Industrielektronikk : elektromekaniske fag 8258511122 [PDF]

Zitiervorschau

JAKOB BÆKKEN

INDUSTRIELEKTRONIKK Elektromekaniske fag - VK1

NBR-DBPOTBIBLIOTEKET FOSTEOKS 278 ■ 8601 MO

YRKESOPPLÆRING ANS 1995

Industrielektronikk

© 1995 Yrkesopplæring ans 1. utgave, 1. opplag

Godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter i februar 1995 Godkjenningen er knyttet til læreplanen av september 1994 Godkjenningen gjelder så lenge læreplanen er gyldig Omslag:

Siri Elin Sørlie, Yrkesopplæring ans og Grimshei Grafiske, Lørenskog

Omslagsfoto:

Festo AB

Illustrasjoner:

Evy Neergaard, Terje Edseth, Stein Bredal og Jakob Bækken

Layout, sats og ombrekking:

DataGrafisk konsulent, Per Ekrem med assistanse av Runar Jensen

Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverkloven og fotografiloven eller i strid med avtaler om kopiering inngått med KOPINOR, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel.

Printed in Norway by PDC Printing Data Center a.s. 1930 Aurskog, 1995

Bokmål

ISBN 82-585-1112-2

Industrielektronikk

Forord Innholdet i denne boka gir en grunnleggende teori i analogteknikk, digitalteknikk og PLS-maskiner. Den er i utgangspunktet skrevet for elektromekaniske fag, VK1 etter Reform 94, men den kan naturligvis brukes av andre fagavdelinger og kurser, og den egner seg godt til selvstudium. Boka omfatter to hoveddeler, modul 6 og modul 7. Modulene kan leses uavhengig av hverandre. Modul 6 dekker analogteknikkdelen, og modul 7 dekker emnene digitalteknikk og PLS-maskiner. Modulene er delt opp i tre enheter: teoristoff med øvingsoppgaver, fasit og arbeidsoppgaver.

I boka er alt faglig teoristoff samlet i kapitler som bygger på hverandre. Mot slutten av hvert kapittel er det oppsummering av det viktigste stoffet og en rekke øvingsoppgaver. Forslag til arbeidsoppgaver for hver enhet finner du i arbeidsoppgavedelen. I fasitdelen finner du svarene på øvingsoppgavene.

I arbeidsoppgavedelen har vi satt opp forslag til små. prosjektorienterte arbeidsoppgaver. Erfaringen viser at de er svært motiverende. Ønsker du å utføre arbeidsoppgavene etter ferdig utarbeidede laboratorieøvinger, kan du bruke laboratoriebøker.

Figuren viser hvordan boka er lagt opp.

Industrielektronikk Jeg vil benytte anledningen til å takke til forlaget for et fint samarbeid. Spesielt vil jeg rette en takk bedriftene Philips, Beijer Electronics og Klockner-Moeller for hjelp under arbeidet og for tillatelse til å bruke bildemateriale fra kataloger og trykksaker.

Hokksund, våren 1995 JAKOB BÆKKEN

Industrielektronikk

Innhold Modul 6 Kapittel 1

Elektroniske komponenter........................................................... side 13 Motstander........................................................................................side 14 Standardverdier................................................................................ side 17 Termistorer............................................................................................. side19 Spenningsavhengige motstander.......................................................... side22 Fotofølsomme komponenter................................................................ side23 Lysdioder LED..................................................................................... side24 Laserdioder............................................................................................. side24 Kondensatorer........................................................................................side26 Oppsummering...................................................................................... side27 Øvingsoppgaver.................................................................................... side29

Kapittel 2

Dioder.................................................................................................... s*de31 Ulike dioder............................................................................................ side32 Diodesymbolet...................................................................................... side32 Merking av dioder................................................................................. side33 Diodekarakteristikk............................................................................... side34 Arbeidspunkt..........................................................................................side35 Lastlinje.................................................................................................. side35 Oppsummering...................................................................................... side36 Øvingsoppgaver.................................................................................... side38

Kapittel 3

Zenerdioden......................................................................................... side41 Symbol for zenerdioden........................................................................side43 Merking av zenerdioder...................................................................... side43 Karakteristikker for zenerdioder.......................................................... side44 Stabilisering...........................................................................................side45 Oppsummering...................................................................................... side48 Øvingsoppgaver.................................................................................... side49

5

Industrielektronikk Kapittel 4 Transistoren.................................................................................... side Transistorsymboler.......................................................................... side Enkel transistorkrets........................................................................ side Transistorkarakteristikk.................................................................. side Litt om kodesystemet for halvledere.............................................. side Enkelt forsterkertrinn...................................................................... side Beregning av t/R], URK og t/BK........................................................ side Lastlinje............................................................................................ side Regneeksempel................................................................................ side Transistoren som elektrisk bryter................................................... side Oppsummering................................................................................. side Øvingsoppgaver............................................................................... side

51 53 54 54 55 57 58 59 60 62 63 65

Kapittel 5

Seriemotkobling.............................................................................side Temperaturstabilisering.................................................................. side Dataspredning.................................................................................. side Seriemotkobling............................................................................... side Stabilisering..................................................................................... side Regneeksempel................................................................................ side Oppsummering................................................................................. side Øvingsoppgaver............................................................................... side

71 72 72 72 73 74 75 77

Kapittel 6

Grunnkoblinger for transistorer................................................ side Inngangsresistans og utgangsresistans i praksis............................ side Inngangsresistansen R n ved felles emitterkobling....................... side Utgangsresistansen ved felles emitterkobling.......................... side Spenningsforsterkningen Fu ved felles emitterkobling................. side Oversikt over signalgangen............................................................. side Oppsummering................................................................................. side Øvingsoppgaver............................................................................... side

79 81 82 84 85 86 88 89

Kapittel 7 Flere elektroniske komponenter..................................................side 91 Dobbeltbasisdioden.......................................................................... side 92 Firesjiktsdioden................................................................................ side 95 Diacen............................................................................................... side 95 Tyristoren - SCR ............................................................................. side 96 Triacen.............................................................................................. side 98 Radiostøy..........................................................................................side 100 Oppsummering................................................................................. side 102 Øvingsoppgaver ....................................................

6

Industrielektronikk Kapittel 8 Likerettere.......................................................................................side Enveislikeretter................................................................................ side Brolikeretter......................................................................................side Toveislikeretter med midtuttak.......................................................side Filtre.................................................................................................. side Stabilisering av spenninger............................................................. side Oppsummering................................................................................. side Øvingsoppgaver............................................................................... side

109 110 112 113 114 117 121 122

Kapittel 9

125 126 128 129 130 131 134

Omformere......................................................................................side D/A-omformer................................................................................. side Praktisk D/A-omformer.................................................................. side Regneeksempel ................................................................................ side A/D-omformer................................................................................. side Regneeksempel................................................................................ side Oppsummering................................................................................. side Øvingsoppgaver

Modul 7 Kapittel 10 Grunnleggende digitalteknikk.................................................... side Logikksymboler............................................................................... side OG-port, ELLER-port og IKKE-port............................................. side Sannhetstabell .................................................................................. side Oppsummering................................................................................. side Øvingsoppgaver............................................................................... side

135 137 138 139 140 142

Kapittel 11 Integrerte kretser........................................................................... side 145 Logiske grunnfunksjoner med praktiske kretsløsninger.............side 148 Hvordan øke antall innganger.........................................................side 155 Hvordan redusere antall innganger................................................ side 155 Oppsummering............................................................................... side 156 Øvingsoppgaver............................................................................... side 157 Kapittel 12 Boolsk algebra................................................................................ side Definisjoner og regneregler............................................................ side Forenkling av boolsk uttrykk..........................................................side Fra boolsk algebra til logiske kretser............................................. side Fra sannhetstabell til logisk krets................................................... side Fra logiske kretser til boolsk algebra............................................. side Oppsummering................................................................................. side Øvingsoppgaver............................................................................... side

161 162 167 168 169 172 174 175

7

Industrielektronikk Kapittel 13 Forskjellige tallsystemer............................................................. side 177 Det binære tallsystemet.................................................................. side 179 Overgang mellom tallsystemer..................................................... side!80 Omregning til desimaltall............................................................. side 181 Omregning fra desimal til BCD-kode.......................................... side 182 Oppsummering............................................................................... side 185 Øvingsoppgaver............................................................................. side 186 Kapittel 14 Vipper..............................................................................................side 187 Astabil vippe................................................................................... side 188 Monostabil vippe............................................................................ side 189 Bistabil vippe..................................................................................side 190 Klokket SR-vippe........................................................................... side 193 Klokket D-vippe............................................................................. side 195 JK-vippe.......................................................................................... side 196 Tellere............................................................................................. side 198 Firebiters teller............................................................................... side 199 Oppsummering............................................................................... side 203 Øvingsoppgaver............................................................................. side 205 Kapittel 15 PLS-systemer................................................................................. side 209 Hvorfor PLS-systemer................................................................... side 210 Oppbygningen av et PLS-system.................................................. side 213 Funksjonsprinsippene..................................................................... side 215 Inngangsmodulen........................................................................... side 216 Utgangsmodulen............................................................................ side 217 Oppsummering............................................................................... side 217 Øvingsoppgaver............................................................................. side 219

Kapittel 16 Programmering............................................................................ side 220 Programordets oppbygning........................................................... side 221 Programmeringsmetoder................................................................side 223 Dokumentasjon.............................................................................. side 224 Oppsummering............................................................................... side 226 Øvingsoppgaver............................................................................. side 227

8

Industrielektronikk Kapittel 17 Enkel PLS-programmering................................................................. side229 Øving 1 OG-funksjon........................................................................... side231 Øving 2 ELLER-funksjon...................................................................... side233 Øving 3 NOG-funksjon.......................................................................... side235 Øving 4 OG-funksjon foran ELLER-funksjon......................................side237 Øving 5 ELLER-funksjon foran OG-funksjon......................................side239 Oppsummering...................................................................................... side245 Øvingsoppgaver...................................................................................... side246

Kapittel 18 Holdestrømkrets, interne tidsfunksjoner og tellere........................ side249 Holdestrømkrets...................................................................................... side250 Start og stopp av motor.......................................................................... side252 Interne tidsfunksjoner............................................................................ side255 Tellere...................................................................................................... side257 Oppsummering...................................................................................... side258 Øvingsoppgaver................................................... side 259

Fasit til øvingsoppgavene.......................................................................................... side263 Arbeidsoppgaver......................................................................................................... side306 Vedlegg......................................................................................................................... side330 Stikkordliste................................................................................................................ side335

9

Industrielektronikk

Innledning Hva er elektronikk? Elektronikk er definert som den delen av elektroteknikken som handler om elektrisk strøm i form av elektroner i gasser, vakuum eller halvledere og om bruken av disse fenomenene. Det var først på 1900-tallet at elektronrøret ble oppfunnet, slik at det kunne sendes elektroner i vakuum fra ett sted til et annet. Elektronrøret ble først brukt til å likerette vekselstrøm, men utviklingen gikk videre, slik at elektronrøret noen år senere kunne brukes som et forsterkerelemenl. I desember 1947 ble den første transistoren laget, og siden da har det skjedd en enorm utvikling i halvlederteknikken.

Elektronikkteknikken består av å behandle elektriske spenninger. Spenningene eller signalene varierer både i størrelse, form og hastighet. Størrelser som ikke er av elektrisk art, må omformes til en elektrisk spenning. Slike størrelser er for eksempel lys, lyd, trykk og temperatur. I elektronikken skiller vi mellom analoge og digitale signaler: Analoge signaler er størrelser som varierer kontinuerlig med tiden, for eksempel på områdene musikk og temperatur. Digitale signaler er størrelser som varierer i sprang, for eksempel når vi slår av og på en elektrisk lampe, eller når vi bruker elektroniske lommeregnere eller digitalur som viser resultatet med tall.

10

Industrielektronikk

Arbeidsoppgaver Elter hvert kapittel blir du bedt om å gjøre arbeidsoppgaver. Meningen med dem er at du skal kunne gjøre deg mer kjent med de størrelsene og kretsene du leser om i teorien, og at du får bekreftet at praksis og teori stemmer overens. Når det gjelder teori og arbeidsoppgavene i digitalteknikken, går det forholdsvis bra. Det kan bli vanskeligere når du skal koble opp dine egne beregnede kretser i analogien. Forskjeller som kan oppstå her, er som regel at det er større toleranser på transistorene. Dersom kretsene begynner å gå i “selvsving”, kan det skyldes at du bruker for lange ledninger når du kobler sammen enhetene. Men uansett må du være svært nøye med oppkoblingen for å få et bra resultat.

11

Industrielektronikk

Kapittel 1

Elektroniske komponenter

Mål Målet med dette kapittelet er at du skal bli kjent med

ulike typer motstander

sk

standardserier av motstander, som E-12, E-24 osv.

❖

standardverdier i de ulike motstandsseriene

❖

fargekoden for motstander

sk

termistorer

sfc

bruksområder for termistorer

❖

varistorer

sk

bruksområder for varistorer

fotokomponenter *

kondensatorer

13

Industrielektronikk

Motstander I elektroniske apparater brukes det motstander, kondensatorer og termistorer i svært store antall, og det er viktig å velge riktige komponenter som sikrer at apparatene fungerer i lang tid framover. Motstander kan generelt deles inn i tre hovedgrupper:

1

Faste motstander. Her kan vi velge mellom karbon-, oksid- og metallmotstander.

2

Variable motstander. Her kan vi velge mellom karbonmotstander og trådpolensiometre.

3

Spesialmotstander. Denne gruppen omfatter termistorer (PTC-motstander og NTCmotstander), varistorer, VDR-motstander og lysavhengige LDR-motstander.

Framstillingsprosessen for motstander er ganske omfattende, og vi skal bare kort nevne trinnene ved framstilling av en metallfilmmotstand.

