MATERIJALI ZA ELEKTORNIKU

(EKM, 2016/17)

Laboratorijske vežbe

asistent: Miloš Marjanović

MREŢNA UTIĈNICA

Nula – kroz taj provodnik TEČE STRUJA na

svom povratnom putu prema električnoj mreţi!

Boje na postojećim instalacijama nikad ne

uzimati zdravo za gotovo!

KONCEPT UZEMLJENJA

Spajanje nule i uzemljenja vrši se samo na ulazu u instalaciju, u suprotnom moţe doći do stvaranja ground loops.

MULTIMETAR - 3½ CIFRE

VEŢBA 1. LEMLJENJE

Postupak kojim se pomoću rastopljenog dodatnog

materijala za lemljenje izvodi komponenata spajaju

sa provodnim vezama na štampanoj poloči.

Izvodi i metal na ploči se samo zagrevaju, a ne tope

se.

Materijal za lemljenje – tinol ţica (60% kalaja, 40%

olova), RoHS standard traţi izbacivanje olova,

kadmijuma, ţive, hroma i broma...

Izbacivanjem olova iz materijala za lemljenje:

Više temperature topljenja,

Sporiji temperaturni odziv

Površina lema hrapava

Lošiji kontakti

RUČNO LEMLJENJE KOMPONENTI SA

IZVODIMA

a. Postupak lemljenja

b. Dobar lem

c. Loš lem

Hladan lem – spojevi koji vizuelno izgledaju

ispravno, ali ne obezbeđuju dobar električni spoj.

Višak tinola treba ukloniti vakuum pumpicom.

RUČNO LEMLJENJE KOMPONENTI ZA

POVRŠINSKU MONTAŢU

a. Nanošenje lemnog materijala

b. Postavljanje SMD komponente

c. Lemljenje uz pritiskanje komponente na dole

Lemljenje duvaljkom toplog vazduha:

VEŢBA 2 – PREKIDAČI I OSIGURAČI

Prekidači – elektromehaničke komponente koje

uspostavljaju provodni put između dva dela kola

Klasifikacija:

Prema broju kontakata (pole) pomoću kojih prekidač

uspostavlja provodni put

Prema broju poloţaja (throw) u kojima prekidač

ostvaruje provodni put

Oba kontakta

se pomeraju

istovremeno

PODELA PREKIDAČA

Prema načinu uspostavljanja kontakata:

1. Klizni (slider)

2. Preklopni (rocker)

3. Poluţni (toggle)

4. Potisni (push)

KRUŢNI PREKIDAČI (ROTARY)

Ima više poloţaja, a kontakt se ostvaruje okretanjem prekidača oko centralne osovine

Broj poloţaja: od 2 do 24; broj kontakata 1-4; postoje i u SMD kućištu

Prebacivanje iz poloţaja u poloţaj: Najpre prekinu prethodnu, a

zatim uspostave narednu vezu (break before make - non-shorting switch)

Najpre uspostave narednu, a zatim prekinu prethodnu vezu (make before break – shorting switch)

PREGIBNI PREKIDAČI (CENTER-OFF)

SPDT poluţni ili preklopni

prekidač koji ima jedan centralni

(OFF) i dva periferna (ON)

poloţaja

Postoje i u kliznoj varijanti

DIP (DUAL-IN-LINE) PREKIDAČI

SPST prekidači u jednom kućištu (1-16 prekidača) za montaţu na PCB

Koriste se za konfigurisanje uređaja u proizvodnji ili nakon servisiranja, ređe se koriste za podešavanje parametara uređaja tokom eksploatacije

TATER (TACTILE SWITCH)

SPST prekidač kojim se kontakt

ostvaruje trenutno, pritiskom, a

otpuštanjem se prekida

Koriste se za unos podataka

(tastature) ili za operacije kao št

su uključivanje i reset uređaja

MIKROPREKIDAČ Fukcioniše kao taster, ali moţe

biti u različitim pole-throw kombinacijama

Koriste se za interakciju sa korisnikom (miš); ugrađuju se u mehaničke sklopove koji ih automatski uključuju i isključuju

