ETC Embedded Technology Club setkání 4 2B druhý ročník

Transkript

1 ETC Embedded Technology Club setkání 4 2B druhý ročník Katedra telekomunikací, Katedra měření, ČVUT- FEL, Praha doc. Ing. Jan Fischer, CSc. ETC club, 4_ 2roč , ČVUT- FEL, Praha 1

2 Náplň příště: Skupina 2a i 2b - všichni noví členové ETC přednáška mbed, programování mikrořadiče STM32F303RE na kitu Nucleo a STM32F042 na kontaktním poli ETC club, 4_ 2roč , ČVUT- FEL, Praha 2

3 Náplň dnes Skupina 1: dokončení realizace mikropočítače na desce, pak postupně se připojit k realizaci reflexního snímače se zesilovačem Skupina 2: F0- lab a měření rychlosti pohybu pomocí dvou optických závor výklad tranzistor a fototranzistor, zesilovač s tranzistorem příprava na optický reflexní snímač přiblížení Optický reflexní snímač v robotickém vysávači, ofukovač rukou,.. Realizace - nejdříve s využitím fukcí F0_Lab, později s využitím programování STM32F042 v C pomocí mbed. ETC club, 4_ 2roč , ČVUT- FEL, Praha 3

4 Skupina 2a, 2 b Sestavení mikropočítače na nepájivém kontaktním poli další výklad Ing. Drábek Oživení mikropčítače F0- Lab, blikání LED na pinu č. 10, PA-4 Nahrání firmware osciloskop, seznámení s funkcemi voltmetr osciloskop Fototranzistor- jako snímač proměnného osvětlení voltemrtr, voltmetr se záznamem, osciloskop PT 204 U nap = +5 V R 1 10 k FT U Ch1 F0 - Lab volt. ETC club, 4_ 2roč , ČVUT- FEL, Praha 4

5 Tranzistory Tranzistory se ve spojení s mikrořadiči využívají pro zesílení proudu Mikrořadič procesor nemůže přímo ovládat výkonové akční členy motorky, relé, reproduktory, Bipolární tranzistory jsou ovládané prudem Unipolární (FET Field Effect Transistor) tranzistory řízené elektrickým polem, z hlediska konstrukce označované jako MOS tranzistory (Metal Oxid Semiconductor) Současné procesory ( PC, tablet, mobil,..) jsou realizovány s využitím technologie MOS tranzistorů na bázi křemíku V ETC budeme pro ovládání vnějších bloků využívat bipolární tranzistory ETC club, 4_ 2roč , ČVUT- FEL, Praha 5

6 Tranzistor Bipolární tranzistor NPN, Si- křemíkový Elektrody B - báze, C - Kolektor, E- emitor Schématická značka NPN tranzistoru a jeho diodový model Tranzistor - zdroj proudu řízený proudem Zjednodušené náhradní schéma pro zapojení se společným emitorem - SE (emitor připojen na společný vodič - zde na zem) B C E B C E H - parametry- parametry náhradního schématu zapojení SE Zjednodušení, jen par. h 11E, h 21E, (zanedbání parametrů h 12E a h 22E,) B h 11E I B U BE I C = h 21E. I B C IC E U CE ETC club, 4_ 2roč , ČVUT- FEL, Praha 6

7 Tranzistor Zjednodušení, Si tranzistor, dioda přechodu BE (báze- emitor), napětí U BE cca 0,6 až 0,7 Stejnosměrný zesilovací činitel h 21E, - beta V katalogu také jako h FE poměr proudu kolektoru a proudu báze (analogie proudové zesílení 50x, jako úrok %.?? Jak chápat tranzistor jako řízený zdroj proudu, když proud sám negeneruje? Analogie, vodovodní kohoutek - můžeme chápat jako řízený zdroj proudu (vody).v potrubí je tlak zdroje vody, nastavením (otvíráním) kohoutku seřídí (zvětšuje) proud vody. Pokud je potrubí zarostlé a velký odpor, pak od jisté úrovně otevření dalším otvíráním kohoutku proud vody neroste, ale je omezen potrubím. Proud vody je saturován. To je situace, jako když bude R K bude velký a nepropustí proud větší než I sat = U DD / R k, i když se bude zvětšovat proud I B. B U BE h 11E I B U BE I + U DD B I B R k I C = h 21E. I B E I I I C C B C I C E C U RK IC I E B U CE U CE ETC club, 4_ 2roč , ČVUT- FEL, Praha 7

