Click here to load reader

Zbirka rešenih nalog iz elektronskih · PDF file Zbirka je razdeljena na sedem poglavij s tematsko zaokroženimi nalogami in dodatek. V prvem poglavju je nekaj preprostih nalog s

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Zbirka rešenih nalog iz elektronskih · PDF file Zbirka je razdeljena na sedem poglavij...

  • UNIVEZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO

    Andrej Levstek Matija Pirc

    Zbirka rešenih nalog iz elektronskih komponent

    Ljubljana, 2006

  • Predgovor Zbirka rešenih nalog je v prvi vrsti namenjena študentom elektrotehnike smeri Elektronika na univerzitetnem in visokošolskem strokovnem študiju. Naloge v zbirki ilustrirajo snov, ki jih pokrivata predmeta Elektronske komponente ter Komponente in sestavi. Rešitve so opremljene z razlago, ki omogoča enostavno razumevanje poteka reševanja. Naloge obravnavajo lastnosti električnih komponent in njihovo uporabo v različnih vezjih. Zbirka nalog je poleg slušateljev omenjenih predmetov namenjena tudi drugim, ki jih zanimajo lastnosti elektronskih vezij in njihovih gradnikov. Pri reševanju so velikokrat uporabljene določene poenostavitve, ki so zelo pomembne pri inženirskem načrtovanju električnih in elektronskih vezij. Potek reševanja in obseg razlage je lahko precej različen. Pri nekaterih nalogah je podana tudi izpeljava določenih končnih rezultatov, ki sicer ni potrebna za samo rešitev naloge. Te izpeljave so podane z namenom, da se študenti seznanijo s pristopi in postopki, ki pripeljejo do končnih rezultatov, ki se v praksi uporabljajo. Zbirka je razdeljena na sedem poglavij s tematsko zaokroženimi nalogami in dodatek. V prvem poglavju je nekaj preprostih nalog s področja zanesljivosti. Sledijo poglavja z nalogami, v katerih so obravnavane posamezne skupine elektronskih komponent. V dodatku je podano nekaj grafov in tabel za ilustracijo temperaturne odvisnosti upornosti, osnovne lastnosti različnih dielektrikov in standardizirane dimenzije lakiranih žic. Elektronske komponente so področje, ki se naglo razvija, zato so nalogah zajete predvsem najpomembnejše zvrsti, ki so nepogrešljive v elektronskih napravah. Svetovni splet je izvrsten vir podatkov o novih materialih in elementih, ki jih številni proizvajalci nudijo v svojih tehničnih katalogih. Kljub vsej pazljivosti pri pisanju in računanju se zbirki zagotovo nahajajo neodkrite napake, za katere se že vnaprej opravičujeva, hkrati pa bova vesela vsake povratne informacije za izboljšanje prihodnjih izdaj. avtorja

  • KAZALO ZANESLJIVOST ____________________________________________________ 1

    UPORI ____________________________________________________________ 7

    NELINEARNI UPORI _______________________________________________ 31

    KONDENZATORJI _________________________________________________ 53

    TULJAVE_________________________________________________________ 79

    TRANSFORMATORJI _____________________________________________ 107

    SENZORJI _______________________________________________________ 117

    DODATEK _______________________________________________________ 131

    LITERATURA ____________________________________________________ 139

  • Zanesljivost 1

    1. POGLAVJE

    ZANESLJIVOST

  • 2 Zanesljivost

    Naloga 1

    Izračunajte pogostost odpovedi za podano vezje, če so pogostosti odpovedi elementov FRR = 20 FIT, FRC = 2 FIT in FRT = 100 FIT. Izračunajte še povprečen čas do odpovedi za eno tako vezje in za sistem s 100 takimi vezji, kjer odpoved enega vezja, povzroči odpoved celotnega sistema.

    Slika 1.1 – Ojačevalnik v orientaciji skupni emitor

    Rešitev: Pogostost odpovedi celotnega sistema je enaka vsoti pogostosti odpovedi vseh elementov sistema, če odpoved kateregakoli elementa povzroči odpoved celotnega sistema:

    CEL R R C C T TFR N FR N FR N FR= ⋅ + ⋅ + ⋅ (1.1)

    4 20 FIT 2 2 FIT 1 100 FIT 184 FITCELFR = ⋅ + ⋅ + ⋅ = (1.2)

    Povprečni čas do odpovedi sistema je inverzen pogostosti odpovedi sistema, če je pogostost časovno neodvisna:

    1 CEL

    MTTF FR

    = (1.3)

    1 9

    1 sistem5434782,6 hodpovedi odpoved184 10 sistem h

    MTTF −

    = = ⋅

    (1.4)

    1 620 letMTTF ≅ (1.5)

    Za sistem s 100 takimi vezji je pogostost odpovedi ustrezno večja, in povprečni čas med odpovedmi ustrezno krajši:

    100 9 1sistem h 6,2 leta

    100 184 10 odpovedi MTTF −

    ⋅ = ≅

    ⋅ ⋅ (1.6)

  • Zanesljivost 3

    Naloga 2

    Iz podatkov v tabeli izračunajte povprečen čas do odpovedi izdelka (MTTF), če jih je bilo na začetku 10. Tabela 2.1 Odpovedi izdelkov po letih

    Čas Število pokvarjenih izdelkov 1. leto 2 2. leto 1 3. leto 2 4. leto 4 5. leto 1

    Slika 2.1 – Grafični prikaz podatkov iz tabele

    Rešitev: Povprečen čas do odpovedi izdelka je povprečje vseh časov, v katerih je odpovedal en izmed opazovanih izdelkov. Če je v določenem časovnem obdobju odpovedalo več izdelkov, je tisto obdobje šteto večkrat:

