WYBRANE ELEMENTY I UKŁADY ELEKTRONICZNE W ZASTOSOWANIU DLA CELÓW AUTOMATYZACJI. 1.1 Model pasmowy przewodników, półprzewodników i dielektryków.

Transkrypt

1 Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 1 str.1/10 ĆWICZENIE 1 WYBRANE ELEMENTY I UKŁADY ELEKTRONICZNE W ZASTOSOWANIU DLA CELÓW AUTOMATYZACJI. 1.CEL ĆWICZENIA: Zapoznanie się z podstawowymi półprzewodnikowymi elementami elektronicznymi: dioda prostownicza dioda stabilizacyjna (Zenera) tranzystor tyrystor transoptor i ich prostymi aplikacjami, które są podstawą budowy urządzeń automatyki. 1.1 Model pasmowy przewodników, półprzewodników i dielektryków. Mechanizm przewodzenia prądu w ciałach stałych tłumaczony jest popularnie w oparciu o pasmowy model ciał stałych krystalicznych. Na rys.1.1 przedstawiono wykresy pasm energetycznych atomów a) przewodnika, b) półprzewodnika, c) dielektryka. JeŜeli na ciało nie działa Ŝadna zewnętrzna energia (ciepło, promieniowanie,...) to pasmo podstawowe (walencyjne) jest całkowicie obsadzone przez elektrony, a pasmo przewodnictwa moŝe być nie obsadzone lub częściowo obsadzone elektronami. W paśmie częściowo obsadzonym pozostają wolne poziomy energetyczne, po których mogą poruszać się elektrony i pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego, moŝe nastąpić uporządkowane przemieszczanie elektronów między atomami, czyli przepływ prądu elektrycznego. Ciało stałe o takim typie przewodnictwa nazywamy przewodnikiem. W półprzewodnikach samoistnych, gdy nie ma oddziaływań zewnętrznych, pasmo przewodnictwa jest puste. Jednak niewielka szerokość pasma zabronionego zbliŝona do 2 ev, pozwala elektronom pasma walencyjnego, przy dostarczeniu niewielkiej ilości energii

2 Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 1 str.2/10 (temperatura pokojowa) na przechodzenie do pasma przewodnictwa. Proces taki nazywamy generacją termiczną nośników prądu dziura-elektron. W dielektrykach pasmo zabronione ma szerokość większą od 2eV i stanowi barierę dla elektronów, które mogłyby przedostać się do pasma przewodnictwa i być nośnikami prądu elektrycznego. W produkcji elementów półprzewodnikowych stosuje się półprzewodniki domieszkowe. Do czystych pierwiastków germanu lub krzemu, które są pierwiastkami IV grupy okresowego układu pierwiastków, dodaje się domieszki atomów grupy III (bor, aluminium, gal) lub V(fosfor, arsen antymon). Wprowadzenie do sieci krystalicznej krzemu domieszki w postaci pierwiastka III grupy powoduje, Ŝe jeden z poziomów energetycznych w pobliŝu pasma podstawowego jest zapełniany przez elektrony pasma podstawowego. Poziom ten nazywamy poziomem akceptorowym, gdyŝ pobiera on elektrony pasma podstawowego w wyniku czego w paśmie podstawowym powstają dziury jako nośnik prądu. Półprzewodnik z dziurami jako nośnikami prądu nazywamy półprzewodnikiem typu p (Rys.1.2a). JeŜeli do sieci krystalicznej krzemu dodamy pierwiastek V grupy to uzyskamy dodatkowy poziom energetyczny w pobliŝu pasma przewodnictwa. Poziom ten nazywamy donorowym, gdyŝ elektrony tego poziomu mogą przechodzić do pasma przewodnictwa tworząc nośnik prądu w postaci elektronu w paśmie przewodnictwa. Półprzewodnik z elektronami jako nośnikami prądu nazywamy półprzewodnikiem typu n (Rys.1.2b). 1.2 Złącze p-n ZbliŜenie dwóch obszarów p i n na odległość oddziaływań międzyatomowych powoduje, Ŝe ze względu na róŝnice koncentracji elektrony z obszaru n przenikają do obszaru typu p. W wyniku tego na styku obu obszarów w obszarze n wystąpi nadmiar ładunku jonów dodatnich, a w obszarze p nadmiar ładunku ujemnego elektronów, czyli niezobojętnione jony związane z siecią krystaliczną nie mogące przewodzić prądu. Tworzą one ładunek przestrzenny. RóŜnica między tymi potencjałami nazywa się barierą potencjałów złącza p-n. Bariera ta powoduje, Ŝe w pewnym momencie następuje zahamowanie przenikania elektronów.

