπορούν να κινηθούν άνετα µέσα από τον ηµιαγωγό εκτός όταν η τάση πο ασκείται είναι πιο αρνητική) από το δναµικό ανακοπής. P Περιοχή Ανάµιξης 6 P V b Περιοχή Ανάµιξης V b N N
Η σύνδεση pn Control Systems Laboratory σνεχ. Η σµπεριφορά της σύνδεσης pn είναι µη-γραµµική και η σχέση ρεύµατος και τάσης στην περιοχή άνω το δναµικού ανακοπής δίδεται από όπο 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 I s <-0.1V δίνει Μπορούµε να θεωρήσοµε λοιπόν ότι στην περίπτωση αντίστροφης πόλωσης ( < 0) σµβαίνει αποκοπή ρεύµατος, όσο δηλαδή η τάση στος ακροδέκτες είναι θετικότερη από µία χαρακτηριστική τιµή πο ονοµάζεται µέγιστη αντίστροφή τάση (peak nverse voltage - PIV) και σχετίζεται άµεσα µε το δναµικό ανακοπής. s Δναµικό Κατάρρεσης P PIV Περιοχή Ανάµιξης V b Ανάστροφη Πόλωση N P Ορθή Πόλωση Περιοχή Ανάµιξης V b N 7
Μία σύνδεση pn εγκλεισµένη σε άλινο ή µεταλλικό περίβληµα ονοµάζεται δίοδος. Οι δίοδοι χρησιµοποιούνται σε βιοµηχανικά ηλεκτρονικά κκλώµατα πο γενικά φίστανται ψηλές τιµές ρεύµατος και γι ατό τοποθετούνται σε ψύκτρες (µεταλλικές πλάκες µε απολήξεις πο επιτρέπον την διάχση θερµότητας µέσω σναγωγής). Οι δίοδοι πριτίο είναι πιο σνηθισµένες και µπορούν επιτχώς και µε εσταθή θερµική σµπεριφορά να δέχονται χιλιάδες ampere. Ηµιαγωγοί Δίοδοι 8
Οι ακροδέκτες µίας διόδο διακρίνονται σε άνοδο και κάθοδο. Η κάθοδος έχει σπείρωµα πο της επιτρέπει το βίδωµα σε ψήκτρα. Χαρακτηριστικό για κάθε τύπο διόδο είναι το µέγιστο ορθής φοράς σνεχές ρεύµα πο µπορεί να διέλθει χωρίς να δηµιοργεί επιβράδνση το χρόνο ζωής της ή ποβίβαση των χαρακτηριστικών της π.χ. για την δίοδο 1Ν456 ατό είναι περίπο 135 ma. Ηµιαγωγοί Δίοδοι 9
P Περιοχή Ανάµιξης N Μοντέλα Διόδων V b Ανάστροφη Δναµικό Πόλωση Κατάρρεσης PIV Ορθή Πόλωση Δναμικό Παρεμπόδισης Δίοδος Διακόπτης Δίοδος Πηγή =() =() 0 γιά = 0 = 0 γιά < 0 0 γιά = 0 γιά = V 10 b < V b
P Περιοχή Ανάµιξης Μοντέλα Διόδων σνεχ. N V b Ανάστροφη Δναµικό Πόλωση Κατάρρεσης PIV Ορθή Πόλωση Δναμικό Παρεμπόδισης Δίοδος Πηγή µε εσωτερική αντίσταση ( ) = r B V b ( ) για = V r V = 0 για V b B b 11 b
Σηµείο Λειτοργίας Διόδο Το Σ.Λ. µιας διόδο καθορίζεται από την τάση στος ακροδέκτες της και το δι' ατής διερχόµενο ρεύµα. Για κάθε µία από τις προσεγγίσεις το µοντέλο της διόδο, το Σ.Λ. µπορεί να ερεθεί από τη τοµή της γραµµής φορτίο επί το διαγράµµατος της χαρακτηριστικής της διόδο: Vs V T Μη γραμμικό μοντέλο = = Is e 1 Δίοδος διακόπτης Δίοδος πηγή RL Vs =, = 0 R Vs Vb =, = V R Δίοδος πηγή με εσωτερική αντίσταση L L V R s = = L Μοντέλο Διόδο Διακόπτη Q = (, ) 12 b V r B b V R S L 2 Vs Μοντέλο Διόδο Διακόπτη Με Πηγή 3 1 4 Vs = R L Γραµµή Φορτίο V S RL Μη-Γραµµικό Μοντέλο Διόδο Μοντέλο Διόδο Διακόπτη Με Πηγή & Εσωτερική Αντίσταση
