materijali za elektorniku - naslovna...
TRANSCRIPT
MATERIJALI ZA ELEKTORNIKU
(EKM, 2016/17)
Laboratorijske vežbe
asistent: Miloš Marjanović
MREŢNA UTIĈNICA
Nula – kroz taj provodnik TEČE STRUJA na
svom povratnom putu prema električnoj mreţi!
Boje na postojećim instalacijama nikad ne
uzimati zdravo za gotovo!
KONCEPT UZEMLJENJA
Spajanje nule i uzemljenja vrši se samo na ulazu u instalaciju, u suprotnom moţe doći do stvaranja ground loops.
MULTIMETAR - 3½ CIFRE
VEŢBA 1. LEMLJENJE
Postupak kojim se pomoću rastopljenog dodatnog
materijala za lemljenje izvodi komponenata spajaju
sa provodnim vezama na štampanoj poloči.
Izvodi i metal na ploči se samo zagrevaju, a ne tope
se.
Materijal za lemljenje – tinol ţica (60% kalaja, 40%
olova), RoHS standard traţi izbacivanje olova,
kadmijuma, ţive, hroma i broma...
Izbacivanjem olova iz materijala za lemljenje:
Više temperature topljenja,
Sporiji temperaturni odziv
Površina lema hrapava
Lošiji kontakti
RUČNO LEMLJENJE KOMPONENTI SA
IZVODIMA
a. Postupak lemljenja
b. Dobar lem
c. Loš lem
Hladan lem – spojevi koji vizuelno izgledaju
ispravno, ali ne obezbeđuju dobar električni spoj.
Višak tinola treba ukloniti vakuum pumpicom.
RUČNO LEMLJENJE KOMPONENTI ZA
POVRŠINSKU MONTAŢU
a. Nanošenje lemnog materijala
b. Postavljanje SMD komponente
c. Lemljenje uz pritiskanje komponente na dole
Lemljenje duvaljkom toplog vazduha:
VEŢBA 2 – PREKIDAČI I OSIGURAČI
Prekidači – elektromehaničke komponente koje
uspostavljaju provodni put između dva dela kola
Klasifikacija:
Prema broju kontakata (pole) pomoću kojih prekidač
uspostavlja provodni put
Prema broju poloţaja (throw) u kojima prekidač
ostvaruje provodni put
Oba kontakta
se pomeraju
istovremeno
PODELA PREKIDAČA
Prema načinu uspostavljanja kontakata:
1. Klizni (slider)
2. Preklopni (rocker)
3. Poluţni (toggle)
4. Potisni (push)
KRUŢNI PREKIDAČI (ROTARY)
Ima više poloţaja, a kontakt se ostvaruje okretanjem prekidača oko centralne osovine
Broj poloţaja: od 2 do 24; broj kontakata 1-4; postoje i u SMD kućištu
Prebacivanje iz poloţaja u poloţaj: Najpre prekinu prethodnu, a
zatim uspostave narednu vezu (break before make - non-shorting switch)
Najpre uspostave narednu, a zatim prekinu prethodnu vezu (make before break – shorting switch)
PREGIBNI PREKIDAČI (CENTER-OFF)
SPDT poluţni ili preklopni
prekidač koji ima jedan centralni
(OFF) i dva periferna (ON)
poloţaja
Postoje i u kliznoj varijanti
DIP (DUAL-IN-LINE) PREKIDAČI
SPST prekidači u jednom kućištu (1-16 prekidača) za montaţu na PCB
Koriste se za konfigurisanje uređaja u proizvodnji ili nakon servisiranja, ređe se koriste za podešavanje parametara uređaja tokom eksploatacije
TATER (TACTILE SWITCH)
SPST prekidač kojim se kontakt
ostvaruje trenutno, pritiskom, a
otpuštanjem se prekida
Koriste se za unos podataka
(tastature) ili za operacije kao št
su uključivanje i reset uređaja
MIKROPREKIDAČ Fukcioniše kao taster, ali moţe
biti u različitim pole-throw kombinacijama
Koriste se za interakciju sa korisnikom (miš); ugrađuju se u mehaničke sklopove koji ih automatski uključuju i isključuju
ELEKTROMEHANIČKI PARAMETRI
Za sve prekidače karakteristični su sledeći
električni i mehanički parametri:
Maksimalni DC i AC napon;
Maksimalna struja pri maksimalnom DC i AC
naponu
Kontaktna otpornost
Minimalni garantovani broj ciklusa
uključivanja/isključivanja
Podrazumevani poloţaji prekidača mogu biti:
Otvoren (Normally Open - NO)
Zatvoren (Normally Closed - NC)
RELEJI
Koristi se za prekidanje ili uspostavljanje strujnog kola putem elektromagneta koji otvara ili zatvara strujne kontakte
Materijali za kontakte su plemeniti metali: platina, paladijum, iridijum, rodijum, srebro, zlato, volfram i molibden. Zbog visoke cene platine, zlata i rodijuma koriste se platinirani kontakti: osnova je bakar ili srebro, a iznad je pločica od platine ili zlata.
