Járművillamosság és elektronika II. Passzív elektronikai alkatrészek a gépjárművekben

Az elektronika terjedése

Elektronikai egységek a gépjárművekben korábban

Elektronikai egységek a gépjárművekben napjainkban

Mikrovezérlők a gépjárművekben

Trendek Kezdetben független elektronikus egységek voltak. Szükségessé vált az elektronikus egyégek közötti kommunikáció, kábelmennyiség csökkentése. Szabványos buszhálózatok elterjedése (CAN, LIN, MOST, FlexRay). Különböző gyártók termékei legyenek képesek egymással kommunikálni szabványos buszokon keresztül. Legdinamikusabban fejlődő terület a gépjárművekben az elektronika. Rendszerszintű gondolkodás szükséges.

Elektronikai alkatrészek

Ellenállások és csoportosításuk Áram és a feszültség közötti kapcsolat leírására alkalmazott arányossági tényező. Az arányossági tényező linearitása és az ellenállások fizikai megvalósítása szerint két csoportra oszthatjuk: - Passzív ellenállás (statikus, lineáris U-I): - Elektromos ellenállás (dinamikus, differenciális U-I):

Ellenállás szemléltetése

Ellenállások Ellenállás értéke alapján: - Fix értékű - Változtatható értékű Üzemszerűen mi változtatja az ellenállás értékét: Potenciométer, trimmer potenciométer (csúszka elmozdulása) Nyúlásmérő bélyeg (mechanikai behatás, nyúlás) Termisztor (hő hatására változik) Varisztor (feszültség hatására változik) Fotoellenállás (fény hatására változik, külön fejezetben) Hall-ellenállás (mágneses tér hatására változik)

Passzív ellenállások Az ellenállás értéke nagy relatív állékonyságot mutat a környezeti paraméterekkel szemben (más eszközök is viselkednek ellenállásként). A modern elektronika leggyakrabban alkalmazott alkatrésze mind diszkrét, mind integrált formában. Megvalósítás szerint: Huzalellenállás Rétegellenállás Alkalmazási példák: Feszültségosztás Feszültségejtés Áramosztás Áramkorlátozás

Huzalellenállások Alacsony hőmérsékleti együttható (ΔR/ΔT) Nagy áram terhelhetőség Kis értékű ellenállások (max. ~100 Ω) Fix és változtatható értékű kivitel (pl. műterhelés) Ellenállás számítása: ahol ρ a fajlagos ellenállás, az l a huzal hossza, A a keresztmetszete. 1000 °C alatti üzemre tervezett huzalellenállás anyagok: Manganin (Cu-Ni ötvözet) Konstantán (Cr-Ni ötvözet)

Rétegellenállások Anyaguk alapján lehetnek: Kristályos szénréteg Szénréteg Tömör szén Fémréteg vagy Cermet Szobahőmérsékleten a legkedvezőbb paraméterekkel a fémréteg rendelkezik: Alacsony zaj Jó linearitás Alacsony hőmérsékleti drift Terhelhetőség Alacsony meghibásodási gyakoriság Üzemi hőmérséklet Hőmérsékleti együttható A leggyakoribb a fémréteg ellenállás.

Rétegellenállások Fizikai megvalósítás alapján lehetnek: Önhordó (axiális vagy radiális lábkivezetés) furatszerelt technológiához (THT) Felületszerelt (ólmos vagy ólommentes SMT) Vastag- vagy vékonyréteg ellenállások (integrált hibrid, multichip, stb.) Fix vagy változtatható értékű (potenciométerek). Egyedi, vagy hálós kialakítás.

Ellenállás típusok

SMD ellenállások jelölése

Ellenállások jellemző paraméterei Névleges ellenállás érték (Ω, általános célú, precíziós) Tolerancia (%) Terhelhetőség (W, a megengedett terhelhetőség függ a környezet hőmérsékletétől (vk) is.) - Veszteségi teljesítmény: Tipikus teljesítmény kategóriák: 1/10, 1/4, 1/3, 1/2, 1, 2, 5, 10… [W] Hőfokfüggés (TCR, ppm/ °C ) Fizikai méret és kialakítás

Ellenállások hőfokfüggése Maximális üzemi hőmérséklet Növekvő környezeti hőmérséklet esetén a terhelhetőség csökken Hőmérsékleti együttható (anyagfüggő jellemző) Pozitív Negatív

Ellenállások helyettesítőképe Hozzávezetés miatt kapacitás Huzalellenállás -> tekercselés miatt, rétegellenállás -> trimmelés miatt induktivitás Az ellenállás impedanciája frekvenciafüggő Alacsonyabb értékű ellenállások esetén induktivitás Magasabb értékű ellenállások esetén a kapacitás a jellemző

Ellenállások zaja Minden aktív vagy passzív elektronikus alkatrész zajt termel 0 °K felett (termikus vagy Johnson-zaj) A termelt zaj az ellenállás gyökével nő Pz=kTB T = abszolút hőmérséklet B = az ellenállásra jutó jel sávszélessége k = Boltzmann állandó ( 1,38*10-23 [Ws/K] Kerülni kell az indokolatlanul nagy értékű ellenállások használatát! Széria szerűen általában nem gyártanak 10 MΩ feletti értékű ellenállást, a nyomtatott áramköri panel ellenállása akár kisebb is lehet adott esetben.

