IIZE3010 Elektroniikan perusteet Harjoitustyö. Pasi Vähämartti, C1303, IST4SE



Samankaltaiset tiedostot
TASONSIIRTOJEN ja VAHVISTUKSEN SUUNNITTELU OPERAATIOVAHVISTINKYTKENNÖISSÄ

Ledien kytkeminen halpis virtalähteeseen

Kaksi yleismittaria, tehomittari, mittausalusta 5, muistiinpanot ja oppikirjat. P = U x I

2. Vastuksen läpi kulkee 50A:n virta, kun siihen vaikuttaa 170V:n jännite. Kuinka suuri resistanssi vastuksessa on?

OPERAATIOVAHVISTIN. Oulun seudun ammattikorkeakoulu Tekniikan yksikkö. Elektroniikan laboratoriotyö. Työryhmä Selostuksen kirjoitti

ELEC-C6001 Sähköenergiatekniikka, laskuharjoitukset oppikirjan lukuun 10 liittyen.

ELEC C4210 SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA Kimmo Silvonen

Pynnönen SIVU 1 KURSSI: Opiskelija Tark. Arvio

Multivibraattorit. Bistabiili multivibraattori:

CC-ASTE. Kuva 1. Yksinkertainen CC-vahvistin, jossa virtavahvistus B + 1. Kuva 2. Yksinkertaisen CC-vahvistimen simulaatio

1 f o. RC OSKILLAATTORIT ja PASSIIVISET SUODATTIMET. U r = I. t τ. t τ. 1 f O. KAJAANIN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikan ja liikenteen ala

Tehokas ledivalaisin 30 valkoisella ledillä. Käyttöjännite 12 20V. Nimellisvirta on noin 0.10A A Suunnittelija Mikko Esala.

-Motorracing Electronics WB-NÄYTTÖ KÄYTTÖOHJE. WB-näyttö Käyttöohje v1.0 12/2011 1/7

TYÖ 2: OPERAATIOVAHVISTIMEN PERUSKYTKENTÖJÄ

Omnia AMMATTIOPISTO Pynnönen

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

5.1.Jännitelähde + 15 V 10 A

Pynnönen Opiskelija: Tarkastaja: Arvio:

OPERAATIOVAHVISTIMET 2. Operaatiovahvistimen ominaisuuksia

RATKAISUT: 22. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi

Operaatiovahvistimen vahvistus voidaan säätää halutun suuruiseksi käyttämällä takaisinkytkentävastusta.

L-sarjan mittamuuntimet

Jännitelähteet ja regulaattorit

2 Jannitelähde 24 V 28 V 7,5 A

a) I f I d Eri kohinavirtakomponentit vahvistimen otossa (esim.

Ilmanvaihto Säätimet 7/2016

ELEC C4210 SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Automaation elektroniikka T103403, 3 op AUT2sn. Pekka Rantala syksy Opinto-opas 2012

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

SÄHKÖENERGIATEKNIIIKKA. Harjoitus - luento 7. Tehtävä 1

ELEKTRONIIKAN PERUSTEET T700504

Mitataan kanavatransistorin ja bipolaaritransistorin ominaiskäyrät. Tutustutaan yhteisemitterikytketyn transistorivahvistimen ominaisuuksiin.

ELEKTRONISET JÄRJESTELMÄT, LABORAATIO 1: Oskilloskoopin käyttö vaihtojännitteiden mittaamisessa ja Theveninin lähteen määritys yleismittarilla

Ääniohjattu vilkkuvalo ledeillä toteutettuna

Erään piirikomponentin napajännite on nolla, eikä sen läpi kulje virtaa ajanhetkellä 0 jännitteen ja virran arvot ovat. 500t.