ELEKTROMEHANIČKI PARAMETRI

Za sve prekidače karakteristični su sledeći

električni i mehanički parametri:

Maksimalni DC i AC napon;

Maksimalna struja pri maksimalnom DC i AC

naponu

Kontaktna otpornost

Minimalni garantovani broj ciklusa

uključivanja/isključivanja

Podrazumevani poloţaji prekidača mogu biti:

Otvoren (Normally Open - NO)

Zatvoren (Normally Closed - NC)

RELEJI

Koristi se za prekidanje ili uspostavljanje strujnog kola putem elektromagneta koji otvara ili zatvara strujne kontakte

Materijali za kontakte su plemeniti metali: platina, paladijum, iridijum, rodijum, srebro, zlato, volfram i molibden. Zbog visoke cene platine, zlata i rodijuma koriste se platinirani kontakti: osnova je bakar ili srebro, a iznad je pločica od platine ili zlata.

Kontaktni releja:

za mala opterećenja (struje do 1 A)

za srednja opterećenja (struje do 20 A)

za velika opterećenja (struje iznad 20 A)

ŠEMA, MAKETA, REZULTAT

EKSPERIMENTA...

1

2

3

4

5

K ?

Relay

D

2 2 0

R

V C C V C C

Osciloskop

2 2 0

R

V C C

Osciloskop

OSIGURAČI

Namenjeni prekidu električnog kola u slučaju

pojave struje koja je veća od maksimalno

dozvoljene za to kolo

Svrha je zaštita korisnika, okoline i samo uređaja

od incidentnih situacija koje mogu nastati

pojavom kratkog spoja unutar uređaja usled

otkaza neke komponente ili preopterećenja grane

kola usled istovremenog rada više potrošača

Prekidač u normalno zatvorenom poloţaju koji se

otvara u slučaju incidenta

Postavljaju se na ulazu kola, odmah iza izvora

napajanja

PODELA OSIGURAČA PREMA NAČINU RADA

Ireverzibilni – nakon otvaranja kontakata više se

ne mogu koristiti, već se moraju zameniti novim,

pod uslov da je otklonjen uzrok otvaranja

kontakata

Reverzibilni – nakon otvaranja kontakata mogu

se vratiti u normalno zatvoreni poloţaj, pod

uslovom da je otklonjen uzork otvaranja

kontakata

PODELA PREMA BRZINI PREKIDANJA

KONTAKTA

U zavisnosti od vremena potrebnog za

prekidanje, računajući od trenutka pojave

kratkog spoja ili preopterećenja:

Brzi (fast acting)

Super brzi

Srednje brzi

Ttromi (slow blow) – koriste se kod uređaja kod kojih

se prlikom uključivanja pojavljuje početna udarna

struja (neki tipovi transformatora)

IREVERZIBILNI OSIGURAČI

Koriste umetak od ţice određenog poprečnog preseka i specifične električne otpornosti

Prolazak velike struje izaziva topljenje (melting) ţice

Podela: u kućištima sa izmenljivim umetkom, sa podnoţjem ili u monolitnim kućištima za montaţu na PCB

Parametri (daju se kao efektivne vrednosti naizmeničnih signala, osigurači se mogu primeniti i za kola sa jednosmernim signalima sako ako su za to deklarisani od strane proizvođača): Nominalna struja (rated current) – maksimalna struja koja

moţe da prođe kroz osigurač u normalnim radnim uslovima

Nominalni napon (rated voltage) – maksimalni napon za koji osigurač garantovano prekida kontakt

Struja prekidanja (interrupting rating, breaking capacity) – maksimalna struja pri kojoj osigurač garantovano prekida kontakt pri nominalnom naponu

MATERIJALI ZA IZRADU ŢICE

bakar

srebro, za struje ispod 5A

smeša olova i kalaja, u odnosu 2:1, koriste se za

struje od 5 do 30 A

cink, nit se stavlja u kvarcni pesak jer prska pri

pregorevanju pa moţe da metalizira keramičko

kućište osigurača

aluminijum, za struje niskog napona, za spore

osigurače

smeša bakra i srebra, u odnosu 1:1, za jake struje

platina, za slabe struje do 10 mA (u telefoniji)