Kontaktni releja:
za mala opterećenja (struje do 1 A)
za srednja opterećenja (struje do 20 A)
za velika opterećenja (struje iznad 20 A)
ŠEMA, MAKETA, REZULTAT
EKSPERIMENTA...
1
2
3
4
5
K ?
Relay
D
2 2 0
R
V C C V C C
Osciloskop
2 2 0
R
V C C
Osciloskop
OSIGURAČI
Namenjeni prekidu električnog kola u slučaju
pojave struje koja je veća od maksimalno
dozvoljene za to kolo
Svrha je zaštita korisnika, okoline i samo uređaja
od incidentnih situacija koje mogu nastati
pojavom kratkog spoja unutar uređaja usled
otkaza neke komponente ili preopterećenja grane
kola usled istovremenog rada više potrošača
Prekidač u normalno zatvorenom poloţaju koji se
otvara u slučaju incidenta
Postavljaju se na ulazu kola, odmah iza izvora
napajanja
PODELA OSIGURAČA PREMA NAČINU RADA
Ireverzibilni – nakon otvaranja kontakata više se
ne mogu koristiti, već se moraju zameniti novim,
pod uslov da je otklonjen uzrok otvaranja
kontakata
Reverzibilni – nakon otvaranja kontakata mogu
se vratiti u normalno zatvoreni poloţaj, pod
uslovom da je otklonjen uzork otvaranja
kontakata
PODELA PREMA BRZINI PREKIDANJA
KONTAKTA
U zavisnosti od vremena potrebnog za
prekidanje, računajući od trenutka pojave
kratkog spoja ili preopterećenja:
Brzi (fast acting)
Super brzi
Srednje brzi
Ttromi (slow blow) – koriste se kod uređaja kod kojih
se prlikom uključivanja pojavljuje početna udarna
struja (neki tipovi transformatora)
IREVERZIBILNI OSIGURAČI
Koriste umetak od ţice određenog poprečnog preseka i specifične električne otpornosti
Prolazak velike struje izaziva topljenje (melting) ţice
Podela: u kućištima sa izmenljivim umetkom, sa podnoţjem ili u monolitnim kućištima za montaţu na PCB
Parametri (daju se kao efektivne vrednosti naizmeničnih signala, osigurači se mogu primeniti i za kola sa jednosmernim signalima sako ako su za to deklarisani od strane proizvođača): Nominalna struja (rated current) – maksimalna struja koja
moţe da prođe kroz osigurač u normalnim radnim uslovima
Nominalni napon (rated voltage) – maksimalni napon za koji osigurač garantovano prekida kontakt
Struja prekidanja (interrupting rating, breaking capacity) – maksimalna struja pri kojoj osigurač garantovano prekida kontakt pri nominalnom naponu
MATERIJALI ZA IZRADU ŢICE
bakar
srebro, za struje ispod 5A
smeša olova i kalaja, u odnosu 2:1, koriste se za
struje od 5 do 30 A
cink, nit se stavlja u kvarcni pesak jer prska pri
pregorevanju pa moţe da metalizira keramičko
kućište osigurača
aluminijum, za struje niskog napona, za spore
osigurače
smeša bakra i srebra, u odnosu 1:1, za jake struje
platina, za slabe struje do 10 mA (u telefoniji)
IREVERZIBILNI TERMIČKI OSIGURAČI
Kada temperatura ili jačina struje pređe kritičnu
vrednost, legura koja spaja most sa izvodima se
topi, a opruga odvaja most od izvoda
Koristi se za zaštitu grejača i namotaja motora
REVERZIBILNI OSIGURAČI
