elektronika - fsb onlinetitan.fsb.hr/~dzorc/teach/predavanja_b.pdf · 1 fakultet strojarstva i...
TRANSCRIPT
1
Fakultet strojarstva i brodogradnje
Katedra za strojarsku automatiku
ELEKTRONIKA
Dr. Sc. Davor Zorc
2013.
2
• Literatura:
J. Grilec, D. Zorc: ″Osnove elektronike″, Školska knjiga, Zagreb.
T. Šurina: ″Tranzistorska tehnika″, Tehnička knjiga, Zagreb.
P. Biljanović: ″Elektronički sklopovi″, Školska knjiga, Zagreb.
P. Biljanović: ″Mikroelektronika″, Školska knjiga, Zagreb.
J. Millman, A. Grabel: ″Microelectronics″, Mc. Graw Hill.
L. Frenzel, ″Electronics Explained: The New Systems Approach to Learning Electronics″, Elsevier NEWNES.
• ELEKTRONIKA se bavi vo ñenjem struje kroz poluvodi če, plinove i vakuum, te pripadnim elementima i sklopovima. Op ćenito, bavi se obradom informacija i pretvorbom energije.
ELEKTRONIČKI ELEMENTI, SKLOPOVI, UREðAJI
• Podru čja:
Opća elektronika (elementi, sklopovi, integrirani sklopovi)
Analogna – digitalna – računalna (informacijska)
Visokofrekventna, mikrovalna tehnika, optoelektronika, energetska elektronika, itd.
Po namjeni: avionika, automobilska, biomedicinska, itd.
Profesionalna elektronika - Potrošačka elektronika
3
• SADRŽAJ
Elektronički elementi: diode, tranzistori, tiristori
Elektronički sklopovi: ispravljači, stabilizatori napona, pojačala, povratna veza, oscilatori, tranzistorske sklopke
Operacijska pojačala
Digitalni integrirani sklopovi: logički sklopovi, bistabili, memorije
Mikroračunala
Dodatna poglavlja za kolegij Elektronika (mehatroničari): Linearni integrirani sklopovi: primjena operacijskih pojačala, regulatori napona, pojačala snage, vremenski sklopovi
Senzori, akvizicija signala, A/D i D/A pretvornici, aktuatori
Mikrokontroleri, programabilni logički kontroleri, sklopovi za napajanje, upravljanje snagom, elektronička instrumentacija
4
POLUVODIČI
Kovalentna veza sa 4 susjedna atoma u kristalnoj rešetki Germanij i silicij su 4-valentni, struju vode elektroni i šupljine
slobodni elektron šupljina
Generiranje parova elektron-šupljina i rekombinacija Dodavanje 3 ili 5-valentnih primjesa povećava vodljivost n-tip(5-valentna primjesa): mnogo slobodnih elektrona, mnogo nepokretnih + iona, malo šupljina (manjinski nosioci ) p-tip(3-valentna primjesa): mnogo šupljina, mnogo - iona, malo elektrona (manjinski nosioci)
5
ZAPORNI SLOJ
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
- - -
- -
-
-
-- -
n p
Difuzija
6
Q
V
+-
V∆
difuzni napon iznosi oko 0.7V za silicij, 0.3V za germanij
7
POLUVODIČKA DIODA
p n
A K
p n
p n
+
+
p n
+
+
8
KARAKTERISTIKA DIODE
A
V
+ -
[ ]kVUz
zoUϑ
1 5,0
ϑ
[ ]AI p
[ ]AI z µ
[ ]VUppoU 1 2
2
4
20
10
• Propusno podru čje, zaporno podru čje, podru čje proboja
Idealna dioda? Dioda je nelinearni element ->grafičko rješavanje strujnog kruga
9
ISPRAVLJA ČI
~~=
+
−
ISTOSMJ.TROŠILO
u~ R
u = uD + uR
2
T T t
u
MU
efU
srU
DMAXU
napon na trošilu:
2)(
1
2)(
1
0
2
sin.
0
MT
Ref
efMT
Rsr
Udttu
TU
UUdttu
TU
==
===
∫
∫ ππ
10
Filtriranje ispravljenog napona
~
i
uC
R
u
SRU ′
SRU
2/T Tt
C
bez C
PUNOVALNI ISPRAVLJA Č Graetzov mostni spoj
+ -~+
u
MU
T t
napon na trošilu :
2
2
Mef
Msr
UU
UU
=
=π
11
TROFAZNI POLUVALNI ISPRAVLJA Č R
S
T
0
R
12
T
12
5T t
u
R S T R S ...MU
],0[1
0
TdtuT
UT
sr ∫=
∫ ===⋅=12/5
12/
17,183,02
332sin
13
T
T
efMMMsr UUUtdtT
UT
Uπ
π
12
TROFAZNI PUNOVALNI ISPRAVLJA Č A
B
RST
12
T
125T t
u
R S T R S ...MU
( ) ( )
efefMSR
MSmR
T
T
SR
T
BASR
UUUU
tT
UutT
Uu
dtuuT
dtuuT
U
34,26333
3
22sin,
2sin
611 4/
12/0
00
===
−==
−⋅=−= ∫∫
ππ
πππ
13
ZENER DIODA
I
UR =
- statički R
i
ur
∆∆=
- dinamički R
rS /1=
ZI
I∆
DU
DI
U∆ZU
V7,0
ZZ
Z rI
U=
∆∆
- Zenerov otpor
Zenerova dioda radi u području proboja. Probojni napon ovisi i o temperaturi (temperaturni koeficijent) Simboli:
K
A
ZI
K
A
14
• STABILIZACIJA NAPONA
TI
GU STUG S T
( )
TT
STG
G
STST
TGST
II
UU
U
UU
IUfU
∆∂
∂+∆∂∂=∆
= ,
.konstIST
G
TU
U
=
∂∂
=σ
- faktor stabilizacije
konstUT
ST
GI
U
=
∂∂=ρ
- unutrašnji otpor (negativan)
GU
STU.stbez
TI
STU
.stbezvelik σmali ρ
15
STABILIZATOR SA ZENER-DIODOM (PARALELNI)
