Zaliczenie z elektroniki odp

LAB.1. Pomiar charakterystyk diod i tranzystorów 1. Omówić budowę i właściwości półprzewodnika samoistnego i domieszkowanego. Półprzewodnik samoistny – półprzewodnik, którego materiał jest idealnie czysty, bez żadnych zanieczyszczeń struktury krystalicznej. Koncentracja wolnych elektronów w półprzewodniku samoistnym jest równa koncentracji dziur. Przyjmuje się, że w temperaturze 0 kelwinów w paśmie przewodnictwa nie ma elektronów, natomiast w T>0 K ma miejsce generacja par elektrondziura; im wyższa temperatura, tym więcej takich par powstaje. Półprzewodniki samoistne mają mało ładunków swobodnych (co objawia się dużą rezystywnością), dlatego też stosuje się domieszkowanie. Domieszkowanie polega na wprowadzeniu i aktywowaniu atomów domieszek do struktury kryształu. Domieszki są to atomy pierwiastków, które nie wchodzą w skład półprzewodnika samoistnego. Ponieważ w wiązaniach kowalencyjnych bierze udział ustalona liczba elektronów, zamiana któregoś z atomów struktury na odpowiedni atom domieszki powoduje wystąpienie nadmiaru lub niedoboru elektronów. 2.

Symbole graficzne i własności diod: Zenera, pojemnościowej, LED i fotodiody.

a)

Dioda Zenera:

Własności: przebicie niepowodujące uszkodzenia diody, napięcie przebicia określone dokładnie, z niewielką tolerancją, typowo 5%, mała oporność dynamiczna, zapewnienie możliwie gwałtownego przejścia do stanu przebicia złącza. b) Dioda pojemnościowa:

Własności: pracują przy polaryzacji zaporowej, charakteryzując się zmienną pojemnością w funkcji przyłożonego napięcia. c)

Dioda LED

Właściwości: mały pobór prądu, mała wartość napięcia zasilającego, duża sprawność, małe straty energii, małe rozmiary, duża trwałość, duża wartość luminacji. d) Fotodioda

Właściwości: Brak polaryzacji – dioda pracuje jako źródło prądu elektrycznego, przy oświetleniu w złączu powstaje siła elektromotoryczna wywołująca prąd elektryczny, przy polaryzacji zaporowej – do diody podłączone jest napięcie w kierunku zaporowym, dioda pełni rolę rezystora którego opór zależy od oświetlenia. Przy braku światła płynie tzw. prąd ciemny. Po oświetleniu liczba ładunków mniejszościowych wzrasta, a co za tym idzie wzrasta prąd wsteczny. 3.

Omówić zasadę działania stabilizatora napięcia z zastosowaniem diody Zenera.

Najprostszym stabilizatorem napięcia jest układ z wykorzystaniem diody Zenera.

Elementem stabilizującym jest dioda Zenera. Często natomiast wykorzystywany jest jako proste źródło napięcia odniesienia. Dioda Zenera pełni rolę źródła napięcia odniesienia.

4.

Omówić zasadę działania tranzystora unipolarnego FET i jego charakterystyki.

Przyłożone do bramki napięcie wywołuje w krysztale dodatkowe pole elektryczne, które wpływa na rozkład nośników prądu w kanale. Skutkiem tego jest zmiana efektywnego przekroju kanału, co objawia się jako zmiana oporu dren-źródło.

5.

Symbole graficzne i charakterystyki tranzystora bipolarnego oraz podać różnice w sterowaniu pomiędzy tranzystorami bipolarnymi i unipolarnymi.

Tranzystor bipolarny charakteryzuje się tym, że niewielki prąd płynący pomiędzy dwiema jego elektrodami (nazywanymi bazą i emiterem) steruje większym prądem płynącym między emiterem, a trzecią elektrodą (nazywaną kolektorem). Tranzystor unipolarny tranzystor, w którym sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego.

