Prezentujemy możliwości badawcze i osiągnięcia jednostek Politechniki Koszalińskiej. Pokazujemy ich wyposażenie i możliwości współpracy z otoczeniem społeczno-gospodarczym. Tym razem przybliżamy pracę Katedry Elektroniki na Wydziale Elektroniki i Informatyki Politechniki Koszalińskiej. Katedra Elektroniki powstała w 2015 roku z połączenia trzech jednostek: Katedry Podstaw Elektroniki, Katedry Systemów Elektronicznych oraz Katedry Telekomunikacji. Kierownikiem Katedry Elektroniki jest prof. dr hab. Mirosław Maliński.

Na zdjęciu: kierownik Katedry Elektroniki, prof. dr hab. Mirosław Maliński (w środku) wraz ze współpracownikami (siedząca po prawej dr inż. Aneta Hapka pełni obecnie funkcję kierownika katedry Inzynierii Komputerowej). 

Katedra Elektroniki prowadzi specjalności na kierunku Elektronika i Telekomunikacja na studiach I i II stopnia. Prowadzone specjalności na studiach I stopnia (inżynierskich):
- optoelektronika;
- systemy automatyki;
- systemy elektroniczne i telekomunikacyjne.

Prowadzone specjalności na studiach II stopnia (magisterskich):
- elektronika systemów sterowania;
- elektronika użytkowa;
- optoelektronika i fotoenergetyka;
- systemy i sieci telekomunikacyjne.

W ramach katedry funkcjonują stanowiska laboratoryjne i działa kilka zespołów naukowych.
Stanowiska laboratoryjne do badań naukowych:
- stanowisko do pomiaru rozkładu temperatury układów i elementów elektronicznych w szerokim zakresie temperatur wyposażone w kamerę termowizyjną SC660 FLIR, na zakres pomiarowy -40 oC do 1500 oC;
- stanowisko do pomiarów parametrów elektrycznych elementów i układów w dużym zakresie temperatur w klatce Faradaya przy ekranowaniu od zewnętrznego pola elektromagnetycznego;
- stanowisko do badań widm luminacji i chromatyczności obiektów świecących np. LED czy paneli LCD, wyposażone w spektrofotometr Konika Minolta S.C. 2000;
- stanowisko do badania układów impulsowego przetwarzania mocy i układów prostowniczych wykorzystywanych w energoelektronice wyposażone w: trójfazowy analizator jakości zasilania i energii Fluke 435, mostek RLC, stację roboczą PXI firmy NI;
- stanowisko do badań anten wyposażone w: analizator antenowy AA-1000 do pomiarów impedancji, strojenia i testowania anten w zakresie częstotliwości od 0,1 MHz do 1000 MHz, analizator natężenia pola elektromagnetycznego w paśmie częstotliwości radiowych, generator sygnałów RF firmy Agilent Technologies do testowania systemów łączności;
- stanowisko do badań parametrów optycznych i widm optycznych oraz parametrów termicznych nowych materiałów optoelektronicznych wykorzystujące metodę fotoakustyczną;
- stanowisko do badań rekombinacyjnych oraz rozkładu powierzchniowego parametrów rekombinacyjnych metodą SPV (fotonapięcia powierzchniowego);
- stanowisko do badań rozkładów powierzchniowych parametrów rekombinacyjnych materiałów elektronicznych np. czasu życia nośników oraz rozkładów przewodnictwa cieplnego materiałów z wykorzystaniem metody modulacji światła na swobodnych nośnikach oraz fototermicznej radiometrii w podczerwieni;
- stanowisko do badań symulacyjno-obliczeniowych struktury elektronowej i właściwości kryształów.

Zespół Optoelektroniki i Fotowoltaiki

Kierownikiem zespołu jest prof. dr hab. Aleksy Patryn. Badania naukowe prowadzone w tym zespole dotyczą głównie materiałów i struktur elektroniki, w tym optoelektroniki i fotoenergetyki. Podstawowe metody stosowane w badaniach to analiza fotoakustyczna z detekcją mikrofonową PA, modulacja absorbcji na swobodnych nośnikach MFCA, radiometria fototermiczna PTR, metoda fotonapięcia powierzchniowego SPV, badania symulacyjno-obliczeniowe struktury energetycznej ciał stałych.