2

Rensing av den keramiske staven som metallfilmen avsettes på Metallisering

3

Elding første gang

4

Kapsling

5

Elding andre gang

6

Justering av resistansverdien

7

Påsetting av tilledninger

8

Lakkering som beskyttelse mol ytre skader

9

Prøving av stabiliteten

10

Fargekoding

11

Resistansprøving

12

Måling av ulinearitet

13

Pakking

1

14

Industrielektronikk

Figur 1.2 «Single Inline» DIPmotstand

Figur 1.3 «Dual Inline» DIPmotstand

Figur 1.1 Sjiktmotstander

Faste motstander Faste motstander lages slik at resistansmaterialet utfelles på en kjerne av glass eller keramikk, og de kalles derfor sjiktmotstander. Størrelsen på kjernen avgjør hvor mye varme som frigjøres. Større tillatt effekt i en motstand krever derfor en større keramisk kjerne. I en karbonmotstand legges det et karbonlag på kjernen, mens det brukes en metall-legering i en metallmotstand. I forhold til karbonmotstander utmerker metallfilmmotstandene seg ved en svært god stabilitet. De faste sjiktmotstandene er beregnet for små effekter, fra ca. 1/16W til ca. 3W, og de brukes i stor utstrekning i radioer, forsterkere, fjernsyns­ apparater, datamaskiner o.l.

Motstandsnettverk Figurene 1.2 og 1.3 viser to forskjellige DIPmotstander. DTP-motstander leveres som «Single Inline»-kapsler eller som «Dual Inline»-kapsler. De brukes der det er hensiktsmessig i forskjellige elektroniske apparater. Motstander som er beregnet for større effekter, er for det meste trådviklet. Motstandstråden vikles opp på en keramisk kjerne, eller tråden støpes inn i en hylse av keramikk. De trådviklede motstandene kan ikke brukes i kretser som fører høyfrekvente strømmer, men de brukes i forbindelse med likerettere o.l. i elektronisk utstyr.

15

Industrielektronikk

Figur 1.4 Trådviklede motstander

Variable motstander Det er det variable midtuttaket som kjennetegner denne gruppen av motstander, og de kalles også potensiometre. Figur 1.5 viser noen typer potensiometre. Som vi ser, har disse motstandene en glider som justeres med en aksel eller en skrutrekker. De siste går under navnet trimmepotensiometre.

Vi får den ønskede resistansverdien mellom et av ytterbeina og midtbeinet. Resistansen forandres lineært på et lineært potensiometer og logaritmisk på et logaritmisk potensiometer.

Figur 1.5 Potensiometre

16

Industrielektronikk

Standardverdier Standardverdier i E-12-serien Motstandene produseres i internasjonale standardserier. E-12, E-24, E-48. E-96 og E-196 er slike serier. I tabell 1.1 ser du hvilke resistansverdier motstandene i E-12-serien har. Tallene 12 og 24 i E-12- og E-24serien forteller oss hvor mange verdier det er i hver dekade. I tabell 1.1 kan vi finne resistansverdier fra 10 Q til 22 MQ. 10

12

15

18

22

27

33

39

47

56

68

82

1-10 10 . 10 100■ 10 1 k . 10 10 k ■ 10 100 k ■ 10

12 12 12 12 12 12 12

15 15 15 15 15

18

22 22 22 22 22 22 22

27 27 27 27 27 27 27

33 33

39

18 18 18 18 18 18

47 47

56 56

68 68

47 47 47 47

56 56 56 56

68 68 68 68

82 82 82 82 82 82

Verdi

Multiplikator

1 M • 10

15 15

33 33 33 33

39 39 39 39 39

Tabell 1.1 Resistansverdier for E-12-serien

Eksempel 1: 1 • 10 = 10 Q Eksempel 2: 100 000 82 = 8 200 000 Q = 8,2 MQ

Standardverdier i E-24-serien E-24-serien omfatter i tillegg til E-12-serien også resistansverdiene som er vist i tabell 1.2.1 E-24-serien er det altså 24 ulike verdier i hver dekade. 11

13

16

20

24

30

36

43

51

62

75

91

' 11 10 ■ 11

13

16

20

24

30

36

43

51

62

75

91

13

16

20

24

30

36

43

51

62

75

91

100 • 11

13

16

20

24

30

36

43

51

62

75

91

1 k ■ 11

13

16

20

24

30

36

43

51

62

75

91

10 k ■ 11

13

16

20

24

30

36

43

51

62

75

91

24

30

36

43

51

62

75

91

Verdi

Multiplikator

100 k ■ 11

13

16

20

1 M ■ 11

13

16

20

Tabell 1.2 Resistansverdier for E-24-serien

Eksempel 1: 1 36 = 36 Q Eksempel 2: 1 M 20 = 20 MQ

17

Industrielektronikk Resistansen i en motstand oppgis i ohm, kiloohm eller megaohm. Verdien er påtrykt eller angitt ved en fargekode. Figur 1.6 Motstand med påtrykt resistansverdi

Koding av motstander Motstandene blir merket etter et standardisert fargekodesystem.

Hver motstand blir merket med fire fargeringer. De to første ringene angir sifre, den tredje angir en multiplikator, og den fjerde ringen angir toleransen i prosent (se figur 1.7). På figuren finner vi fra venstre fargen brun, som er grunnfargen. Deretter leser vi:

L

J

Figur 1.7 Motstand med fargekode

-

første fargering, som er gul og betyr tallet 4

-

andre fargering, som er fiolett og betyr tallet 7

-

tredje fargering, som er rød og betyr at vi skal multiplisere med 100

-

fjerde fargering, som er sølvfarget og betyr 10 % toleranse

Helt til høyre får vi grunnfargen igjen, og her dekker den et lengre område enn på venstre side. Det hjelper oss med å orientere motstanden før vi begynner avlesingen.

For motstanden på figur 1.7 blir resistansen 47-100 ±10% = 4,7 kQ ±10%

18

Industrielektronikk Tabell 1.3 viser hva de forskjellige fargene står for.

Tabell 1.3 Fargekoder for motstander

Farge Sølv Gull Svart Brun Rød Oransje Gul Grønn Blå Fiolett Grå Hvit

Siffer

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Multiplikator 0,01 0,1 1 10 100 1 k 10k 100 k 1 M 10 M

Toleranse 10% 5%

1 % 2%

Motstander i E-48-serien og høyere serier har fem fargeringer. De tre første fargeringene angir siffer, den fjerde er en multiplikator, og den femte angir toleransen.

Termistorer Temperaturavhengige motstander kalles termistorer.

NTC-motstander NTC-motstander er temperaturavhengige, og resistansen synker eksponentielt med temperaturen. Funksjonen er framstilt grafisk på figur 1.8. Figur 1.9 viser forskjellige typer NTC-motstander. De store bokstavene står for:

N - negative T = temperature C = coeffisient

Figur 1.8 Resistanstemperaturkurve for en NTCmotstand

Disse motstandene er laget av metalloksider som ferrooksider. sink- og titanoksider, mangan- og kromoksider o.l. De kan benyttes i temperaturområdet fra -25 °C til ca. 200 °C.

19

Industrielektronikk Etter nøyaktig blanding av det halvledende rå­ materialet blir motstandene presset til passe form, for eksempel til små staver, skiver eller perler.

PTC-motstander

Figur 1.9 Forskjellige typer NTCmotstander

PTC-motstander (PTC står for «positive temperature coeffisient») er motstander med positiv temperaturkoeffisient, det vil si at resistansen øker med stigende temperatur. Den grafiske kurven for en PTCmotstand er vist på figur 1.10. På figur 1.11 ser du bilder av forskjellige typer PTC-motstander. Temperaturkoeffisienten er et tall som viser den prosent­ vise forandringen i resistans per celsiusgrad. I praksis ligger den på fra +15 til +60 % per °C. PTC-motstandene lages for eksempel av barium- og titanoksider med små mengder av tilsetningsstoff, og råmaterialene blir presset til en passende form. PTC-motstander brukes i hovedsak på to ulike måter:

Figur 1.10 Resistanstemperaturkurve for en PTCmotstand

Figur 1.11 Forskjellige typer PTCmotstander

20

1

Omgivelsestemperaturen fører til en endring i resistansen.

2

Strømmen i PTC-motstanden bestemmer temperaturen.

Sammenlikning av NTC-motstander og PTC-motstander På figur 1.12 ser du karakteristikkene for en PTCmotstand og en NTC-motstand. Mens temperaturkoeffisienten for NTC-motstanden er negativ og omtrent den samme innenfor et stort temperatur-er den for PTC-motstanden positiv bare innenfor et bestemt temperaturområde. Termistorer brukes til mange ting i elektronikken. De brukes for eksempel til å kompensere for termisk drift i andre komponenter, som tidsforsinkelser og som nivåfølere. De brukes i fjernsyns- og radio apparater og i motorer, og vi finner dem i frysere,

Industrielektronikk kjøleskap og panelovner. Fullstendige data er gitt i datahåndbøker, og vi må ta hensyn til utforming, resistansverdi, temperaturkoeffisient, effektforbruk o.l. når vi skal velge termistor.

Både NTC-motstander og PTC-motstander benyttes mye i elektronikkretser for å kompensere for termisk drift i andre komponenter.

Figur 1.12 Karakteristikkerfor PTC- og NTC-motstander

Figur 1.13 NTC-motstand brukt som temperaturmåler

Å beregne resistansverdien ved ulike temperaturer er svært komplisert, og vi finner den derfor grafisk. Utsett ikke termistoren for høyere effekt enn P. eller for høyere spenning enn t/maks (se i datahåndboka). Kobl aldri en PTC-motstand i serie med en annen PTC-motstand. Det kan føre til at den ene varmes raskere og dermed blir utsatt for høy spenning eller effekt. Det kommer stadig nye typer på markedet, og vi må derfor hente informasjon om termistorene i datablad.

Nedenfor følger noen eksempler på bruk av NTCmotstander: - termometerkobling (de kan kobles i serie, i parallell eller i brokobling med for eksempel et instrument for temperaturmåling)

Figur 1.14 PTC-motstand brukt som beskyttelse mot for høye temperaturer

- reléforsinkelse

- stabilisering av transistorkretser - kompensering for termisk drift i andre komponenter

21

Industrielektronikk Noen eksempler på bruk av PTC-motstander: - strømstabilisering - kontaktbeskyttelse (gnistdemping ved kobling i parallell)

- temperaturbeskyttelse (i serie med motorvikling) - termostatkretser (både som kontroll og som kontroll- og varmeelement i ett)

- stabilisering av transistorkretser (i serie eller parallell)

Spenningsavhengige motstander

u Figur 1.15 Karakteristikker for to VDR-motstander

Figur 1.16 Forskjellige typer VDR-motstander

22

VDR-motstander (VDR står for “voltage dependent resistors”) eller varistorer er laget av sinkoksid og presset (sintret) til en passelig form ved høy temperatur. Resistansen i VDR-motstander er sterkt spenningsavhengig, og den minker med økende spenning.

Figur 1.15 viser typiske karakteristikker for to VDRmotstander. Resistansverdien angis for det meste med et typenummer, og ved å bruke karakteristikken eller nomogrammet for VDR-motstanden kan vi finne riktig type. VDR-motstander brukes til spenningsstabilisering fordi de undertrykker nett-transienter og kontaktgnister når de parallellkobles med støykilden. Koblingene på figurene 1.17 og 1.18 brukes ved støyog gnistundertrykkelse. På figur 1.17 er VDRmotstanden koblet i parallell med en spole. Når strømmen i spolen blir brutt, ville det oppstått en høy selvindusert spenning hvis ikke VDR-mot­ standen var parallellkoblet. På figur 1.18 er VDRmotstanden koblet i parallell med bryterkontakten på for eksempel en reléspole, noe som gir en sterk gnistundertrykkelse. VDR-motstander lages for

Industrielektronikk effekter opp til 3W, og høyeste tillatte temperatur er ca. 120 °C. Kobl aldri to VDR-motstander i parallell for å oppnå høyere effekt.

Figur 1.17 VDR-motstand koblei i parallell med en spole

Selv om VDR-motstanden tilføres en sinusformet spenning, vil strømmen i kretsen ikke bli sinusformet. Det kommer av at strøm-spenning-karakteristikken ikke er lineær. Dersom denne strømmen går gjennom en motstand, blir også spenningen over motstanden forvrengt (t/R -IR).

Foruten de symmetrisk virkende VDR-motstandene finnes det også asymmetriske VDR-motstander. Det vil si at de leder strøm bedre én vei (lederetningen) enn den andre (reversretningen).

Figur 1.18 VDR-motstand koblet i parallell med en bryterkontakt

Karakteristikken har mange likhetspunkter med karakteristikken for en diode eller en zenerdiode. Informasjoner om de ulike termistorene finnes i datablad.

Fotofølsomme komponenter Fotofølsomme komponenter brukes til å overføre informasjon fra infrarøde stråler (varmestråler), fra synlig lys og fra den ultrafiolette delen av spektret (røntgenstråling).

Lysavhengige motstander

Figur 1.19 LDR-karakteristikk

LDR-motstander (LDR står for “light dependent resistors”) er lysavhengige motstander som er laget av kadmiumsulfid, og effekten skyldes fotoledning. Resistansen i fotomotstanden varierer med belys­ ningen. Resistansen i mørke er 1-10 MQ. og den faller til ca. 70 Q ved en belysning på 1 000 lux. Fotomotstandene blir mye brukt i industrien til varsling, regulering og kontroll i for eksempel fotoapparater, fjernsynsapparater og lysanlegg uten­ dørs.

23

Industrielektronikk

Figur 1.20 Symbol for LDRmotstand

Halvledere kan brukes til lysmåling, for lednings­ evnen i halvledermaterialet forandres når det blir utsatt for lys.

Fotodioden er en halvlederkomponent som påvirkes av lys (fotoner). Den virker nesten som en vanlig diode når det er mørkt, mens den leder strøm i sperreretningen når den blir belyst. Strømmen øker med økende belysning.

Lysemitterende dioder Figur 1.21 Symbol LED

Lysdioder blir for det meste kalt LED, som er en forkortelse av det engelske uttrykket “light emitting diode. Lysdiodene avgir lys når det går elektrisk strøm gjennom dem. Lyset oppstår på grunn av en rekombinasjon av elektroner og hull i PN-overgangen i halvledermaterialet. Når det skjer en rekombinasjon, det vil si at frie elektroner faller inn mot sin opprinnelige bane rundt atomet, avgis det energi i form av lys (eller elektromagnetisk stråling, om vi vil). Innkapslingen av diodene er som regel laget av plast, med et vindu av ulik form. En tegnrute er for eksempel bygd opp av sju separate lysdioder som har form som staver. Hver stav kan så tilføres spenning, og vi kan derfor kombinere spenning fram til stavene slik at vi får fram alle sifre fra 0 til 9. Strømmen som er nødvendig for at dioden skal lyse, er fra ca. 15 til 30 mA. Det finnes lysdioder i handelen som gir rødt, grønt, blått og gult lys. Ellers finnes det dioder som gir infrarød stråling, og de går under navnet IR-dioder.