6.

Omówić parametry wzmacniacza pracującego w układzie OE, OB, OC.

W zależności od tego, która elektroda tranzystora jest wspólna dla obu obwodów wyróżniamy trzy konfiguracje włączenia tranzystora w układ wzmacniacza: wspólnej bazy (OB), wspólnego emitera (OE) i wspólnego kolektora (OC) - Rys.2.3. 7.

Co to jest punkt pracy tranzystora i na czym polega jego stabilizacja.

Punkt pracy tranzystora można wyznaczyć w sposób graficzny lub analityczny. Metoda graficzna polega na wrysowaniu w rodzinę charakterystyk wyjściowych wzmacniacza prostej obciążenia. Styczna prosta obciążenia jest to zależność napięcia Uce od prądu Ic. 8.

Symbole graficzne i charakterystyki tranzystora unipolarnego MOSFET, rodzaje.

Ze względu na typ przewodnictwa kanału wyróżnia się tranzystory polowe z izolowaną bramką z kanałem typu n i p. Natomiast ze względu na różnice w sposobie uzyskiwania właściwości sterujących kanału wyróżnia się: - tranzystory normalnie wyłączone (ang. normally off) inaczej z kanałem wzbogacanym, - tranzystory normalnie włączone (ang. normally on) inaczej z kanałem zubożanym.

9.

Omówić zasadę działania tranzystora IGBT, jego schemat zastępczy, charakterystyki i zastosowanie.

Zasadę działanie tranzystora IGBT najlepiej jest prześledzić, korzystając ze schematu zastępczego. Tranzystor MOSFET steruje bazą tranzystora bipolarnego pnp, zapewniając szybkie przechodzenie od stanu blokowania do przewodzenia i na odwrót. W tranzystorze IGBT największa część prądu kolektora płynie przez kanał tranzystora MOSFET. Stan blokowania IGBT występuje gdy napięcie między bramką a źródłem jest niższe od wartości progowej UGE (th). Dołączone napięcie kolektor-emiter powoduje przepływ bardzo małego prądu upływu. Kiedy napięcie bramka-emiter przekroczy wartość progową UGE (th) tranzystora MOSFET struktury IGBT, to zaczyna on przewodzić – płynie prąd kolektora określony napięciem kolektor-emiter oraz wartością napięcia sterującego UGE.

Zastosowanie: Używa się go obecnie w większości nowych urządzeń energoelektronicznych. LAB.2. Przekształtniki energoelektroniczne 1.

Zasada działania, charakterystyki sposoby włączenia i wyłączenia tyrystora.

Zas. dział. Tyrystor przewodzi w kierunku od anody do katody. Jeżeli anoda jest o dodatnim potencjale względem katody, to złącza skrajne typu p-n są spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze środkowe n-p w kierunku zaporowym. Dopóki do bramki nie doprowadzi się napięcia, tyrystor nie przewodzi prądu. Doprowadzenie do bramki dodatniego napięcia względem katody spowoduje przepływ prądu bramkowego i właściwości zaporowe środkowego złącza zanikają w ciągu kilku mikrosekund; następuje wyzwolenie tyrystora.

Załączenie tyrystora, czyli przejście ze stanu blokowania w stan przewodzenia, jest możliwe po przekroczeniu określonej wartości napięcia i prądu anodowego. Wyłączenie tyrystora, czyli przejście ze stanu przewodzenia w stan blokowania lub wsteczny, wymaga zmniejszenia prądu anodowego tyrystora do wartości tzw. prądu podtrzymania IH albo zmiany polaryzacji napięcia anoda-katoda. 2.

Zasada działania regulacji fazowej i grupowej.

3.

Charakterystyka i zastosowanie symistora (triaka) oraz tyrystora MCT.