Ασκηση (για το σπίτι) Να γίνει παρόµοια ανάλση για το κκλωµα: πο δεν ειναι ιδιο µε το κκλωµα : της προηγοµενης διαφάνειας Vs 13 RL
Ασκήσεις Αν θεωρηθούν οι δίοδοι το διπλανού σχήματος ως «διακόπτες», να σχεδιασθεί το διάγραμμα πο σχετίζει την είσοδο V n με την έξοδο V out. 0 γιά = 0 = 0 γιά < 0 =() =! u " 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" 14
D 1 Αν θεωρηθούν οι δίοδοι το διπλανού σχήματος ως «διακόπτες», να σχεδιασθεί το διάγραμμα πο σχετίζει την είσοδο V n με την έξοδο V out. Λύση: Λόγω της διακριτής μορφής το μοντέλο - 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 θεωρήσομε όλος τος δνατούς σνδασμούς: u D 1 - άγει, D 2 - άγει: πράγμα πο σημαίνει 1 S 3. Αν πάρομε τος 2 βρόχος και τον κόμβο «1» και γράψομε τις αντίστοιχες εξισώσεις Krchoff : απ όπο προκύπτει, και για να ισχύει, όπως απαιτήθηκε παραπάνω, 1 S 3 θα πρέπει V > 15 V. και προφανώς σε ατή την περίπτωση Vout = VS = 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 S D 2 V out 15
D 1 Άσκηση -1 R 1 =5 Ω u D 1 - άγει, D 2 δεν άγει: πράγμα "1" R 3 =5 Ω πο σημαίνει. + + 1 > 0, S = 3 = 0 Άν πάρομε τον πρώτο βρόχο 3 1 D 2 (ο δεύτερος δεν διαρρέεται V R 2 =10 Ω n V από ρεύμα) και τον κόμβο «1» out S και γράψομε τις αντίστοιχες 2 V s =10 V εξισώσεις Krchoff : - - V "2" n = R 1 1+ 2R2 Vn 1 = 1 = 2 R1+ R2 και για να ισχύει, όπως απαιτήθηκε παραπάνω, 1 > 0, S = 3 = 0 θα V πρέπει V n >. 0V και προφανώς σε ατή την περίπτωση V out = 2 R 2 = n R 2 R δηλαδή.. Το ότι δεν άγει η D 2 εξασφαλίζεται αν 1 + R 2 V 2 out = Vn 3 2 Vout = Vn < VS = 10 V Vn < 15 V 3 2 Επομένως οι σνθήκες ισχύον για 0< V n < 15V οπότε Vout = Vn. 3 u D 1 - δεν άγει, D 2 δεν άγει: πράγμα πο σημαίνει 1 = 0, S = 3 = 0. Δεδομένο 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 "1" "2" 0V 16
D 1 Άν πάρομε τον 2 ο βρόχο (ο 1 ος δεν διαρρέεται από ρεύμα) και τον κόμβο «1» και γράψομε τις αντίστοιχες εξισώσεις Krchoff : R 2 2 = R 3 3 + VS VS 3 = = R + R Ατό αντίκειται στην παραπάνω σνθήκη 3 > 0 και επομένως ατή η περίπτωση είναι αδύνατη. Άσκηση -1 R u D 1 - δεν άγει, D 2 άγει: πράγμα 1 =5 Ω "1" R 3 =5 Ω πο σημαίνει + + = 0, = > 0 1 S 3 V n ( ) 3 2 2 3 R 2 =10 Ω Ø Η σχέση εισόδο / εξόδο (γ) (δ) V n προκύπτει από σύνθεση των 15 V ανωτέρω περιπτώσεων και φαίνεται στο διπλανό σχήμα 17 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 άγον ρεύμα μόνο κατά την πρόσω πόλωση τος τα κάνει ιδανικά στοιχεία γιά χρήση στην ανόρθωση της εναλασσόμενης (AC) τάσεως σε σνεχή (DC). Στα βιομηχανικά δίκτα ατό γίνεται τόσο σε μονοφασικά όσο και σε τριφασικά σστήματα. Ένας μονοφασικός - ημίσεως κύματος - ανορθωτής (ΜΗΚΑ) χρησιμοποιείται για την ανόρθωση μονοφασικής τάσεως n ( ) = sn ( ω ) V t V t p όπο ω = 2π = 2π f T και T = 1 είναι η περίοδος το f εναλλασσόμενο (AC) ρεύματος. Η δίοδος άγει ρεύμα μόνο κατά την μισή περίοδο (ατή πο αντιστοιχεί στην πρόσω πόλωση) το εναλλασσόμενο σήματος εισόδο. Ασφαλής λειτοργία είναι δνατή όταν το εύρος της AC τάσης είναι σαφώς μικρότερο από το PIV της διόδο αλλοιώς, κατά την αντίστροφη πόλωση, θα έχομε το φαινόμενο της χιονοστιβαδας (avalanche effect) δηλαδή τη διάσπασης το (κατά την αντίστροφη πόλωση) μονωτικού χαρακτήρα της διόδο πράγμα πο οδηγεί σε αθρώα ροή ηλεκτρονίων και κατά σνέπεια στην καταστροφή της. Στην πράξη επιλέγεται δίοδος με PIV περίπο διπλάσια της V p. 18 V p Ατά για «Δίοδο Διακόπτη». Πως θα είναι αν θεωρήσομε «Δίοδο- πηγή»?
Ανορθωτές Ένας μονοφασικός - ολικού κύματος ανορθωτής (ΜΟΚΑ) άγει ρεύμα καθ όλη την περίοδο το εναλασσόμενο σήματος εισόδο. Στο σχήμα φαίνεται ο πιό σνήθης τύπος ΜΟΚΑ, ατός της γέφρας πλήρος κύματος. Η μέση τάση εξόδο είναι 1 = Vp γιά MHKA 1 T π Vdc = VR ( t) dt = 0 L T = 2 Vp γιά MOKA π όπο VR L ( t) είναι η στιγμιαία τάση στα άκρα το φορτίο. σνεχ. 19
Ανορθωτές σνεχ. Είναι προφανές ότι η μέση τάση στο φορτίο για την περίπτωση των ΜΟΚΑ είναι μεγαλύτερη από ατή των ΜΗΚΑ και το σήμα εξόδο ομαλότερο και γι ατό το λόγο είναι και πιο σνήθεις. Τα παραπάνω ισχύον για μοντελοποίηση διόδων με το απλό μοντέλο διακόπτη. Στην περίπτωση πο χρησιμοποιηθεί το μοντέλο πηγής τότε το εύρος της τάσης στα άκρα της αντίστασης είναι μειωμένο κατά το άθροισμα των δναμικών 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 20
R L Ανορθωτές Τα ανορθωτικά φίλτρα (rec fer flters) χρησιμοποιούνται για να μειώσον τον AC χαρακτήρα το DC σήματος εξόδο, δηλαδή να το κάνον πιο ομαλό. Μεταξύ φάσης 0 και 90 ο πκνωτής φορτίζεται και φθάνει στο μέγιστο φορτίο οπότε μετά την φάση 90, όταν μειώνεται η πρόσω πόλωση, αρχίζει και αποδίδει ατό το φορτίο σταδιακά. Όσο το C είναι μεγαλύτερo τόσο η αποφόρτιση, μέσω το φορτίο, θα διαρκέσει περισσότερο. Στην περίπτωση χρήσης ενός πκνωτή σε ένα ΜΟΚΑ ο πκνωτής θα φθάσει στο μέγιστο φορτίο τόσο για 90 ο όσο και 270 ο. Γι ατή την περίπτωση αποδεικνύεται ότι αν είναι το φορτίο εξόδο, τότε 1 + = V 1 + ( 4 frc) ( 4 frc) σνεχ. διοδος διακοπτης 21 V dc p V p 1 L 2 V 1 L b διοδος πηγη