Laserdioder Halvlederlaseren (laserdioden) kan funksjonsmessig sammenlignes med en lysdiode. I en lysdiode skjedde rekombinasjonen av seg selv, slik at elektronene eller fotonene falt mot atomet i forskjellig retning, tilfeldig og uordnet. Vi kaller dette for spontan emisjon.

24

Industrielektronikk

Figur 1.22 Symbol laserdiode

Figur 1.23 Optokobler

Figur 1.24 Fotocellepanel

Ved stimulert emisjon skjer rekombinasjonen slik at når fotonet kommer inn mot atomet, blir atomet stimulert til å utløse et foton. Dette fotonet eller elektronet vil nå ha samme retning, hastighet og fase som det første. Disse fotonene vil på veien videre utløse to nye fotoner med samme retning, hastighet og fase som det første fotonet som startet det hele. Denne prosessen kan betegnes som en forsterkning. Når vi har denne typen lysstråling, har vi bare en frekvens (koherent) og en farge (monokromatisk), altså laserlys. Strømmen i slike dioder varierer fra 0.1 til ca. 12 A, avhengig av effekten ut, som kan ligge fra rundt 3 pW til 1W. Laseren brukes til avstandsmåling, nivellering, kirurgi, kommunikasjon, sveising o.l.

I en optokobler brukes lyset fra en lysemitterende diode (LED) til å påvirke en fototransistor. Når dioden tennes, faller lyset (fotonene) inn på basisen i transistoren, og denne basisstrømmen blir forsterket i transistoren (se figur 1.23). Fotocellen er et element som gir elektrisk spenning når det faller lys på krystallet (silisium diffundert med fosfor). Spenningen og strømmen som avgis, kan bli på opp til ca.0,6 V og 300 mA. Ved å seriekoble og parallellkoble flere celler oppnår man effekter som kan lade 12 V batterier. Slike fotocellepaneler benyttes som strømkilde på hytter, for drift av fyrlykter o.l. Når fotoner (lys) treffer fotofølsomme materialer, blir

Figur 1.25 Forholdet mellom ledningsevne og belysning for noen fotokomponenter

25

Industrielektronikk ledningsevnen forandret. Figur 1.25 viser hvordan ledningsevnen til noen fotokomponenter påvirkes av den ultrafiolette, den synlige og den infrarøde delen av spekteret.

Kondensatorer En kondensator virker som et lite batteri, den lar seg lade opp med elektrisk energi - pluss- eller minusladning - og den kan lade seg ut igjen. Evnen til å ta opp ladning bestemmes av kondensatorens kapasitans, som måles i farad. Enheten farad (F) er en svært stor enhet, slik at størrelsene vi bruker i praksis, er uE, nF og pF.

Enhetene som brukes, er 1 uF (mikrofarad) - 1 milliondels farad

Figur 1.26 Ulike typer kondensatorer

Vanlig kondensator

I

i

i

" 1

Elektrolytt kondensator

Figur 1.27 Symboler for kondensatorer

26

1 nF (nanofarad)

= 1 tusendels mikrofarad

1 pF (pikofarad)

= 1 tusendels nanofarad

Kondensatoren bygges i prinsippet opp av to metallfolier som er isolert fra hverandre med et isolasjonsmateriale. De får navn etter hvilket isolasjonsmateriale som er benyttet, for eksempel luftkondensator, papirkondensator, glimmerkondensator, keramisk kondensator, plastkondensator, elektrolyttkondensator og tantalkondensator.

Noen kondensatorer lages slik at de tåler høye spenninger, for eksempel over 100 V, mens andre typer bare tåler lavere spenninger, for eksempel 10 V. Avhengig av isolasjonsmaterialet får kondensatorene ulike egenskaper når det gjelder vekselstrømsforholdene. Vi må derfor undersøke hvilken type kondensatorer vi må bruke før vi lodder den inn i en krets.

Industrielektronikk Har vi bruk for store kapasitanser, 1 uF og større, er det elektrolytt- eller tantalkondensatoren som passer. De andre kondensatortypene lages med kapasitanser opp til noen få mikrofarad.

Elektrolyttkondensatoren brukes mye i likerettere, og både tantal- og elektrolyttkondensatoren må kobles til riktig polaritet. De andre kondensatortypene brukes i transistorkretser, og de er ikke avhengige av riktig type polaritet. Kobles en diode i sperreretningen, virker den som en kondensator. Det lages spesielle dioder for dette formålet. De kalles kapasitansdioder. Kapasitansen varierer med den påtrykte spenningen, fra 15 pF ved 2 V til 2 pF ved 25 V.

Oppsummering 1 elektriske apparater bruker vi mange forskjellige motstander. Resistansen i en motstand er ett av de tre elementene i Ohms lov. Enheten for resistans er Q (omega), størrelsessymbolet er R, og bruksområdene for motstander er i elektriske og elektroniske kretser.

De merkes etter IEC-fargekoden og produseres etter anbefalte IEC- tallserier, for eksempel i E-6-, E-24-, E-48-, E-96- og E-192-serien.

Motstandene deles inn i de tre hovedgruppene faste motstander, variable motstander og spesialmotstander. Av faste motstander finner vi karbonsjikt-, metalloksidsjikt- og metallsjiktmotstander.

De variable motstandene kan være karbonmotstander eller trådviklede motstander. De kjennetegnes ved midtuttak og kalles potensiometer.

27

Industrielektronikk Spesialmotstandene omfatter NTC-, PTC-, VDR- og LDR-motstander. NTC-motstander minsker sin verdi med økende temperatur. PTC-motstander øker verdien med økende temperatur. VDR-motstanden er spenningsavhengig, mens LDR-motstanden er lysavhengig. Lysemitterende dioder blir kalt LED, og de avgir lys fordi det oppstår en rekombinasjon av elektroner og protoner når det går en elektrisk strøm gjennom dem. Laserdioden kan sammenlignes med LED-dioden. I LED-dioden faller elektronene inn mot atomet i forskjellige retninger, mens i laserdioden faller elektronene inn mot atomet i samme retning. Dette utløser en stimulert emisjon, slik at det oppstår en forsterkning av elektronene som er i fase. Denne ene frekvensen som forsterkes, er opphav til det vi kaller laserlys. Kondensatorer er bygd opp av to metallplater som er isolert fra hverandre. Enheten er farad (F), størrelsessymbolet er C, og bruksområdene er i elektriske og elektroniske kretser. Kondensatorene får navn etter hva slags isolasjonsmateriale som er brukt, for eksempel har vi luft-, papir-, glimmer-, plast- og elektrolyttkondensatorer.

De viktigste dataene, som størrelse, arbeidsspenning og polaritet, er enten trykt på eller gitt i fargekode.

28

Industrielektronikk

Øvingsoppgaver til kapittel 1 1.1

Hvilke faste motstandstyper kan vi velge mellom?

1.2

I hvilken motstandsgruppe hører de ulineære motstandene hjemme?

1.3

a) I forbindelse med motstander brukes uttrykkene standardverdi og standardserie. Hva er forskjellen på disse uttrykkene? b) Nevn noen standardverdier. c) Nevn noen standardserier.

1.4

Hvilken standardserie hører motstander med disse fargeringene til, og hvilken verdi og toleranse har de: a) hvit, brun, brun, sølv b) brun, rød, brun, sølv c) gul, fiolett, rød, gull d) gul, oransje, rød, gull e) brun, svart, brun, gull, rød

1.5

a) Hva står PTC for i betegnelsen PTC-motstand? b) Nevn et eksempel på hvordan en PTC-motstand kan brukes. c) Tegn koblingsskjema for eksempelet og forklar virkemåten.

1.6

a) Nevn et eksempel på bruk av en NTC-motstand. b) Tegn koblingsskjema for eksempelet og forklar virkemåten.

1.7

a) Nevn et eksempel på hvordan du kan gjøre deg praktisk nytte av en LDRmotstand. b) Tegn koblingsskjema for kretsen og forklar virkemåten.

1.8

Hvordan er en kondensator bygd opp?

1.9

Hvilke enheter bruker vi som benevninger for kapasitans?

1.10 Bruk en katalog (datablad) og finn ut og noter typer av kondensatorer - med spenningsverdier, kapasitansverdier o.l. 1.11

Hvilke typer kondensatorer er laget for høye kapasitansverdier?

1.12 Hvilke hensyn må vi ta når vi bruker (kobler) en tantal- og en elektrolyttkondensator?

29

Industrielektronikk

Kapittel 2 Dioder

Mål Målet med dette kapittelet er at du skal bli kjent med

*

ulike diodetyper og diodesymbolet

❖

diodekarakteristikker

❖

enkel likeretterkobling og dobbel likeretter

❖

diodestrøm i lederetningen og sperrespenningen

❖

arbeidspunkt og lastlinje; beregning av R

❖

dimensjonering av en enkel diodekrets

31

Industrielektronikk

Ulike dioder En diode er et halvlederelement med to tilkoblinger. Diodene brukes i mange ulike koblinger, og de har navn etter koblingene, for eksempel likeretterdiode, signaldiode, lysdiode, kapasitansdiode, tunneldiode, zenerdiode og fotodiode. Likeretterdiodene ogsignaldiodene brukes mest til å likerette nettspenningen, eller de brukes til å likerette radiosignaler (signaldioder).

Lysdioden (LED) avgir lys og kan brukes som en indikator eller som en tegnrute (display). Den brukes også ved optokoblinger. Kapasitansdioden virker som en spenningsstyrt kondensator. Den brukes i radioer til automatisk frekvensinnstilling.

Tunneldioden virker som en negativ resistans, og den brukes i koblinger for å kompensere for positiv resistans i svingekretser o.l. Zenerdioden brukes mye for å stabilisere spenninger.

Fotodioden er lysavhengig, og resistansverdien varierer med lysstyrken. Den brukes for eksempel som føler i forbindelse med inn- og utkobling av gatebelysning.

A. K —N-Figur 2.1 Diodesymbol

32

Diodesymbolet Figur 2.1 viser diodesymbolet. A står for anode og K tor katode. De store kraftdiodene er vanligvis merket med symbolet på kapslingen. Små dioder kan ha en ring eller en fargeflekk i den enden som er nærmest katoden.

Industrielektronikk

Merking av dioder Merkingen på dioder som er beregnet for underholdningselektronikk, består i det europeiske systemet av to bokstaver og tre siffer. Den første bokstaven angir materialet dioden er framstilt av, den andre angir bruksområdet. Sifrene er et serienummer. Figur 2.2 Ulike dioder

Første bokstav betyr: A = germanium B = silisium

Andre bokstav betyr: A = småsignaldiode Y = likeretterdiode Z = zenerdiode Eksempler: AA117 - germaniumdiode for småsignaler BA100 - silisiumdiode for småsignaler BY100 - silisiumdiode for store effekter Det amerikanske systemet for merking av dioder bruker betegnelsen IN og fra elt til fire sifre, som er fabrikantens registreringskode.

Eksempel: 1N4007 (1 står for halvlederdiode.) En diode og måten den virker på (karakteristikken), kan vi sammenligne med en sykkelventil. Den er konstruert slik at vi kan presse luft gjennom den bare en vei. Det vil si at den leder luftstrøm den ene veien, i lederetningen. mens den sperrer for luftstrøm den andre veien, som er sperreretningen. For å finne ut hvordan en halvlederdiode virker, må vi bruke en elektrisk spenning i stedet for pressluft for å få en elekterisk strøm gjennom dioden i lederetningen, mens den i likhet med ventilen sperrer for elektrisk strøm den andre veien. Ordet “likestrømsventil” er ikkje hell ukjent på fagspråket.

33

Industrielektronikk Når fabrikantene ønsker å vise hvordan strømmen gjennom en diode forandrer seg med påtrykt spenning, oppgis det ved hjelp av en såkalt strøm-spenningkarakteristikk. Koblingsskjemaet på figur 2.3a viser en måte å koble instrumentene på for å få fram nødvendige data, slik at vi kan tegne en diodekarakteristikk. Det er svært viktig å bruke riktig instrument (høyohmig voltmeter). Tabellen på figur 2.3b viser måledata som er brukt til å tegne diodekarakteristikken (figur 2.3c). U, (V)

/d (mA)

-40

0

-1

0

0

0

0.4

0

0,6

0,05

0,65

1

0,7

2

0,72

5

0,75

10

a) Oppkobling

b) Måledata

Figur 2.3 Måling av strøm og spenning gjennom en diode

Diodekarakteristikk Sammenhengen mellom spenning og strøm, både i lederetningen og i sperreretningen, finner vi i en diodekarakteristikk (se figur 2.4).

Spenningen i sperreretningen kan økes helt til den nårgjennomslagsspenningen (vi finner maksimumsverdien i databøker), men hvis den overskrides, vil strømmen øke svært raskt. Det utvikles da like raskt en stor effekt i dioden, og den blir ødelagt. (Husk: P = I Ul Dette skjer også i lederetningen, men siden dioden begynner å lede ved ca. 0,7 V, blir ikke effekten så stor, selv med stor strøm. Figur 2.4 Diodekarakteristikk

34

Industrielektronikk

Strøm i lederetningen

Figur 2.5 Diodkarakteristikk

I databøkene finner vi dioder med maksimal strøm Fr fra noen milliampere og opp mot hundre ampere. Av karakteristikken på figur 2.5 kan vi finne hvordan strømmen i dioden påvirkes av spenningen som påtrykkes dioden i lederetningen. For eksempel ser vi at F = 0,2 mA når LL = 0,6 V, og at I =■ 0,8 mA når t/D = 0,7 V. For en annen type diode kunne strømmen vært 7 F = 20 A eller 80 A for samme spenning.

lD (mA)

Arbeidspunkt

I--Figur 2.6 Strøm-spenningkarakteristikk for en diode

Setter vi spenning på en diode, må vi alltid koble en motstand i serie med dioden for å begrense strømmen gjennom den. Når strømmen/D eller arbeidspunktet (markert med Q) og spenningen U er bestemt, kan vi beregne resistansen R. U er spenningen på kretsen. (7 er spenningen over R, U{) er diodespenningen og I er diodestrømmen. Se diagrammet på figur 2.6.

Lastlinje

Figur 2.7 Koblingsskjema

Når vi skal dimensjonere en enkel diodekrets, for eksempel en lysdiode, en tegnrute eller en nettlikeretter, må vi begrense strømmen /D i dioden ved hjelp av for eksempel en motstand. Eksempel: Beregn resistansen R (se figur 2.7). U= 1,15 V og/D = 0,5 mA.

