Elektronika pro informační technologie (IEL)

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 (iveigend@fit.vutbr.cz) 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 U c Čím větší napětí U c, tím menší bude proud I = U U c R Vybíjení kondenzátor (C) Odpojíme zdroj napětí Kondenzátor se vybíjí klesá jeho napětí U c 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 12 uc(t) [V] 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 25ms τ = 10 ms konec přechodového děje: 30 50 ms τ = 15 ms konec přechodového děje: 45 75 ms 16 NABÍJENÍ KAPACITORU - ČASOVÁ KONSTANTA 14 12 10 uc(t) [V] 8 6 4 2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 t [ms] IEL cvičení 2 13

Integrační RC článek Dolní propust Propustí pouze signály takové frekvence, jejichž hodnota je nižší než určitá mezní frekvence daného článku Mezní kmitočet ω mez = 1 τ = 1 RC f = 1 2πRC [Hz] 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!