Δίοδοι Zener Δίοδοι με μεγάλο ποσοστό κατάλληλων προσμίξεων πο έχει σαν αποτέλεσμα, κατά την ανάστροφη πόλωση, όταν η τάση ξεπεράσει (δηλ. γίνει πιο αρνητική από) ένα χαρακτηριστικό όριο V z, να μην σμβαίνει το φαινόμενο της χιονοστιβάδας αλλά το φαινόμενο Zener πο δεν οδηγεί στην καταστροφή τος. Η αντίστροφη τάση απομακρύνει τα ηλεκτρόνια από τις τροχιές τος και έτσι με μικρή αύξηση της τάσης παρατηρούνται μεγάλες μετακινήσεις φορτίων. Ανάστροφη Πόλωση Η μεγάλη κλίση της καμπύλης σε ατή τη περιοχή κάνει τις Zener κατάλληλες για λειτοργία στην περιοχή της V Z τάσεως ανακοπής, σε διατάξεις σταθεροποιητών τάσης. Άνοδος (α) (β) Οι δίοδοι Zener χαρακτηρίζονται από : το δναμικό ανακοπής V z και την μέγιστη ισχύ πο αναφέρεται στην δνατότητα απορρόφησης ισχύος στος 25 o C. Ασφαλης λειτοργία των Zener επιτγχάνεται όταν γίνεται σε ατή τη περιοχή. 22 V z Περιοχή Φαινοµένο Zener Κάθοδος Οι δίοδοι Zener χρησιμοποιούνται κρίως σε αντίστροφη πόλωση. Αλλά όταν πολωθούν ορθά τότε, όπως δείχνει το παραπάνω σχήμα, έχον παρόμοια σμπεριφορά με ατές των διόδων ανόρθωσης. Ορθή Πόλωση r Z
Δίοδοι Zener Control Systems Laboratory σνεχ. Οι δίοδοι Zener όταν ερίσκονται σε αντίστροφη πόλωση σνήθως προσεγγίζονται από δύο (2) μοντέλα: Ιδανική Zener = V r V Zener με εσωτερική αντίσταση = 0 για V Το σημείο λειτοργίας Q =, πο καθορίζεται από την τάση στος ακροδέκτες της Zener και το V s διερχόμενο δι' ατής ρεύμα για δεδομένη τάση πηγής, μπορεί να ερεθεί, για κάθε μία από τις προσεγγίσεις το μοντέλο της διόδο, με πέρθεση της γραμμής φορτίο επί το διαγράμματος της χαρακτηριστικής της διόδο, δηλαδή : Ιδανική Zener: Ισχύει για Zener με εσωτερική αντίσταση: Ισχύει για < 0 V s > V z < 0 V s > V z 0 γιά = 0 γιά = V z > V ( ) Vs + Vz =, = V R z z Το V z αλγεβρικα (αρνητικό) ( ) για z z Z Zener µε Εσωτερική Αντίσταση = V + s R = V z r z 23 Z V s 2 1 - Ιδανική Zener Γραµµή Φορτίο + R Vs R Με επίλση των 2 γραμμικών εξισώσεων 2 αγνώστων προκύπτει το Q
Zener : Ασκηση Να ερεθεί το σημείο λειτοργίας Q =, για τάση πηγής () 10V, () 20V, τάση Zener - 15V, εσωτερική αντίσταση της Zener 100Ω και φορτίο 10kΩ. Απάντηση: μπορεί να ερεθεί με πέρθεση της γραμμής φορτίο επί το διαγράμματος της χαρακτηριστικής της διόδο δηλαδή με επίλση των 2 γραμμικών εξισώσεων 2 αγνώστων προκύπτει το Q. () V s =10< - V z =15. Επομένως δεν ερισκομαστε στη περιοχή Zener. () V s =20 > - V z =15. Επομένως ερισκομαστε στη περιοχή Zener. = V s + R = V s + R = V z 20 + r z 10 ( ) = V + 20 + 15.2 s! R 10 ( ) = 0 = V s = 10V Zener µε Εσωτερική Αντίσταση 24 V s = ( 15 )! 15.2 0.1 z = 4.8mA V s 2 1 - Ιδανική Zener Γραµµή Φορτίο + Με επίλση των 2 γραμμικών εξισώσεων 2 αγνώστων προκύπτει το Q R Vs R