1,15-0,65 U ~ Up 1 kQ 0,5- IQ-3 F Når vi kobler en motstand i serie med en diode, kan vi framstille det grafisk i karakteristikken, slik diagrammet på figur 2.8 viser. Linjen representerer verdien på R og kalles lastlinjen eller arbeidslinjen. Når vi skal legge en slik linje inn i diagrammet, må vi bestemme to punkter: R =

Figur 2.8 Strømspenningskarakteristikk for en diode

Punkt 1 bestemmes av U. Punkt 2 bestemmes av Q.

35

Industrielektronikk Vi trekker så en linje gjennom punktene. Ul fra skjæringspunktet med diodekarakleristikken finner vi de ønskede verdiene. Vekselslrømsresistans R ac

Spesielt i svakslrømsteknikken er man interessert i å beregne vekselstrømsresistansen R for dioden i arbeidspunktel Q, som er markert med en sirkel. Resistansen defineres som R ac = UJI .. dd

U=Lf , -Udmin A . (må finnes etter skjønn) d dmaks J I,-R , d dmaks

dmin

(må finnes etter skjønn) J

Verdien for både Lid og° Fd fastsetter vi etter beste skjønn, mest mulig symmetrisk om arbeidspunktel.

På figur 2.9 finner vi at Ud = 0,7-0,6 = 0,1 Vog/d = 0,8-0,2 = 0,6 m A Figur 2.9 Strøm-spenningkarakteristikk for en diode

Ud

Oppsummering Dioder framstilles ved såkalt doping. Utgangsmaterialene er rent germanium eller silisium som er halvledermaterialer. Når det tilsettes bestemte fremmedalomer etter nøye kontrollerte dopingprosesser, dannes det som kalles PN-overganger. De er grunnlaget for de ulike diodetypene. Dioden er merket enten ved at symbolet er trykt på kapslingen, eller ved at den har en fargering ved katoden. Typemerkingen for underholdningseleklronikk består i det europeiske systemet av to bokstaver og tre sifre. Den første bokstaven angir det

36

Industrielektronikk materialet dioden er framstilt av, og den andre angir bruksområdet. Sifrene er et serienummer.

Viktige data som strøm og spenning finner vi i karakteristikken for dioden, og disse maksimal­ verdiene må ikke overskrides. Likeretterdioder og småsignaldioder brukes i likeretterkoblinger, som enveiskobling og toveiskobling og i graetzkobling. De brukes i radio­ apparater, fjernsynsapparater og datamaskiner som styrings- og stabiliseringselementer i ulike koblinger, og som signallikerettere.

Strømmen gjennom dioden må alltid begrenses ved hjelp av en motstand som kobles i serie med den. Skjæringspunktet mellom karakteristikken og lastlinjen kalles arbeidspunktet.

Lysdiodene brukes som indikatorer, og de inngår i tegnruter (display).

37

Industrielektronikk

Øvingsoppgaver til kapittel 2 2.1

Hva er en diode?

2.2

Nevn noen dioder og gjør rede for hva de brukes til.

2.3

Tegn diodesymbolet og sett riktige navn på tilkoblingene (terminalene).

2.4

Gjør rede for det europeiske merkesystemet for dioder.

2.5

Hvordan merker fabrikanten den enkelte diode?

2.6

Hva a) b) c)

2.7

Figur 2.10 Bruk diodekarakteristikkene på figur 2.10 (Ge = germanium, Si = silisium).

a) b)

c)

38

står disse diodebetegnelsene for: AA100 BY157 BA220

Hvor stor er diodestrømmen gjennom en germaniumdiode når diodespenningen UD er 0,2, 0,4, 0,6, 0,7 og 0,8 V? Hvor stor er diodestrømmen gjennom en silisiumdiode når diodespenningen UD er 0,2, 0,4, 0,6, 0,7 og 0,8 V? Du vil gjerne registrere et signal på 0,5 V. Hvilken type diode må du bruke til et slikt formål?

Industrielektronikk 2.8

For å begrense strømmen i en diode må du koble en motstand i serie med dioden, a) Tegn koblingsskjema over en slik krets som er koblet til en spenning U. b) I kretsen skal du bruke en germaniumdiode med en karakteristikk som vist på figur 2.10. Arbeidspunktet for dioden ligger ved U = 0,6 V, og spenningen U = 2 V. 1) Hvor stor er strømmen i kretsen? 2) Hvor stor er seriemotstanden 3) Legg inn lastlinjen. c) Du bytter ut germaniumdioden med en silisiumdiode, men bruker samme spenning og motstand. 1) Hvor stor blir strømmen i kretsen nå? 2) Hvor stor blir spenningen over silisiumdioden? 3) Hvor stor er spenningen over seriemotstanden?

2.9

Figur 2.11

Figur 2.11 viser karakteristikken for en silisiumdiode. Beregn vekselstrømsresistansen R for denne dioden i arbeidspunktene. a) Q] er oppgitt til UD = 0,6 V. b) Q2 er oppgitt til UD = 0,7 V. c) Q3 er oppgitt til /D = 40 mA. 2.10 Silisiumdiodene nedenfor begynner å lede ved en spenningsforskjell på 0,6 V. Hvilke av disse diodene leder? 3,4 V

3,0 V

3,0 V

-1,1 v

M ~1,8 v

0,4 V

^~0,3V

- 0,1 V

-0,3 V

-0,9 V

39

Industrielektronikk

Se figur 2.12. I hvilken stilling (av eller på) må venderne A, B og C stå for at lampen H skal lyse med a) full effekt b) halv effekt

40

Industrielektronikk

Kapittel 3

Zenerdioden

Mål Målet med dette kapittelet er at du skal bli kjent med *

symbolet og karakteristikken for zenerdioder

*

hvordan vi finner arbeidspunktet og legger inn lastlinje

beregning av en enkel stabiliseringskobling

41

Industrielektronikk En zenercliode er en sjiktdiode av silisium med en spesiell karakteristikk i sperreretningen. Det gjør at den er særlig godt egnet som stabilisator. Blir det koblet en positiv spenning til diodens katode, vil det gå en svært liten strøm over et visst spenningsområde. Fortsetter spenningen å øke, vil den nå et punkt der strømmen plutselig øker. Denne spenningsverdien kaller vi zenerspenningen. Zenerdioden er sterkere dopet enn vanlige dioder, og ved å variere oppbygningen av dioden kan man få dioder med ulike zenerspenninger. At det oppstår en plutselig strømøkning ved et bestemt spenningsnivå, skyldes et fysisk fenomen, og dioden vil beholde sin spesielle karakteristikk hvis man ikke overskrider den tillatte effektomsetningen og sjikttemperaturen.

Shuntregulator

Vi kan se på virkemåten til en zenerdiode som om et bruksapparat er koblet i parallell (shunt) til en regulator (shuntregulator). Se figur 3.1. Vi går ut fra at vannrøret klarer å levere en viss vannmengde ved et bestemt vanntrykk. Ved det trykket som shuntregulatoren er innstilt på, og når reguleringskranen er stengt, renner alt vannet gjennom shuntregulatoren. Dersom vi åpner reguleringskranen, vil det strømme vann fram til bruksapparatet. Siden vannmengden i røret ikke kan øke, må det gå mindre vann gjennom shuntregulatoren. Og jo mer vann bruksapparatet forbruker, desto mindre vann går det i shunt­ regulatoren og omvendt. Det betyr at shuntregulatoren virker som en stabilisator for vannmengden og vanntrykket over regulatoren. På lignende måte vil zenerdioden arbeide dersom den blir koblet i sperreretningen.

Zenerdioden må alltid kobles i sperreretning hvis vi skal benytte denne stabiliserende funksjonen. For det meste brukes den til å stabilisere likespenninger, eller den brukes som en begrenser for vekselspenninger.

42

Industrielektronikk

Symbol for zenerdioden

Figur 3.2 Symbolet for zenerdioden

Figur 3.2 viser det vanlige symbolet for zenerdioden. A står for atode og K for katode. På de større diodene blir symbolet stemplet på kapslingen, mens katoden er merket med en ring rundt kapslingen på de små diodene.

Merking av zenerdioder Zenerdioder blir merket med tre bokstaver og to sifre, for eksempel BZY88, og merkingen har samme betydning som for vanlige dioder. I tillegg er det gitt opplysninger om toleranse og zenerspenning, for eksempel C5V1. (C betyr 5 % toleranse, 5V1 står for 5.1 V.) Eksempel: BZY88/C8V2 Her betyr B silisium og Z zenerdiode, mens Y88 er fabrikantens kode. C = 5 % toleranse, og 8V2 = 8.2 V. not tinned nmax

E ♦ mf

7.6 mox

25.4

n 25.4 720MSC

min. mounting width 13

Figur 3.3 Zenerdiode

For å finne effekten som dioden tåler, må vi se i datablad. For eksempel betyr merkingen BZY94/C10 silisiumzenerdiode. 5 % toleranse, 10 V/400 mW.

43

Industrielektronikk

på figur 3.4. Zenerdioder produseres med mange ulike zenerspenninger (£/), for eksempel 3,3 V, 5,1 V, 9,1 V og oppover til ca. 100 V. Det er vanlig med effekter fra 1/4W, 1/2W eller 1W.

Det spesielle ved zenerdioden er at om strømmen i dioden er stor eller liten, så er zenerspenningen D nesten uforandret. Det er denne egenskapen vi utnytter når vi bruker dioden som regulator. Når vi skal finne den riktige typen zenerdiode, må vi se i datablad. Her finner vi maksimal effekt Pm og zenerspenningen oppgitt. Ut fra dette beregner vi den maksimale tillatte strømmen i dioden etter formelen

I

44

zmaks

= — Uz ’

Industrielektronikk

Arbeidspunkt Arbeidspunktet Q finner vi i skjæringspunktet mellom diodestrømmen f og zenerspenningen Ul på diodekarakteristikken. Se konstruksjonen i karakteri­ stikken på figur 3.5. Studerer vi denne karakteri­ stikken, finner vi at zenerspenningen er nesten den samme ved en liten diodestrøm som ved en stor. Vi kan derfor tappe strøm fra dioden uten at zener­ spenningen U forandrer seg. (Vi har en konstant spenningskilde.) Figur 3.5 Strømspenningskarakteristikk for en zenerdiode

Figur 3.6 Koblingsskjema for stabilisering av spenningen

Stabilisering Figur 3.6 viser et vanlig koblingsskjema, der 67 er spenningen på zenerdioden. For å begrense strømmen til dioden kobles det en motstand i serie med den. Uf er med andre ord den stabiliserte spenningen vi ønsker, og som vi kobler til bruks-apparatet som har behov for en stabilisert spenning. Koblingspunktene er merket a og b. Størrelsen på resistansen R må beregnes slik at diodens maksimale strøm ikke overskrides ( ™ \ i1 zm ak s= —

Beregning av serieresistans Vi ønsker å beregne serieresistansen Æ, se figur 3.6. U er den ustabile spenningen for eksempel fra en likeretter, og Uy er den ønskede stabile spenningen. Vi antar at U = 14 V, Uf = 9 V og Pm = 1 W. Vi får /zmaks=

-pz

1

= - = 0,11 A

For sikkerhets skyld velger vi/ litt mindre enn/maks, for eksempel kan vi bestemme at /z = 0,1 A. Den minste verdien på resistansen R blir da: R =

Ur Ir

U-Uz

u-uz f 14-9

0,1

= 50 Q

45

Industrielektronikk

Lastlinje Slik vi gjorde det for dioden, kan vi også for zenerdioden legge inn serieresistansen R som en lastlinje. Dette er vist på diagrammet på figur 3.8, der UR er spenningen over R og Ui spenningen over zenerdioden. Når vi bestemmer to punkter, kan vi legge inn lastlinjen: Punkt 1 bestemmes av U.

Punkt 2 bestemmes av Q. Vi trekker nå en linje gjennom de to punktene, og denne linjen representerer verdien på resistansen R.

Figur 3.7 Koblingsskjema for diode og motstand

Ser vi på koblingsskjemaet på figur 3.7 og karakteri­ stikken på figur 3.8, finner vi at lastlinjen for R er lagt inn i karakteristikken. Fra karakteristikken finner vi at Uz = 9 V, U = 14 V, U = Uz - U = 5 oV og R Iz = 30 mA.

Beregning av R:

Figur 3.8 Strøm-spenningkarakteristikk for en zenerdiode

På figur 3.9 er lastmotstanden koblet i parallell med zenerdioden. Hensikten er at spenningen R{ skal være omtrent konstant selv om Rt varierer, del vil si om T, varierer. Studerer vi skjemaet på figur 3.9, finner vi al £7 = UR[. Dersom D og U er omtrent konstante, må også UR være konstant, og dermed er også IR konstant.

Skulle nå for eksempel /R, øke, betyr det al / må minke. Ingen spenninger har nemlig forandret seg, og LK er som før. ^RL

t/R

Ir = Ap A

46

0-2 = 9V IK = h rE IB = 250 10 = 2500 1uA = 2.5 mA I = 10-Å = 10 10 O

a) R*

D

106 = 100 uA

VrK 2,5- 10’3

‘

= 2 kQ

^Rl

c) R} d) R2

81,8kQ

A + /B

Vr2 As

100 • 10

= 20 kQ

Konklusjon Motkobling går ut på å påvirke basisstrømmen slik at en forandring i kollektorstrømmen hindres (negativ tilbakekobling). Viktige størrelser som virker slik ved en seriemotkobling, erR.: og valget av/../s velger vi fra 5 til 10 ganger 4. t/RE velger vi fra 5 til 15 % av

Stabiliseringen utføres også med termistorer (PTCmotstand eller NTC-motstand) i diverse koblinger.

Oppsummering I tillegg til at fabrikanten har vanskeligheter med å gi alle transistorer av samme type nøyaktig de samme egenskapene, er ledningsevnen i en transistor også avhengig av temperaturen den er omgitt av. På grunn av disse ulempene må vi stabilisere transistorkretsene.

75

Industrielektronikk Målet er å påvirke forspenningen eller basisstrømmen på en slik måte at basisstrømmen minker dersom kollektorstrømmen øker, eller at basisstrømmen øker dersom kollektorstrømmen minker.

Det er flere måter å stabilisere kretsene på, for eksempel ved å bruke termistorer (PTC-motstand eller NTC-motstand) i ulike koblinger.