Automatski (reset) osigurači
Sastoji se iz mehanizma sa polugom
koja automatski prebacuje u OFF
stanje, a ručno se postavlja u ON
stanje
Automatsko aktiviranje se vrši pomoću
solenoida (elektromagnetno) i
bimetalne trake (elektromehaničko)
Koriste se za zaštitu električnih
instalacija
Kod kućnih električnih instalacija u
upotrebi je kao zaštitini element i FID
sklopka (Residual Current Device)
TOPLJIVI OSIGURAČI
Sastoji se od vatrostalne patrone sa metalnim
kontaktima, sa dodatim peskom kako se pri
pregorevanju ne bi metaliziralo keramičko kućiše
osigurača ██ Ružičasta 2 A D-II-25 A
██ Smeđa 4 A D-II-25 A
██ Zelena 6 A D-II-25 A
██ Crvena 10 A D-II-25 A
██ Siva 16 A D-II-25 A
Plava 20 A D-II-25 A
██ Žuta 25 A D-II-25 A
Crna 35 A D-III-25 A
██ Bela 50 A D-III-25 A
██ Bakarna 63 A D-III-25 A
██ Crvena 80 A D-IV-25 A
██ Srebrna 100 A D-IV-25 A
██ Žuta 125 A D-V-200 A
██ Bakarna 160 A D-V-200 A
Plava 200 A D-V-200 A
REVERZIBILNI OSIGURAČI
Polimerni osigurači (polyswitch, polyfuse)
PTC otpornik od polimera sa dodatkom ugljeničnog praha koji obezbeđuje provodnost
Porast struje zagreva osigurač i menja strukturu polimera iz kristalne u amorfnu, raste otpornost (prelaz u stanje visoke otpornosti trip point se dešava nakon zagrevanja do određene temperature)
Nako isključenja struje, struktura polimera se tokom hlađenja ponovo vraća u kristalnu, opada otpornost, ali ne na početnu
Koriste se za zaštitu računarskih komponenti, zvučnika, punjivih baterija
IZBOR OSIGURAČA
Poţeljno- normalni radni uslovi: temperatura
25°C, struja 25% manja od nominalne...
Ako je nominalna vrednost struje u kolu 1A,
treba izabrati osigurač nominalne struje 1.25A
Ako je veća radna temperatura, performanse
osigurača degradiraju. Na pr. za 70°C, treba
izabrati osigurač za 1.6A
Prilikom postavljanja osigurača na PCB potrebno
je da linije veze na njoj budu dovoljnih dimenzija
da mogu da izdrţe struju prekidanja
ŠEMA, MAKETA, REZULTAT
EKSPERIMENTA...
BRZI OSIGURAC
0.5A
1.2
R
V C C
Osciloskop 1
SPORI OSIGURAC
0.5A
1.2
R
V C C
Osciloskop 2
VEŢBA 3 – ODREĐIVANJE DIELEKTRIČNE
KONSTANTE I TANGENSA UGLA DIELEKTRIČNIH
GUBITAKA
DIELEKTRICI - Dielektrici su materijali koji ne sadrţe slobodne elektrone. Elementarna naelektrisanja vezana su elastičnim unutrašnjim atomskim i molekularnih silama u dielektriku i mogu se pomerati samo na malim rastojanjima pod dejstvom spoljašnjeg električnog polja. Širina zabranjene zone Eg je mnogo veća nego kod ostalih vrsta materijala (veća od 3eV).
Kada se dielektrik unese u spoljašnje električno polje, na čestice deluju elektrostatičke sile. Pod dejstvom tih sila pozitivno naelektrisane čestice se pomeraju u pravcu i smeru spoljašnjeg električnog polja, a negativno naelektrisane čestice u suprotnom smeru. Pomeranje je na mikroskopski male duţine jer se dejstvu elektrostatičkih sila suprostavljaju unutrašnje sile.