GU
SR
TRU
Gi
Zi
Ti
+-
GU
SR
U
GUU
SR
GI
GU
S
G
R
U
S
G
G
G
GSGG
R
UI
U
U
URIUU
+=
+=
1
:
Grafičko rješenje IT=I G - IZ konstrukcijom točku po točku:
ZI
Zr
USTU
ZGT III −= T
T R
UI =
Minimalni ulazni napon:
)1(0T
SZG R
RUU +≥
U
TI
TR
αctgRT =
α
TI
USTU GU
TI
GI
ZI
16
TRANZISTOR S EFEKTOM POLJA = FIELD- EFFECT TRANSISTOR, FET (JFET)
G
D
S
DSU
DI
GSU
p p
n
S: source - izvor, uvod
D: drain - odvod G: gate – vrata (upravljačka elektroda)
G
D
S
kanaln −
0≅GI
G-S kontrolni krug (ulazni), D-S radni krug (izlazni)
Naponsko upravljanje - visok ulazni otpor (109 Ω)
17
[ ]VUGS 2− 1− 0 10 20
10
20
[ ]VUDS
[ ]mAI D
[ ]VUGS
ulazna izlazna0
1−
5,0−
5,1−
2−5,2−
VUDS 10=
.constUGS
DDSU
IS =∆
∆=
MOSFET (Metal-Oxide-Silicon FET)
a) samozaporni n-kanalni, b) samovodljivi n-kanalni
DI
GSU
DI
DSU
[ ]VUGS
1
2
3
4
5
a)
SG
D
DI
GSU
DI
DSU
[ ]VUGS
b)
0
1
1−2−
2
SG
D
18
BIPOLARNI TRANZISTOR
(Transfer Resistor)
B
E
C
n
n
p
EI
CI
BI
npn
pnp
Primjer: IE = 10.2 mA IC = 10.0 mA IB = 0.20 mA
[ ]VUCE
[ ]mAIC
[ ]mAI B
1
2
izlaznakarakteristika
0 10 20 30
100
200
[ ]VUBE
[ ]mAI B
ulaznakarakteristika
0 5.0
1
2
IC = B IB
(B manjeg iznosa u zasićenju)
B
BEu
B
BEu
I
Ur
kI
UR
∆∆
=
Ω= 5do,
19
TRANZISTOR KAO SKLOPKA
BBU
R
I
BBS UU
I
== 0
0
max
=
==
S
BB
UR
UII
S
R
IC
UBBIB
BR
U
B
II
URIU
BBCB
CECBB
==
+=
maxmin
[ ]VUCE
[ ]mAIC
min.CI
maxCBB IR
U =
BBCE UU =max
A
B
BI
0
CEzasCE UU =min
• Usporedba s obi čnom sklopkom:
tranzistor je istosmjerna sklopka
vrijeme preklapanja kratko –> mogućnost regulacije
vijek trajanja
elektromagnetske smetnje – bez iskrenja
Tipično: UCE min ≈ 0,2 V ... 0.5 V, IC min < 1µA
20
POJAČANJE
(Odnos istovrsnih fizikalnih veličina na izlazu i ulazu)
u
i
X
XA =
- statičko pojačanje
uX iX
u
i
X
XA
∆∆
= - dinamičko
pojačanje
iU
uU
u
i
U
UtgA == α
α
zasićenje
zasićenje
A
0 df gf f
istosmjernopojačalo izmjeničn
o
Pojačanje kaskadno vezanih poja čala
1uX 1iX 2uX 2iX1A 2A 21
2
1
1
2 AAX
X
X
XA
u
i
u
i ⋅=⋅=
Logaritamska jedinica: Bel [ ]u
i
P
PBA log=
[ ]
i
ii
u
uu
u
i
R
UP
R
UPuz
P
PdBA
22
;;log10 ===
[ ]
u
i
u
i
i
u
u
iv R
R
U
U
R
R
U
UdBA log10log20log10
2
2
−=⋅=
21
PRILAGOðENJE OTPORA IZMEðU POJAČALA
U
I
E
iR uR
( )u
ui
IRU
RRIE
=+=
Pojačalo 1 Pojačalo 2
• Optimalni odnos R i i Ru za razli čite kriterije
Naponsko prilagoñenje: što veći napon
iu
u
i
RR
R
RE
U >>⇒+
=1 (prednost FET-a)
Prilagoñenje prema korisnoj snazi: što veća snaga
( ) u
ui
uK RRR
ERIP
2
22
+==
ekstrem pojačanja
snage: ui
u
K RRdR
dP =⇒= 0
Paradoks: u ovom slučaju se pola snage se gubi u Ri !
22
TRANZISTORSKO POJA ČALO
Za pojačanje signala može se koristiti bipolarni tranzistor ili FET
∆+∆−
GSU DI RI D ⋅
DSU iU
DI
GSU
DSUBU
DSU∆GSU∆
0A0A
A A
DI∆
R
U B
( )
RSU
RIA
U
I
U
IS
RIURIIUUU
RIUU
U
UA
u
D
u
D
GS
D
DiDDBii
DBi
u
i
′−=∆∆−=⇒
∆∆=
∆∆=′
∆−=∆→∆+−=∆+−=
∆∆=
DSi UU =R
BU
DI
GSu UU =
23
POJAČALO NAPONA (BIP. TRANZISTOR)
10 20
10
20
[ ]VUCE
[ ]mAIC [ ]AI B µ
204080100 30
10
20
40
60
80
100
5,0
6,0
7,0
[ ]VU BE
[ ]AI B µ
0A
a) Jednostavno pojačalo
RR
UUI BEB
B
−=12 ϑϑ >
1ϑ
pomak radne točke (drift)
Definiranje statičke radne točke A0 pomoću otpora R
Odjeljivanje stupnjeva pojačala pomoću kondenzatora
24
b) Pojačalo s stabilizacijom radne točke
RR
UUUI EBEB
B
−−=BU
Stabilizirajuće djelovanje
∆+∆−
CI EU
BI CI
ϑ
c) Poboljšano pojačalo s stabilizacijom radne točke
1R
BU
2R
BI
CR
ER
Preporuča se IR2>>I B (IR2=10 IB) UE ≥ 1V
URC =UCE
d) Pojačalo s FET-om
GSU
1R2R 2RI D
DI
25
- Zajednička točka (masa ) - Odreñivanje radne točke:
UGS+I DR2= 0 (IG=0) -UGS= I DR2
-rješava problem DRIFT-a
POVRATNA VEZA
A
µ
pA
uX iX
iXµ
1||
11
1
;
≤
−=
−=
=+
=
µ
µµ
µ
AA
AA
X
XA
XX
XA
p
u
ip
iu
i
a) 0<µ<1/A → Ap>A → pozitivna povratna veza povećana nestabilnost, osjetljivost na poremećaje b) µ<0 → Ap<A → negativna povratna veza. stabilnost, neosjetljivost na smetnje, linearnije pojačalo Za A >>1 (Ap ≈ -1/µ) neovisnost o promjenama A
26
RAČUNSKO POJAČALO
(Operacijsko pojačalo)
+
−−U
+U
( )( )6101 doA
AUUUAU i
>>>
=−= −+
0V
U
U je uvijek vrlo malen («virtualna nula»).