En måte som er mye brukt, er den såkalte seriemotkoblingen, som går ut på å koble en resistans i serie med emitter. Det oppstår da en automatikk i stabiliseringen. En økende strøm i kretsen gir en økende spenning over motstanden, som igjen fører til at forspenningen minker. Dermed får vi en minkende basisstrøm. Det motsatte skjer dersom kollektor­ strømmen skulle minke. Stabiliseringen virker både mot temperaturvariasjoner og mot dataspredning.

76

Industrielektronikk

Øvingsoppgaver til kapittel 5 5.1

a) Hvorfor må et transistortrinn stabiliseres? b) Nevn noen måter å stabilisere en krets på. c) Tegn koblingsskjema for en stabilisert krets og forklar virkemåten.

5.2

Figur 5.4

Figur 5.4 viser et seriemotkoblet forsterkertrinn. a) Forklar hvordan spenningsstabiliseringen virker. b) Hvilken komponent er den viktigste for stabiliseringen? c) Ved dimensjonering av et seriemotkoblet forsterkertrinn bruker en noen erfaringsregler. Hvordan velger en disse størrelsene: l)/s 2)/?2 3) t/RE4) t/KE og t/BK

Du skal dimensjonere forsterkertrinnet på figur 5.5. Disse data er gitt: V = 0,6 V. /? = 2,7 kQ. = 5,6 kQ, A - 150, /B = 20 pA, Ub = 12 V, R = 470 Q. Beregn: a) /K b) /E e) d) ^KE e) 4 f) R.

77

Industrielektronikk 5.4

Se figur 5.6. Ved målinger er det funnet at /B = 20 pA, 7?K = 1,5 kQ, /zFE = 150, t/KE = 4,5 V, 1/BE = 0,7 V og° Ub = 10 V. Beregn: 7 ° a) ^R, ») UR2 c) d) ^RE

5.5

I et koblingsskjema finner vi ifølge bruksanvisningen disse verdiene: Figur 5.7

a) Det har oppstått en feil. Vi har målt spenningene og fått disse resultatene: 6/KK = 0 V, KE £/_„ = 0,05 V, og KZ Uo7 - 0,05 V. Finn feilen. b) Feilen i oppgave a er rettet, men det har oppstått en ny feil. Måleresultatene er nå: IIKK = 0 V, L?Kt. = 0 V og DV = 0 V. Finn feilen. KZ

c) Det har oppstått en ny feil i den samme kretsen i apparatet. Måleresultatene viser nå: U = 2,2 V, URE = 1,6 V, og mellom nullpunktet og kollektoren er spenningen 2,2 V. Finn feilen.

d) Studer feilene som har oppstått. Kan de to siste feilene skyldes dårlig utført arbeid?

78

Industrielektronikk

Kapittel 6

Grunnkoblinger for transistorer

Mål Målet med dette kapittelet er at du skal bli kjent med

inngangsresistansen for den aktuelle kretsen og hvordan vi beregner den

utgangsresistansen for den aktuelle kretsen og hvordan vi beregner den

79

Industrielektronikk

Vekselstrømsstørrelser Foruten strøm- og spenningsverdiene IR, Iy, Uw og LlexR ,h. og R tre viktige vekselstrømsstørrelser som vi henter fra karakteristikken:

-

R t er utgangsresistansen

-

Zz er en vekselstrømsforsterkningsfaktor

-

R er inngangsresistansen

Orientering om de forskjellige størrelsene Størrelsene R ut(fe) lc ’ hcfe og° R.be(fe) ,c , ’som er nevnt, er alle vekselstrømsstørrelser, også dynamiske størrelser. Verdiene varierer med innstillingen av arbeidspunktet.

I databøker fra Philips kan vi finne disse verdiene under betegnelser som «h parameters at f = 1 kHz». Se tabell 6.1.

DC current gain -/c = 10 uA;-UKE = 5 V -/c = 2 mA; -t/KE = 5 V

/?FE hFE

-/c = 10 mA; -(JKE = 5 V

hFE

BCW56A BCW57A BCW58A BCW59A

BCW58B BCW59B

typ > < typ

100 110 220 180

200 200 450 290

typ typ > < typ

2,7 2,5 125 260 40

3,5 3,5 240 500 60

h parameters at f = 1 kHz -/c = 2 mA; -UKE = 5 V Input impedance Reverse voltage transfer ratio Small signal current gain

hfe

Output admittance

hoe

Tabell 6.1

80

hie

hre

kQ 10'4

pQ1

Industrielektronikk -

har betegnelsen «7zfe Small signal current gain».

-

I stedet for A*be oppgis «input impedance h.>> (inngangsimpedans).

-

I stedet for Æu, oppgis «output admittance hx» (admittans). Du kan beregne

(utgangsimpedansen).

Z= oe

Uten større feil kan vi (for lavfrekvensforsterkere) finne h ie , bruke verdien som en resistans og sette Rbe(fe) .. = h.ie finne h , bruke admittansverdien og beregne

= —. A(f er oppgitt som for eksempel oe 40 pQ1 eller 40 pohm1 Se tabell 6.1.

Inngangsresistans og utgangsresistans i praksis En vanlig transistorkrets består ikke bare av en enkelt transistor. I tillegg kommer de komponentene som må til for å få den riktige likestrømsinnstillingen. Disse ytre komponentene påvirker vekselstrømsforholdene både på inngangssiden og på utgangssiden.

På dette grunnlaget kan vi finne tre måter å koble transistoren på fra et vekselstrømssynspunkt, og de har fått navn etter hvilken elektrode på transistoren som er felles for inngangs- og utgangssignalene. Disse grunnkoblingene kalles felles emitterkobling felles kollektorkobling felles basiskobling

81

Industrielektronikk Felles emitterkobling (FE-kobling) er mest brukt i forsterkerkretser. Denne koblingen har stor strøm og kraftig spenningsforsterkning, middels inngangs­ resistans og høy utgangsresistans. Felles kollektorkobling (FK-kobling) har ingen spenningsforsterkning og høy inngangsresistans, men lav utgangsresistans.

Felles basiskobling (FB-kobling) har høy spennings­ forsterkning, lav inngangsresistans og høy utgangs­ resistans.

I elektroniske apparater finner vi mange transistorer, motstander og kondensatorer som er koblet sammen på ulike måter. For å skille kretsene fra hverandre likespenningsmessig bruker vi kondensatorer, såkalte koblingskondensatorer. Kondensatorene sperrer for likestrøm, men lader seg opp og ut på grunn av spenningsforandringene som skjer i kretsen. (Vi sier at de slipper igjennom veksel­ strøm.)

Hvis det benyttes kondensatorer med stor kapasitans, kan vi se bort fra den ved beregninger, for reaktansen er liten ved den laveste frekvensen som skal gjengis.

Signalstrømmen / føler batterispenningen U som en kortslutning, og derfor kan vi fra et vekselstrømssynspunkt betrakte kretsen slik de neste bildene viser.

Inngangsresistansen Æ emitterkobling

ved felles

Studerer du begge skjemaene på figur 6.1, finner du at I: er signalstrømmen som kommer inn på kretsen. Strømmen merker nå en resulterende resistans R inn , som er lik R} i parallell med R e. /g vil fordele seg etter resistansenes størrelse, slik det er vist på figur 6.1b.

82

Industrielektronikk tf.nn = /?] // ^be ‘b

Q /'be

, _ t/be /ri " Æ?

f^be —' ^Rinn —

' ^inn

Eksempel 6.1 Beregn R og U, dersom 7?, = 47 kQ, R, = 1,5 kQ og /? = 20 pA. Se figur 6.1. Løsning:

i__ i_ j__ i_ _L

~ R} + «be ~ 47 + 1,5

/?,„„= 1,45 kQ =/g ■ R,„„ = 20 10 ‘1,45 = 0,029 mV

(/„. =

Figur 6.1 Enkelt forsterkertrinn i FE-kobling a) Trinnet med et inngangssignal b) Trinnets ekvivalente signalskjema

10’

Figur 6.2b viser vekselstrømsskjemaet for inngangsresistansen R, på figur 6.2a. f «ser» kretsen slik figur 6.2b er tegnet, med en resistans R jnn, som er lik R} i parallell med R, og i parallell med R}e. CE og UE er å regne som kortsluttede. *inn = RJIRtJIR^ f^be —

— f^R2 —

' ^inn

Fri

/ri “ “Æ?

I

_ ^R2

b ~ /'be

83

Industrielektronikk

b) Eksempel 6.2 Beregn R og U. dersom = 56 kQ, Æ = 15 kQ, Rt - 2,2 kQ og / = 15 pA. Se figur 6.2. Løsning:

1 D ''inn Figur 6.2 Stabilisert FE-kobling a) Trinnet med et inngangssignal b) Trinnets ekvivalente signalskjema

1

^inn

1

1

1

R\

R2

^be

1 1 1 56 + 15 + 2,2

Æinn = 1,85 kQ C/be = 'b «be = /g «inn =

15 • 10"6 1,85 103

= 27 mV

Utgangsresistansen RL ved felles emitterkobling

Figur 6.3 nedenfor. FE-koblet forsterkertrinn a) Trinnet med inngangs- og utgangssignal b) Trinnets ekvivalente signalskjema

Figur 6.3b viser vekselstrømsskjemaet for utgangs­ resistansen på figur 6.3a. f «ser» kretsen slik figur 6.3b er tegnet, med én resistans R{, som er lik Rt i parallell med 7?k. (Hvis R t » R_, kan vi se bort fra R ut •)' Rl = RJ/R^

/?L = Æk hvis Rul » Rk k —

^fe

f^Rk —

1

6 Rut

_ ^Rk

/Rk - -K

84

ut

^k '

Rl

Industrielektronikk Eksempel 6.3 Studer figur 6.3 og beregn 7?, og £7RK hvis 7?ui = 22 kQ, 7? = 1,8 kQ, / = 12 pA og = 260.

Løsning: /k = /b . /2fe = 12 • 10 6 • 260 = 3,12 mA _1_____ I J_ = J_ J_ «L “ R.L ~ 22+ 1,8

7?l = 1,66 kQ 4 • ÆL = 3,12 ■ 10 3 • 1,66 • 103 = 5,17 V

t/Rk = ^ut =

Spenningsforsterkningen Fu ved felles emitterkobling Figur 6.4 viser inngangs- og utgangsspenningen på et FE-koblet trinn. Med et oscilloskop kan vi måle spenningene U.nn og Z7t (t/.nn = 7/be, £/1 = t/RK).

Spenningsforsterkningen F i trinnet er lik: F

__ ^Rk

U ’ t/mn " t/be

Vi kan også finne F ved hjelp av resistansene 7?be og R\.

p- _ ^Rk _ 4 • Vbe

7b ’ 7?be

_ 4'

^fe ’^L 4 • 7?be

Vi kan derfor sette: F. =

hfp ■ /?j

A—^be

(der /?, = SK///?ut)

Husk: Rbe -h ie (h ie finner du i databladet.) Rut = 1/oe (A oe finner du i databladet.) Figur 6.4 Inngangs- og ulgangsspenning på el felles emitterkoblet trinn

85

Industrielektronikk Eksempel 6.4 Du har målt Umn - 10 mV og = 1 V. Beregn spenningsforsterkningen Fu. Se figur 6.4. Løsning:

Eksempel 6.5 Studer figur 6.4 og beregn F når R. = 1,2 kQ, R ut = 10 kQ,/? = 1 kQ Dog feA = 150. be

Løsning:

= Æu//Æk = —°--- = 1,1 kQ 10+1,2 „ hfe-/?L 1501,1103 = —R---- =----- FTrF---- = 165 *'be 1'10 Eksempel 6.6 Beregn F når A = l,6kQ,7t. =160, h = 0,810-3og = 1,5 kQ. Se figur 6.4.

Løsning: Fbe = ^te = 1,6 kQ

RL = RK//Rut = 0,68 kQ r

h{.RL /?be

160-0,68-103 1,6 103

Oversikt over signalgangen Figur 6.5 viser signalene som oppstår på de ulike punktene i koblingsskjemaet. På figur 6.5a kan vi finne I, (/,k ), km/, ’ (/, inn), U bem(U ) ° b bm og U (UD. ). Figur 6.5b viser oss U og U . Merk deg at signalene er faseforskjøvet 180°.

For å oppnå større spenningsforsterkning enn med bare ett trinn kobler vi flere forsterkertrinn etter hverandre. Ser vi på et koblingsskjema for en forsterker, virker det svært komplisert med alle disse transistortrinnene, men vi kan også finne noen kjente kretser.

86

Industrielektronikk

Figur 6.5 Signaler i forskjellige punkter i koblingsskjemaet a) Koblingsskjema b) Karakteristikk

Figur 6.6 viser en totrinnsforsterker som er kaska­ dekoblet, det vil si at de to trinnene er likestrømsmessig koblet i parallell, mens de er signalmessig koblet i serie. Dette er det koblingskondensatoren C2 som bestemmer. De to trinnene er like, og de virker på samme måte som de trinnene som er vist og forklart på figur 6.3. Kondensatorene C} og C2 er koblingskondensatorer, mens Cr] og CE2 er avkoblingskondensatorer. Avkoblingskondens-atorene skal beregnes slik at reaklansene er uten betydning ved midlere frekvenser. Ved lave frekvenser fører disse kondensatorene til at forsterkningen minker, og de indre kapasitansene i transistorene er med på å redusere forsterkningen for de høye frekvensene, se figur 6.6b.

Figur 6.6 nedenfor. Kaskadekoblet totrinnsforsterker a) Koblingsskjema b) Forsterkning

87

Industrielektronikk

Oppsummering Transistorkonstantene - inngangsresistans, utgangsresistans og strømforsterkningsfaktor - kan vi finne i databøker. De ytre resistansene som må til for å få de riktige likestrømmene fram til basis og kollektor på transis­ toren, påvirker vekselstrømsforholdene både på inngangssiden og utgangssiden.

På dette grunnlaget finnes det tre måter å koble transistoren på. Disse grunnkoblingene kalles felles basiskobling, felles kollektorkobling og felles emitterkobling. Skal vi kunne foreta beregninger på inngangs- og utgangsresistansene og på forsterkningen, må vi kjenne til hvilket koblingsskjema det gjelder. Men det er lettere å koble opp kretsen og måle disse størrelsene med instrumenter. Spenningsforsterkningen måler vi enklest ved å bruke et oscilloskop, der vi ser kurveformen både på inngangssiden og utgangssiden samtidig.

