Elektronika pro informační technologie (IEL) Druhé laboratorní cvičení Vysoké učení technické v Brně, Fakulta informačních technologií v Brně Božetěchova 2, 612 66 Brno Cvičící: Petr Veigend (
[email protected]) Gabriela Nečasová Petr Veigend 2015/2016
Základní informace • Můj profil: http://www.fit.vutbr.cz/~iveigend/ • Kancelář: A221 • Konzultační hodiny: po domluvě emailem
IZP cvičení 1
2
Obsah
• Seznámení s modelováním obvodů s prvky R, C: • Na nepájivém poli • Pomocí simulačního nástroje SPICE
• RC článek
IEL cvičení 2
3
Integrační RC článek
• Složen pouze z rezistorů (R) a kondenzátorů (C) • Využití: frekvenční filtr – horní nebo dolní propust • Horní propust: CR článek • Dolní propust: RC článek (náš případ) • Průběh výstupního napětí odpovídá integrálu vstupního napětí v závislosti na čase
IEL cvičení 2
4
Přechodné děje
• Přechodné děje • Jev, který probíhá mezi dvěma ustálenými stavy obvodu • Příčiny vzniku (např.): • Připojení, odpojení či zkratování části obvodu • Zapnutí/vypnutí zdroje či změna jeho hodnoty
IEL cvičení 2
5
Přechodné děje • Metoda řešení přechodných dějů – diferenciální rovnice
• Známé axiomy podobnost s Ohmovým zákonem
Rezistor (R)
Kondenzátor (C)
Cívka (L) IEL cvičení 2
6
Integrační RC článek
• Průběh napětí na kondenzátoru (C)
IEL cvičení 2
7
Integrační RC článek
• Nabíjení kondenzátor (C) • Připojíme zdroj napětí – obvodem prochází proud, který je omezený jen rezistorem 𝐼 = 𝑈/𝑅 • Kondenzátor se nabíjí – roste jeho napětí 𝑼𝒄 • Čím větší napětí 𝑈𝑐 , tím menší bude proud 𝐼 =
𝑈−𝑈𝑐 𝑅
• Vybíjení kondenzátor (C) • Odpojíme zdroj napětí • Kondenzátor se vybíjí – klesá jeho napětí 𝑼𝒄
IEL cvičení 2
8
Integrační RC článek
• Průběh napětí na rezistoru (R)
IEL cvičení 2
9
Integrační RC článek
• Rychlost nabíjení - závisí na velikosti odporu R a kapacity C mění se tvar signálu • Časová konstanta:
𝝉 = 𝑹𝑪 • Čím je 𝝉 větší, tím déle trvá nabíjení kondenzátoru
IEL cvičení 2
10
Integrační RC článek 𝑅 = 5 𝑘Ω; 𝐶 = 1 𝜇𝐹; 𝜏 = 5 𝑚𝑠
𝑅 = 10 𝑘Ω; 𝐶 = 1 𝜇𝐹; 𝜏 = 10 𝑚𝑠 𝑅 = 15 𝑘Ω; 𝐶 = 1 𝜇𝐹; 𝜏 = 15 𝑚𝑠 NABÍJENÍ KAPACITORU - ČASOVÁ KONSTANTA 16 14
uc(t) [V]
12 10 8 6 4 2 0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
t [ms]
IEL cvičení 2
11
Integrační RC článek
• Kdy skončí přechodný děj?
Pro praktická řešení považujeme přechodový děj za skončený po uplynutí doby
(𝟑 − 𝟓)𝝉
IEL cvičení 2
12
Integrační RC článek 𝝉 = 𝟓 𝒎𝒔 konec přechodového děje: 𝟏𝟓 − 𝟐𝟓 𝒎𝒔 𝝉 = 𝟏𝟎 𝒎𝒔 konec přechodového děje: 𝟑𝟎 − 𝟓𝟎 𝒎𝒔 𝝉 = 𝟏𝟓 𝒎𝒔 konec přechodového děje: 𝟒𝟓 − 𝟕𝟓 𝒎𝒔 NABÍJENÍ KAPACITORU - ČASOVÁ KONSTANTA
16 14 12
uc(t) [V]
10 8 6 4 2 0 0
5
10
15
20
25
30 t [ms]
35
40
45
50
55
IEL cvičení 2
60
13
Integrační RC článek
• Dolní propust • Propustí pouze signály takové frekvence, jejichž hodnota je nižší než určitá mezní frekvence daného článku
• Mezní kmitočet 1 𝜏
• 𝜔𝑚𝑒𝑧 = =
1 𝑅𝐶
1 •𝑓= [𝐻𝑧] 2𝜋𝑅𝐶 • Závisí na hodnotách R, C, (L)
IEL cvičení 2
14
Integrační RC článek
IEL cvičení 2
15
SPICE
IEL cvičení 2
16
Simulátor SPICE
• Úkoly: • Namodelujte RC článek pomocí SPICE a ověřte časové průběhy napětí a proudu • Vyzkoušejte různá nastavení R a C časová konstanta 𝝉 • Online editor schémat: http://www.partsim.com/simulator#
IEL cvičení 2
17
PartSim • Výběr součástek – levé menu (sekce GENERIC PARTS): • Prvky R a C: Passives Rezistor, Capacitor • Stejnosměrné napětí: Sources Voltage source DC • Uzemnění: Ports GND • Měřidla: Test Equipment Voltmeter, Ammeter • Rotace součástek: klávesa r • Přesun součástky: levé tlačítko myši • Propojení: kliknutí na elektrody součástky • Aktivní prvky (vodiče, součástky) – zeleně • Parametry součástky: dvojklik na umístěnou součástku • Spuštění: horní menu Run • Typ simulace: Transient simulation (časová simulace) • Start Time: 0 Stop Time: 10s • Time Step: 1ms Max Step Size: 2ms • Zaškrtnout Use the Initial Conditions of components IEL cvičení 2