    ( ) ( ) 00

    i i i

    MTTF tf t dt t f t ∞ ∞

    =

    = = ∑∫ (2.1)

    2 1 2 4 11 2 3 4 5 3,1 leto 10 10 10 10 10

    MTTF = ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ = (2.2)

    Naloga 3

    Za podano funkcijo gostote verjetnosti odpovedi sistema f(t) izračunajte povprečni čas do odpovedi izdelka MTTF.

    t [leta]

    f(t) [leto-1]

    0

    0,1

    0,2

    0,3

    0,4

    1 2 3 4 50 6 7 8

    Slika 3.1 – Gostota verjetnosti odpovedi sistema v odvisnosti od časa

    t [leta]

    število odpovedi

    0

    1

    2

    3

    4

    1 2 3 4 50

  • 4 Zanesljivost

    Rešitev: Za znano časovno porazdelitev gostote verjetnosti odpovedi, lahko izračunamo povprečni čas do odpovedi po definiciji:

    ( ) 0

    MTTF tf t dt ∞

    = ∫ (3.1)

    ( ) ( ) ( ) 1 6 7 8

    0 1 6 7

    1 4 3 5 16 2 10

    MTTF t t dt tdt t t dt t t dt ⎛ ⎞ ⎜ ⎟= − + + − + + − ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ∫ ∫ ∫ ∫ (3.2)

    3,567 letaMTTF = (3.3)

    Naloga 4

    Določite potrebni čas testiranja tt pri pospešenem staranju, da bo meritev omogočila določitev odpovedi testiranih komponent za obdobje 10 let, če testiramo pri temperaturi 150°C, komponente pa bodo delovale pri temperaturi okolice 70°C! Za aktivacijsko energijo degradacijskega procesa upoštevajte Ea = 0,625 eV.

    0,625 eVaE = 150 CtT = ° 70 CaT = ° 231,38 10 J/Kk −= ⋅ 190 1,6 10 Asq −= ⋅

    Rešitev: Na osnovi podane zahteve izračunamo faktor pospešitve (akceleracije), ki je določen z razmerjem med obema hitrostima reakcije, oziroma tudi z razmerjem med obema časoma:

    1 1

    54,36 a

    t a

    E k T Tt

    t

    t RRAF e t RR

    ⎛ ⎞− ⋅ −⎜ ⎟ ⎝ ⎠= = = = (4.1)

    Pri tem smo upoštevali, da je aktivacijska energija podana v elektron voltih (eV), in da jo moramo pretvoriti v joule preden jo vstavimo v enačbo (4.1):

    19 1900,625 eV 0,625 1 V=0,625 1,6 10 AsV 10 JaE q − −= = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = (4.2)

    Iz enačbe (4.1) izpeljimo čas testiranja tt:

    10 365 24 h 1611 h 54,36t

    tt AF

    ⋅ ⋅ = = = (4.3)

  • Zanesljivost 5

    Naloga 5

    Določite potrebni temperaturi testiranja Tt pri pospešenem staranju, da bo meritev pri 1000 urah omogočila določitev odpovedi testiranih komponent za obdobje 20 let, pri temperaturah okolice 20°C in 70°C! Za aktivacijsko energijo degradacijskega procesa upoštevajte Ea = 0,625 eV.

    0,625 eVaE = 1 20 CaT = ° 2 70 CaT = ° 231,38 10 J/Kk −= ⋅ 190 1,6 10 Asq −= ⋅

    Rešitev: Na osnovi podane zahteve, izračunamo faktor pospešitve (akceleracije), ki je določen z razmerjem med obema časoma:

    20 365 24 h 175,2 1000 h

    a

    t

    T

    T

    t AF

    t ⋅ ⋅

    = = = (5.1)

    Na osnovi enačbe (5.2), ki podaja razmerje hitrosti degradacije pri dveh različnih temperaturah, izračunamo ustrezno temperaturo testiranja Tt

    1 1

    e a

    a t

    E k T TAF

    ⎛ ⎞−⎜ ⎟ ⎝ ⎠= (5.2)

    1 1ln a a t

    k AF E T T

    = − (5.3)

    Aktivacijska energija je podana v elektron voltih (eV), in jo moramo pretvoriti v navadno enoto za energijo t.j. joule.

    19 1900,625 eV 0,625 1 V=0,625 1,6 10 AsV 10 JaE q − −= = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = (5.4)

    1

    1 1

    123

    19

    1 ln

    1 1,38 10 J ln175,2 370 K (273+20) K 10 J/K

    t a a

    kT AF T E

    −−

    ⎛ ⎞= − =⎜ ⎟ ⎝ ⎠

    ⎛ ⎞⋅ = − =⎜ ⎟

    ⎝ ⎠

    (5.5)

    123

    2 19 1 1,38 10 J ln175,2 454 K

    (273+70) K 10 J/Kt T

    −−

    ⎛ ⎞⋅ = − =⎜ ⎟

    ⎝ ⎠ (5.6)

    Gornja rezultata lahko izrazimo tud v °C, ki smo jih bolj vajeni. Odšteti je potrebno temperaturo izhodišča Celzijeve skale t.j. 273 K.

    ( )1 370 273 C 97 C tT = − ° = ° (5.7)

    ( )2 454 273 C 181 CtT = − ° = ° (5.8)

  • 6 Zanesljivost

  • Upori 7

    2. POGLAVJE

    UPORI

  • 8 Upori

    Naloga 6

    Dimenzionirajte napetostni delilnik s slabljenjem -12 dB! Upornost delilnika mora biti med 5 in 6 kΩ. Za realizacijo uporabite vrednosti uporov iz lestvice E24!

    1R 2R u2u1

    Slika 6.1 – Shema napetostnega delilnika

    Rešitev: Iz zahtevanega slabljenja izračunamo razmerj