Ulazni otpor vrlo velik. Izlazni otpor mali.
Izlazni raspon Ui – ograničen naponom baterije
Matematički model nepotrebna grafička rješenja.
• Invertiraju će pojačalo (invertor)
+
−R
0RI
uU
iU
( ))2(
)1(
0RR
UUI
IRUAU
ui
ui
+−=
+−=
Uvrštenjem (2) u (1) i separacijom varijabli :
uiui UR
RUU
A
RRR
RU 0
0
0 −≅+
+−=
27
• Neinvertiraju će pojačalo
+
−
R 0R
uU iU
( )
0RR
UI
IRUAU
i
ui
+=
−=
R
R
U
UA
u
ip
01+==
I
• Zbrajatelj (sumator)
+
−
1R
0R1U
iU
2U
3U
I2R
3R
n
nn
nni
i
R
UUI
IRUU
AUU
−=
−=−=
∑0
∑−≈→<<≈n n
ni R
URU
AU 01
1,0
U
• Integrator
)( IRUAU ui +−= (1)
C
qIRUU ui ++=
(2)
+
−
R
uU
iU
C
U
I
∫= Idtq (3)
Uvrštavanjem (3) u (2 ) te I iz(1) u (2) dobije se:
∫
+−=
+ dtA
UU
RCU
Ai
ui
111
28
∫−≈→<<<< dtU
RCUU
A
U
A uiui 1
;11
iU
uU
• Zamjenom mjesta R i C →→→→ derivator:
+
−
R
uU
iU
C
U
I
dt
dURCU u
i −≈
29
OSCILATOR
Pojačalo s pozitivnom povratnom vezom i µ =1/A
)0(1
1 =∞→⇒−
== upu
ip XA
AX
XA
µ
C L
+
LCf
π2
1=
LC oscilator
+
+
Svojstva: valni oblik, frekvencija, stabilnost frekvencije
Mehatroni čki oscilator - njihalo
+− +−
+ U
1L 2L
N S
30
VAKUUMSKA TRIODA
ak
g
g
a
k
a - anoda k - katoda g - rešetka
0
aU
gkU−
gkU
aU
aI
Koristi se za velike snage (napone) ili za specijalne namjene
31
VISOKOFREKVENTNO ZAGRIJAVANJE
• Induktivno zagrijavanje
metalni predmet zagrijava se zbog vrtložnih struja i eventualno gubitaka histereze
V.F. Generator
gustoća inducirane struje eksponencijalno pada prema unutrašnjosti predmeta (f =100 kHz do 15 MHz)
δx
eJJ−
⋅= 0
x
037,0 J
δ
0J
δ - dubina prodiranja: fK
r ⋅=
µρδ
32
• Dielektri čko zagrijavanje
u dielektriku dolazi do pomaka elementarnih dipola, unutarnje "trenje", porast temperature ϑ↑
.
..
Gen
FVR C
CI
RI
I
U
δ
RC
C
URU
I
Itg
C
R
ω
ω
δ 1
1
=== δω tgCUR
UP 2
2
==
zagrijavaju se plastični materijali, drvo, papir, guma...
33
TIRISTOR (SCR: Silicon Controlled Rectifier)
p
n
p
n
A
K
G
A
K
G
A
K
G
IA
UAK
IGIA0
Upa
b
c
d
a – karakteristika blokiranja b – prekretni napon:
Up = f(IG) c – karakteristika voñenja d – zaporna karakteristika
~
~
~
34
TIRISTORSKI ISPRAVLJA Č
GENERATORIMPULSA
M
AC
π π2
u
MU
α βtω
α ≤ 180° - kut paljenja, okidanja
β - kut voñenja, protjecanja
( ) ( )
( )22sin
2sin
21
cos12
sin21
22 ααππ
ωωπ
απ
ωωπ
π
α
π
α
+−==
=+==
∫
∫
MMef
T
srsr
MMsr
UtdtUU
R
UI
UtdtUU
Primjer jednostavnog okidnog
sklopa
TU1D
2D
C
R
~
u
Cu
35
TIRISTORSKO PALJENJE MOTORA S UNUTRAŠNJIM IZGARANJEM
Mehanička sklopka
Tiristorska sklopka
== /
1k
V12 V400
1R
2k2R
1C 2C
i dt
diMe −=
36
TRIJAK (TRIODE A.C. SWITCH)
pn
p
n
n n
n
A1G
A2
A2
A1G
Trijak djeluje kao dvosmjerni tiristor. Služi kao regulator izmjenične snage
AI
AI−
GI
GI−12 AAU− 12 AAU
37
FAZNA REGULACIJA IZMJENI ČNE SNAGE
~
i Polaritet Ug
1GAU
12 AAU
+−
+ −
TU
1D C
R
~Diac
t
iu,
α
2
2sin
2
2
2sin
2
ααππ
ααππ
+−=
+−=
Mef
Mef
II
UU
Služi za regulaciju snage otpornih trošila i univerzalnih motora
38
TOPLINSKI OVISAN OTPORNIK - TERMISTOR
NTC (negativni temp. koeficijent) Koristi se kao senzor temperature
[ ]ΩR
][ Coϑ0 200
10
100
1
ϑ
ϑ
ϑ
B
AeR = - konstante izvedbe: A [Ω] B [°K]
PTC (pozitivni temperaturni koeficijent)
][ Coϑ
[ ]ΩR
100
101
102
103
104
može se koristiti za nad-temperaturnu zaštitu
39
NADTEMPERATURNA ZAŠTITA
~2k
1k
T
R
PTC
+
M
Beskontaktna sklopka (proximity switch)
+++
+ +
1T
2T
3T
1C
2C1R
2R
R U
1U
+
∆+
∆− 1U
2BU2CI
2CU 3BU 3CI
U 2BU
HU
40
FOTOOTPORNIK
CdS
LDR
lx
E
RΩα−= AER
Ω÷=Ω>
÷=
30030
10
9,07,0
1000 xl
D
R
MR
α
100
101
102
103
100 101 102 103
A= konst.