IREVERZIBILNI TERMIČKI OSIGURAČI

Kada temperatura ili jačina struje pređe kritičnu

vrednost, legura koja spaja most sa izvodima se

topi, a opruga odvaja most od izvoda

Koristi se za zaštitu grejača i namotaja motora

REVERZIBILNI OSIGURAČI

Automatski (reset) osigurači

Sastoji se iz mehanizma sa polugom

koja automatski prebacuje u OFF

stanje, a ručno se postavlja u ON

stanje

Automatsko aktiviranje se vrši pomoću

solenoida (elektromagnetno) i

bimetalne trake (elektromehaničko)

Koriste se za zaštitu električnih

instalacija

Kod kućnih električnih instalacija u

upotrebi je kao zaštitini element i FID

sklopka (Residual Current Device)

TOPLJIVI OSIGURAČI

Sastoji se od vatrostalne patrone sa metalnim

kontaktima, sa dodatim peskom kako se pri

pregorevanju ne bi metaliziralo keramičko kućiše

osigurača ██ Ružičasta 2 A D-II-25 A

██ Smeđa 4 A D-II-25 A

██ Zelena 6 A D-II-25 A

██ Crvena 10 A D-II-25 A

██ Siva 16 A D-II-25 A

Plava 20 A D-II-25 A

██ Žuta 25 A D-II-25 A

Crna 35 A D-III-25 A

██ Bela 50 A D-III-25 A

██ Bakarna 63 A D-III-25 A

██ Crvena 80 A D-IV-25 A

██ Srebrna 100 A D-IV-25 A

██ Žuta 125 A D-V-200 A

██ Bakarna 160 A D-V-200 A

Plava 200 A D-V-200 A

REVERZIBILNI OSIGURAČI

Polimerni osigurači (polyswitch, polyfuse)

PTC otpornik od polimera sa dodatkom ugljeničnog praha koji obezbeđuje provodnost

Porast struje zagreva osigurač i menja strukturu polimera iz kristalne u amorfnu, raste otpornost (prelaz u stanje visoke otpornosti trip point se dešava nakon zagrevanja do određene temperature)

Nako isključenja struje, struktura polimera se tokom hlađenja ponovo vraća u kristalnu, opada otpornost, ali ne na početnu

Koriste se za zaštitu računarskih komponenti, zvučnika, punjivih baterija

IZBOR OSIGURAČA

Poţeljno- normalni radni uslovi: temperatura

25°C, struja 25% manja od nominalne...

Ako je nominalna vrednost struje u kolu 1A,

treba izabrati osigurač nominalne struje 1.25A

Ako je veća radna temperatura, performanse

osigurača degradiraju. Na pr. za 70°C, treba

izabrati osigurač za 1.6A

Prilikom postavljanja osigurača na PCB potrebno

je da linije veze na njoj budu dovoljnih dimenzija

da mogu da izdrţe struju prekidanja

ŠEMA, MAKETA, REZULTAT

EKSPERIMENTA...

BRZI OSIGURAC

0.5A

1.2

R

V C C

Osciloskop 1

SPORI OSIGURAC

0.5A

1.2

R

V C C

Osciloskop 2

VEŢBA 3 – ODREĐIVANJE DIELEKTRIČNE

KONSTANTE I TANGENSA UGLA DIELEKTRIČNIH

GUBITAKA

DIELEKTRICI - Dielektrici su materijali koji ne sadrţe slobodne elektrone. Elementarna naelektrisanja vezana su elastičnim unutrašnjim atomskim i molekularnih silama u dielektriku i mogu se pomerati samo na malim rastojanjima pod dejstvom spoljašnjeg električnog polja. Širina zabranjene zone Eg je mnogo veća nego kod ostalih vrsta materijala (veća od 3eV).

Kada se dielektrik unese u spoljašnje električno polje, na čestice deluju elektrostatičke sile. Pod dejstvom tih sila pozitivno naelektrisane čestice se pomeraju u pravcu i smeru spoljašnjeg električnog polja, a negativno naelektrisane čestice u suprotnom smeru. Pomeranje je na mikroskopski male duţine jer se dejstvu elektrostatičkih sila suprostavljaju unutrašnje sile.