! Control Systems Laboratory Δίοδοι Zener σνεχ. Οι Zener χρησιμοποιούνται σε ρθμιστές τάσεως (voltage I s regulators) δηλαδή σσκεές όπο η τάση το φορτίο - I V Z διατηρείται σταθερή για μία ερεία περιοχή διακύμανσης n της αντίστασης το φορτίο και της τάσης της πηγής. + Κατά τον σχεδιασμό ρθμιστών τάσεως οσιαστική είναι η επιλογή της αντίστασης R S έτσι ώστε το σημείο λειτοργίας της διόδο να ερίσκεται στην περιοχή Zener, δηλαδή η τάση στα άκρα της να είναι V και το δι' ατής z < 0 ρεύμα Is > IL. Πρέπει δηλαδή I z > 0 και κατά σνέπεια Vn + Vn + Vz Vz Vn + Vz Is = = > = = IL Rs < RL R R R R V s s L L z Ατή η απαίτηση θα πρέπει όμως να σταθμισθεί με το ότι όσο πιο μικρή είναι η αντίσταση τόσο μεγαλύτερη είναι η κατανάλωση ενέργειας τόσον επ' ατής 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. 25 V n R s V out 5 V Ψαλιδισµένο Σήµα V out 5 V
Zener: Πρόβληµα Εξάσκησης Control Systems Laboratory Αν θεωρηθούν οι ιδανικές Zener (με V z = - 5 V) το διπλανού σχήματος ως «διακόπτες» στην ορθή πόλωση, να σχεδιασθεί το διάγραμμα πο σχετίζει την είσοδο με την έξοδο. Παρατήρηση: οι Zener θα δολεύον τόσο στην ορθή όσο και στην ανάστροφη πόλωση. Επομένως θα πάρχον 3 καταστάσεις λειτοργίας για κάθε μία από ατές. V n R s V out Ι Κάθοδος ΙΙ ΙΙΙ Άνοδος (α) 26
Ασκήσεις 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 ατής της μεταβολής, η δίοδος Zener θα σταματήσει να δρα ως σταθεροποιητής της τάσης επί το φορτίο. Να ερεθεί ατή η τάση τροφοδοσίας V s 0 πο χάνεται ατή η δνατότητα σταθεροποίησης. (β) Έστω ότι η κανονική τάση τροφοδοσίας είναι V s =20 V με κμάτωση ±5% γύρω από ατή την τιμή. Να ερεθεί η κμάτωση της τάσης στα άκρα το φορτίο (Υπόδειξη: να ερεθεί η σχέση V s ως προς s, όπο s το ρεύμα πο αποδίδει η πηγή τροφοδοσίας). V s 0.33 kω 1.5 kω 27
Ασκήσεις, (α) Ας θεωρήσομε τα διαρρέοντα ρεύματα στο s διπλανό σχήμα. V z s Όταν οριακά σταματά η δίοδος να σταθεροποιεί (δηλ. να είναι στη περιοχή Zener) θα ισχύον στιγμιαία: V1 = 12V z = 0 L = S Οπότε με εφαρμογή των νόμων το 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 σνεχ. (β) Εφόσον η τάση τροφοδοσίας είναι V s =20 V, η τάση πο 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 Ατές είναι μεγαλύτερες από την τάση πηγής στην οποία εμφανίζεται το φαινόμενο Zener. Επομένως, θα έχομε εμφάνιση το φαινομένο καθ όλο το εύρος μεταβολής της τάσης. 28 «1» L 1.5 kω =0.95 20V 19V
Ασκήσεις, Από εφαρμογή το Krchoff στος 2 βρόχος και στον κόμβο «1», παίρνομε: L = L 1,5KΩ = Z S = Z + L 0,0115KΩ +12V V S = S 0,33KΩ Z 0,0115KΩ +12V Z = S V s 1,5KΩ 12V 1,5115KΩ 0.33 kω σνεχ. «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. 29
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 ερεθεί η τάση τροφοδοσίας V s πο παύει η δνατότητα σταθεροποίησης της Zener. (β) Να ερεθεί η τάση V L στά άκρα το φορτίο σαν σνάρτηση της τάσης της πηγής τροφοδοσίας V s (γ) Έστω ότι η κανονική τάση τροφοδοσίας είναι V s * και παροσιάζεται κμάτωση α% γύρω από ατή την τιμή. Να ερεθεί η κμάτωση της τάσης στα άκρα το φορτίο. 30