Brojač predmeta na tekućoj vrpci:
1T 2T
RI
U+
E
FR
1BI2BI RI
N
FR
41
FOTODIODA I FOTOELEMENT (FOTOČLANAK)
• Fotodioda- senzor rasvjete
FI
[ ]lxE
[ ]AI F µ
[ ]lxE
[ ]vUz0 20 40
50
100
1503000
2000
1000
0
+
U
-vrijeme porasta = 1 ns
- osjetljivostE
IS F
∆∆=
• Fotoelement- izvor napona (»fotonaponska ćelija»)
[ ]lxE
pasivni element:fotodioda
aktivnifotoelement
40
FI
[ ]mVU F
3000
2000
1000
42
FOTOTRANZISTOR
lx
AS
µ10≈
Srodne komponente:
- fotoFET
- fotoTiristor
- fotoTRIAC
SVJETLEĆA DIODA – LED
UUp
I
Uz0 ≈ 10 V Up = 1.3 ÷ 3.5 V
I [mA]
[ ]lmφ
• Poluvodi čki materijali od kojih se izra ñuje LED:
Galij-arsenid (GaAs), Galij-arsen-fosfid (GaAsP), itd.
Postoje izvedbe za sve osnovne boje RGB + IR + UV + bijela
•
43
• Usporedba LED (diode) i sijalice:
LED ima veću trajnost,
LED je dinamički pogodnija (vrlo brzo uključivanje i isključivanje),
LED emitira uzak spektar svjetlosti za razliku od sijalice koja pokriva daleko širi spektar (vidljiva svjetlost + infracrveno zračenje + ultraljubičasto zračenje)
• Primjena LED:
Signalizacija, rasvjeta,
Optospojke,
I.R. komunikacija
Pokaznici (display)
7 - segment display:
Alfanumerički, matrica točaka
Druge tehnologije pokaznika: LCD (Liquid Crystal Display), DLP (Digital Light Processing -> Digital Micromirror Device), CRT (Cathode Ray Tube), Plazma, elektromehanički, itd.
OPTOSPOJKA (OPTO-COUPLER)
UIiI
5,1doI
I
U
i
GALVANSKO ODJELJIVANJE
44
INTEGRIRANI KRUGOVI (IC)
• Minijaturizacija:
manji utrošak prostora, manji utrošak energije,
veće brzine
• Integriraju se i sklopovi neizvedivi u diskretnoj izvedbi.
• Mnoštvo tehnologija: monolitni, hibridi
• SSI, MSI, LSI, VLSI, ULSI (> 10 6 tranzistora)
• Digitalni, analogni i mješoviti integrirani krugovi
ANALOGNI IC (linearni)
operacijska (računska) pojačala
komparatori napona
generatori funkcija, VCO
stabilizatori napona, referentni izvori
specijalni IC za video, audio, komunikacije
analogne sklopke i multiplekseri
senzorski IC ...
IC za upravljanje snagom
45
MJEŠOVITI IC (mixed signal)
pretvornici U/f, f/U, A/D, D/A
analogni meñusklopovi (analog interface circuits)
vremenski sklopovi (timer-i)
meñusklopovi za LAN mreže, radio, mobitele, itd.
DIGITALNI IC
osnovni logički sklopovi (I, ILI, NE, NILI, NI..)
aritmetički sklopovi, komparatori
dekoderi, multiplekseri
spec. namjena (buffers, drivers, transceivers, PLL)
multivibratori (bistabil, monostabil, Schmitt okidni skop...)
brojila, registri
memorije (RAM, ROM)
programabilni logički nizovi (PLA, PAL, CPLD, FPGA)
mikroprocesori, mikrokontroleri, meñusklopovi itd.
Osnovna podjela digitalnih sklopova: kombinacijski i sekvencijalni sklopovi (sekvencijalni sadrže memorijske elemente).
46
OSNOVNI LOGIČKI SKLOPOVI
• Logi čka stanja:
DA (1) ⇔ (zatvorena sklopka)
NE (0) ⇔ (otvorena sklopka)
• Logi čki I (AND)
A BZ
A
B
( )+ H
BAZ ⋅=
AB
BAZ ⋅=
Z = 0: nema spoja
Z = 1: zatvoren krug
H: napon napajanja (+)
L: napon 0V ili ≈ 0V
&
A B Z A B Z 0 0 0 L L L 0 1 0 L H L 1 0 0 H L L 1 1 1 H H H
47
• Logi čki ILI (OR)
A
BA+B
A
B A+B
A
B
A+B
OR
A B Z 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1
1≥
• Eksluzivno ILI (EX-OR) : A=1, B=1 Z=0
• Logi čki NE (NOT)
A Z 0 1 1 0
AZ =A
+
48
• Logi čki NE I (NAND, NI)
A B AB AB 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0
A
B
BAZ ⋅=
• Logi čki NE ILI (NOR, NILI)
A B A+B BA+ 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0
A
B
BAZ +=
49
SLOŽENI LOGIČKI SKLOPOVI
• POLUZBRAJALO
A B S P 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1
HA
B
S
P
- teže se proširuje
• ZBRAJALO
A B P S Ps 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1
F
A
B
S
PsP
- lako se proširuje na višebitne brojeve
50
• KOMPARATOR
A0
A1
A2
A3
B0
B1
B2
B3
A<B A>BA=B
A, B su 4-bitni binarni brojevi
(bit = binarna znamenka)
0000(2) … 0(10)
0001(2) … 1(10)
0010(2) … 2(10)
0011(2) … 3(10) … 1001(2) … 9(10)
• DEKODER / DEMULTIPLEKSER
0
15
0A1A2A3A
E
Dekoder: E (enable) je konstantan. Demultiplekser: Serijska informacija s E pojavljuje se na izlazu adresiranom preko A0.. A3.
• MULTIPLEKSER I KODER
MULTIPLEKSER KODER (ENKODER)
0
OUT
A0 A2A1
7
.
.
.