NEPOLARNI I POLARNI
DIELEKTRICI
• Ako je dielektrik izotropni, tj. takav da su električne osobine iste u svim pravcima, to bi makroskopski efekti polarizacije trebalo da budu isti za sve izotropne dielektrike. Dielektrici se mogu podeliti na nepolarne i polarne.
• Nepolarni dielektrici – u nepobuđenom dielektriku je raspored elementarnih nosioca naelektrisanja takav da se molekuli ponašaju električno neutralno u odnosu na svoju okolinu, tj. u odsustvu električnog polja centri pozitivnog i negativnog naelektrisanja u molekulu se poklapaju. Kada se priključi električno polje dolazi do pomeranja centara naelektrisanja (javlja se indukovani dipolni momenat).
• Polarni dielektrici – u nepobuđenom dielektriku su centri pozitivnog i negativnog naelektrisanja u molekulu ne poklapaju (međusobno su pomereni) i pri tom obrazuju električne dipole. Dakle, postoje stalni dipolni momenti koji se priključivanjem električnog polja orijentišu u pravcu polja.
VRSTE POLARIZACIJA
Unešeni atom u spoljašnje električno polje se deformiše, jer će pod dejstvom polja, kojima se suprostavljaju unutrašnje sile, zauzimaju novi poloţaj ravnoteţe, javlja se dipolni moment...
Elektronska polarizacija- polarizacija u kojoj dolazi do deformacije elektronske orbitale, tj. pomeranja elektrona u odnosu na atomsko jezgro u pravcu polja
Jonska polarizacija- javlja se u jonskim jedinjenjima kod kojih dolazi do pomeranja jona jednih u odnosu na druge pod dejstvom polja
Dipolna (orjentaciona) polarizacija- usmeravanje polarnih molekula pod dejstvom polja kod kojih postoji stalni dipolni momenat
DIELEKTRIČNA KONSTANTA
C - kapacitivnost kondenzatora kada je između njegovih elektroda vakuum
C/ - kapacitivnost kada je ovaj prostor ispunjen nekim dielektričnim materijalom
Odnos kapacitivnosti ne zavisi od oblika i veličine kondenzatora ako je dielektrični materijal homogen i ispunjava ceo prostor u kome postoji električno polje - relativna dielektrična konstanta
C
Cr
d
S
d
SC r 0
ZAVISNOST DIELEKTRIČNE KONSTANTE OD
UČESTANOSTI F PRIKLJUČENOG NAIZMENIČNOG
NAPONA
r
ff1
2- polarni dielektrik1- nepolarni dielektrik
Polarni dielektrik
Nepolarni dielektrik: postoji samo elektronska polarizacija,
koja se odigrava trenutno te moţe da
prati promenu električnog polja
sve veći broj polarnih molekula (dipola)
ne uspeva da prati promene električnog
polja
u dielektriku postoji samo elektronska
polarizacija, a ne i dipolna
ZAVISNOST DIELEKTRIČNE KONSTANTE
MATERIJALA OD TEMPERATURE
1
r
T1 T2
2
T[ C]
(polarni dielektrik)
(nepolarni dielektrik)
Polarni dielektrik
Nepolarni dielektrik: smanjenje gustine dielektrika, odnosno
smanjenje broja molekula u jedinici
zapremine materijala, smanjuje se proces
elektronske polarizacije, a samim tim i
dielektrična konstanta dielektrika
1. Polarni molekuli ne mogu da se
orijentišu u pravcu električnog
polja, dominira elektronska
polarizacija pa se dielektrična
konstanta skoro i ne menja do T1
2. Povećanjem temperature viskozitet dielektrika se smanjuje i polarni molekuli
onda mogu da se obrću (rotiraju) pod dejstvom sila električnog polja, pa dielektrična
konstanta raste sa povećanjem temperature
3. Porastom temperature toplotna energija dipolnih molekula takođe raste a samim
tim i njihovo haotično toplotno kretanje, oteţana je njihova rotacija pod dejstvom
električnog polja pa dielektrična konstanta počinje da opada
TANGENS UGLA DIELEKTRIČNIH GUBITAKA
EKSPERIMENT...