NEPOLARNI I POLARNI

DIELEKTRICI

• Ako je dielektrik izotropni, tj. takav da su električne osobine iste u svim pravcima, to bi makroskopski efekti polarizacije trebalo da budu isti za sve izotropne dielektrike. Dielektrici se mogu podeliti na nepolarne i polarne.

• Nepolarni dielektrici – u nepobuđenom dielektriku je raspored elementarnih nosioca naelektrisanja takav da se molekuli ponašaju električno neutralno u odnosu na svoju okolinu, tj. u odsustvu električnog polja centri pozitivnog i negativnog naelektrisanja u molekulu se poklapaju. Kada se priključi električno polje dolazi do pomeranja centara naelektrisanja (javlja se indukovani dipolni momenat).

• Polarni dielektrici – u nepobuđenom dielektriku su centri pozitivnog i negativnog naelektrisanja u molekulu ne poklapaju (međusobno su pomereni) i pri tom obrazuju električne dipole. Dakle, postoje stalni dipolni momenti koji se priključivanjem električnog polja orijentišu u pravcu polja.

VRSTE POLARIZACIJA

Unešeni atom u spoljašnje električno polje se deformiše, jer će pod dejstvom polja, kojima se suprostavljaju unutrašnje sile, zauzimaju novi poloţaj ravnoteţe, javlja se dipolni moment...

Elektronska polarizacija- polarizacija u kojoj dolazi do deformacije elektronske orbitale, tj. pomeranja elektrona u odnosu na atomsko jezgro u pravcu polja

Jonska polarizacija- javlja se u jonskim jedinjenjima kod kojih dolazi do pomeranja jona jednih u odnosu na druge pod dejstvom polja

Dipolna (orjentaciona) polarizacija- usmeravanje polarnih molekula pod dejstvom polja kod kojih postoji stalni dipolni momenat

DIELEKTRIČNA KONSTANTA

C - kapacitivnost kondenzatora kada je između njegovih elektroda vakuum

C/ - kapacitivnost kada je ovaj prostor ispunjen nekim dielektričnim materijalom

Odnos kapacitivnosti ne zavisi od oblika i veličine kondenzatora ako je dielektrični materijal homogen i ispunjava ceo prostor u kome postoji električno polje - relativna dielektrična konstanta

C

Cr

d

S

d

SC r 0

ZAVISNOST DIELEKTRIČNE KONSTANTE OD

UČESTANOSTI F PRIKLJUČENOG NAIZMENIČNOG

NAPONA

r

ff1

2- polarni dielektrik1- nepolarni dielektrik

Polarni dielektrik

Nepolarni dielektrik: postoji samo elektronska polarizacija,

koja se odigrava trenutno te moţe da

prati promenu električnog polja

sve veći broj polarnih molekula (dipola)

ne uspeva da prati promene električnog

polja

u dielektriku postoji samo elektronska

polarizacija, a ne i dipolna

ZAVISNOST DIELEKTRIČNE KONSTANTE

MATERIJALA OD TEMPERATURE

1

r

T1 T2

2

T[ C]

(polarni dielektrik)

(nepolarni dielektrik)

Polarni dielektrik

Nepolarni dielektrik: smanjenje gustine dielektrika, odnosno

smanjenje broja molekula u jedinici

zapremine materijala, smanjuje se proces

elektronske polarizacije, a samim tim i

dielektrična konstanta dielektrika

1. Polarni molekuli ne mogu da se

orijentišu u pravcu električnog

polja, dominira elektronska

polarizacija pa se dielektrična

konstanta skoro i ne menja do T1

2. Povećanjem temperature viskozitet dielektrika se smanjuje i polarni molekuli

onda mogu da se obrću (rotiraju) pod dejstvom sila električnog polja, pa dielektrična

konstanta raste sa povećanjem temperature

3. Porastom temperature toplotna energija dipolnih molekula takođe raste a samim

tim i njihovo haotično toplotno kretanje, oteţana je njihova rotacija pod dejstvom

električnog polja pa dielektrična konstanta počinje da opada

TANGENS UGLA DIELEKTRIČNIH GUBITAKA

EKSPERIMENT...