8 Určení zesílení proudu tranzistorem BC546 Určit h 21E tranzistoru BC546 - C (hodnoty cca ) I C h 21E I B Tl. OFF,? proud kolektoru I C = 0 Tl ON,? proud kolektoru I C =? Změřit napětí U BE (báze - emitor) = cca 0,65 V Jak určit I B? I B = (U DD U BE ) / R B pro 1M, I B = (3,3 0,7) / 10 6 = 2, 6 ua určení velikosti I C z úbytku nap. U R na R k, přidat k 1M, paralelně další rezistor 1 M, jaký je odpor R B? jak se změnil proud I B a I C? Na kurzu pouze pro výklad, experimenty později R B 1 M Tl. T 1 BC546 R k 470 U DD = 3,3 V UR U C ETC club, 4_ 2roč , ČVUT- FEL, Praha 8

9 Parametry BC546 Závislost I C na napětí U BE, závislost I C na proudu báze I B Pod U BE = 0,6 V proud bází neteče Kolektorové charakteristiky Přechod BE tranzistoru se chová podobně jako Si dioda s PN přechodem. Napětí v předním směru U BE = 0,6 až 0,7 V. ETC club, 4_ 2roč , ČVUT- FEL, Praha 9

10 Měření vodivosti kůže Experiment- přerušit obvod s rezistorem R B a uzavřít obvod přes prsty ruky nebo i přes obě ruce LED bude svítit svit podle odporu kůže. Je možno uzavřít obvod i přes dvě osoby (viz vyděržaj pioněr ) a indikovat dotyk osob. Ověřte experimetálně! Funkce podobná jako detektor lži. Voltmetr Ch 1 na U R, Ch 2 na U C Napětí na rezistoru R k je úměrné proudu LED Kondenzátor C 1, pro snížení případného rušení z rozvodné sítě 230 V/50 Hz Experiment Dotknout se prstem jen kontaktu k 1, kapacitní vazba, rušení, zesílení tranzistorem, LED může mírně svítit dotyk prstu Osciloskop Ch 1 na napětí na kolektor, pozorovat signál u C, při dotyku prstu. (Pro větší zesílení případně použít R k = 10 k 68 k) ETC club, 4_ 2roč , ČVUT- FEL, Praha 10 k 2 k 1 C nf U DD = 3,3 V 1 M (68 k) R B R k 470 T 1 UR U C

11 Měření na zesilovači pro reproduktor Osciloskopem pozorovat signály: Ch 1 na PWM, Ch 2 na u B, Ch 3 na u C (zde přes ochranný rezistor 68 k) Pozn. malými písmeny (u B, u C ) označujeme napětí - proměnného signálu velkými písmeny označujeme (stálé) napětí, příp. ustálený stav Zakreslit na papír průběh signálu a jeho úrovně PWM- rozkmit 0 a + 3,3 V, u B 0 a + 0,7 V vysvětlit proč Zapojit paralelně k R B další rezistor 68 k, jak se změní napětí u B? Ponechat Ch1 a Ch2 zapojené na rezistoru R B, odpojit bázi B od rezistoru, jak se změní napětí na Ch2? Jak se změní u C, pokud se použije R B = 1M? Na kurzu pouze pro výklad, toto zapojení budeme později potřebovat pro generování zvuku procesorem U DD = 3,3 V PWM R B 68 k T 1 BC546 repr. B R k u B C E 47 u C u r ETC club, 4_ 2roč , ČVUT- FEL, Praha 11