Ulaz adresiran preko A0... A2 pojavi se na OUT
01
n
0 1 m
Jedan aktivan ulaz (od n) aktivira jedan m-bitni broj (kod) na izlazu
ROM = DEKODER + KODER
51
• BISTABIL
Q Q
BBU−
CCU+
1T 2T
11R
12R
21R
22R
13R23R
S R
≡
S
R
Q
Q
SR D T JK
S
R
Q
Q
Q
QD
Q
QT
Q
Q
J
K
S R Q D Q T Q J K Q
0 0 q 0 0 0 q 0 0 q
0 1 0 1 1 1 q 0 1 0
1 0 1 1 0 1
1 1 x 1 1 q
q – prethodno stanje x – nedefinirano (zabranjeno)
Sekvencijalni sklopovi: - sinkroni - asinkroni
Dijeljenje frekvencije s 2
Može zamijeniti SR, D, T
S R Q Q 0 0 q q 0 1 0 1 1 0 1 0
R
S
Q
Q
1 1 0 0
Bistabil sastavljen od NILI vrata
!!QQ =
52
• ASTABIL
R C
ui
generator pravokutnog signala
ui
t
• MONOSTABIL
Q
Q
RC
t
RCt 7,0≅
• SCHMITTOV OKIDNI SKLOP (TRIGGER)
Uu Ui
U1U2
H
L
Uu
Ui
U1
U2
H
L
Uu
Ui
t
t
53
• PULSNO-ŠIRINSKI MODULATOR (PWM)
Oscilator (f=konst.) čija širina izlaznog impulsa ovisi o ulaznom naponu. Time se mijenja srednja vrijednost Uizl.
tUulKonstt *=
• BROJILO
Q0 Q1 Q2 0 L L L 1 H L L 2 L H L 3 H H L 4 L L H 5 H L H 6 L H H
T T T
Q Q Q
Q0 Q1 Q2
0 1 2
R
C
7 H H H
C
1 2 3 4 5
C = Clock (ulaz) R = Reset (nadreñeni ulaz)
Binarno brojilo
Dekadsko brojilo zahtijeva dodatne povratne veze
Sinkrona brojila su općenito brža
reverzibilna i programabilna brojila
54
• REGISTAR
D D D D D DDD bit−8
Radi se o nizu bistabila koji se zajednički upravljaju
Mogućnosti:
− paralelno postavljanje i očitavanje (brisanje) − serijsko postavljanje, pomicanje lijevo - desno ←→
• MEMORIJA
0A
nAWR/
mD0D
RAMRandom Acces Memory
R/WStatička i dinamičkaOvisnost sadržaja o
napajanju
55
MIKROPROCESOR
Mikroprocesor (CPU) je digitalni programabilni sekvencijalni automat koji izvodi instrukcije pohranjene u memoriji.
Mikroprocesorski računalni sustav sastavljen od jedne ili više IC komponenti
RAM ROM
PIOCPUSABIRNICE adresa podataka
kontrolnih signala
tastaturaekran
disk, trakaproces
CPU, RAM, ROM, PIO - funkcionalne jedinice
CPU : RAČUNA, USKLAðUJE, KONTROLIRA
ROM: SADRŽI POHRANJENE STALNE PODATKE
RAM: PAMTI PRIVREMENO
PIO: KOMUNICIRA S OKOLINOM
56
SKUPINE DIGITALNIH INT. KRUGOVA
Tehnologije odreñuju svojstva pojedinih logičkih sklopova
Unutar skupine: direktna mogućnost spajanja krugova
• KARAKTERISTIKE
napon napajanja
temperaturno područje primjene
faktori razgranjivanja (branch)
vrijeme propagacije
impulsna svojstva
granice dozvoljenih smetnji
izbor različitih sklopova SSI, MSI, LSI, VLSI
mogućnosti prijelaza na druge skupine
potrošak snage po jediničnom sklopu
• Karakteristi čan osnovni sklop svake skupine
RTL - Resistor-Transistor-Logic
DTL - Diode-Transistor-Logic
TTL - Transistor-Transistor-Logic
HTL - High Treshold (Level) Logic
ECL - Emiter-Coupled-Logic
CMOS - Complementary MOS
57
Usporedba karakteristika pojedinih familija:
TTL bazni L S LS
HTL ECL CMOS
Napon napajanja [V] 5 5 5 5 15 -5.2 3÷15
Potrošnja jed. sklopa [mW] 10 1 20 1÷2 30 25÷60
1nW / 100 Hz
Vrijeme propagacije [ns] 10 30 3 4÷10 110 0.7÷2 20-35
Faktor razgranjivanja 10(30) 10 10 20 10 - 50
58
TTL LOGIČKA SKUPINA
Temeljni sklop: NE I (NAND)
L L H
L H H
H L H
1R 2Rk4 k6,1 4R Ω130
V5+
3R k1
2T
1T
3TiU
uU
H H L
0.2
0.4
2.0
2.4
3.3
Ui [V]
0.2 0.4 0.8 1.2 1.4 2.0 2.4 3.3
Uu [V]
tipična granicasmetnji za L
tipična granicasmetnji za H
tip. H
min. H
max. L
min. L
59
• ULAZNA STRUJA TTL SKLOPA
"H": 40 µA max u ulaz
"L": -1,6 mA max iz ulaza
• IZLAZNA STRUJA TTL SKLOPA
"H": -400 µA max - izvor (source)
"L": 16 mA max - ponor (sink)
Postoje inačice istih logičkih struktura uz isti raspored priključaka sa smanjenom potrošnjom i/ili većom brzinom, u bipolarnoj i CMOS tehnici, npr.: osnovna verzija: 7400, Low power shottky: 74LS00, CMOS verzija: 74HCT00.