Stosując tyrystor dwukierunkowy (triak) zakres regulacji mocy można rozszerzyć od 0 do 100%. Triaki stosowane są w obwodach prądu przemiennego przewodzą prąd w obu kierunkach, triak włączany jest prądem bramki, wyłącza się gdy natężenie prądu jest równe zero. Używane są jako łączniki dwukierunkowe, przekaźniki oraz regulatory mocy. Tyrystory MCT są elementami półprzewodnikowymi, które w jednej strukturze łączą właściwości czterowarstwowego tyrystora w pełni wyłączalnego i wejściowego tranzystora MOS. Ponadto sterowanie ich odbywa się za pośrednictwem bramki o dużej rezystancji i nie wymagają dużych wejściowych sygnałów prądowych w procesie wyłączania.

4.

Metody sterowania zaworami przekształtników.

Przekształtnik jak sama nazwa wskazuje służy do przekształcania, przetwarzania prądu stałego na prąd stały lecz o innej wartości średniej napięcia. Stałe napięcie wejściowe przekształcane jest na ciąg impulsów prostokątnych o stałej amplitudzie. Regulacji napięcia wyjściowego możemy dokonywać w następujące sposoby: 1) Przez zmianę częstotliwości przy stałym czasie trwania każdego pojedynczego impulsu

Rys. 8

Regulacja wartości średniej napięcia poprzez zmianę częstotliwości;

2) Przez zmianę czasu trwania impulsów i stałej częstotliwości

Rys. 9

Regulacja wartości średniej napięcia przez zmianę szerokości impulsów PWM;

Mała składowa zmienna występuje przy niskich i wysokich częstotliwościach przełączania. Maksimum występuje przy współczynniku wypełnienia równym 50%.

3) Szerokości impulsów tz są niezmienne, zaś zmienia się odstęp między nimi tw,

Rys. 11 Regulacja średniej wartości napięcia przez zmianę okresów przerw między impulsami;

4) Zmieniana szerokość impulsu tZ i przerwy t W – rysunek 12.

Rys. 12 Regulacja napięcia przez zmianę czasu załączania i wyłączania;

5.

Zasada działania falownika 3-fazowego i prostownika sterowanego (regulatora mocy).

Falowniki zasilane 3-fazowo z wyjściem 3-fazowym (3 x 400 V), urządzenie elektryczne zamieniające prąd stały, którym jest zasilane, na prąd zmienny o regulowanej częstotliwości wyjściowej. Prostownik sterowany - w prostownikach takich diody prostownicze zastępuje się tyrystorami, które sterowane są za pomocą odpowiednich układów analogowych lub cyfrowych. Prostowniki sterowane są stosowane wszędzie tam, gdzie wymagana jest płynna regulacja mocy wyjściowej urządzenia - takie rozwiązanie jest szeroko stosowane np. w spawarkach transformatorowych lub automatycznych ładowarkach akumulatorów samochodowych (popularnie zwanych po prostu prostownikami). LAB.3. Wzmacniacz operacyjny 1.

Omówić parametry i właściwości idealnego wzmacniacza operacyjnego.

Wzmacniacze operacyjne stanowią największą grupę analogowych układów scalonych. Charakteryzują się następującymi właściwościami: - bardzo dużym wzmocnieniem napięciowym (powyżej 10000 V/V czyli 80 dB), - wzmacniają prąd stały, - odwracają fazę sygnału wyjściowego w stosunku do sygnału podawanego na wejściu odwracające (oznaczenie „ – „) lub zachowują zgodność w fazie jeżeli sygnał wejściowy jest podawany na wejście nieodwracające (oznaczenie „ + „), - dużą rezystancję wejściową (ponad 100 M), - małą rezystancję wyjściową (kilka ).