12 Experiment s reproduktorem, mbed 3) Mbed, generace obdélníkového signálu pomocí SW (programového) ovládání pinu, generovat stálou frekvenci, měnit frekvenci. Podobně, jako blikání LED, jen kratší prodleva. viz. přednáška mbed. 4) Mbed, generace obdélníkového sig. pomocí bloku PWM, Stálá frekvence, měnit frekvenci? melodie (nastavit frekvenci PWM, nechat generovat, čekat, nastavit novou frekvenci,.. Generace melodie 5) Dvouhlasá generace signálu pomocí Mbed, dva výstupy PWM, sečtení pomocí dvou rezistorů R B = 68 k, generace dvou nezávislých signálů U DD = 3,3 V Pozn. je třeba použít dva nezávislé generátory repr. PWM, aby bylo možno nezávisle měnit R B2 68 k frekvenci) PWM 2 R k 47 Na kurzu pouze pro úplnost R B1 68 k C U výkladu, realizovat budeme později PWM 1 r B T 1 U C ETC club, 4_ 2roč , ČVUT- FEL, Praha 12

13 Fototranzistor Fototranzistor fotocitlivý prvek Funkce obdobná jako tranzistor, avšak proud do báze je generován světlem ( fotoproud ) dopadajícím na PN přechod kolektor báze fungující jako fotodioda. Zesílení fotoproudu (foto)tranzistorem Některé fototranzistory (menšina) mají vyvedenu i bázi pak ve tmě mají chování stejné jako u normálního tranzistoru Fototranzistor PT204-6C, pouze dva vývody Kolektor a Emitor Čiré (průhledné) pouzdro, průměr 3 mm (vypadá jako LED) E e FT I ETC club, 4_ 2roč , ČVUT- FEL, Praha 13

14 Fototranzistor charakteristiky I FOT je úměrný intenzitě ozáření E e Zesílení fotoproudu tranzistorem I C = h 21E. I FOT Charakteristiky fototranz. parametrem je intenzita ozáření E e FT z hlediska uživatele jako zdroj proudu řízený světlem Aby FT pracoval v lin. oblasti- řízení proudu světlem, musí být na něm napětí větší něž 0,5-1 V. prac. oblast PT 204 U CC = +3,3 V FT R 1 10 k U 1 ETC club, 4_ 2roč , ČVUT- FEL, Praha 14

15 Fototranzistor, spektrální charakteristiky citlivosti Fototranzistor v čirém pouzdře citlivý na viditelné světlo a blízké infračervené záření (světlo vlnové délky 380 až 780 nm) Úprava citlivosti - infra filtr, zadržující viditelné složky záření (světlo). Jak se pozná použito tmavé pouzdro nepropouštějící světlo. Déle v textu označíme zkráceně jako Infra-fototranzistor PT204 čiré pouzdro BPV11F infra propusný filtr ETC club, 4_ 2roč , ČVUT- FEL, Praha 15

16 Fototranzistor a jeho zapojení do obvodu Fototranzistor jako zdroj proudu, převod proudu na napětí pomocí rezistoru (Ohmův zákon). Realizace obvodu, který bude vyhodnocovat velikost okolního osvětlení, měřit pomocí voltmetru v F0 Lab Napájení z +3,3 V (Změnu osvětlení fototranzistoru realizovat zakrýváním ) PT 204 U nap = +3,3 V R 1 10 k (68 k) FT U Ch1 F0 - Lab volt. ETC club, 4_ 2roč , ČVUT- FEL, Praha 16

17 Zesílení proudu fototranzistoru Jednoduchá zapojení indikace osvětlení fototranzistoru s využitím pomocí LED; proud fototranzistoru je malý, téměř nerozsvítí LED U nap = +3,3 V PT 204 Zesílení proudu fototranzistoru proudovým zesilovačem s tranzistorem BC546 3,3 V 470 BC546 ETC club, 4_ 2roč , ČVUT- FEL, Praha 17