60
• MOSFET
S G D
NN
P
n-kanalsamozaporni
SUBSTRAT
G S
D
DI
0>GU
DSU
0
• CMOS (COMPLEMENTARY METAL–OXIDE–SEMICONDUCTOR) LOGIČKA SKUPINA
1G
1S1T
1D2D
2T2G2S
p-kanal
n-kanal
G
1S2S
1G 2G1D
2D
+N +P+N +P
p
N substrat
+V
izlazulaz
IZVEDBA INVERTORA
Prijenosna karakteristika invertora
uU
iUHU
2HU
61
HLAðENJE POLUVODIČA - TOPLINSKI ODNOSI
poluvodič
kućište
hladnjak
ambijentE B C
SizaCTpo200<
[ ]]/[
][
WCR
CTWP
To
o∆=
∑−
=R
TTP ap maxmax
max
Tp TaRpk Rkh Rha
kućište hladnjak ambijent
• Za velike snage:
hlañenje strujanjem zraka
hlañenje vodom
62
DODATNA POGLAVLJA ZA KOLEGIJ ELEKTRONIKA (MEHATRONI ČARI)
Linearni integrirani sklopovi:
primjena operacijskih pojačala,
regulatori napona, pojačala snage,
vremenski sklopovi
Signali, senzori, akvizicija signala, A/D i D/A pretvornici,
Aktuatori, upravljanje snagom
Procesno računalo
Mikrokontroleri
Programabilni logički kontroleri
Solarno napajanje
Elektroničke tehnologije, trendovi razvoja
Elektronička instrumentacija
63
PRIMJENE LINEARNIH INTEGRIRANIH KRUGOVA
SKLOPOVI S OPERACIJSKIM POJA ČALIMA
Diferencijsko pojačalo
+− 6
3
2107LM
1R
2R
3R4R
1V
2V OUTV
( )12
12
1
2
4231:
1
2
1
4
43
21
VVR
RV
RRiRRza
VR
RV
R
R
RR
RRV
OUT
OUT
−=
==
−
++=
Pretvornik struje u napon
+− 6
3
2107LM
1R
2R 1RIV INOUT =
INIOUTV
Pretvornik napona u struju (strujni izvor)
107LM
+
−
3
2
INV
2R
1R
K10
+V
OI
01
02
34562N
22192N
VVR
VI
IN
INO
01
≥
=
64
Referentni izvor (konstantnog) napona
+− 6
3
2OUTV
7
4
1R
2R
3R
Vzener
N
6.6_
46111
107LM
+=
2
30 1
R
RVV zout
+V
Generator pravokutnog napona
+− 6
3
2ALM101
1R
2R
OUTV
K160
K1603R
K910
1CFµ01,0
Generator funkcija k47
HzkHz 706 −
+
−+−
+−
13
12
V15+
V15−
11
4
14
k15
k8
M1
560
10
9
8
324LM
M1k470k10
sinusni
40041N
pravokutni
trokutasti
65
IZLAZNO POJA ČALO SNAGE
batU+
uU
iU
TR
batU+
iUuU
TR
batU−
1T
2T
a) emiterskoslijedilo
b) push-pullspoj
NPN
PNP
Maksimalna snaga PNP-NPN push-pull spoja (s dvije baterije):
( )T
bat
T
TM
T
ef
M R
U
R
U
R
UP
27,0
2
222 −===
Koriste se za upravljanje snage na trošilima veće snage (upravljanje motorima, audio pojačala, itd.)
batU+
uU
+−
Zvučnik
2
6
814
7,3
Spajanje integriranog audio poja čala LM380
66
STABILIZATORI NAPONA
%100=η+TR +
TR
SR
Ts
T
RR
R
+=η
Metode regulacije snage
1. Linearni stabilizator napona:
u
iiuiurefiN U
UUUU
R
RUU ≅+=
+= − ηminmin
2
11
uUTR
1T
−+
uU
21
3
uR
1R
2RREFU
+−
iU
iI
C E
B
Stabilizator
3R
Operacijsko pojačalo usporeñuje dio izlaznog napona sa referentnim naponom i na osnovi razlike regulira struju kroz tranzistor T1
67
LM317HV
VIN VOUT
ADJINV
F1.0
C1
µ Ω=
1.22
R1
RT
Stabilizator struje
IZVEDBE IZVORA NAPAJANJA S INTEGRIRANIM STABILIZATO RIMA 1. Podesivi stabilizator (linearni regulator napona) LM 317 VOUT= 1.25 · (1+ R2/R1) + IADJ · R2 IOUT = 1.25/ R1
2. Fiksni 3-terminal regulatori napona LM 78xx i LM 79xx
Stabilizirani izvor napajanja 220V AC --> + 5V, +12V, -5V, -12V
Svaki integrirani stabilizator ima ugrañeno strujno ograničenje i nad- temperaturnu zaštitu.
LM317HV
VIN VOUTADJ
V28VIN ≥
F1.0
C1
µ
=F1C2 µ=
Ω= 5kR2
Ω=
240
R1
+
VOUT
Stabilizator napona
TRANSFORMER
7812
7912
7805
7905F2200µ
F2200µ
1N4007
1N4007
1N4007
1N4007
VAC 220
+
+
F1µ+
F1µ
+
F1µ+
F1µ
+V0
V12+
V5+
V5−
V12−
68
2. Prekida čki (switching-SMPS) stabilizator napona Prednosti SMPS: manje dimenzije i težina, veće iskorištenje, širi raspon ulaznog napona Mane SMPS: lošija dinamička svojstva, ostatak AC u DC izlaznom naponu Pulsno širinska modulacija (Pulse Width Modulation – PWM)
+_
1U
2U
1U
2U
2U′
t
t
t
69
1R
2RTR
+
-
+-
+
- PW MuU
zU
iU
1T
CL
LI
D
T
t
BUCK – Izlazni napon manji od ulaznog
+_ gU
+_
ZU
gT UU > L
1T
D
C
+
_
1R
2R
TU
TR
BOOST – Izlazni napon veći od ulaznog
gU
+
+_
_
1TU
2TU
FLYBACK – Izlazni napon veći ili manji od ulaznog, više izlaznih napona, galvansko odvajanje
3. Pretvornici: DC/DC, DC/AC, AC/DC
70
Napajanje elektroni čkih sklopova – zaštitne mjere
+
−
TRAFO(IZOLACIJA)
ISPRAVLJAČF
0
GND
MREŽAOSIGURAČ
SKLOPKA
VARISTORPRENAPON
E.M. FILTER
+
−
GND
IN +
−
TROŠILO
STABILIZATORLIMIT STRUJE
OUTPRENAPON
Kod električne mreže, automobila i sl. mogući su kratkotrajni prenaponi do 500% nominalnog napona (standardno +/- 10%). Baterijsko napajanje
+
−
+
−
• punjenje baterije: konstantnom strujom (NiCd) ili naponom
(Pb). Ovisno o vrsti baterije, vrijeme punjenja 1h .. 14h, t=Q/I • Q=I*t [Ah], kapacitet baterije ovisi o struji pražnjenja,
temperaturi, starosti baterije • kriterij za kraj punjenja ovisi o vrsti baterije i brzini punjenja
(napon baterije, temperatura, limit vremena i drugo) • baterije su osjetljive na prekomjerno punjenje i pražnjenje
71
INTEGRIRANI VREMENSKI SKLOP – NE555 TIMER MONOSTABIL – generator jednog impulsa (t=1.1 * Ra * C)
batU+
iU3
T
batU+
C
1
2
4
5
6
7
8
kU
AR
+−
−+
FF
PRAG
OKIDANJE
RESETINVERTORR
R S
Q
Q
1K
2K
k5
k5
k5
ASTABIL – generator pravokutnog signala
Ra
555
Rb
C
3
8
6 5
2
1
4
7
Vcc+
OUTPUT
t1
t2
( )CRbRa0.693t1 +=( )CRb0.693t2 =
72
PRIMJERI PRIMJENE NE555 TIMERA UPRAVLJANJE SNAGE MOTORA (PWM) maksimalna struja 30A, upravljanje 5% - 95%
555
M74 8
6
2 1 5n100n100
3 R47
k1
k50
41481N
40041N
0V
+12V
BUZ11
IZVOR NEGATIVNOG NAPONA negativni napon dobiva se nabojskom pumpom.