18
PartSim
• Karta Transient Analysis: výstupy simulace • Karta Subcircuit: návrat na schéma (po simulaci) • Netlist – zobrazí netlist pro daný obvod • Export – možno exportovat jako PDF nebo PNG • Share, Save As… - pouze po registraci
• Karta Report: různá hlášení simulátoru (pro řešení případných chyb) a také netlist simulovaného obvodu • Další info: https://www.fit.vutbr.cz/study/courses/IEL/private/labs /iel_lab02.htm
IEL cvičení 2
19
RC článek
IEL cvičení 2
20
Očekávaný výstup časové simulace
UC
IC
IEL cvičení 2
21
Nepájivé pole
IEL cvičení 2
22
Nepájivé pole
IEL cvičení 2
23
RC článek
IEL cvičení 2
24
Potřebné součástky 1
• Vybavení • • • • •
Rezistor 2.2 kΩ (modrý) Rezistor 10 kΩ (hnědý) LED diody Kondenzátor Multimetr (měření napětí a proudu)
IEL cvičení 2
25
Potřebné součástky 2
• Kondenzátor • Elektrolytický • Při špatné polaritě zapojení může EXLODOVAT!!!
• VÝVOD (-) SMĚŘUJTE TRVALE K ZEMI (0V)
Podobnost s LED diodou IEL cvičení 2
26
Potřebné součástky 3
• LED dioda • Jedná se vlastně o polovodičový PN přechod • Má dvě elektrody • kladnou: anodu, P • zápornou: katodu, N
IEL cvičení 2
27
Polovodiče
• Rozlišujeme polovodiče vlastní a nevlastní • Vlastní (v praxi se příliš nepoužívají) • křemík • dochází k samovolnému uvolňování záporně nabitých částic (elektronů) a kladně nabitých imaginárních částic (děr) • Protože vznikne stejný počet elektronů a děr, dojde k rekombinaci (usazení elektronu do díry) • Bez napětí se částice pohybují chaoticky, s napětím uspořádaně
IEL cvičení 2
28
Polovodiče • Nevlastní • mají vyšší hustotu elektronů (typ N) nebo děr (typ P), která vznikne přidáním příměsi • Typ N: elektronová vodivost, příměs o 1 el. více • Typ P: děrová vodivost, příměs o 1 el. méně
IEL cvičení 2
29
PN přechod
• PN přechod je rozhraní mezi polovodičem typu P a polovodičem typu N • V potenciálové bariéře bude docházet k rekombinacím volných nosičů náboje • rekombinace – zánik páru (elektron se náhodně setká s dírou, ztratí část energie a zaplní díru) IEL cvičení 2
30
PN přechod v závěrném směru
• V závěrném směru jsou částice taženy od potenciálové bariéry a nedochází k rekombinaci (nebo jen velice málo) • Kladná polarita (+) vnějšího napětí u polovodiče N přitahuje elektrony • Záporná polarita (-) vnějšího napětí u polovodiče P přitahuje díry IEL cvičení 2
31
PN přechod v propustném směru
• V propustném směru je přechod zahlcen částicemi, potenciálová bariéra zaniká a začíná protékat proud • Kladná polarita (+) vnějšího napětí u polovodiče P odpuzuje díry • Záporná polarita (-) vnějšího napětí u polovodiče N odpuzuje elektrony a tlačí je směrem k přechodu IEL cvičení 2
32
Zapojení obvodu Jdeme na to
IEL cvičení 2
33
Multimetr Nastavit vždy před přivedením napájecího napětí!! DCV stejnosměrné napětí
DCA stejnosměrný proud
Ω odpor
Měření (U, I, R)
Zem (GND)
IEL cvičení 1
34
Zapojení obvodu
• 1. Zapojte obvod dle schématu • • • •
Měření napětí: přípravek (pomocí hrotu) IEL Metr Měření proudu: multimetr, poloha DCA, 200µ Vstupní napětí: +5V (z nepájivého pole) Vyčkejte (několik sekund), až se kondenzátor plně nabije Uc = U
IEL cvičení 2
35
Zapojení obvodu
• • • •
Pozor: napájecí napětí +10V (z přípravku) 2a. Odpojte napájecí napětí 2b. Odpojte (-) pól od kondenzátoru 2c. Připojte LED diodu za ochranný rezistor R2 • (-) LED diody (katoda) (-) pól kondenzátoru • (+) LED diody (anoda) volná elektroda R2
IEL cvičení 2
36
Reference
• [1] Multimediální učebnice, FEKT UTEE, dostupné online z: http://www.utee.feec.vutbr.cz/files/predmety/BEL2/Mul timed_uc/BEL2_B5.pdf • [2] Webové stránky cvičení IEL, dostupné online z: https://www.fit.vutbr.cz/study/courses/IEL/private/labs /.cs
IEL cvičení 2
37
Děkuji Vám za pozornost!