0 200 400 600 800 1000
1800
1820
1840
1860
1880
1900
1920r
f(Hz)
Nb/BaTiO3
Nakon eksperimenta crtanje grafika u Origin-u...
VEŢBA 4 – KONDENZATORI – TIPOVI, ODZIV
NA IMPULSNU POBUDU (PRELAZNI REŢIM)
Simbol
Sprezanje kondenzatora
Označavanje kondenzatora
104=
10·104· pF=
10·104·10-12 F=
10-7 F=
100 nF
ELEKTROLITSKI KONDENZATORI
Al2O3 je izolator!
Elektrolit je provodnik!
KONDENZATORI – PRELAZNI REŢIM
Kondenzator je pre dovođenja napona, na početku procesa prazan, odnosno obloge su mu elektroneutralne. Napon na kondenzatoru je vc=0 V.
Kada je ulazni napon jednak naponu logičke jedinice, kondenzator se puni preko otpornika u RC kolu. Proces punjenja kondenzatora predstavlja nagomilavanje naelektrisanja na njegovim oblogama. U početku je taj proces brz, a zatim postaje sporiji – nagomilana naelektrisanja formiraju električno polje koje se suprostavlja spoljašnjem polju izvora.
Kada ulazni napon padne na napon logičke nule, kondenzator se prazni preko otpornika R u RC kolu. Nagomilana naelektrisanja se vraćaju, tako da obloge ponovo postaju elektroneutralne.
Da bi se na kondenzatoru uspostavio napon, kroz kolo najpre mora da protekne struja. Vremenska zavisnost promene napona na kondenzatoru je:
Promena napona na kondenzatoru zavisi od amplitude V i proizvoda RC koji se naziva vremenska konsanta (τ) i izraţava se u sekundama. Vremenska konstanta određuje vremensko punjenje i praţnjenje kondenzatora. Vremenska konstanta ne zavisi od dimenzija kondenzatora, već samo od fizičkih osobina dielektrika. Smatra se da se kondenzator napunio/ispraznio za vreme t5.
VIN
VPULSE
4K7
POT
2K2
R
C
OSCILOSKOP
VIN
VPULSE
4K7
POT
2K2
R
C
OSCILOSKOP
=
Low
High
Offset Vpp
Period - T
DutyCycle=𝑡
𝑇∙ 100%
t
Veţbajmo:
1. Low=0V, High=5V, t=1ms,
T=2ms, Vpp=?, Offset=?,
DutyCycle=?
2. Vpp=5V, Offset=0V,
DutyCyle=50%, T=1s,
Low=?, High=?, t=?
VIN
VPULSE
4K7
POT
2K2
R
C
OSCILOSKOP
=
Trimer, potenciometar: 5 kΩ
Veţbajmo:
1. Klizač na 50%, koliki je
otpor između 1-2, 2-3, 1-3?
2. Klizač na 10%, koliki je
otpor između 1-2, 2-3, 1-3?
3. Koliki je otpor kada se 2-3
kratkospoje?
VIN
VPULSE
4K7
POT
2K2
R
C
OSCILOSKOP
1 3
1 2 2 3
VIN
VPULSE
4K7
POT
2K2
R
C
OSCILOSKOP
=
Otpornik: 2.2 kΩ
Naučite označavanje bojama!
VIN
VPULSE
4K7
POT
2K2
R
C
OSCILOSKOP
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
2 2 2 5%
22·102 Ω = 2.2 kΩ ± 5% 2 2 0 0 1
220·100 Ω = 2.2 kΩ ± 1%
VIN
VPULSE
4K7
POT
2K2
R
C
OSCILOSKOP
VIN
VPULSE
4K7
POT
2K2
R
C
OSCILOSKOP
=
VIN
VPULSE
4K7
POT
2K2
R
C
OSCILOSKOP
Sve na istom
potencijalu!
Nisu na istom
potencijalu!
Ovde prekid!
Već znamo...
