Βιοµηχανικά Ηλεκτρονικά (Industrial Electronics) Κ.Ι.Κυριακόπουλος Καθηγητής Ε.Μ.Π.
Εισαγωγή Control Systems Laboratory Γιατί Ηλεκτρονικά? Τι είναι τα Mechatronics ( hrp://mechatronic- design.com/)? Περιεχόμενο Μαθήματος: Θεωρία Δίοδοι Ανόρθωση Transistor Ενίσχυση Τελεστικοί Ενισχυτές Φίλτρα & Αυτόματος Ελέγχος Ψηφιακά Κυκλώματα Διαχείριση Πληροφορίας Εφαρμογές Προγραμματιζόμενοι Λογικοί Ελεγκτές Βιομηχανικός Αυτοματισμός Επεξεργασία Εικόνας Επιθεωρηση Ποιότητας Εισαγωγή στον Προηγμένο Αυτοματισμό & Ρομποτική 2
Κεφάλαιο 1 Ηµιαγωγοί Δίοδοι (Semiconductor Diodes) 1. Εισαγωγή - Γενικά 2. Η σύνδεση pn (pn junction) 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 (semiconductor devices) ή συσκευές στερεάς καταστάσεως (solid state components) δεδοµένου ότι κατασκευάζονται από στερεά υλικά όπως Γερµάνιο (Ge), Πυρίτιο (Si), Αρσενίδιο του Γαλλίου (GaAs) κ.λ.π. Τρία από τα πιο διαδεδοµένα τέτοια στοιχεία είναι οι δίοδοι, τα transistor και τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα (integrated circuits) Είναι στοιχεία µε χρήση των οποίων µπορούµε να επιτύχουµε στα ηλεκτρονικά κυκλώµατα λειτουργίες όπως ανόρθωση, επιλεκτική διακοπή (switching), 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 ύ ό επειδή έλκονται ισχυρά από τους πυρήνες. 4
Control Systems Laboratory 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 υπάρχει 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
Control Systems Laboratory Η σύνδεση pn (pn junction) 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" (depletion region) 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 (barrier potential) 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. i 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 ή ά και το ύ ύ. Αν και η θερµική τάση διαφέρει ελαφρά µεταξύ Si και Ge, εδώ θα ληφθεί ενιαία και ίση µε 0.025 V ενώ το ρεύµα κορεσµού είναι της τάξης των na έως µα. Η παραπάνω σχέση για ( V T 1) i= I e υ i 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 έ ί ή ά (peak inverse 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
Control Systems Laboratory 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
Control Systems Laboratory 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