Analogiapiirit III. Keskiviikko , klo , TS128. Operaatiovahvistinrakenteet

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

1. Tasavirtapiirit ja Kirchhoffin lait

Sähkövirran määrittelylausekkeesta

Harjoitustyö - Mikroprosessorit Liikennevalot

7. Resistanssi ja Ohmin laki

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Vakiovirtaregulaattori P-kanava FET-transistorilla

FYSP105 / K3 RC-SUODATTIMET

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Tehtävä 1. a) sähkövirta = varausta per sekunti, I = dq dt = 1, A = 1, C s protonin varaus on 1, C

R = Ω. Jännite R:n yli suhteessa sisäänmenojännitteeseen on tällöin jännitteenjako = 1

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

Taitaja2010, Iisalmi Suunnittelutehtävä, teoria osa

1. Tasavirta. Virtapiirin komponenttien piirrosmerkit. Virtapiiriä havainnollistetaan kytkentäkaaviolla

MIKROAALTOMITTAUKSET 1

1. a) Piiri sisältää vain resistiivisiä komponentteja, joten jännitteenjaon tulos on riippumaton taajuudesta.

LOPPURAPORTTI Lämpötilahälytin Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

Taitaja2005/Elektroniikka. 1) Resistanssien sarjakytkentä kuormittaa a) enemmän b) vähemmän c) yhtä paljon sähkölähdettä kuin niiden rinnankytkentä

Aineopintojen laboratoriotyöt I. Ominaiskäyrät

TEHOLÄHTEET JA MUUNTAJAT

Näytteen liikkeen kontrollointi

1 TEHTÄVÄNKUVAUS PAINE, MITÄ SE ON? ANTURI Ominaisuudet Toiminta KOKEET Mittausvälineet...

kipinäpurkauksena, josta salama on esimerkki.

Kannattaa opetella parametrimuuttujan käyttö muidenkin suureiden vaihtelemiseen.

1 Kohina. 2 Kohinalähteet. 2.1 Raekohina. 2.2 Terminen kohina

Théveninin teoreema. Vesa Linja-aho (versio 1.0) R 1 + R 2

Analogiapiirit III. Keskiviikko , klo , TS127. Jatkuva-aikaiset IC-suodattimet ja PLL-rakenteet

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

Harmonisten yliaaltojen vaikutus johtojen mitoitukseen

20 Kollektorivirta kun V 1 = 15V Transistorin virtavahvistus Transistorin ominaiskayrasto Toimintasuora ja -piste 10

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

C 2. + U in C 1. (3 pistettä) ja jännite U C (t), kun kytkin suljetaan ajanhetkellä t = 0 (4 pistettä). Komponenttiarvot ovat

ELEC C4210 SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA Kimmo Silvonen

DEE Sähkömagneettisten järjestelmien lämmönsiirto Ehdotukset harjoituksen 2 ratkaisuiksi

Analogiapiirit III. Keskiviikko , klo , TS128. Operaatiovahvistinrakenteet

Supply jännite: Ei kuormaa Tuuletin Vastus Molemmat DC AC Taajuus/taajuudet

Sähköpaja. Kimmo Silvonen (X)

Jakso 10. Tasavirrat. Tasaantumisilmiöt. Vaihtovirrat. Sarja- ja lineaaripiirit. Maxwellin yhtälöt. (Kuuluu kurssiin Sähkömagnetismi, LuTK)

CRT NÄYTÖN VAAKAPOIKKEUTUS- ASTEEN PERIAATE

DEE Sähkötekniikan perusteet

Hinnasto. Invertterit, laturit, erotinreleet

Käyttöohje Firmware V1.0-V1.2 HTB230. Anturirasialähetin

Hinnasto Invertterit, laturit, erotinreleet

Automaation elektroniikka T103403, 3 op SAU14snS. Pekka Rantala kevät 2016

Kaikki kytkennät tehdään kytkentäalustalle (bimboard) ellei muuta mainita.

TEHTÄVÄT KYTKENTÄKAAVIO

IBC control Made in Sweden VIANETSINTÄ MICROMAX- JA VVX-MOOTTORIT

SÄHKÖENERGIATEKNIIIKKA. Harjoitus - luento 6. Tehtävä 1.