Potenciométer Passzív ellenállások. Gyakori beállításra: Forgó potenciométer (1 vagy többfordulatos, körpálya) Csúszóérintkezős potenciométer (síkpálya) Alkalmankénti beállításra: Trimmer (~3-20 fordulatos) Preset (1 fordulatos)

Elektromos ellenállások Külső hatásra az áram és a feszültség közötti arányossági tényező megváltozik. A változás az dinamikus ellenállással írható le. Fajtái: Nyúlásmérőbélyeg Hőellenállás (termisztor) Varisztor Fotoellenállás Hall-ellenállások

Nyúlásmérő bélyeg Az ipar egyik leggyakrabban alkalmazott méréstechnikai jelátalakítója nemvillamos mennyiségek mérésére. A félvezető alapú nyúlásmérők elterjedőben (nagyobb érzékenység, jobb linearitás). g = gauge-faktor, átalakítási tényező R0 = a bélyeg terheletlen ellenállása ΔR = az ellenállás változás mértéke erő hatására Ε a megnyúlási tényező A hőmérsékleti hibát kompenzálni kell, ezért teljes hidas kapcsolást alkalmaznak aktív/passzív szenzorokkal a semleges szálban.

Hőellenállás (termisztor) Hőmérsékleti együttható szempontjából létezik: Pozitív hőmérsékleti együtthatójú (PTK, PTC) Negatív hőmérsékleti együtthatójú (NTK, NTC) PTK: Magas hőmérsékletű mérések (1000 - 3000°C) Fém (+0.5 %/K) vagy kerámia (~5..75 %/K) alapanyag Túláram korlátozás Izzító gyertyák Fűtés

NTK, NTC Negatív hőmérsékleti együttható Alapanyagok: Fémoxidok Titán vegyületek Alkalmazási terület: Hőmérséklet mérés -40…+200°C Hőmérsékleti együttható -2...-7 %/K

Varisztor (feszültségfüggő ellenállás) Fémoxid (MOV) és félvezető (SiC) alapú Erősen nemlineáris karakterisztika Alkalmazási terület: Túlfeszültség védelem Feszültségfüggő osztás

Varisztor

Hall-ellenállások Hall-hatás: Alkalmazási területük: Mágneses térben az elektronok pályája elhajlik, ha az áram útjára merőlegesen létrehozunk mágneses teret, így az áram útja megnő, ami az ellenállás növekedését eredményezi Alkalmazási területük: Méréstechnika (lineáris üzem) Közelítéskapcsoló (kapcsolóüzem)

Kondenzátorok Töltéstárolási képesség (elektromos tér formájában) Ɛ = dielektromos állandó (permittivitás) A = tároló lemezek felülete d = tároló lemezek távolsága Ɛ0 = vákuum dielektromos állandója ( ~8,855*10-12 As/Vm) Ɛr = dielektromos állandó Lemezek közötti szigetelőanyag tulajdonságai: Véges szigetelési ellenállás Fajlagos ellenállása nagy, nem végtelen Kis mértékben átvezet (önkisülés) Adott feszültség felett átüt

Kondenzátorok

Kondenzátorok csoportosítása Dielektrikum alapján: Légnemű vagy folyadék Műanyag Elektrolit Kerámia, csillám, kvarc Mechanikai konstrukció alapján: Önhordó Tekercselt Hengeres Fazék Réteg Fólia Trimmer Felületszerelt (SMD) Értékük relatív állandósága alapján: Fixértékű Változtatható értékű (ritkán használt) A kondenzátorra kapcsolható feszültség alakja szerint: Polarizált Nem polarizált

Nem-polarizált kondenzátorok A nem elektrolit dielektrikumúak általában nem polarizáltak Legelterjedtebb a műanyag dielektrikumú Kis és stabil kapacitások a kerámia, csillám vagy kvarc kondenzátorok Fémezett papír kondenzátorok (MP) ~kV-os átütési tartomány A dielektrikum olajjal átitatott papír A fegyverzetek gőzölögtetéssel felvitt rétegek Motorindító, fáziskompenzáló Műanyag dielektrikumú kondenzátor: ~nF-tól ~µF kapacitás értékig ~100V-ig Stabil kapacitást igénylő áramkörökben Dielektrikumai: polisztirol, polipropilén, polietiléntereftalát, polietilén naftalát, polikarbonát, polifenilszulfid