Parametry wzmacniacza operacyjnego idealnego Idealny wzmacniacz operacyjny powinien wykazywać następujące właściwości: - nieskończenie duże wzmocnienie przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego (K  ); - nieskończenie szerokie pasmo przenoszonych częstotliwości; - nieskończenie dużą impedancję wejściową (między wejściami oraz między wejściami a masą); - impedancję wyjściową równą zeru; - napięcie wyjściowe równe zeru przy sterowaniu sygnałem nieróżnicowym (wspólnym); - wzmocnienie idealne różnicowe, a więc nieskończenie duże tłumienie sygnału nieróżnicowego; - niezależność parametrów od temperatury.

2.

Omówić podstawowe konfiguracje pracy wzmacniacza operacyjnego, podać zależność na napięcie wyjściowe wzmacniacza w poszczególnych układach pracy.

Podstawowe układy pracy wzmacniaczy operacyjnych: 1. Wzmacniacz odwracający fazę sygnału wejściowego,

Wzmacnia sygnał podany na wejście i odwraca w fazie, jak na wejściu zmienia się na plus, to na wyjściu na minus.

2.

Wzmacniacz nieodwracający,

Wzmacnia sygnał podany na wejście, na wyjściu zmienia się w tę stronę, co na wejściu.

3. Wzmacniacz sumujący i odejmujący, Odejmujący (różnicowego): Napięcie na wyjściu:

Wzmacnia różnicę dwóch napięć, tłumi sygnał wspólny

Sumujący: Napięcie na wyjściu:

Wzmacniacz w oscyloskopie, korektory graficzne, miksery audio

4.

Wzmacniacz całkujący,

Napięcie na wyjściu:

Wzmocnienie układu jest odwrotnieproporcjonalne do częstotliwości, wzmacniacz całkujący jest wzmacniaczem dolnoprzepustowym.

5.

Wzmacniacz różniczkujący,

Napięcie na wyjściu:

Jest wzmacniaczem górnoprzepustowym. Jego wzmocnienie zależy wprostproporcjonalnie od częstotliwości.

6.

Wtórnik napięciowy,

Napięcie wyjściowe:

Taki układ charakteryzuje się bardzo dużą rezystancją wejściową i małą rezystancją wyjściową.

7.

Komparator napięć

Napięcie wyjściowe:

Wzmocnienie napięciowe.

Schemat komperatora napięcia 3.

Omówić charakterystykę częstotliwościową i przejściową wzmacniacza operacyjnego.

4.

Co to jest napięcie niezrównoważenia, wymienić sposoby kompensacji „zera”.

W idealnym wzmacniaczu operacyjnym jeżeli na obu wejściach jest napięcie równe 0, to na wyjściu też powinno być napięcie równe 0. Ale w rzeczywistych wzmacniaczach tak nie jest. Wejściowym napięciem niezrównoważenia określa się napięcie między wejściami wzmacniacza, gdy na wyjściu panuje napięcie równe 0. Nowoczesne wzmacniacze operacyjne posiadają możliwość prostej kompensacji wyjściowego napięcia niezrównoważenia poprzez doprowadzenie do wejścia różnicowego odpowiedniej wartości napięcia - takiej, aby uzyskać zerową wartość napięcia na wyjściu. W praktyce, kompensacja ta odbywa się za pomocą potencjometru P dołączonego do specjalnie wyprowadzonych końcówek wzmacniacza. LAB.4. PODSTAWY TECHNIKI CYFROWEJ 1. a)

Symbole graficzne, tablice stanów, modele przekaźnikowe dla podstawowych funktorów: NAND, NOR, AND, OR. NAND

b) NOR

c)

AND

d) OR

2.

Symbole graficzne, tablice stanów bramek ExOR, ExNOR.

a)

ExOR

b) ExNOR

3.

Przerzutniki: monostabilny i bistabilny - działanie, przeznaczenie.