555
4 87
3
62
1 5
+40041Nu22
u22+
40041N
n22
k33
74k
n100
+ 5V to +15V
- 3V to -13V
0V
73
Crtač karakteristika elektroni čkih elemenata:
+
− −+
+
−
+
−
+
−
V12
V12
Vpp20
Hz250 axeX
Scope.
( )U
FUNCTION GENERATOR
PNP
NPN
V5
3Q
+
2Q
1Q
0Q
BIPOLAR
R
R2
R4
BI
B
C
E
... TUD
Clock
COUNTER74 HC 161
D/A CONVERTER
+
−
V12
V12( )I
axeY
Scope.072TL
072TL
CURVE TRACER
74
PROCESNO RAČUNALO
Računalo za upravljanje procesima i strojevima opremljeno je ulazno / izlaznim meñusklopovima koji ga povezuju s okolinom.
- digitalni ulazi i izlazi
- analogni ulazi i izlazi
ISPISNA MEMORIJA ( ROM )
ČITAJ / PIŠI MEMORIJA ( RAM )
SPECIJALNI ULAZNO / IZLAZNI
SKLOPOVI
TASTATURA
ULAZNO / IZLAZNI MEðUSKLOP
ANALOGNO
PRETVORNIK
REGULATOR
BRZINE DIGITALNI
DIGITALNI SIGNALI
uP
TAKT
ANALOGNI NAPON (0-10 V)
SENZOR
FIZIKALNA
PRETVORNIK
ANALOGNI NAPON (0-10 V)
MOTOR
DIGITALNA RIJEČ
VEZA SA DRUGIM SISTEMIMA
POKAZIVA Č DIGITALNI IZLAZI
0 1 1 1 0 0 0
9 6 D C
M
B A
DIGITALNI
VELIČINA
DIGITALNO ANALOGNI
PRETVORNIK
M ULAZI
1
75
INTEGRIRANI MIKROKONTROLER (MCU) (PRIMJER PROIZVODA)
AVR 8-Bit RISC. Atmel’s new ARM7-based flash MCUs Atmel's AVR® microcontrollers have a RISC core running single cycle instructions and a well-defined I/O structure that limits the need for external components. Internal oscillators, timers, UART, SPI, pull-up resistors, pulse width modulation, ADC, analog comparator and watch-dog timers are some of the features you will find in AVR devices.
AVR instructions are tuned to decrease the size of the program whether the code is written in C or Assembly. With on-chip in-system programmable Flash and EEPROM, the AVR is a perfect choice in order to optimize cost and get product to the market quickly.
76
Mikrokontroler aplikacija – robot upravljan svijetl om
+
+_
V5+
LDR
V5+
LDR
AREF
1AIN
328
ATMega
2AIN
1IN
AGND GND22 8
RxD
TxD
AVCC
VCC
1OUT
2OUT
3OUT
V5+
2
3
V5+
1
10
9MHz16
pF22
V5+
µ1,0
PWM
22kV6+
22222N
V6+
19
Ωk5
V5+7805 V9+
µ47
PWM
7
20
Shema robota
77
Atmel AVR procesor ATmega328, 8bit, 20 MHz, RAM, FLASH, EEPROM, A/D, PWM, 14 digitalnih, 6 analognih ulaza/ izlaza -razvojna okolina: Arduino Uno pločica + Arduino software -programska podrška bazirana na C++ sa velikim brojem gotovih funkcija -program se razvija na PC-u, zatim se preko USB pošalje u ARDUINO modul i pokrene. Procesor ima ugrañeni bootloader. -kad je program ispravan, programirani procesor se utakne u pločicu koja se ugrañuje u robot -više imformacija na http://www.arduino.cc Program za upravljanje robota (Arduino C jezik) /* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * Arduino Robot - Tutorial * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * */ // - - - - - - - -- - - - - - - - - LDR VARIABLES // Arduino pins (not chip pins) int LDR1 = 5; // photo resistors pins int LDR2 = 4; // this vars will be used in the loop function int LDRVal1 = 0; int LDRVal2 = 0; // - - - - - - - - - - - - - - - - MOTOR & SERVO // Motor int motorSpeed = 250; // motor speed - from 0 to 255; // Motor PWM Pin - to have different motor speed use PWM pins int motor_Pin0 = 5; int led_Pin1 = 13; // output LED pin int stop_Pin1 = 8; // input STOP signal // Servo #include <ServoTimer1.h> // Call ServoTimer1 Class ServoTimer1 servo; // declare servo1 as an instance of ServoTimer1 class
78
// - - - - - - initial settings- - - - SETUP void setup() Serial.begin(9600); // Servo pins servo.attach(9); // NOTE: ServoTimer1 only works with Arduino pins 9 and 10 servo.write(90); // center servo delay(500); // wait 1/2 second digitalWrite(led_Pin1, HIGH); // - - - - - - - - - - - - - - - - - - - LOOP void loop() // read input LDR values LDRVal1 = analogRead(LDR1); LDRVal2 = analogRead(LDR2); // print LDR values into the console Serial.print(LDRVal1); Serial.print(" "); Serial.println(LDRVal2); // compare values and turn servo if (LDRVal1 > LDRVal2) servo.write(55); // turn right else if (LDRVal1 < LDRVal2) servo.write(125); // turn left else if (LDRVal1 == LDRVal2) servo.write(90); // center // set motor speed if (stop_Pin1 == 1) analogWrite(motor_Pin0, motorSpeed); else analogWrite(motor_Pin0, 0);
79
PROGRAMABILNO - LOGI ČKI KONTROLER (PLC)
• U početku zamišljen kao zamjena za relejnu (kontaktnu) logiku. Danas je to univerzalna komponenta za industrijsku automatizaciju. Jezici za programiranje su orijentirani prema zadatku.