Nem-polarizált kondenzátorok Kerámia dielektrikumú kondenzátor: Nagy frekvencián is megbízható Alacsony veszteségi tényező Stabil Kis kapacitás értékű Hőmérsékleti együttható pozitív és negatív is lehet

Polarizált kondenzátorok Száraz vagy nedves dielektrikumú A dielektrikum anyaga lehet: Alumíniumoxid (Al2O3) Tantálpentoxid (Ta2O5) Alumíniumoxid kondenzátor: Az egyik elektróda alumínium fólia Megnövelt felületű alumíniumoxid szigetelés (rendkívül jó szigetelő) Másik elektróda nedves vagy száraz elektrolit Veszteségi tényező rossz Szivárgó áram jelentős Nagy kapacitás Alacsony élettartam (pl. kapcsolóüzemű tápegységek) Jellemző felhasználási terület: simítás és szűrés elektronikai tápegységekben Tantálpentoxid kondenzátor: Kis méretben jelentős kapacitás Stabil kapacitás Széles hőmérsékleti tartomány Kis mértékű fordított polaritást is elvisel Drága Szilárd vagy nedves elektrolit

Polarizált kondenzátorok

Polarizált kondenzátorok

Valóságos kondenzátor helyettesítő képe Rp = dielektrikum veszteségei Rs = hozzávezetések és belső összeköttetések veszteségi ellenállása L = struktúrától függő induktivitás A kondenzátorokat általában a soros rezonancia frekvencia alatt használják, így induktivitásuk elhanyagolható. Nagyfrekvencián a soros, míg kisfrekvencián a párhuzamos ellenállás dominál, ami használat közben a feszültség növekedésével melegedést okoz.

Feszültség terhelhetőség Növekvő feszültség = növekvő hővé alakított veszteség, melegszik a dielektrikum . Nagyon vékony dielektrikumon fellépő térerő (átütés). A gyártó általában a rákapcsolható névleges egyenfeszültséget adja meg. A megengedett váltakozó feszültséget (rms) a névleges feszültség százalékában vagy abszolút értékben adják meg. A hőmérséklet növekedésével csökken a megengedett feszültség. Frekvenciafüggőség:

Szivárgó áram és tűrés A dielektrikum véges fajlagos ellenállása miatt a fegyverzetek között szivárgás lép fel. Jelentős a mértéke az elektrolit kondenzátoroknál. Töltését záros időn belül elveszti. Katalógusadat. A kondenzátorok tűrése lényegesen nagyobb, mint az ellenállások tűrése (különösen az elektrolit kondenzátoroknál, ±5%, ±10%, ±20%).

Tekercsek Az induktivitások fizikai megvalósításai. Mágneses terükben jelentős energiát képesek felhalmozni, amely a tekercsen átfolyó áram hatására jön létre. Mértéke a mágneses fluxus . Általában kapcsolóüzemű tápegységekben, zavarszűrő kapcsolásokban és áramkorlátozó elemként használjuk. Általában nem katalógus áramkörök, egyedi, kisszériás gyártás. Fajtái: Légmagos Vasmagos Ferrit-gyűrű, ferrite-bead

Légmagos tekercsek Kis induktivitás Nagyfrekvenciás alkalmazás Induktivitásuk stabil, lineáris Mechanikai stabilitás alacsony Csak rézveszteség µ = permeabilitás N = menetszám l = tekercs hossza A = tekercs keresztmetszete

Vasmagos tekercsek Ferromágneses anyagok. Mágnesezési görbéje nem lineáris, ezért nemlineáris alkatrészeknek tekinthetők. Rézveszteség. Vasmag veszteségei: Pv = vasveszteség PH = hiszterézis-veszteség Pö = örvényáramú veszteség PV=PH+PÖ A hiszterézis-veszteség arányos a mágnesezési görbe által bezárt területtel és a frekvenciával. Az örvényáramú veszteség a vasmag kialakításától, szemcsenagyságától, a szemcsék egymástól való elszigeteltségétől függ és a frekvencia négyzetével arányosan nő.

Vasmagos tekercsek Gyakoribb lágymágneses vasmagok: Lemezelt vasmag Ferrit vasmag Nagyfrekvenciás porvasmagok

Ferritgyűrű, bead Passzív elektronikai alkatrész, amely a nagyfrekvenciás zavarok csillapítását (szűrését) végzi elektromos áramkörökben aluláteresztő szűrőként. Megtalálhatók a kábeleken, vagy kis méretben az áramkörön belül is.

Köszönöm a figyelmet!

Felhasznált irodalom Dr. Kovács Ernő – Elektronika I. (Miskolci Egyetem előadás jegyzet) Robert Bosch GmbH - Bosch Automotive Electronics and Automotive Electronics, Springer (5th edition)