Przerzutniki są inną niż bramki klasą urządzeń elektroniki cyfrowej, są najprostszymi układami pamięciowymi. Przerzutnik zapamiętuje zmianę stanu logicznego wejścia. Stan zapamiętania sygnalizowany jest zmianą stanu wyjścia. Stan zapamiętania może być skasowany : • przez podanie na wejście kasujące odpowiedniego sygnału - przerzutnik bistabilny; • samoistnie, po czasie założonym przez konstruktora - przerzutnik monostabilny. a) Przerzutniki bistabilne Najprostszym przerzutnikiem bistabilnym jest RS. S (Set) jest wejściem sygnałów przeznaczonych do zapamiętania, R (Reset) jest wejściem kasującym. Sygnały na R i S nie powinny pojawiać się jednocześnie. Układ reaguje na pojawienie się stanów „0” na wejściach S i R, co podkreślają znaki zaprzeczenia logicznego nad literami oznaczającymi nazwy wejść. Układ - jak większość przerzutników - posiada dwa wyjścia : Q i Q, na których pojawiają się jednocześnie sygnały logicznie odwrócone.

b) Przerzutniki monostabilne Najprostszy przerzutnik monostabilny można zbudować z bramek NAND. Po podaniu na wejście impulsu (zera logicznego) układ zmienia stan wyjścia Q z „0” na „1”. Jednak po czasie proporcjonalnym do stałej RC w punkcie X obwodu ponownie pojawia się zero logiczne i układ powraca do stanu wyjściowego: Q=„0”.

4.

Prawa deMorgana.

5.

Przerzutnik Schmitta: działanie, przeznaczenie.

Bramka z przerzutnikiem Schmitta jest stosowana do przekształcania wolnozmiennych sygnałów wejściowych w sygnały wyjściowe z poziomami logicznymi i stosunkowo szybko narastającymi zboczami. Przerzutnik Schmitta jest umieszczony między wejściowym układem logicznym bramki a jej stopniem wyjściowym. Charakterystyka przejściowa takiej bramki odznacza się pętlą histerezy charakterystyczną dla przerzutnika Schmitta, co odzwierciedla symbol graficzny. LAB.5. Mikrokontroler - układy sterowania 1.

Co to jest mikrokontroler?

Mikrokontroler - system mikroprocesorowy zrealizowany w postaci pojedynczego układu scalonego, zawierającego jednostkę centralną (CPU), pamięć RAM, na ogół, pamięć programu oraz rozbudowane układy wejścia-wyjścia. Określenie mikrokontroler pochodzi od głównego obszaru zastosowań, jakim jest sterowanie urządzeniami elektronicznymi. 2.

Podstawowe podzespoły mikrokontrolera:

Typowy system mikroprocesorowy, czy to realizowany przy użyciu mikroprocesora, czy mikrokontrolera, składa się z następujących podzespołów:    

centralną jednostkę procesora (CPU) pamięć programu (ROM) pamięć danych (RAM) porty wejścia/wyjścia (I/O)

3.

Opisać funkcje tych podzespołów.

a)

Centralna jednostka (CPU) – jest mózgiem systemu mikroprocesorowego, ponieważ koordynuje ono działanie wszystkich pozostałych układów. Wewnątrz CPU znajdują się odpowiednio ze sobą połączone: - rejestry, - jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU), - układy sterujące (np. dekoder instrukcji), - układ obsługi przerwań. Stosowanie przerwań umożliwia maksymalne wykorzystanie możliwości przetwarzania danych, jakie daje mikrokontroler. b) ROM może być tylko odczytywana. Zawartość pamięci jest określona na stałe podczas procesu produkcji. Pamięci tego typu są używane jako wewnętrzna pamięć programu do przechowywania kodu firmowego oprogramowania dostarczanego wraz z mikrokontrolerem. c)

RAM może być zarówno odczytywana, jak i zapisywana przez CPU. Tu przechowywane są dane i wyniki obliczeń potrzebne podczas normalnej pracy układu.

d) Układy wejścia-wyjścia – porty umożliwiają komunikację mikrokontrolera ze światem zewnętrznym – odczytywanie informacji z takich źródeł jak przełączniki i czujniki sygnalizujące zdarzenia zewnętrzne.