Taitaja2007/Elektroniikka

Lämpötilan säätö. S Elektroniset mittaukset Mikko Puranen Luennon sisältö

IIZE3010 Elektroniikan perusteet Harjoitustyö 2

Radioamatöörikurssi 2015

CCO kit. Compact Change Over - 6-tievaihtoventtiili toimilaitteineen LYHYESTI

Analogiapiirit III. Tentti

S SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Radioamatöörikurssi 2017

-Motorracing Electronics EGT-AMP KÄYTTÖOHJE. EGT-AMP Käyttöohje v1.0 11/2011 1/9

DEE Sähkötekniikan perusteet

Elektroniikka ja sähkötekniikka

SATE1140 Piirianalyysi, osa 1 kevät /9 Laskuharjoitus 4: Kerrostamis- ja silmukkamenetelmä

Ongelmia mittauksissa Ulkoiset häiriöt

Transkriptio:

IIZE3010 Elektroniikan perusteet Harjoitustyö Pasi Vähämartti, C1303, IST4SE

2 (11) Sisällysluettelo: 1. Tehtävänanto...3 2. Peruskytkentä...4 2.1. Peruskytkennän käyttäytymisanalyysi...5 3. Jäähdytyksen mitoitus...6 3.1. Lisäjäähdytyksen tarpeen selvittäminen:...6 3.2. Lisäjäähdytykseltä tarvittavan lämmönjohtokyvyn selvittäminen:...6 4. Korjattu versio kytkennästä...7 4.1. Korjatun version käyttäytymisanalyysi...8 5. Virranrajoitus...9 5.1. Virranrajoituksen toiminnan toteaminen...10 6. 1N750 Zenerin ominaisuuksia...11

3 (11) 1. Tehtävänanto 1) Mitoita kytkentä siten että V out 9V, kun V in 20V. 2) Laske jäähdytyslevyltä tarvittava lämmönjohtokyky, kun komponentin suurin sallittu sisuksen lämpötila on 150ºC, ja ympäristön 50ºC. thjc 5,0ºC/W. 3) Suunnittele kytkentään korjaus, joka poistaa havaitun ongelman. 4) Suunnittele virranrajoitus, I max 0,3A. 5) Suunnittele sulaketoiminto. Kaikkien kohtien toiminta todetaan simuloimalla.

4 (11) 2. Peruskytkentä Päätetään että 3 ja 4 ovat 2,5kΩ, jolloin kummankin vastuksen yli vaikuttaa 4,5V jännite (koska haluttu ulostulo on 9V). Vastukset voisivat olla minkä kokoiset tahansa, kunhan ne ovat vain samansuuruiset (liian pienet vastukset kuluttavat turhaa tehoa). Operaatiovahvistimen 3-jalassa on sama 4,5V jännite kuin jalassa 2, koska kyseessä on jänniteseurain. Operaatiovahvistin pyrkii siis pitämään näiden jalkojen välisen jännite-eron mahdollisimman pienenä. Valitaan vastuksen 1 arvoksi 3,8kΩ, jolloin saadaan lasketuksi 2:n arvo. U 4,5V 3,8kΩ 20V 4,5V 2 1 2 U U 12 2 1,1kΩ

5 (11) 2.1. Peruskytkennän käyttäytymisanalyysi Kuvasta voimme todeta, että syöttöjännitteen (U in, punainen viiva) ollessa 20V, ulostulossa (U out, vihreä viiva) on noin 9V jännite, sama voidaan todeta myös kuvassa olevasta valkoisesta laatikosta. Koska jännitteen asettaminen tapahtuu vastuksien suhteen avulla, vaikuttaa syöttöjännitteen suuruus suoraan ulostulevaan jännitteeseen. Joten U out 9V vain siinä tapauksessa, kun U in 20V. Ei hyvä!