R ≈ 2.2 kΩ
τ=0.22 ms
t = T/2 = 2.5 ms > 1.1 ms (=5τ)
R ≈ 6.9 kΩ
τ=0.69 ms
t = T/2 = 2.5 ms < 3.45 ms (=5τ)
Tip kondenzatora Vremenska
konstanta
Kondenzator sa plastičnim folijama (polistirolni,
stirofleksni)
Nekoliko dana
Papirni Nekoliko sati
Tantalni elektrolitski Jedan do dva sata
Keramički sa velikom vrednošću dielektrične
konstante
Nekoliko minuta
Aluminijumski elektrolitski sa nenagriţenom
anodom
Nekoliko sekundi
1 2 V
SW-SPST
1mF
C 1
1 K
R 1
L E D
4 fizička pina
2 na šemi?
kra
će –
KA
TO
DA
!
KATODA
Raster ploča
NAJĈEŠĆE PRIMENE KONDENZATORA
Bypass (decoupling) kondenzator
za smanjenje uticaja slučajnih signala visoke
učestanosti i sprečavanje pojave oscilacija
blizu pinova za napajanje digitalnih kola
najčešće keramički kondenzatori
NAJĈEŠĆE PRIMENE KONDENZATORA
Blok (Coupling) kondenzator
propušta AC signale iz jednog dela kola u drugi, a
blokira DC signale
Poliesterski ili elektrolitski kondenzatori
NAJĈEŠĆE PRIMENE KONDENZATORA
Filtarski kondenzator
Najčešće elektrolitski kondenzatori
High-Pass
blokira signale niskih frekvencija
RC diferencijator
NAJĈEŠĆE PRIMENE KONDENZATORA
Filtarski kondenzator
Najčešće elektrolitski kondenzatori
Low-Pass
blokira signale visokih frekvencija
RC Integrator
NAJĈEŠĆE PRIMENE KONDENZATORA
Filtarski kondenzator
Najčešće elektrolitski kondenzatori
Power Supply Filter
Spike Remover
VEŢBA 5 - FERITI
Feritne prigušnice/feritne perlice
Otklanjanje konduktivnih smetnji, tj. šumova
koji se prenose preko linija veza u kolu
fin=50Hz
fšuma=200kHz
RIN=100Ω
______________
10 puta slabljenje:
XL=1kΩ @200kHz
L=?
XL=? @50Hz
FERITI
Feritne prigušnice/feritne perlice
Ferrite choke: na linijama za napajanje
Ferrite bead: na linijama za prenos
podataka
FERITI
PIEZOELEKTRIĈNI MATERIJALI
Direktni piezo-efekat. Piezoelektrični materijali izloţeni dejstvu
mehaničke sile na svojoj površini indukuju naelektrisanje koje je
proporcionalno primenjenoj sili. Do piezoelektričnog efekta dolazi
kada se materijal savija, uvija, pritiska…
Inverzni piezo-efekat. Kada se na komad piezoelektričnog
materijala primeni napon u njemu se generiše naprezanje.
KRISTAL KVARCA
KRISTAL KVARCA U PIRSOVOM OSCILATORU
Na frekvenciji oscilovanja kristal kvarca ima induktivni karakter => π filtar; sa izlaza na ulaz se vraća signal fazno pomeren za 180°
C1 i C2 stabilišu povratnu spregu
R1 obezbeđuje stabilan početak oscilovanja kola
R2 sprečava nerealne oscilacije
POGLEDATI DATASHEET!
PIEZO ELEKTRIĈNA KERAMIKA (PZT) U
ULTRAZVUĈNIM PRETVARAĈIMA - DEMONSTRACIJA
PIEZO ZVUĈNIK, ZUJALICA - BUZZER
Demonstracija rada buzzera korišćenje IC generatora
melodije UM66T
ROM memorija sa integrisanim RC oscilatorom
Napon napajanja 1.3-3.3V
Različite serije za različite melodije
VEŢBA 6 - ODZIV KALEMA NA IMPULSNU
POBUDU
ODZIV KALEMA NA IMPULSNU POBUDU
Naponski pik moţe uništiti ostatak kola!
U trenutku otvaranja prekidača, dioda provede i
kalem se preko nje isprazni.
Koristi se Šotkijeva ili brza prekidačka dioda.
Bez diode
Sa diodom
REALIZACIJA NA PROTO-PLOČI