3 Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 1 str.3/10 ładunek przestrzenny p akceptory n denorowy potencjał -Φ x Rys. 1.3 Rozkład ładunków przy zetknięcia kryształu typu n z kryształem typu p 1.3 Dioda prostownicza Jest to element zbudowanym z pojedyncznego złącza p-n, które ma wyprowadzone na zewnątrz obudowy dwie końcówki: K katodę podłączoną galwanicznie z obszarem typu n i A anodę podłączoną do obszaru typu p. Podłączenie diody do źródła napięcia w kierunku przewodzenia (tj. anoda do plusa a katoda do minusa) powoduje zmniejszenie bariery potencjału złącza p-n i przepływ prądu przez diodę. Gdy wykonamy połączenie odwrotne w kierunku zaporowym (tj. anoda do minusa a katoda do plusa) to zwiększamy barierę potencjału złącza p-n i uniemoŝliwiamy przepływ prądu przez diodę. Rysunek 1.3 przedstawia symbol graficzny diody prostowniczej półprzewodnikowej. a) I b) 0 U

4 Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 1 str.4/10 c) I F I 0 U R U RWM 0 I R (U RWM ) U F (I 0 ) U F I R Rys Dioda prostownicza. a) symbol diody prostowniczej, b) charakterystyka prądowo napięciowa diody prostowniczej aproksymująca, c) charakterystyka prądowo napięciowa diody prostowniczej rzeczywista. Gdzie: U RWM maksymalne napięcie wsteczne, U F napięcie przewodzenia, I 0 maksymalny prąd przewodzenia. 1.4 Dioda stabilizacyjna (Zenera) Element róŝniący się od zwykłej diody prostowniczej tym, Ŝe w kierunku zaporowym przy wzroście napięcia powyŝej pewnej granicy zaczyna przewodzić prąd elektryczny. Granicę tą nazywamy napięciem Zenera lub napięciem stabilizacji diody. Wartość napięcia stabilizacji diody jest ustalana w procesie produkcyjnym i zawiera się w granicach od 2 Volt do kilkuset Volt. Rysunek 1.4 przedstawia symbol graficzny diody Zenera. 1.5 Tranzystor bipolarny Jest strukturą trójwarstwową p-n-p lub n-p-n o wyprowadzeniach E emiter, B baza, C kolektor (rys.1.5).

5 Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 1 str.5/10 : Jednym z głównych zastosowań tranzystora jest wzmacnianie sygnałów elektrycznych. Ze względu na usytuowanie wejścia i wyjścia sygnału, wyróŝnić moŝna trzy układy pracy tranzystora: WE wspólny emiter WC wspólny kolektor WB wspólna baza Układy WC i WE posiadają duŝy współczynnik wzmocnienia prądowego ki (stosunek prądu sygnału wyjściowego do prądu sygnału wejściowego), który dla pojedyńczego tranzystora moŝe wynosić od 10 do Obecnie coraz częściej są stosowane w układach elektronicznych tranzystory unipolarne, które charakteryzują się bardzo duŝą rezystancją dla sygnału wejściowego rzędu Gigaomów. W takim przypadku moŝna mówić o napięciowym sterowaniu tranzystora. 1.6 Tyrystor Jest to elektroniczny element półprzewodnikowy składający się z czterech warstw p-n-p-n. Na zewnątrz obudowy tyrystora wyprowadzone są trzy końcówki A-anoda, K-katoda, G-bramka. Wyprowadzenia anoda-katoda stanowią układ prądowy tyrystora, a bramka jest wejściem sterującym. Tyrystor pracuje w jednym z dwóch stanów: blokowania przewodzenia. Gdy do bramki (wejścia sterującego tyrystora) zostanie doprowadzone odpowiednio wysokie napięcie to będący w stanie blokowania tyrystor przechodzi gwałtownie w stan przewodzenia, to znaczy przez obwód anoda-katoda zaczyna płynąć prąd. Prąd ten, podobnie jak w przypadku diody, moŝe płynąć tylko w jednym kierunku od anody do katody.