6 (11) 3. Jäähdytyksen mitoitus Jäähdytys on olennainen osa tehoelektroniikassa. Mikäli sitä ei ole asiallisesti hoidettu, voivat komponenttien sisäiset lämpötilat nousta yli sallitun ja täten rikkoutua. Tässä osassa selvitämme tarvitseeko kyseinen kytkentä lisäjäähdytystä ja mikäli tarvitsee, niin minkä tehoisen. 3.1. Lisäjäähdytyksen tarpeen selvittäminen: T j / C 150 C T a / C 50 C thjc 50,0 C/W (ilman jäähdytystä) U max 20V I max 0,3A P P P J max P max P max T j Ta U > P thja max J max I 150 C 50 C 2W 50,0 C/W max 20V 0,3A 6W 6W > 2W Syntyvä lämpöteho (P Pmax ) on suurempi kuin komponentin lämmönjohtokyky ilman jäähdytyslevyä (P Jmax ), josta seuraa komponentin liika kuumeneminen ja täten todennäköinen tuhoutuminen ennemmin tai myöhemmin. Tästä seuraa tarve lisäjäähdytyksen tarpeellisuuteen. HUOM! Virranrajoituskytkennässä oleva vastus on ainut kuorma oikosulkutilanteessa, joka aiheuttaa noin 1V jännitehäviön. Transistorissa syntyvään lämpöteho vähenee tällöin noin 0.3W:lla. Koska kyse on näin pienestä tehon muutoksesta, eikä ilman lisäjäähdytystä siltikään selvittäisi, päätin olla ottamatta huomioon vastuksen vaikutuksen transistorin yli vaikuttavan jännitteen suhteen. Tästä seuraa luonnollisesti jäähdytyslevyn pieni ylimitoitus. 3.2. Lisäjäähdytykseltä tarvittavan lämmönjohtokyvyn selvittäminen: thje thch 5,0 C/W (jäähdytyksen kanssa) 0,3 C/W (piitahna) P max thha T j Ta thja thje T j T thch a thha thha T j Ta P max 150 C 50 C 5,0 C/W - 0,3 C/W 11,3 C/W 20V 0,3A Eli tarvittava lämmönjohtokyky tulee olla jäähdytyslevyllä 11,3 C/W tai pienempi (parempi). thjc thch

7 (11) 4. Korjattu versio kytkennästä Ensimmäiseen kytkentään verrattuna vastus 2 on korvattu Zener-diodilla, sekä 1,3 ja 4 on mitoitettu uudelleen. Zenerin kynnysjännite on noin 4,7V, tällöin 4:n yli pitäisi vaikuttaa myös 4,7V jännite jotta ulostulossa olisi oikeansuuruinen jännite. Zener kestää maksimissaan 75mA virran (datalehden tiedoista, sivu 11), joten se täytyy ottaa huomioon laskettaessa vastuksen 1 suuruutta. Sama virta kulkee vastuksen 1 läpi, jolloin saadaan luotua seuraava laskukaava 1:n laskemiseksi. Maksimi syöttöjännitteeksi on valittu 25V, jonka kytkennän on kestettävä (V in vaihtelee välillä 0-(20+5)V). 1min Vin VZ 25V - 4,7V 270Ω valitaan 400Ω I 0,075A Z max Laskettu 1 on vastuksen pienin sallittu arvo, jolloin zenerin tehonkesto ei ylity 25V:n syöttöjännitteellä. Zeneri ei toimi oikein, mikäli sen läpi ei kulje riittävän suuri virta. Liian suuri virta vuorostaan hajottaa sen. Käytännön syistä ja ulostulon jännitteen vaihtelun minimoimiseksi valitsemme 400Ω vastuksen. Vastuksien 3 ja 4 suuruudet saadaan laskettua seuraavasti. Vout I + 4 3 3 4 9V 5kΩ 1,8mA U 4,7V 4 2,6kΩ I 1,8mA 5kΩ 2,4kΩ 4 valitaan 3 2,4kΩ ja Ρ4 2, 6kΩ