0 200 400 600 800 1000

1800

1820

1840

1860

1880

1900

1920r

f(Hz)

Nb/BaTiO3

Nakon eksperimenta crtanje grafika u Origin-u...

VEŢBA 4 – KONDENZATORI – TIPOVI, ODZIV

NA IMPULSNU POBUDU (PRELAZNI REŢIM)

Simbol

Sprezanje kondenzatora

Označavanje kondenzatora

104=

10·104· pF=

10·104·10-12 F=

10-7 F=

100 nF

ELEKTROLITSKI KONDENZATORI

Al2O3 je izolator!

Elektrolit je provodnik!

KONDENZATORI – PRELAZNI REŢIM

Kondenzator je pre dovođenja napona, na početku procesa prazan, odnosno obloge su mu elektroneutralne. Napon na kondenzatoru je vc=0 V.

Kada je ulazni napon jednak naponu logičke jedinice, kondenzator se puni preko otpornika u RC kolu. Proces punjenja kondenzatora predstavlja nagomilavanje naelektrisanja na njegovim oblogama. U početku je taj proces brz, a zatim postaje sporiji – nagomilana naelektrisanja formiraju električno polje koje se suprostavlja spoljašnjem polju izvora.

Kada ulazni napon padne na napon logičke nule, kondenzator se prazni preko otpornika R u RC kolu. Nagomilana naelektrisanja se vraćaju, tako da obloge ponovo postaju elektroneutralne.

Da bi se na kondenzatoru uspostavio napon, kroz kolo najpre mora da protekne struja. Vremenska zavisnost promene napona na kondenzatoru je:

Promena napona na kondenzatoru zavisi od amplitude V i proizvoda RC koji se naziva vremenska konsanta (τ) i izraţava se u sekundama. Vremenska konstanta određuje vremensko punjenje i praţnjenje kondenzatora. Vremenska konstanta ne zavisi od dimenzija kondenzatora, već samo od fizičkih osobina dielektrika. Smatra se da se kondenzator napunio/ispraznio za vreme t5.

VIN

VPULSE

4K7

POT

2K2

R

C

OSCILOSKOP

VIN

VPULSE

4K7

POT

2K2

R

C

OSCILOSKOP

=

Low

High

Offset Vpp

Period - T

DutyCycle=𝑡

𝑇∙ 100%

t

Veţbajmo:

1. Low=0V, High=5V, t=1ms,

T=2ms, Vpp=?, Offset=?,

DutyCycle=?

2. Vpp=5V, Offset=0V,

DutyCyle=50%, T=1s,

Low=?, High=?, t=?

VIN

VPULSE

4K7

POT

2K2

R

C

OSCILOSKOP

=

Trimer, potenciometar: 5 kΩ

Veţbajmo:

1. Klizač na 50%, koliki je

otpor između 1-2, 2-3, 1-3?

2. Klizač na 10%, koliki je

otpor između 1-2, 2-3, 1-3?

3. Koliki je otpor kada se 2-3

kratkospoje?

VIN

VPULSE

4K7

POT

2K2

R

C

OSCILOSKOP

1 3

1 2 2 3

VIN

VPULSE

4K7

POT

2K2

R

C

OSCILOSKOP

=

Otpornik: 2.2 kΩ

Naučite označavanje bojama!

VIN

VPULSE

4K7

POT

2K2

R

C

OSCILOSKOP

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

2 2 2 5%

22·102 Ω = 2.2 kΩ ± 5% 2 2 0 0 1

220·100 Ω = 2.2 kΩ ± 1%

VIN

VPULSE

4K7

POT

2K2

R

C

OSCILOSKOP

VIN

VPULSE

4K7

POT

2K2

R

C

OSCILOSKOP

=

VIN

VPULSE

4K7

POT

2K2

R

C

OSCILOSKOP

Sve na istom

potencijalu!

Nisu na istom

potencijalu!

Ovde prekid!

Već znamo...