18 Prahování signálu fototranzistoru Otevření tranzistoru BC546 podmínka- na bázi napětí U BE větší než 0,6 V I. R B = 0,6 V Velikostí R B nastavit práh Zkusit experimentálně! R b 3,3 V 470 BC546 U CE při I větším než 0,6 V/ R B začne téci proud tranzistorem BC546 3,3 V Logický vstup do procesoru při proudu I větším než prahová úroveň tranzistor sepne, nízká log. úroveň log. nula R B 68 k log. vstup STM BC546 Zkusit experimentálně! ETC club, 4_ 2roč , ČVUT- FEL, Praha 18

19 Vložená informace doplňkový výklad pro samostudium Tranzistor BC546C má typickou hodnotu parametru h 21E = , tedy zesílení proudu bude stejné, cca 500x. Proud fototranzistoru LL-304PTC4B-1AD velikosti 1 ua po zesílení způsobí proud LED cca 0,5 ma, což způsobí znatelný svit LED. Pro proud fotor. 1 ua lze z grafu odhadnout E e1 = 0,0001 mw / cm 2 = 1 mw / m 2. To je malá intenzita ozáření, která je v normálně osvětlené místnosti vždy překročena. Pro zhasnutí LED se musí fototranzistor důkladně zakrýt. Takovýto senzor pro nás tedy má příliš velkou citlivost. Použití rezistoru R B způsobí, že až LED nebude svítit, pokud napětí na bázi BC546 bude menší než do napětí cca 0,6V. Tedy součin I. R B musí dosáhnout 0,6 V (Ohmův zákon). Volbou velikosti R B = 0,6 V/ I se nastaví práh proudu, pod kterým LED nebude svítit. Tedy např. použití R B = 10 k nastaví práh na 60 ua. Z grafu se odhadne a následným výpočte určí potřebná intenzita ozáření fototranzistoru jako E e2 = 60 ua x 0,5 (mw/m 2 ) /0,5 ma = 0,6 W / m 2, což je 600 x větší hodnota oproti E e1. Další nárůst proudu fototranzistoru, např. o 5-10 ua, způsobí nárůst proudu báze a následně i prudký nárůst zesíleného proudu kolektoru, čímž vzroste úbytek napětí na rezistoru 68 k. Tím poklesne napětí na kolektoru tranzistoru až na desetiny voltu tranzistor bude sepnut. Tento blok lze tedy využít jako zjednodušený jednoduchý dvouhodnotový snímač osvětlení a jeho výstup může být napojen na logický vstup mikrořadiče. Výpočty výše pro názornost využívají zjednodušené náhrady chování tranzistoru ETC club, 4_ 2roč , ČVUT- FEL, Praha 19

20 Vložená informace doplňkový výklad pro samostudium Reakce na dotaz z lab. Pokud by se voltmetrem měřilo napětí U BE tranzistoru BC546 v závislosti na osvětlení, zjistilo by se, že roste lineárně do cca 600 mv a pak přestane růst, protože další nárůst proudu fototranzistoru způsobí pouze nárůst proudu báze BC546 a ne proudu rezistorem R B. Jedná se o zjednodušený přístup. Korektně by se musel zahrnout např. i parametr h 11E tranzistoru, což není náplní tohoto kursu. 3,3 V 470 BC546 R b U CE ETC club, 4_ 2roč , ČVUT- FEL, Praha 20

21 Experiment Seznámení se s funkcí osciloskopu F0- Lab Měření rychlosti pohybu prstu pomocí dvou optických závor s IRED infra diodou a infra- fototranzistorem Vyhodnocení zpoždění signálu obou závor pomocí osciloskopu. Později- programováním mikrořadiče STM32F042 v C Motivační problém: měření rychlosti závodníka, měření úsťové rychlosti ETC club, 4_ 2roč , ČVUT- FEL, Praha 21