Katedra dysponuje zestawem aparatury doświadczalnej pozwalającej na prowadzenie tych badań przy selektywnym optycznie wzbudzeniu obiektów w zakresie widmowym widzialnym i podczerwieni. Wzbudzenie w tym zakresie modulacji jest możliwe poprzez zastosowanie różnego typu laserów półprzewodnikowych (na zakres czerwony, zielony i niebieski) oraz monochromatorów i oświetlaczy z lampami halogenowymi i ksenonowymi. Stanowiska pomiarowe w zależności od zadań badawczych zawierają oryginalne komory pomiarowe, detektory podczerwieni firmy Vigo, fotodiody na zakres bliskiej podczerwieni, stoliki przesuwne X-Y, wzmacniacze fazoczułe typu Lock-In oraz opracowane w katedrze komputerowe układy sterowania i akwizycji danych.

Dr hab. inż. Leszek Bychto, prof. PK na stanowisku do badań fotoakustycznych. 

 

Badania teoretyczno-obliczeniowe właściwości materiałów w ramach teorii funkcjonału gęstości.
W części symulacyjno-obliczeniowej katedra dysponuje pracownią do badań teoretycznych struktury elektronowej i właściwości kryształów, posiadającą oprogramowanie do badań teoretycznych w ramach teorii funkcjonału gęstości (CASTEP, VASP, FHI-aims) i z wykorzystaniem potencjałów typu „force field” (LAMMPS) struktury elektronowej i właściwości kryształów.

Celem badań jest uzyskanie różnych właściwości fizycznych wybranych materiałów półprzewodnikowych (kryształów i cienkich warstw) dla zastosowań elektronicznych i optoelektronicznych poprzez zbadanie ich właściwości elektronowych i fononowych (kwant energii drgań sieci krystalicznej).
Badania właściwości elektronowych i fononowych są przeprowadzane z wykorzystaniem zarówno metod teoretyczno-obliczeniowych w ramach teorii funkcjonału gęstości (DFT), jak i technik eksperymentalnych z wykorzystaniem spektroskopii optycznej i pomiarów przewodności elektrycznej.

Niektóre badania optyczne są wykonywane w ramach projektów pomiarowych z wykorzystaniem promieniowania synchrotronowego HZB BESSY II w Berlinie (dostęp uzyskany w ramach konkursu). Część badań jest poświęcona obliczeniom energii oddziaływania cząsteczek organicznych z powierzchnią miedzi. Badania te są wykonywane w ramach współpracy z naukowcami z Instytutu Maxa Plancka do Badań Ciała Stałego w Stuttgarcie (Max-Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart, Niemcy).

Badania teoretyczno-obliczeniowe właściwości elektronowych i fononowych materiałów w ramach teorii funkcjonału gęstości (DFT) są wykonywane z wykorzystaniem komputerów o dużej mocy w centrach obliczeniowych: Interdyscyplinarnym Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego (Uniwersytet Warszawski) i Wrocławskiego Centrum Sieciowo-Superkomputerowego (Politechnika Wrocławska) oraz MPCDF w Niemczech.

Zespół Energoelektroniki

Kierownikiem zespołu jest prof. dr hab. inż. Włodzimierz Janke. Badania naukowe prowadzone w Zespole Energoelektroniki dotyczą m.in.:
- parametrów termicznych i elektrycznych elementów i układów elektronicznych, a w szczególności elementów i układów pracujących impulsowo;
- opracowywania modeli termicznych oraz elektrotermicznych wybranych elementów półprzewodnikowych, ze szczególnym uwzględnieniem elementów z węglika krzemu;
- projektowania przetwornic i układów sterowania przetwornicami DC/DC, rozwijania metod istniejących i badania nad nowymi metodami sterowania;
- badań i symulacji mechanizmów generacji, transmisji i recepcji zakłóceń w przetwornicach napięcia; zespół prowadzi również badania naukowe w zakresie systemów i urządzeń telekomunikacyjnych, telekomunikacji światłowodowej, elektromagnetyzmu, teorii anten i środowiska elektromagnetycznego;
- rozwinięcia technik symulacji nieliniowych obwodów elektronicznych, polegające na wprowadzeniu członów redukujących błędy opracowanych metod, symulacji układów elektronicznych oraz usprawnienia procesów projektowania układów impulsowego przetwarzania mocy.