Vi bruker kondensatorer for å koble opp flere transistortrinn etter hverandre. Kondensatorene sperrer for likespenning, slik at likestrømsmessig blir trinnene koblet i parallell, mens de vekselstrømsmessig ligger i serie. Kondensatorer betraktes som en kortslutning for vekselstrømmen, og brukes for eksempel til å avkoble emitterresistansen i en serie­ motkobling.

88

Industrielektronikk

Øvingsoppgaver til kapittel 6 6.1

a) Hvilke tre grunnkoblinger kan en transistor kobles i? b) Hvilke typiske egenskaper har grunnkoblingene? c) Tegn koblingsskjema for et enkelt FE-koblet forsterkertrinn.

6.2

Figur 6.7

Figur 6.7 viser et koblingsskjema for et enkelt forsterkertrinn med disse data: R = 47kQ.Æ, = 2,7 kQ. 1 ’ be a) Tegn det ekvivalente vekselstrømsskjemaet for inngangsresistansen Rmn for kretsen. b) Beregn R ,pn.

6.3S e figur 6.7. Disse data er gitt: R. = 68 kQ. h.p = 1,8 kQ. Beregn R 6.4S e figur 6.7. Disse data er gitt: R} = 56 kQ, og ved måling finner man at generatorstrømmen 7 =10 uA og Ube = 20 mV. Beregn Æbe.

6.5

Figur 6.8

Figur 6.8 viser et stabilisert felles emitterkoblet forsterkertrinn med disse data: R, = 68 kQ, R7 = 18 kQ, Æ, = 2,7 kQ, Rbe = 2,2 kQ, Æut = 27 kQ. a) Tegn vekselstrømsskjemaet for inngangsresistansen R nn. b) Tegn vekselstrømsskjemaet for utgangsresistansen AV c) Beregn R m. d) Beregn/?,.

89

Industrielektronikk 6.6

Se figur 6.8. Vi har disse data: F t = 27 kQ, FK = 1,5 kQ og /k = 3 mA. a) Beregn b) Beregn 6/t.

6.7

Vi har et felles emitterkoblet forsterkertrinn, se figur 6.8. a) Hvordan defineres spenningsforsterkningen FJ! b) Beregn spenningsforsterkningen Fu når Uu[ = 4,2 V og U = 20 mV.

6.8

Beregn F når F =4.7 kQ. F = 10kQ,Ft = 1,8 kQ og h = 120.

6.9

Beregn Fu når Fk = 1,5 kQ, Aæ =1,8 kQ, Ao. = 80 pQ 1 og Af. = 150.

6.10 Figur 6.7 nedenfor viser koblingsskjemaet for et forsterkertrinn, og figuren nedenfor viser karakteristikken for transistoren. Likestrømmene og likespenningene for trinnet er målt til U = 10 V, = 5 V og F = 20 pA. R er stor. a) Legg inn FK som lastlinje. b) Tegn inn et signal /bm = 10 pA. Ut fra dette konstruerer og tegner du inn inngangssignalet U.mn, utgangssignalet t/ut og/km i karakteristikken. c) Beregn F. d) Hvordan er faseforholdet?

90

Industrielektronikk

Kapittel 7 Flere elektroniske komponenter

Mål Målet med dette kapittelet er at du skal bli kjent med

sk

dobbeltbasisdioden - symbolet, oppbygningen, karakteristikken og bruksområder; beregning av resistans, tidskonstant og tennspenning

*

firesjiktsdioden - symbolet, oppbygningen, karakteristikken og bruksområder

❖

diacen - symbolet, oppbygningen, karakteristikken og bruksområder

❖

tyristoren - symbolet, oppbygningen, karakteristikken, bruksområder, koblingsskjema, spenningsdiagram og syklusregulering

*

triacen - symbolet, oppbygningen, karakteristikken, bruksområder, koblingsskjema og spenningsdiagram

91

Industrielektronikk

Dobbeltbasisdioder» Dobbeltbasisdioden (unijunction transistor) er en haivlederkomponent med spesielle egenskaper:

-

Den er spenningsstyrt, og det skjer en momentan strømstart og en momentan strømsperring.

-

Den kan gi enkle kretsløsninger, og vi finner den for eksempel i tidskretser, triggerkretser (styrekretser) og som elektronisk bryter.

-

Den benyttes også i oscillatorkretser, der den brukes som et element for å danne korte spenningspulser.

-

Den inngår også i pulsoscillatorer som brukes til å styre ut tyristorer. Dette skal vi se nærmere o pa.

Figur 7.1 Dobbeltbasisdioden

Dobbeltbasisdioden er bygd opp av en jevnt og svakt dopet silisiumstav. Midt på staven er det dopet inn en P-sone (diode). Staven har kontakter i hver ende, som har betegnelsene basis 1 (Bj) og basis 2 (B2), og diodekontakten blir kalt emitter (E).

Virkemåte Spenningen UB, som er koblet til B] og B2, gir et jevnt fordelt spenningsfall i silisiumstaven. Vi kan tenke oss spenningsfeltet fordelt på DB1 og UB2, slik figur 7.2 viser. Rett over P-sonen (dioden) ligger det således et positivt potensial i forhold til B; (ca. ^j. Med en

Figur 7.2 Spenninger i en dobbeltbasisdiode

92

negativ spenning på emitteren får det elektriske feltet i staven retninger som vist på figuren. Dioden vil da sperre for strømgjennonmgang. Den sperrer så lenge U er mindre enn UB}. kan vi beregne etter formelen D -y Ub, der konstanten y er en spenningsdelingsfaktor som oppgis i databladet for dobbeltbasisdioden, og som ligger i området 0,4-0,8.

Industrielektronikk Blir derimot spenningen UE større enn £7 skifter det elektriske feltet mellom P-sonen og basis 1 retning, slik figur 7.3 viser. Strekningen E-B. blir da elektrisk ledende.

Figur 7.3 Spenninger i en dobbeltbasisdiode (UE > UE] )

Dersom spenningen UE øker til verdien D = Up + UD, vil positive ladninger diffundere inn i silisiumstaven fra emitteren, og emitterstrømmen I øker svært raskt. Den økende emitterstrømmen FE «føler» nå området E-B1 som en lavohmig og minkende resistans, en såkalt negativ resistans. UD er forspenningen til PN-overgangen, og den er 0,6 V for en silisiumdiode. Når £7 minker til verdien £7v, vil dioden på nytt sperre, og strømmen Iv blir lik null.

Karakteristikk Karakteristikken på figur 7.4a viser emitterstrømmen IE som funksjon av emitterspenningen UE. Når UE øker til Up + UD, åpner dioden. Strømmen 7f øker da raskt, og samtidig vil det også flyte en strøm / fra B, til Br Spenningen UE minker nå til minimums­ verdien D + UD. Da sperrer dioden, og strømmen F blir lik null. For å få dioden til å lede på nytt må UE økes til tennspenningen U = U. + igjen.

Figur 7.4 Dobbeltbasisdiode a) Karakteristikk b) Symbol

I arbeidsområdet mellom punktene A og B ser vi at LFE minker fra Up til Uv7. mens FE øker fra Ipv til I. Det betyr at resistansen minker. Området har en negativ vekselstrømsresistans mellom emitteren (E og basis 1 (B,). Symbol Figur 7.4b viser symbolet for dobbeltbasisdioden.

Selvsvingende oscillator Kretsen på figur 7.5a er en selvsvingende pulsoscillator som består av et ÆC-ledd (Rr R3 og C) og en dobbeltbasisdiode. Det er diodens spesielle egen-

93

Industrielektronikk skaper som utnyttes, og kondensatorens opplading og utlading brukes til å gi styrespenning UE = U på emitteren E. Den tiden det tar for C å lade seg opp mot tennspenningen C7, bestemmes av tidskonstanten = (R, + R3). Utladingen skjer gjennom emitteren (E) og R.. Figur 7.5b viser spenningene som oppstår på utgangene. Studer figur 7.5. Studerer vi spenningen £7, ser vi at kondensatoren starter oppladingen ved tidene ro, t2 og t, og at den starter utladingen ved tidene t} og tr Ved tidene t} og t3 er spenningen D = UD + D. nådd, og dioden begynner å lede, mens kondensatoren C starter utladingen gjennom E og 7?_. I tiden mellom og r, leder dioden, og det oppstår et spenningsfall over R4 og R' (se kurvene LL, og £/_,). Kurvene får samme fasong som utladingskurven. Ved tidene t2 og l4 har kondensatorspenningen minket til sperregrensen £7 = D. + t/D, og dioden sperrer. Spenningene UR5 og UR4 blir lik null, og UR2 blir lik Ub, mens oppladingen av kondensatoren starter på nytt. Spenningene er målt fra referansepunktet 0.

Svingetiden T for kretsen er den tiden det tar å lade kondensatoren opp og ut igjen, for eksempel fra t2 til t R er et potensiometer som brukes for å regulere

Figur 7.5 Selvsvingende oscillator a) Koblingsskjema b) Spenningene på utgangene

94

Industrielektronikk

Firesjiktsdioden Figur 7.6a viser karakteristikken og figur 7.6b symbolet for firesjiktsdioden. Firesjiktsdioden er en halvlederkomponent. Den er bygd opp som en firesjikts PNPN-dopet silisiumstav med to elektroder, anode og katode. Kobles det en negativ spenning til anoden, vil firesjiktsdioden i likhet med en vanlig diode sperre for strømgjen­ nomgangen. Kobles det en positiv spenning til anoden, og vi øker den, vil den ved en bestemt spenning kalt tennspenningen £7 skje en lavineartet strømgjennomgang (se karakteristikken). (Strømmen begrenses med en serieresistans.)

Figur 7.6 Firesjiktsdiode a) Karakteristikk b) Symbol

Dioden vil nå lede strøm helt til vi klarer å redusere den påtrykte spenningen så mye at diodestrømmen blir mindre enn holdestrømmen . Firesjiktsdioden er en reversblokkerende diode (leder strøm bare en vei), og den brukes til å lage styrepulser med bare en polaritet, for eksempel positive triggerpulser, i lik­ het med dobbeltbasisdioden.

Diacen En annen mye diodetype som blir mye brukt, kalles diac. Det er en bidirektiv tresjikts halvleder-komponent, det vil si at den leder strøm begge veier. Den har to elektroder som kan betraktes som anoder, anode 1 og anode 2. På figur 7.7b ser du symbolet for diacen.

Figur 7.7 Diac a) Strøm-spenning-karakteristikk b) Symbol

Diacen har en symmetrisk strøm-spenning-karak­ teristikk, slik figur 7.7a viser. Dersom den påtrykkes en vekselspenning som er større enn tennspenningen vil den lede strøm, og den gir da ut både positive og negative spenningspulser. For at diacen skal sperre, må spenningen reduseres så mye at strømmen i diacen blir mindre enn holdestrømmen L.n Diacen brukes mye som triggerdiode i triac-reguleringer (se senere om triac) og er ofte innebygd i triacen. Slike reguleringskretser finnes i lys-dimmere, hånddriller og ulike typer effektreguleringer.

95

Industrielektronikk

Tyristoren - SCR Virkemåten til en tyristor kan vi sammenligne med en vannrenne med en hovedkran og en startventil. Se figur 7.8. Med hovedkranen kan vi åpne for vanntrykket, men vannet kommer ikke fram til bruks­ apparatet før startventilen er åpnet. Når vi åpner startventilen, vil vannstrømmen derfor tippe over hevarmen, og sluseventilen åpner. Vannet i den store renna strømmer nå fram til bruksapparatet, samtidig som hevarmen får tilført vann gjennom et ekstra vannløp og holder sluseventilen åpen. Det betyr at selv om vi stenger startventilen, vil sluseventilen ikke stenges, og vi må med andre ord stenge hovedkranen for å stoppe vannstrømmen i røret. Skal vi starte et nytt forløp, må vi åpne hovedkranen, åpne start­ ventilen, stenge hovedkranen, osv.

Vi kan tenke på en lignende måte når det gjelder tyristoren. En liten elektrisk strømpuls (startpuls) er nok til å åpne den elektriske strømmen gjennom tyristoren. Dersom det er koblet en lampe i serie med tyristoren, vil den lyse. Der må vi også slå av strømmen for å få slokt lampa.

Sluseventil

Tyristoren er en halvlederkomponent som virker som en av/på-bryter. Den er mye brukt som effektregulator og som styrt likeretter. SCR er en forkortelse av det engelske navnet «Silicon controlled rectifier». Kom­ ponenten er bygd opp som en firesjikts PNPN-dopet silisiumstav, med tre elektroder - anode, katode og port (“gate”) - som har betegnelsene A, K og G. Det lages to hovedtyper av tyristorer: 1

Reversblokkerende tyristorer. Denne typen leder strøm bare den ene veien, fra anode til katode, og kalles tyristor.

2

Bidirektive tyristorer. Denne typen har to anoder, og kan lede strøm begge veier. Den kalles for triac.

Figur 7.8 Vannrenne med hovedkran

96

Industrielektronikk Begge typene må ha positiv spenning på anoden(e) og et styresignal på porten for å kunne lede strøm. For eksempel kan et styresignal på 100 mA/3 V tenne en tyristor som kan lede en strøm på 100 A/600 V. De lages som lavvoltstyper, for eksempel 1 A/100 V, og som høyeffekttyristorer, for eksempel 500 A/ 600 V, og det kommer stadig nye typer på markedet. Når vi skal velge tyristor, er det viktig å kontrollere at den tåler strømmen i lederetningen og spenningen både i lede- og sperreretningen. Figur 7.10a viser at tyristoren med unntak av styreelektroden G er bygd opp på samme måte som firesjiktsdioden. Figur 7.10b er et ekvivalentskjema til figur 7.10a og synliggjør bedre at vi kan betrakte den som to transistorer koblet sammen. Kobler vi en spenningskilde til kretsen, med plusspolen på anoden, finner vi at transistorene er klare til å lede strøm, men at T, mangler positiv spenning på basis. Får T2 en positiv startpuls på basis, vil den lede og sette kollektoren på T2 mer negativ, noe som igjen betyr minuspuls til basis på Tp som da begynner å lede. Nå vil T] mate T2 med basistrøm, og kretsen blir værende i ledende tilstand. Når tyristoren er tent, sperrer (slokker) den bare ved at anodespenningen brytes eller senkes tilstrekkelig mye. I praktiske kretser er anodespenningen en likerettet vekselspenning. På den måten får anoden null spenning ved hver nullgjennomgang.