6 Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 1 str.6/10 Strukturą pokrewną do tyrystora jest triak, który jest równoległym, przeciwsobnym połączeniem dwóch tyrystorów. Dzięki takiemu połączeniu przez triak moŝe płynąć prąd w obu kierunkach niezaleŝnie od polaryzacji obwodu prądowego. Rysunek 1.6 przedstawia symbol graficzny tyrystora i triaka. 2..LITERATURA 1. J. Kostro: Elementy, urządzenia i układy automatyki, WSZP 1983, ss A. Rusek: Podstawy elektroniki - część 1, WSiP 1979, ss J. Chabłowski, W. Skulimowski: Elektronika w pytaniach i odpowiedziach, WNT 1982, ss OPIS ZESTAWU LABORATORYJNEGO Na rys.2.1 przedstawiony jest wygląd zewnętrzny zestawu laboratoryjnego.

7 Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 1 str.7/10 Jest to układ dwóch regulowanych płynnie źródeł napięcia wyposaŝonych w woltomierz i amperomierz. Działanie poszczególnych elementów regulacyjnych zestawu jest nas następujące: A1 amperomierz wskazujący prąd źródła E1 U1 woltomierz wskazujący napięcie źródła E1 P1 regulacja wartości napięcia źródła E1 (0 2,5 V) K11 przełącznik zakresu amperomierza A1 (5mA/50mA) K12 przełącznik polaryzacji (+/-) źródła E1 W1 wskaźnik polaryzacji źródła E1(+/-) A2 amperomierz wskazujący prąd źródła E2 U2 woltomierz wskazujący napięcie źródła E2 P2 regulacja wartości napięcia źródła E2 (0 20 V) K21 przełącznik zakresu amperomierza A2 (5mA/50mA) K22 przełącznik polaryzacji (+/-) źródła E2 W2 wskaźnik polaryzacji źródła E2 (+/-) X - przełącznik rodzaju pracy (const./pulse) źródła E2 (wciśnięty const.) 4. PRZEBIEG ĆWICZENIA Student wykonuje wybrane punkty ćwiczenia zgodnie z zaleceniami prowadzącego. 4.1 Dioda Charakterystyka prądowo - napięciowa diody Zenera I = f(u).

8 Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 1 str.8/10 Kierunek przewodzenia Korzystając z zestawu laboratoryjnego, podłączyć układ pomiarowy według rys.3.1 Ustawić przełącznikiem K12 polaryzację źródła napięcia E1 tak, aby dioda pracowała w kierunku przewodzenia (określić wyprowadzenia diody). Następnie zmieniając potencjometrem P1 napięcie źródła E1 obserwować zmiany prądu diody na miliamperomierzu A1. Oczytać wartości napięcia na woltomierzu U1 dla prądu diody równego 0, 10, 20, 30, 40, 50 ma. Wyniki zapisać w tabeli. Kierunek zaporowy Korzystając z zestawu laboratoryjnego, podłączyć układ pomiarowy według rys.3.1a Ustawić przełącznikiem K22 polaryzację źródła napięcia E2 tak, aby dioda pracowała w kierunku zaporowym. Następnie zmieniając potencjometrem P2 napięcie źródła E2 obserwować zmiany prądu diody na miliamperomierzu A2. Oczytać wartości napięcia na woltomierzu U2 dla prądu diody równego 0, 10, 20, 30, 40, 50 ma. Wyniki zapisać w tabeli. Uzyskane i zapisane w tabelach wyniki przedstawić w formie wykresu I D = f(u D ) w odpowiednich ćwiartkach układu współrzędnych z zaznaczeniem wartości napięcia Zenera. 4.2 Tranzystor Charakterystyka przejściowa tranzystora bipolarnego npn w układzie wzmacniacza prądowego WE I C = f(i B ), U CE =const. Korzystając z zestawu laboratoryjnego połączyć układ przedstawiony na rys.3.2. Przy stałym napięciu kolektor-emiter U CE =12V, zmieniając potencjometrem P1 napięcie U1 zdjąć