Badania układów impulsowego przetwarzania mocy i układów prostowniczych wykorzystywanych w energoelektronice

Głównymi celami tego rodzaju badań są pomiary wraz z analizą charakterystyk wybranych układów energoelektronicznych, a w szczególności impulsowych przekształtników mocy typu Buck, Boost i Flyback. Opracowane stanowisko badawcze umożliwia rejestrację charakterystyk małosygnałowych przekształtników napięcia DC/DC dla trybu ciągłego przewodzenia (CCM) i trybu przewodzenia nieciągłego (DCM). Za pomocą wykorzystywanego stanowiska pomiarowego można scharakteryzować właściwości impulsowych przetwornic napięcia DC/DC m.in.:
- input-to-output (pozwala na ocenę przenoszenia zakłóceń o charakterze sygnałów zmiennych od wejścia zasilania do wyjścia przetwornicy),
- control-to-output (pokazuje wpływ sygnałów sterujących na napięcie wyjściowe),
- impedancja wyjściowa (szczególnie ważna do opisu przetwornicy do zasilania odbiorników niskonapięciowych o dużym poborze prądu i dużej szybkości zmian prądu obciążenia),
- admitancja wejściowa (stosowana w układach z korektą współczynnika mocy - PFC lub bloków śledzenia punktu maksymalnej mocy - MPPT).

Ważnym elementem badań wybranych układów energoelektronicznych są pomiary stanów przejściowych zachodzących w przetwornicach napięcia DC/DC pod wpływem zjawisk pasożytniczych (najczęściej szeregowej rezystancji), a w szczególności w układach przełączających m.in. w tranzystorach MOSFET czy HEMT, zarówno dla „szybkich” stanów przejściowych w obrębie pojedynczego okresu jak również dla „powolnych” trwających wiele okresów. Obserwacja tych stanów pozwala na zaprojektowanie odpowiedniego rozwiązania układu tłumiącego zakłócenia (snubber), co umożliwia zmniejszenie strat mocy w przetwornicy czy w układach przełączających.

Elementami tego stanowiska są:
- wektorowy analizator obwodów (Bode 100 Omicron) - do 50MHz;
- mostek RLC (Fluke PM6306) - do 1MHz;
- stacja robocza PXI firmy National Instruments wraz z kartą pomiarową Ni-6115 DAQ (10MS/s/ch), oprogramowanie LABView;
- oscyloskop Tektronix MSO56 (350MHz/6kanały) oraz MSO/DPO5104 (1GHz/4kanały) wraz z sondami prądowymi 30A/DC-120MHz oraz 150A/DC-20MHz i wysokonapięciowymi 2500V/DC-800MHz.

W ramach badań nad impulsowymi przekształtnikami mocy realizowane są symulacje charakterystyk przekształtników napięcia DC/DC za pomocą programu PSpice, na podstawie pełnego opisu elementów przekształtnika oraz na uśrednionych modelach, w których uwzględnia się rezystancje pasożytnicze elementów przekształtnika wyznaczanych z pomiarów.

Dodatkowym zagadnieniem realizowanym w ramach badań wybranych układów energoelektronicznych są obserwacje wpływu temperatury na pracę całego układu energoelektronicznego oraz efekty samonagrzewania poszczególnych elementów. Badania te realizowane są przy wykorzystaniu kamery termowizyjnej SC660 FLIR (zakres pomiarowy: od -40°C do 1500°C) oraz komór temperaturowych: Feutron (-40 °C -180 °C) oraz Nabertherm (25 °C - 800 °C).

Stanowisko do montażu powierzchniowego elementów SMD

W ramach Zespołu Elektroenergetyki funkcjonuje stanowisko montażu powierzchniowego układów elektronicznych, na którym wykonywane są prototypowe układy elektroniczne. Stanowisko to składa się z: frezarki do wykonywania płytek drukowanych, stanowiska do dozowania pasty lutowniczej na pola lutownicze płytki, stanowiska z mikromanipulatorem do nakładania elementów SMD na pola z pastą lutowniczą, pieców do lutowania rozpływowego z regulowanym profilem temperaturowym.

Głównym celem opracowanego stanowiska jest prezentacja techniki wykonania płytki PCB oraz lutowanie powierzchniowego podzespołów SMD. Pierwszym elementem półautomatycznej linii lutowniczej jest automatyczna maszyna frezująca płytkę laminatową pokrytą miedzią Cu o dowolnej grubości. Efektem tego procesu jest wykonanie na podstawie schematu ideowego opracowanego układu elektronicznego na płytce PCB. Zanim płytka PCB wraz z elementami elektronicznymi trafi do pieca nanoszona jest pasta lutownicza przez ręczny dyspenser, który precyzyjnie dozuje pastę w wybranych miejscach lutowniczych.