8 (11) 4.1. Korjatun version käyttäytymisanalyysi Korjauksen jälkeen tilanne on huomattavasti parempi. Nyt kun U in 9V, niin U out 8,97V, ja kun U in 25V, niin U out 9,13V. Ulostulossa on siis havaittavissa 0,16V vaihtelu, syöttöjännitteen vaihdellessa 9 ja 25V välillä (16V vaihtelu). Ulostulojännitteen vaihteleminen johtuu zenerin läpimenevän virran suuruuden vaihtelemisesta, joka taas johtuu käyttöjännitteen suuruuden vaihtelusta. Tästä seuraa zenerjännitteen pieni muuttuminen. 1 vastuksen valinnalla voidaan yrittää minimoida jännitevaihtelua. Koska kyseessä ei ole hakkurivirtalähde, ei ulostulon jännite voi olla suurempi kuin syötettävä jännite. Tästä syystä U out U in aina 9V asti, jonka jälkeen säädin alkaa säätää ulostulojännitettä (vihreä viiva erkanee punaisesta).

9 (11) 5. Virranrajoitus Virranrajoitin on toteutettu yksinkertaisesti lisäämällä vastus 13 ja transistori Q2 edelliseen kytkentään. Mitoittamalla vastus 13 tietyn arvoiseksi, pystymme määrittelemään tietyn virran suuruuden kiinteästi jota ei pystytä ylittämään. Virranrajoittaminen perustuu vastuksen 13 tapahtuvan jännitehäviön seuraamiseen. Kun jännitehäviö vastuksen yli kasvaa yli 0.7V, alkaa Q2 päästää lävitseen osan operaatiovahvistimen antamasta ohjauksesta, joka on tarkoitettu Q1:n ohjaamiseen. Tästä seuraa ulostulojännitteen putoaminen. 0.7V perustuu transistorin emitteri-kollektori väliseen kynnysjännitteeseen, joka on noin 0.7V. Koska haluttu maksimivirta on 0.3A, pitää 13 valita sellaiseksi, jonka yli tapahtuu noin 0.7V jännitehäviö 0.3A virralla. Vastuksen mitoittaminen: U 0,7V 13 2,3Ω I 0,3A 13 valitaan 2,8Ω Jostain syystä potikka korvasi matikan taas kerran, ja hakemalla käsin sopiva vastuksen arvo, saatiin simulaatio käyttäytymään halutulla tavalla. Lasketulla vastuksen arvolla virta alkoi rajoittua vasta 0,36A kohdalla, joten vastuksen arvoa oli kasvatettava 2,8Ω:iin halutun rajan saavuttamiseksi.

10 (11) 5.1. Virranrajoituksen toiminnan toteaminen Kun virran suuruutta kasvatetaan, eli kuorman resistanssia pienennetään, huomataan että käyttöjännite pystyy vakaana kuorman ollessa vielä noin 30Ω:ia, jonka jälkeen jännite alkaa pudota. Maksimi virta jää 0,3A kohdalle, mutta jännite jatkaa laskemistaan kuorman resistanssin pienentyessä. Täydellisessä oikosulkutilanteessa jännite on pudonnut nollaan, mutta virta on edelleen 0,3A. Virranrajoitus toimii kuten pitääkin.

11 (11) 6. 1N750 Zenerin ominaisuuksia Zenerin datalehdeltä piti käydä tarkistamassa mikä on 1N750:n zenerjännite, koska oletukseni 7,5V zeneristä ja saamani simulointitulokset antoivat oletuksen perusteella hassuja tuloksia. Toisaalta maksimi virran kesto piti myös selvittää vastuksen mitoitusta silmälläpitäen. Eli kyseisen zenerin zenerjännite on 4,7V ja maksimivirtakesto 75mA