9 Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 1 str.9/10 charakterystykę I C = f(i B ). Pomiary wykonać dla I C = 0, 10, 20, 30, 40, 50 ma. Wyniki zapisać w tabeli i przedstawić w formie wykresu I C = f(i B ). Obliczyć dla kaŝdego punktu pomiarowego współczynnik wzmocnienia prądowego k i według wzoru: gdzie: β= k i = I C /I B k i współczynnik wzmocnienia prądowego w układzie WE, I C prąd kolektora tranzystora, I B prąd bazy tranzystora. 4.3 Tyrystor Charakterystyka przełączania tyrystora dla napięcia stałego I A = f(u G ), U AK =const. Korzystając z zestawu laboratoryjnego połączyć układ pomiarowy według rys.3.3. Ustawić połoŝenie przełącznika X tak, aby napięcie E2 = const. Obserwować natęŝenie prądu anodowego tyrystora (miliamperomierz A2), zmieniając napięcie bramki (woltomierz U1) w zakresie 0 2,5 0 V co 0,1 V przy stałym napięciu anoda-katoda U2 = U AK = 12V.Ćwiczenie powtórzyć kilkakrotnie i dokładnie ustalić wartość napięcia bramki U G, przy której następuje przejście w stan przewodzenia (następuje zapłon tyrystora). Zaproponować i wyjaśnić sposób wyłączenia tyrystora. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli i przedstawić w formie wykresu I A =f(u G ), U AK =const.

10 Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 1 str.10/ Charakterystyka przełączania tyrystora dla napięcia pulsacyjnego I A = f(u G ), U AK =const. Zdjąć charakterystykę tyrystora analogicznie jak w punkcie 4.3.1, lecz dla pulsacyjnego napięcia anoda-katoda U AK (odpowiednie połoŝenie przycisku X). Ustalić wartość napięcia U G, przy którym następuje zapłon tyrystora. Wyjaśnić róŝnice w zachowaniu się tyrystora przy zasilaniu toru anoda-katoda napięciem stałym i pulsacyjnym. 4.4 Dwutyrystorowy regulator mocy prądu przemiennego. Korzystając z gotowego układu regulatora mocy podłączyć układ pomiarowy jak na rys.3.4. Zlokalizować zgodnie z przedstawionym schematem na Rys. 3.4 wszystkie elementy układu. Następnie zmieniając połoŝenie podwójnego potencjometru P zaobserwować działanie dwutyrystorowego regulatora mocy prądu przemiennego sterowanego załączaniem tyrystorów w róŝnych fazach napięcia sinusoidalnego. Dla układu z jednym tyrystorem (wyłącznik W1 wyłączony) i dla układu z dwoma tyrystorami (W1 załączony) wykonać kolejne czynności: - ustalić przy pomocy oscyloskopu zakres zmian kąta fazowego zapłonu tyrystora, - zaobserwować zmiany natęŝenia światła Ŝarówki (odbiornika) dla kąta zapłonu 0 0, 90 0,180 0, - zmierzyć przy pomocy miernika uniwersalnego skuteczną wartość napięcia wyjściowego na Ŝarówce dla 0 0, 90 0,180 0, - odrysować charakterystyczne przebiegi napięcia wyjściowego zaobserwowane na oscyloskopie, - zinterpretować uzyskane wyniki.