Elementami tego stanowiska są:
- piec komorowy z termoobiegiem o programowanym profilu temperaturowym TWS 580,
- frezarka PCB LPKF ProtoMat S62,
- dyspenser do nakładania pasty lutowniczej,
- manipulator do układania podzespołów SMD.

Mgr inż. Maciej Bączek i prof. dr hab. Mirosław Maliński (w głębi) na stanowisku projektowania przetwornici układów sterowania przetwornicami DC/DC. 

Laboratorium badań nieniszczących częstotliwościowych

W laboratorium stosowane są metody nieniszczące w dziedzinie częstotliwości oparte na mechanizmie fal termicznych i plazmowych. Są one konsekwencją absorpcji światła laserowego w próbce. Wykorzystywane metody to: metoda radiometrii w podczerwieni, metoda absorpcji na nośnikach swobodnych oraz metoda fotoakustyczna. Metody te umożliwiają badania parametrów materiałów półprzewodnikowych mające kluczowe znaczenie w przemyśle elektronicznym.

Metoda radiometrii (ang. PTR – Photo Thermal Radiometry) w podczerwieni jest jedną z nieniszczących metod pozwalających głównie na uzyskanie informacji zarówno na temat parametrów rekombinacyjnych jak i termicznych badanych materiałów. W metodzie tej badana próbka jest oświetlana natężeniowo zmodulowaną wiązką światła laserowego o energii fotonów większej niż przerwa energetyczna badanego półprzewodnika. W rezultacie absorpcji optycznej światła w próbce powstają periodyczne fale termiczne i plazmowe. W ogólnym przypadku rozkłady przestrzenne składowej periodycznej temperatury i koncentracji nośników są funkcjami wielu parametrów badanej próbki.

Metoda modulacji absorpcji na nośnikach swobodnych (ang. MFCA – Modulated Free Carriers Absorption) oparta jest na efekcie absorpcji światła podczerwonego przez nośniki swobodne. W metodzie tej elektrony w paśmie przewodnictwa generowane są przez periodyczną wiązkę światła laserowego o energii większej niż przerwa energetyczna badanego półprzewodnika. W rezultacie prowadzi to do powstania zmiennej koncentracji elektronów w paśmie przewodnictwa. W tym samym czasie na próbkę skierowana jest wiązka sondująca światła podczerwonego o stałym natężeniu i energii mniejszej niż przerwa energetyczna badanego półprzewodnika. Periodyczne zmiany koncentracji elektronów powodują periodyczne zmiany transmisji wiązki światła podczerwonego. Zmiany natężenia światła podczerwonego są rejestrowane za pomocą detektora pracującego w zakresie bliskiej podczerwieni. Analiza charakterystyk amplitudowych i fazowych sygnału MFCA umożliwia wyznaczanie parametrów rekombinacyjnych badanego materiału półprzewodnikowego.

Stanowisko do badań MFCA (modulowanej absorpcji na na swobodnych nośnikach). 

Metoda fotoakustyczna (ang. PA – Photo Acoustic) umożliwia charakteryzację badanych materiałów pod kątem wyznaczania ich właściwości termicznych, optycznych, jak i rekombinacyjnych. W metodzie fotoakustycznej badana próbka umieszczona jest w specjalnie zaprojektowanej komorze i oświetlana periodycznie zmodulowaną natężeniowo wiązką światła laserowego. W wyniku absorpcji światła w badanej próbce periodycznie zwiększa się temperatura próbki, co prowadzi do okresowych zmian ciśnienia w komorze wypełnionej gazem. Zmiany ciśnienia są rejestrowane za pomocą mikrofonu. Informacja o parametrach badanej próbki ukryta jest w amplitudowych i fazowych charakterystykach mierzonego sygnału PA.

Wykorzystywane w laboratorium metody umożliwiają wyznaczenie parametrów termicznych badanych materiałów takich jak: dyfuzyjność termiczna i przewodnictwo cieplne oraz parametrów rekombinacyjnych, takich jak: czas życia nośników, prędkości rekombinacji powierzchniowych czy też droga dyfuzji.

Zdjęcia: Adam Paczkowski/Politechnika Koszalińska