R ≈ 2.2 kΩ

τ=0.22 ms

t = T/2 = 2.5 ms > 1.1 ms (=5τ)

R ≈ 6.9 kΩ

τ=0.69 ms

t = T/2 = 2.5 ms < 3.45 ms (=5τ)

Tip kondenzatora Vremenska

konstanta

Kondenzator sa plastičnim folijama (polistirolni,

stirofleksni)

Nekoliko dana

Papirni Nekoliko sati

Tantalni elektrolitski Jedan do dva sata

Keramički sa velikom vrednošću dielektrične

konstante

Nekoliko minuta

Aluminijumski elektrolitski sa nenagriţenom

anodom

Nekoliko sekundi

1 2 V

SW-SPST

1mF

C 1

1 K

R 1

L E D

4 fizička pina

2 na šemi?

kra

će –

KA

TO

DA

!

KATODA

Raster ploča

NAJĈEŠĆE PRIMENE KONDENZATORA

Bypass (decoupling) kondenzator

za smanjenje uticaja slučajnih signala visoke

učestanosti i sprečavanje pojave oscilacija

blizu pinova za napajanje digitalnih kola

najčešće keramički kondenzatori

NAJĈEŠĆE PRIMENE KONDENZATORA

Blok (Coupling) kondenzator

propušta AC signale iz jednog dela kola u drugi, a

blokira DC signale

Poliesterski ili elektrolitski kondenzatori

NAJĈEŠĆE PRIMENE KONDENZATORA

Filtarski kondenzator

Najčešće elektrolitski kondenzatori

High-Pass

blokira signale niskih frekvencija

RC diferencijator

NAJĈEŠĆE PRIMENE KONDENZATORA

Filtarski kondenzator

Najčešće elektrolitski kondenzatori

Low-Pass

blokira signale visokih frekvencija

RC Integrator

NAJĈEŠĆE PRIMENE KONDENZATORA

Filtarski kondenzator

Najčešće elektrolitski kondenzatori

Power Supply Filter

Spike Remover

VEŢBA 5 - FERITI

Feritne prigušnice/feritne perlice

Otklanjanje konduktivnih smetnji, tj. šumova

koji se prenose preko linija veza u kolu

fin=50Hz

fšuma=200kHz

RIN=100Ω

______________

10 puta slabljenje:

XL=1kΩ @200kHz

L=?

XL=? @50Hz

FERITI

Feritne prigušnice/feritne perlice

Ferrite choke: na linijama za napajanje

Ferrite bead: na linijama za prenos

podataka

FERITI

PIEZOELEKTRIĈNI MATERIJALI

Direktni piezo-efekat. Piezoelektrični materijali izloţeni dejstvu

mehaničke sile na svojoj površini indukuju naelektrisanje koje je

proporcionalno primenjenoj sili. Do piezoelektričnog efekta dolazi

kada se materijal savija, uvija, pritiska…

Inverzni piezo-efekat. Kada se na komad piezoelektričnog

materijala primeni napon u njemu se generiše naprezanje.

KRISTAL KVARCA

KRISTAL KVARCA U PIRSOVOM OSCILATORU

Na frekvenciji oscilovanja kristal kvarca ima induktivni karakter => π filtar; sa izlaza na ulaz se vraća signal fazno pomeren za 180°

C1 i C2 stabilišu povratnu spregu

R1 obezbeđuje stabilan početak oscilovanja kola

R2 sprečava nerealne oscilacije

POGLEDATI DATASHEET!

PIEZO ELEKTRIĈNA KERAMIKA (PZT) U

ULTRAZVUĈNIM PRETVARAĈIMA - DEMONSTRACIJA

PIEZO ZVUĈNIK, ZUJALICA - BUZZER

Demonstracija rada buzzera korišćenje IC generatora

melodije UM66T

ROM memorija sa integrisanim RC oscilatorom

Napon napajanja 1.3-3.3V

Različite serije za različite melodije

VEŢBA 6 - ODZIV KALEMA NA IMPULSNU

POBUDU

ODZIV KALEMA NA IMPULSNU POBUDU

Naponski pik moţe uništiti ostatak kola!

U trenutku otvaranja prekidača, dioda provede i

kalem se preko nje isprazni.

Koristi se Šotkijeva ili brza prekidačka dioda.

Bez diode

Sa diodom

REALIZACIJA NA PROTO-PLOČI