Tyristorkarakteristikk Figur 7.10 a) Katodestyrt tyristor b) Tyristoren tenkt koblet som to transistorer

Figur 7.11a viser en tyristorkarakteristikk, og figur 7.11b viser symbolet for en tyristor. Dersom styrestrømmen /G = 0, kan anodespenningen D økes til en bestemt spenning som kalles tennspenningen U(B0). Overskrides denne verdien, vil tyristoren tenne; den går over fra blokkert til ledende tilstand. Når den U

først er tent, øker strømmen Ip fra 0 til /F =

97

Industrielektronikk (der Z er lastimpedansen), mens spenningen over tyristoren faller til 1-2 V. -t/(BR) er gjennombruddsspenningen i sperreretningen. Med en styrepuls på porten kan vi få tyristoren til å tenne uansett størrelsen på anodespenningen i lederetning, fra noen få volt og oppover. Størrelsen på styrestrømmen / er oppgitt i databøkene for tyristoren.

Triacen En triac kan vi tenke oss er bygd opp av to tyristorer, parallellkoblet mot hverandre. Virkemåten er da slik (se figur 7.12): Figur 7.11 Tyristor a) Karakteristikk b) Symbol

Når A] er positiv og porten G får en positiv puls, vil triacen begynne å lede strøm den ene veien. Når A, er positiv og porten G får en negativ puls, vil triacen lede strøm den andre veien. Ved vekselspenning på kretsen vil triacen slokke ved spenningens nullgjennomgang.

Figur 7.12a viser en triackarakteristikk og figur 7.12b symbolet for en triac. Dersom styrestrømmen I = 0, kan anodespenningen Z7 økes til en bestemt spenning som kalles tennspenningen UIB0). Overskrides denne verdien, vil triacen tenne; den går over fra blokkert til ledende tilstand. Når den først er tent, øker strøm-

Figur 7.12 Triac a) Karakteristikk b) Symbol

U men /F fra 0 til /F=-^ ^er % er lastimpedansen),

mens spenningen over triacen faller til 1-2 V. Med en styrepuls på porten kan vi triacen til å tenne uansett størrelsen på anodespenningen, fra noen få volt og oppover. Størrelsen på styrestrømmen I er oppgitt i databøkene for triacen.

Praktisk pulsgenerator Koblingsskjemaet på figur 7.13 viser en praktisk pulsgenerator som brukes til å lage tennpulser til en tyristor. Den virker slik:

98

Industrielektronikk

m

Figur 7.13 Praktiskpulsgenerator

Den 230 V likerettede spenningen Da blir stabilisert til 9,1 V med zenerdioden Z, men den går ned til null for hver halvperiode og er dermed synkronisert med nettspenningen. Spenningen Uz blir driftsspenning for pulsoscillatoren, og oppladingstiden for kondensatoren kan varieres med R7. Vi kan således fastlegge tennspenningen for dobbelbasisdioden på et hvilket som helst tidspunkt i halvperioden CF Dette kalles å faseforskyve tennspenningen. Hver gang dobbeltbasisdioden tenner, dannes det en spennings­ puls over R. Det er disse pulsene som sendes til tyristorporten, og det er den første pulsen etter hver nullgjennomgang som tenner tyristoren.

Tyristoren som effektregulator Figur 7.14a viser koblingsskjemaet for en lysdemper med tyristor, mens figur 7.14b viser hvordan spen­ ningene oppstår på de ulike komponentene.

Med R, kan vi variere oppladingstiden for C, og dermed kan tennpulsen for tyristoren faseforskyves i tid under halvperioden. Effekten i lampen blir størst når triggerpulsen t/R_ kommer tidlig i perioden, og den kan reguleres til et minimum, slik at UR5 kommer i slutten av halvperioden.

99

Industrielektronikk

(

Spenningen t/T over tyristoren følger før den første tennpulsen kommer. Da tenner tyristoren, og U faller til ca. 2 V, mens spenningen t/L over lampen øker til t7 (se kurvene).

t Triacen som effektregulator t f

f

t

f

Figur 7.14 Lysdemper med tyristor a) Koblingsskjema b) Spenningene som oppstår i komponentene på figur a

100

Figur 7.15a viser koblingsskjemaet for en lysdemper med triac, og figur 7.15b viser spenningskurvene. Kurvene er vist på neste side. Effektreguleringskretsen består av en triac, og med en diac i styrekretsen. Hastigheten på oppladingen av kondensatoren til tennspenning for diacen bestemmes av Æ], K2 og C. Tennpulsen C/G for triacen kan faseforskyves til hvilket som helst tidspunkt i halvperioden med potensiometeret R Kurvene viser hvordan kretsen virker. Før den første pulsen UG kommer (etter nullgjennomgang), ligger hele spenningen Ua over triacen. Etter tenning faller Ur til ca. 2 V, mens spenningen legger seg over lampen, se t/T og

Radiostøy En tyristor eller en triac styrer vanligvis en effekt ved å tenne eller bryte en strømkrets. Denne plutselige avog på-brytingen fører til at det oppstår radiostøy, som må dempes. Det er særlig i iangbølgen og mellom-

Industrielektronikk

bølgen radiostøyen får virkning. For å dempe støyen kobles det inn støyfilter i slike tyristorkretser. I prinsippet er det spole L (ca. 200 pH) som kobles i serie med støykilden. Spolen hindrer det meste av støypulsene i å komme ut på nettspenningen. En kondensator C (ca. 0,1 pF) kobles i parallell med støykilden og kortslutter de høye frekvensene som støyen består av (se figur 7.16 på neste side). Dette utstyret må som tyristorstyringene være god­ kjent av materiellkontrollen.

Figur 7.15 Lysdemper med triac a) Koblingskjema b) Spenningskurverfor skjemaet på figur a

For å unngå det meste av støydannelsen ved slik effektregulering er det utviklet spesielle integrerte kretser (nullspenningsbrytere) som sender tennpulsene fram til porten bare ved spenningens nullgjennomgang. Ved en slik regulering bestemmer man antallet hele perioder av nettspenningen som skal slippes fram til lasten i et bestemt tidsrom, den såkalte syklustiden (se figur 7.17 på neste side). For eksempel gir 25 perioder av nettspenningen i løpet av 1 sekund halv effekt, mens 50 perioder av spenningen over like lang tid gir full effekt. Dette kalles syklusstyring.

101

Industrielektronikk

Oppsummering Ved effektregulering bruker vi både tyristorer og triacer. Begge typene er halvlederkomponenter, og de må tilføres en styrespenning dersom vi skal kunne kontrollere forløpet. Tyristoren har tre tilkoblingsbein, anode, katode og port, mens triacen har to anoder og en port. Som styrekrets for tyristoren brukes en oscillatorkobling.

Halvlederkomponenten dobbeltbasisdioden har egen­ skaper som gjør den egnet som pulsoscillator. Den brukes som pulsgiver til styrekretser for tyristorer, og pulsfrekvensen kan igjen styres med et potensio­ meter. Tyristoren kan betraktes som en spenningsstyrt bryter, som brukes til å regulere effekten i vekselstrøms-

102

Industrielektronikk kretser. Tyristoren kobles da i serie med lasten. I praktiske kretser er anodespenningen en likerettet vekselspenning, slik at spenningen blir null ved hver nullgjennomgang, og styrepulsen som kan fasestyres, sendes til porten i løpet av den positive halvperioden. Triacen arbeider etter det samme prinsippet som tyristoren, men siden den har to anoder, er det ikke behov for å likerette anodespenningen. Styrekretsen her er en diac, og både diacen og triacen tenner når spenningen når tennspenningen for diacen. Tenn­ spenningen kan også her faseforskyves i tid over et ÆC-ledd, og faseforskyningen stilles inn ved hjelp av et potensiometer.

Siden denne type styring sender støypulser ut på nettet, må kretsen støydempes. Hele utstyret må naturligvis være godkjent både av støykontrollen og av materiallkontrollen.

103

Industrielektronikk

Øvingsoppgaver til kapittel 7 7.1

a) Tegn symbolet for en dobbeltbasisdiode og merk av hva som er B}, og E. b) Beskriv oppbygningen av en slik diode. c) Tegn inn fordelingen av det elektriske feltet på figur 7.18 når dioden leder.

B2

E

7.2

Spenningsdelingsfaktoren_y for en dobbeltbasisdiode finner vi i datablad.y varierer mellom 0,4 og 0,8. a) Sett opp formelen for tennspenningen U for en dobbeltbasisdiode. b) Beregn tennspenningen U når y - 0,5, t/ = 20 V og t/ = 0,6 V.' i)

Bi

Figur 7.18

u

7.3

Figur 7.19 viser en pulsoscillatorkobling med en dobbeltbasisdiode. a) Bruk diagrammene og tegn kurveformen for spenningene som ligger over R}, R, og R3 som funksjon av tiden. b) Beskriv hvordan oscillatorfrekvensen vil forandre seg dersom du øker eller minsker/?].

104

Industrielektronikk 7.4

a) b) c) d)

Tegn karakteristikken og symbolet for en diac. Beskriv hvordan en diac virker. Gjør rede for uttrykket holdestrøm. Dioden brukes for eksempel som triggerdiode. Hva betyr det?

7.5

a) b) c) d)

Tegn symbolet for en tyristor. Sett på betegnelser. Hva mener vi med uttrykket reversblokkerende tyristor? Hva mener vi med uttrykket bidirektiv tyristor? Hva brukes en tyristor til?

7.6

Tegn en tyristorkarakteristikk og gjør rede for a) tennspenningen (kippspenningen) b) gjennombruddsspenningen

Figur 7.20

Se på figurene 7.20a og b. Kurven på figur a viser et pulstog som ligger over anoden på tyristoren. Kurven på figur b viser pulsene som kommer fram til styreelektroden som triggerpulser. a) Finn ut ved hvilke tider tyristoren tenner. b) Finn ut ved hvilke tider tyristoren blokkeres.

7.8

Tegn koblingsskjema for en tyristorstyrmg der dobbeltbasisdioden inngår som pulsoscillator. Forklar kretsen.

7.9

a) Tegn symbolet for en triac. Sett på betegnelser. b) Tegn en triackarakteristikk og gjør rede for 1 tennspenningen (kippspenningen) 2 holdestrømmen

105

Industrielektronikk 7.10

Figur 7.21

Se på figurene 7.21a og b. Kurven på figur a viser et pulstog som ligger over triacen. Kurven på figur b viser pulsene som kommer fram til styreelektroden som triggerpulser. a) Finn ut ved hvilke tider triacen tenner. b) Finn ut ved hvilke tider triacen blokkeres.

7.11

Tegn en enkel triacstyring og forklar hvordan kretsen virker.

Figur 7.22

Se på figur 7.22 og avgjør hva som er riktig i oppgavene nedenfor: a) Når R dreies mot punktet A, vil 1 lampen lyse bedre og C lades saktere 2 lampen lyse bedre og C lades fortere 3 lampen lyse dårligere og C lades saktere 4 lampen lyse dårligere og C lades fortere

106

Industrielektronikk b) Det har oppstått brudd i dioden nede til høyre i likeretterbroen. Da virker feilen slik at 1 kurvene i 1. og 3. halvperiode ikke likerettes 2 kurvene i 2. og 3. halvperiode ikke likerettes 3 kurvene i 1. og 2. halvperiode ikke likerettes 4 kurvene i 2. og 4. halvperiode ikke likerettes c) Det har oppstått brudd i dioden øverst til høyre i likeretterbroen. Da virker feilen slik at 1 kurvene i 1. og 2. halvperiode ikke likerettes 2 kurvene i 2. og 3. halvperiode ikke likerettes 3 kurvene i 1. og 3. halvperiode ikke likerettes 4 kurvene i 2. og 4. halvperiode ikke likerettes d) Dersom spenningen U på zenerdioden er 9 V, konstanten for dobbeltbasisdioden y - 0.5 og D = 0,6 V, vil den beregnede tennspenningen 6/ for dioden bli 1 £7= 5,1 V og (VR2 + £7R3) = 3,9 V 2 3 4

D= 0.6 V og (Dr2 + L'r J = 8,4 V U= 4.5 V og (L/„, + UJ = 4,5 V U= 3.9 V og (t/ + I/.,) = 5,1 V

e) Data: D = 12 V.j = 0,7 V og UD = 0,6 V. Hvor stor er spenningen UR. over Æ. når U - 8,6 V og den negative resistansen i dobbeltbasisdioden betraktes som lik null? 1 VK = 8.6 V og (t/R2 + l/RJ) = 3.4 V 2 t/R5 = 3.4 V og (t/E2 + : ^rl ' Vri _

»rl’

Xq

~ ^R2 4- X2 1

Z

Hvis R » XCA, blir: Mrl ■ ÅC1

lir2 ~

R

wrl Dempingen l) = — = 2 k J Cj

Figur 8.10 RC-/ilter a) Prinsippskjema

R

Fl

115

Industrielektronikk Eksempel 8.3 Beregn dempingen D og rippelspenningen for et 7?C-filter, både for en enveislikeretter og en toveislikeretter. Se figur 8.10. R = 1 kQ, wr] = 1,5 V, og C] = 1000 pF. (R{ er stor.)

Løsning: Wr2 =

l{r\ ' XC1

-------- ------------- -------------------- - = 4,8 mV 1 103 2 7t 50- 1000- 1()-6

R

1,5 ------------- - = 312 eamier 4,8-10-3 b b

ipi

I) = — Wr2

Toveislikeretter:

R

wrl Wr2

I) = —

1 • 103 • 2 • r ■ 100 1000- 10-6 1,5

2,4- 10-3

= 624ganger

£C-filter Koblingsskjemaet på figur 8.11a viser en likeretter med ÅC-filter, mens figur 8.11b er ekvivalentskjema for den samme kretsen. ÅC-filteret er mye dyrere enn ÆC-filteret, men fordelen er at det ikke oppstår noe vesentlig spenningsfall over trådresistansen r i spolen. Kretsen dimensjoneres slik at X{ » r og Xv »XC} (stor L og C]).

Beregning av ug. t/ri ■ XCi «r2 = 7---------

Mrl ~ A^Cl ^2 + (XL-XC|)2

Hvis Å[ » XC1, blir: itrl • XC1 «r2 = ----- y------

t/rl

Dempingen 1) = — = (2 r?

116

k

/)2

L Cx

Industrielektronikk

Eksempel 8.4 Beregn dempingen D og rippelspenningen «r, for både en enveislikeretter og en toveislikeretter. L = 16 H. ur] = 1,5 V, og C] = 500 pF. Se figur 8.11. (R, er stor.)

