Sähköpaja. Kimmo Silvonen (X)

Transkriptio

1 Sähköpaja Kimmo Silvonen (X)

2 Elektroniikan komponentit Erilliskomponentit ja IC:t Passiivit: R C L Aktiiviset erilliskomponentit (diskreetit) ja IC:t: Bipolaaritransistori BJT Moottorinohjaus, H-silta Kanavatransistorit FET Jänniteregulaattorit (pajan) Operaatiovahvistin sovelluskytkentöineen Page 2 (17)

3 Vastus, resistanssi R Pajan vastukset ovat yleensä P MAX = R I 2 = 0,25 W tai 0,5 W eff "Big Boys Race Our Young Girls, but Violet Generally Wins!" Page 3 (17)

4 Kondensaattori, kapasitanssi C Sarjakondensaattori blokkaa tasavirran, päästää signaalin läpi. Etuvastus ja rinnakkaiskondensaattori häiriösuodatukseen? Ota huomioon jännitekestoisuus DC/AC! Kuivat mm. muovieristeiset, pienehköt kapasitanssit. Elektrolyyttikondensaattorit C > noin 1 µf. Superkondensaattorit C > noin 1 F (heikko jännitekestoisuus). u i C R S + R u(t) C U AVE i = C du dt Tämä pätee aina (vrt. u = Ri vastuksessa). Page 4 (17)

5 Kela, induktanssi L Hidastaa virran muuttumista Tasavirta menee esteettömästi läpi. Virran katkaisu aiheuttaa lyhyen korkean jännitepiikin (Diracin deltafunktio)! Suojaus esim. normaalisti estosuuntaisella diodilla; myös moottorin tai H-sillan kytkimen rinnalle! u = L di dt R t = 0 Tämä pätee aina (vrt. u = Ri vastuksessa). i(t) L u(t) u t t = 0 Page 5 (17)

6 Transistori BJT Bipolar Junction Transistor, β 100 (?), kasvaa kuumetessa, P U CE I C Pienillä kirjaimilla merkitään ajan funktioita, isoilla tasavirtoja. Kollektori, C NPN i C Kanta, base, B u CE i R B B u BE Emitteri, E Kun U CE noin 0,3 V: PNP i C = βi B Kanta emitteri -välissä on päästösuuntainen diodi, jonka jännite on virrallisena noin u BE 0,7 V (npn) Page 6 (17)

7 Darlington-transistori Toimii kuin tavallinen BJT, mutta paljon suurempi virtavahvistus + Jännitelähde, kuorma Digitaalilähtö I B 0 U BE1 + U BE2 1,4 V (β 1(1 + β 2 ) + β 2 )I B Maa ULN2004: 7 x darlington (Arduino unipolar stepper) ULN2803/2804: 8 x darlington Page 7 (17)

8 NPN-transistori puskurivahvistimena (virtapuskuri) Eroaa esim. E-NMOSFETistä siinä, että vaatii (pienen) ohjausvirran I B E Arduino R Kuorma kytketty E:hen TIP41C NPN I C 1 U 0,3 V R I B B U BE 0,7 V Kuvassa kuorman R läpi kulkee virtaa (huomaa suojadiodi). BJT:n U MIN 0,3 V; FETillä jännitehäviö on tyypillisesti alempi, jolloin myös sen tehohäviö on pienempi! Page 8 (17)

9 PNP-transistori puskurivahvistimena (virtapuskuri) Kuorma kytketty maahan E 0,7 V U EB U 0,3 V I B TIP42C PNP Arduino 0 R B R Kuorman R läpi kulkee virtaa (huomaa suojadiodi). Data-lehdillä PNP-transistorin I B ja I C sekä NPN-trankun I E ovat negatiivisia (IEC määrittelee virrat aina sisäänpäin). Tässä virrat on merkitty oikeiden suuntien mukaan. N- ja P-kanavaisella MOSFETillä kytkennät ovat samat, mutta kantavastusta R B ei tarvita. I C Page 9 (17)

10 H-silta ja suojadiodit Kytkimien ohjaus: PWM = pulssinleveysmodulaatio Kytkimet voidaan toteuttaa BJT:llä tai FETeillä. Yleensä mikropiirejä: esim. TB6612FNG on Pajan kaksois-h-silta kahden moottorin ohjaukseen. SN sisältää neljä H-siltojen pystyhaaraa M 0 0 Page 10 (17)

11 Kanavatransistorit FET avauskanavatransistori (enhancement), sulkukanavatransistori (depletion) ja liitoskanavatransistori (junction), ENMOSFET on loogisin, googlaa dtf.pdf! G D enmos S avaus CMOS epmos avaus dnmos sulku njfet liitos dpmos sulku pjfet liitos G D S B (vain MOSFET) gate drain source body, bulk hila nielu lähde substraatti Page 11 (17)

12 Enmosfet: Enhancement N-Channel MOSFET Käyttö muistuttaa NPN-transistoria, ohjataan jännitteellä U GS! Vastaavasti P-Channel MOSFET muistuttaa PNP-transistoria. Kynnysjännite U t (threshold) I D 0 U GS > U t I D > 0 U GS < U t I D = 0 I G = 0 U GS U DS > 0 Toimii säädettävänä vastuksena pienillä U DS :n arvoilla: 1 R DS 2K(U GS U t ) U DS << U GS U t Page 12 (17)

13 Jänniteregulaattori, kotelo TO-220 Pajalla mm.: LM 7805CT ja LD1117V33C LDO, LM2940T-5.0, LM317-KCT (adj.), ym. R JC 3 C/W, R JA 50 C/W LD1117V33C Low dropout (LD1117V33C) i o Max LM 7805CT 1 A (4, V) common (3,3 V) V 0,33µ gnd 0,1µ 5 V Page 13 (17)

14 Operaatiovahvistin erittäin hyvä yleistyökalu! 1-puolinen jännitelähde: Pajalla mm. TLV2372, rail-to-rail (ei kuormitettuna!) V DD + GND 2, V Page 14 (17)

15 Kaksipuolinen syöttöjännite Suositeltava audiosignaaleille, Pajalla on monia kaksikko- tai nelikkomalleja. "Klassisen" 741:n pitkälti standardoitu pinnijärjestys: + +?...18 (22) V?...18 (22) V Page 15 (17)

16 Sovelluskytkentöjä liitutaululla Invertoiva vahvistin Ei-invertoiva vahvistin Puskurivahvistin Integraattori (passiivi vs. akt.) Suodattimet (LP, HP, BP, BS) Pajan opareita: TL074CNE4, quad JFET, DIP14 TL072IP, dual JFET, PDIP8 OP07CP, low offset, DIP8 LM358NG, dual BJT, PDIP-8 OP27GPZ, low noise precision, DIP8 MAX494CPD+, quad rail-to-rail, DIP14 Page 16 (17)

17 Harjoituksia Magician Chassis ja moottorinohjain -harjoitus: Hauska robottiauto! Arduinon askelmoottoritehtävät: Pajalla on sekä unipolaarisille että bipolaarisille steppereille sopivia ohjainmikropiirejä ULN2803/4 ( ULN2004) / SN Voit mielellään kokeilla operaatiovahvistimia Kimmon tai assistenttien opastuksella: esim. signaaligeneraattori tai mikrofoni, invertoiva tai ei-invertoiva vahvistinkytkentä ja oskilloskooppi tai kuuloke. Virrat kannattaa ottaa ensimmäiseen kokeiluun kaksipuolisesta laboratoriojännitelähteestä! Page 17 (17)