Φωτοεκποµποί Δίοδοι Σε μία ορθά πολωμένη δίοδο, η μετάβαση των ηλεκτρονίων μέσω της σύνδεσης pn αντιστοιχεί με μετάπτωση από ψηλότερη ενεργειακή στάθμη σε χαμήλώτερη. Η διαφορά ενέργειας εκλύεται είτε με την μορφή θερμότητας στις απλές διόδος είτε με την μορφή φωτός στις φωτοεκπομπούς διόδος (Lght Emšng Dode - LED). Οι LED είναι κατασκεασμένες από Ga, P ή As. Η σχετική ανάμιξη ατών των οσιών οδηγεί σε έκλση φωτός διαφόρων χρωμάτων (δηλ. μηκών κύματος) ή ακόμα και σε (αόρατες) ακτίνες πέρθρες. Οι LED έχον χαμηλό PIV (- 3-5V) και επομένως θα πρέπει να ελέγχεται η σωστή πολικότητα τος. Το δναμικό παρεμπόδισης είναι περίπο V. LED =1.5-2.2 V και το τπικό ρεύμα περίπο I= 20-30 ma. Επομένως, για να αποφεχθεί η καταστροφή τος, θα πρέπει να τίθενται εν σειρά με μία αντίσταση V n ( ) R = V V I s n LED όπο η τάση της πηγής. Η ειδική έκλση φωτεινής ενέργειας στις LED είναι περίπο 0.1 W/A. 31
Φωτοδίοδοι Δίοδοι Laser Όταν το φώς από την LED οδηγηθεί σε μία κοιλότητα μεταξύ δύο εξαιρετικά ανακλαστικών επιφανειών τότε η σνεχής ανάκλαση οδηγεί στο σχηματισμό μιάς εξαιρετικά φωτεινής και μονο- σχνοτικής ακτίνας φωτός. Γιά την κατασκεή το χρησιμοποιείται GaAs πο αξάνει την οπτική ισχύ κατά 1000 φορές σε σχέση με τις απλές LED. Το μήκος L καθορίζει το μήκος κύματος το εκπεμπομένο φωτός. Χρησιμοποιούνται σε οπτικές επικοινωνίες και σστήματα αναγνωσης με μπάρες (bar codng). Οι φωτοδίοδοι (photododes) είναι δίοδοι σχεδιασμένες να λειτοργούν σε ανάστροφη πόλωση και κατασκεασμένες έτσι ώστε φως να μπορεί να οδηγηθεί στην ένωση pn μέσω ενός φακού πο είναι προσαρμοσμένος σε ένα παράθρο. Το ρεύμα διαρροής, πο είναι στα επίπεδα των μα, είναι ανάλογο της εισερχόμενης φωτεινής ισχύος. Παρακάτω φαίνεται μία εφαρμογή ενός καλωδίο οπτικής ίνας (fber op c cable) πο χρησιμοποιείται για την μετάδοση δεδομένων και απαιτεί LED, IRED ή δίοδο Laser. 32
Άσκηση Για τη LED το σχήματος ισχύει: Το δναμικό παρεμπόδισης είναι περίπο V LED =1.5-2.2 V. Εύρθμη λειτοργία εξασφαλίζεται όταν το ρεύμα πο διέρχεται μέσω ατής είναι στο εύρος I LED = 20-30 ma. Έχει: ειδική έκλση φωτεινής ενέργειας περίπο 0.1 W/A, και χαμηλό δναμικό κατάρρεσης (- 4.5-5 V). Να ερεθεί τό εύρος διακύμανσης V s mn, V smax της τάσης τροφοδοσίας όσο και η εν σειρά αντίσταση πο 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. 33
V smax /R V smn /R 30 ma Άσκηση πόδειξη = V s R Γραμμή φορτίο και Εξειδικεύσεις της = V smax R 20 ma = V smn R 1.5 2.2 V smn V smax -5-4.5=-V smax -V smn V smn = 4.2 R = 0.1 kω -V smn /R Ατή η γραμμή, πιο αριστερά δεν μπορεί να πάει. Αρά: V smax = 4.5 -V smax /R 34