Figur 8.11 LC-filter a) Prinsippskjema b) LC-filter

Løsning:

Enveislikeretter: url ’ ^C1

1,89 mV (2 Tt 50)2 • 500- 10^ - 16

Mri

1,5

Wr2

1,89- 10"3

I) = —

= 793ganger

Toveislikeretter: ^rl ' ^C1

Ur2

------------------- —------------------ = 0,474mV (2 ■ k ■ 100)2 ■ 500- 10~6 16

D = — =------- —------ - 3164ganger ur2 0,474- 10-3

Stabilisering av spenninger Kobles det inn en transistor slik det er gjort på figur 8.12, kan vi øke utgangsstrømmen /R. til den blir omtrent strømforsterkningsfaktoren /?FE ganger større enn I • Og hvis vi bruker en darlingtontransistor, kan /zFE gå opp til 2500. Koblingsskjemaet viser at basis på transistoren er koblet til en konstant referansespenning som er

117

Industrielektronikk spenningen på en zenerdiode. Siden transistoren er koblet som en emitterfølger, blir emittersperringen alltid ca. 0,7 V lavere enn basisspenningen. Det betyr at så lenge zenerdiodespenningen Dz er konstant, er CL, 0,7 V lavere, men like konstant. KL

Figur 8.12 Seriestabiliseringskrets

Kretsen på figur 8.12 virker slik: Koblingen er en seriestabiliseringskrets, og den konstante spenningen £7 = + Z7R[. Hvis Uo. øker, vil £7 minke, og dermed øker U, som igjen «presser» 77R, til det innstilte spennings­ nivået. Det motsatte skjer dersom t7D, minker. Programmet viser at kretsen arbeider som automatisk spenningsregulator, som umiddelbart kompenserer for spenningsvariasjoner.

Regulerbar spenningskilde Kobles det inn et styresystem slik det er gjort på figur 8.13, kan vi få en seriestabilisert regulerbar utgangsspenning t/RL. Styrekretsen består av T] og Rv og referansespenningen t7z over zenerdioden er konstant. Denne

Figur 8.13 Seriestabiliseringskrets med styresystem

118

Industrielektronikk spenningen holder emitteren på T, nesten konstant. Av kretsskjemaet kan vi se at URL = Uz + - D'BK2Med potensiometeret R kan vi stille inn basisspenningen DBE1, og dermed kollektorspenningen VTr

Kretsen på figur 8.13 virker slik: Stiller vi potensiometeret R på figur 8.13 nedover (mot nullpunktet), blir DBE] mindre, og dermed minker / og/„,, mens DL øker. Det fører til at basis på T2 går mot et høyere spenningspotensial (større l/BE2), og T2 vil lede mer. Når transistoren leder mer, minker spenningen t/T2, og dermed øker t/RL. Stiller vi så potensiometeret oppover, skjer det motsatte, og UK[ vil minke. Bruk programmet for en demon­ strasjon.

Spenningsstabilisering med strømbegrensning For å unngå at utgangstransistoren T, blir ødelagt ved kortslutninger på belastningssiden. kan vi koble inn en strømbegrenser, det vil si en elektronisk sikring. Den elektroniske sikringen består her av T\ og R,. På figur 8.14 er R3 dimensjonert slik at ved normal belastning er T, sperret og har ingen inn­ virkning på kretsen. Hvis laststrømmen /RI derimot blir større enn en på forhånd fastlagt verdi, vil transistoren åpne, og kollektorspenningen DT3 vil minke. Det er spenningsfallet over R. som bestemmer forspenningen t/BE3. Vi må dimensjonere R, slik at [I blir større enn 0.7 V ved den maksimalt fastlagte strømmen /KDIJL . Strømbegrenseren på figur 8.14 virker slik:

Figur 8.14 Strømbegrenser

119

Industrielektronikk Vi ser at laststrømmen /R| går gjennom T,, R, og Rr IRl gir et spenningsfall over R3, som er forspenningen UBE på Tr Når strømmen/R[ er større enn den fastlagte verdien, blir spenningsfallet UR3 =IRL R3 så stort at T3 åpner (større enn 0,7 V). T3 vil nå lede. U13 minker og trekker basispotensialet på T2 mer negativt slik at T2 vil sperre, og strømmen/RL og spenningen UR, vil gå mot null. Reduseres /RL, går UR[ tilbake til den innstilte verdien. Spenningskilden er kortslutningssikret.

I stedet for å konstruere og bygge opp stabiliserte spenningsforsyninger på egen hånd kan vi bruke integrerte spenningsregulatorer som finnes på mar­ kedet. Figurene 8.15a og b viser slike kretser. Figur 8.15c viser en trefaset likeretter.

Figur 8.15 Integrerte likerettere a) Regulerbar spenningskilde b) Fast spenningskilde med midtuttak c) Trefaset likeretter

120


1

A-----

F

B-----

A-----

>1

B-----

A-----

1

0— F

B----- j

□□

Norsk NELLER Engelsk NOR

----- F

—

J I>.

Norsk ELLER Engelsk OR

B

&

m

Norsk NOG Engelsk NAND

A


.

332

D

Q„.1

Qn-,

iCPpD

isD[Z i q r~5~

L H

L H

= HIGH voltage level = LOW voltage level = don’t care = LOW-to-HIGH CP transition = state after the next LOW-to-HIGH CP transition

H L

Hl vcc 43]2Rd

1P["

77] 2D

74

77]2CP W]2Sd

1Q[~6~

~9~| 2Q

GNP[~7~

~8~| 2Q

Fig.1 Pin configuration.

Industrielektronikk

Vedlegg 4:

7 segment (del 1)

HEF 451 IB BCD

BCD TO 7-SEGMENT LATCH/DECODER/DRIVER

The HEF4511 B is a BCD to 7-segment latch/decoder/driver with four address inputs (D/\ to Dø), an active LOW latch enable input (EL), an active LOW ripple blanking input (Bl), an active LOW lamp test input (LT), and seven active HIGH n-p-n bipolar transistor segment outputs (Oa to Og). When EL is LOW, the state of the segment outputs (Oa to Og) is determined by the data on D/x to Dø. When E L goes HIGH, the last data present on D/\ to are sto red in the latches and the segment out­ puts remain stable. When LT is LOW, all the segment outputs are HIGH independent of al! other input conditions. With LT HIGH, a LOW on Bl forces all segment outputs LOW. The inputs LT and Bl do not affect the latch circuit.

Dq

HEF4511BP : 16-lead DIL; plastic (SOT-38Z). HEF4511BD: 16-lead DIL; ceramic (cerdip) (SOT-74). HEF4511 BT : 16-lead mini-pack; plastic (SO-16; SOT-109A). 7Z7371 7.2

PINNING Fig. 1

Functional diagram. D/x to Dø

address (data) inputs

EL

latch enable input (active LOW)

Bl

ripple blanking input (active LOW)

LT

lamp test input (active LOW)

Oa to Oa

segment outputs

Fig. 3 Schematic diagram of output stage.

Fig. 4 Segment designation.

FAMILY DATA see Family Specifications

Iqø LIMITS category MSI

333

Industrielektronikk

HEF 451 IB BCD -> 7 segment (del 2)

Vedlegg 5:

FUNCTION TABLE inputs

outputs

EL

Bl

LT

dd

DC

db

Da

Oa

ob

oc

od

Oe

Of

°g

display

X X

X L

L H

X X

X X

X X

X X

H L

H L

H L

H L

H L

H L

H L

8 blank

L L L L

H H H H

H H H H

L L L L

L L L L

L L H H

L H L H

H L H H

H H H H

H H L H

H L H H

H L H L

H L L L

L L H H

0 1 2 3

L L L L

H H H H

H H H H

L L L L

H H H H

L L H H

L H L H

L H L H

H L L H

H H H H

L H H L

L L H L

H H H L

H H H L

4 5 6 7

L L L L

H H H H

H H H H

H H H H

L L L L

L L H H

L H L H

H H L L

H H L L

H H L L

H L L L

H L L L

H H L L

H H L L

8 9 blank blank

L L L L

H H H H

H H H H

H H H H

H H H H

L L H H

L H L H

L L L L

L L L L

L L L L

L

L L L L

L L L L

L L L L

H

H

H

X

X

X

X

blank blank blank blank *

L L L ♦

H = HIGH state (the more positive voltage) L = LOW state (the less positive voltage) X = state is immaterial

* Depends upon the BCD code applied during the LOW to HIGH transition of EL.

7Z72856

Fig. 7 Display.

334

Industrielektronikk

Stikkordliste A A/D-omformer............................................. 130 adresse.......................................................... 213 adressebuss .................................................. 216 amerikanske symboler................................ 137 arbeidspunkt..................................... 35, 45, 73 astabil vippe................................................. 188 avkoblingskondensator................................. 87

B basisresistans.................................................. 58 BCD-kode.................................................... 182 bidirektiv tyristor.......................................... 96 binært tallsystem.......................................... 178 binærtall....................................................... 179 bistabil vippe................................................ 190 boolsk algebra..................................... 138, 161 brolikeretter.................................................112 buss-systemer............................................... 218 C CMOS.................................................. 146, 148 D D-vippe........................................................ 195 D/A-omformer............................................. 128 databuss ....................................................... 216 datasprednig................................................... 72 de Morgans lover......................................... 164 desimaltall.................................................... 179 diac................................................................. 95 diodekarakteristikk........................................ 34 dioder............................................................. 31 diodesymbolet................................................ 32 dobbeltbasisdioden ....................................... 92 dokumentasjon.................................... 212, 224 duale kretser................................................. 166 dualitet......................................................... 165 E E-12-serien..................................................... 17 E-24-serien..................................................... 17 EEPROM..................................................... 215 EKSKLUSIVE ELLER .............................. 154 elektrolyttkondensatorer............................... 27 ELLER............................... 138, 139, 150, 163 enveislikeretter............................................. 110

F faste motstander........................................14,15 filtere............................................................ 114 firebiters teller.............................................. 199 firesjiktsdioden .............................................. 95 forsinket fraslag.......................................... 256

forsinket tilslag........................................... 255 fotocellen.......................................................25 fotodioden............................................... 24, 32 fotofølsomme komponenter..........................23 funksjonsplan...................................... 212, 224 funksjonstabell.............................................139

G galvanisk skille ........................................... 216 grunkoblinger transistorer............................. 79

H heksadesimaltall .................................. 178, 179 holdestrømskrets........................................ 250 I lEC-normer................................................ 137 IKKE............................................138, 151, 164 inngangsmodul.................................... 213, 216 inngangsresistans.................................... 81. 82 instruksjon .................................................. 221 instruksjonsliste.................................. 212, 224 integrert krets...............................................137 interface.......................................................212 internasjonale standarder............................ 137 inverterer...................................................... 151 invertering.................................................... 138 J JK-vippe....................................................... 196

K karakteristikk dobbeltbasisdiode.................. 93 karakteristikk firesjiktsdiode.........................95 karakteristikk triac ........................................ 98 karakteristikk tyristor.................................... 98 karakteristikker zenerdiode.......................... 44 karbonmotstand............................................. 15 klokket D-vippe.......................................... 195 klokket RS-vippe........................................ 193 koblingsalgebra........................................... 138 koblingskondensator ..................................... 87 kodesystem halvledere.................................. 55 koding motstander........................................ 18 kollektorresistans.......................................... 58 kondensatorer................................................ 26 kontaktplan......................................... 212, 223 kontrollbuss ................................................ 216 L lager............................................................. 215 laserdioder......................................................24 lastlinje.............................................. 35, 46, 59 LDR-motstander..................................... 14, 23 LED ............................................................... 24 likeretterdioder.............................................. 32 likerettere..................................................... 109

335

Industrielektronikk likestrømsforsterknigsfaktoren...................... 57 logikkretser.................................................. 162 logikksymboler............................................ 137 LSB......................................................... 178 lysdioden........................................................ 32 lysemitterende dioder.................................... 24 M merking dioder..............................................33 merking zenerdioden..................................... 43 metnigsomerådet........................................... 62 monostabil vippe.......................................... 189 motstander................................................ 14, 15 motstandsnettverk.......................................... 15 MSB............................................................. 178

N negering....................................................... 138 NELLER...................................................... 153 NOG............................................................. 152 NTC-motstander......................... 14, 19, 20, 21 O OG..................................... 138, 139, 149, 162 oktale tall ..................................................... 178 omformere.................................................... 125 operand........................................................ 222 operanddel.......................................... 221, 222 operasjonsdel ............................................... 221 operator........................................................ 138 optokobler.................................................... 216 P PLS...................................................... 209,210 potensiometer................................................. 16 programmerbare logiske styringer............. 210 programmeringsenhet................................. 213 programmeringspakker............................... 212 programmordets oppbygging...................... 221 prosessoren ..................................................215 PTC-motstander................................. 14 20 21 pulsgenerator..................................................98 R radiostøy...................................................... 100 RAM............................................................ 215 regler (postulatur) ........................................162 regulerbar spennigskilde............................. 118 reversblokkerende tyristorer......................... 96 rippelspennig................................................ 112 ROM............................................................ 215 RS-vippe...................................................... 190

S sannhetstabell.............................................■ 139 sekstentallsystemet.......................................179

336

sekvensdiagram............................................199 sentralenhet......................................... 213, 214 seriemotkobling ............................... 71, 72, 73 shuntregulator............................................... 47 signaldioder....................................................32 signalgangen..................................................86 spennigskarakteristikk diac........................... 95 sperreområde..................................................62 spesialmotstander...........................................14 stabilisering.................................... 45, 73, 117 styrestrøm ............................................... 97, 98 syklusstyring................................................ 101 symboler...................................................... 137

T tallsystemer.................................................. 178 tellere................................................. 198, 257 temperaturstabelisering................................. 72 tennspennigen......................................... 97, 98 termistorer...................................................... 19 tilordnigsliste.............................................. 212 titallsystemet................................................ 179 toveislikeretter.............................................113 transistoren.....................................................51 transistorkarakteristikk.................................. 54 transistorkrets.................................................54 transistorsymboler......................................... 53 triacen ............................................................ 98 TTL.............................................................. 146 tyristoren-SCR.............................................. 96 U utgangsmodul...................................... 213, 217 utgangsresistans...................................... 81, 84 V variable motstander................................ 14, 16 varistorer........................................................ 14 VDR-motstander.................................... 14, 22 vekselstrømsresistans.................................... 36 vekselstrømsstørelser.................................... 80 vipper........................................................... 187

Z zenerdioden....................................................41 o

A åttetallsystemet.............................................179