DIGIT.ULAZI
V220~
IZLAZI
PLC
SPOJ NA MREŽU
PROGRAMATORANALOGNI I/0 + -
1. Instrukcijske liste (Instruction Set)
LOAD I123 OR Q233 AND NOT I124 AND NOT I125 STORE Q233
123I124I 125I
233Q
233Q
80
2. LD jezik (LADDER DIAGRAM – stepenasti dijagram) 123I 124I 125I
233Q
233Q
Nazivaju se i kontaktni planovi (uobičajeni u montaži postrojenja)
3. Matematička notacija (za istu funkciju):
Q233=(I123 OR Q233) AND NOT I124 AND NOT I125
• Ugrañeni programski elementi u PLC-u:
Logičke operacije Aritmetičke operacije
AND ADD OR DIV NOT MUL XOR SUB
Ostale operacije: S/ R – BISTABILI Set/ Reset SR – POSMAČNI (SHIFT) REGISTRI C – BROJILA (GORE/ DOLJE) C...0 – BRZO BROJILO TR – VREMENSKI SKLOP ZA KAŠNJENJE A/D PRETVORNIK D/A PRETVORNIK
• Varijable: I= input, Q= output, M= marker (1, 8 ili 16 bita)
81
SIGNALI Signali su vremenski promjenjive veličine koje nose informaciju Informatički kapacitet – količina informacije u sekundi Vremensko i frekventno područje (Fourierova analiza) Signali i smetnje - filtriranje, kompenzacija Postupci sa signalima: - generiranje signala (senzori) - prihvat signala (acquisition) - obrada signala (processing)
uzorkovanje, modulacija, kompresija, rekonstrukcija, interpretacija (prepoznavanje), manipulacija i drugo
- prijenos signala multipleksiranje, distribucija signala, prilagoñenje mediju vrste medija: optički medij, radio valovi, električki vodič,
- spremanje signala magnetski medij, optički medij, poluvodičke memorije - umrežavanje senzora (bežične mreže senzora) - prikaz signala (prezentacija) Obrada signala – analiza, interpretacija i manipula cija
- obrada analognih signala - obrada digitalnih signala - statistička obrada signala - obrada govornog signala (interpretacija - prepoznavanje) - obrada slikovnog signala (prepoznavanje uzoraka) - obrada video signala
82
Signali mogu biti analognog ili digitalnog tipa:
)(tu
t
MJ.
PO
DR
UČ
JE
)(tu
t
"1"
"0"
ANALOGNI SIGNALDIGITALNI
SIGNAL
Pretvorba signala: • Analogno / digitalni pretvornici D= konst * U
• Digitalno / analogni pretvornici U= konst * D
• Napon / frekvencija f = konst * U
• Frekvencija / napon U= konst * f
83
Analogno / digitalni pretvornici
AulU
idealnakarakteristika
111
110
101
100
011
010
001000
D
Digitalno / analogni pretvornici
D/A iU
0D
1D
1−ND
iU
D00
0
001
10 0
011
0
10 0
1
1
TAKT
A/D
Pµ
( )tUul
KRAJPRETVORBE
START
1−ND
0D
CS
84
SENZORI I PRIHVAT SIGNALA
Senzori su takvi elementi kod kojih neko električko svojstvo ovisi o jednoj fizikalnoj (neelektričkoj) veličini.
Aktivni senzori: Pasivni senzori:
- fotodioda (svjetlo) - fotootpornik
- piezokristal (sila) - zavojnica s pomičnom jezgrom
- EM – indukcija (brzina) - potenciometar (pomak)
- HALL-generator (mag. polje)
- tenzometar (deformacija)
SENZORSKI SKLOP
SENZOR
S ePrihvat iprilagoñenje
( )Sfe=
S – fizikalna veličina e – električna veličina (analogna ili digitalna)
Podjela:
Digitalni senzorski sklopovi – daju digitalnu informaciju o ulaznoj veličini (koja je analogna ili digitalna)
Analogni senzorski sklopovi – daju analognu informaciju o analognoj ulaznoj veličini
85
• DIGITALNI SENZOR - sklopka blizine (proximity switch)
N
0D
S
S 0
A+
-
refU
iU0DKOMPARATOR
pomak S
"0"
"1"
digitalni izlaz (1 bit)
Sklopka blizine služi za indikaciju približavanja predmeta (približavanje magneta Hall senzoru).
• ANALOGNI SENZOR - sklop za mjerenje rasvjete
0=&uliA
+-
0=&DU
0R
izlUEki sD ⋅=
ERk
RiUUU
s
DRDizl
⋅⋅==⋅=+=
0
00 &
Struja koju generira fotodioda linearno je zavisna od rasvjete. MOSFET operacijsko pojačalo pojačava tu vrlo malu struju i održava napon na diodi UD ≈ 0. Vrijeme odziva je reda veličine µs.
86
AKTUATORSKI SKLOPOVI
D/A
PARALELNIIZLAZ
ULAZRµ
M
M
KONTROLA
DIGITALNIAKTUATORSKI
SKLOP
ANALOGNIAKTUATORSKI
SKLOP
Aktuatori pojačavaju energetski nivo izlaznih signala i prilagoñavaju oblik energije potrošačima (kontrolnim ureñajima).
Potrebno je takoñer i galvansko odvajanje trošila.
DIGITALNI AKTUATORSKI SKLOP
PI0Rµ0D
2D
mA
Vili
1
50+
~
M
100mA
R S T
TRANZIST.SKLOPKA
RELEJ SKLOPNIK AVx 25/3803
Koriste se tranzistorske sklopke za pojačanje signala. Releji takoñer omogućuju upravljanje velike snage iz kruga male snage (uz galvansko odvajanje).
87
UPRAVLJANJE ISTOSMJERNE SNAGE
1. ON/ OFF upravljanje trošila 2. Analogna regulacija serijskim tranzistorom 3. Pulsno-širinska modulacija (PWM)
H – most za dvosmjerno upravljanje motora
M+ −
BU+
−
A B
CD
A B C D Funkcija
1 0 0 1
0 01 1
11 0 0
0 0 1 1
naprijed
natragkocenje
kocenje
M
BU+A B
NPN D
PNP
88
UPRAVLJANJE IZMJENI ČNE SNAGE TRIJAKOM
1. ON/ OFF upravljanje trošila 2. Fazna regulacija (promjena kuta upravljanja) 3. Regulacija upravljanjem u trenutku prolaza kroz nulu
F
φ
Ω150
3022MOC
mA10
+
Trošilo
Trijak
Upravljanje pomoću optospojke – opto-trijaka radi galvanskog odvajanja upravljačkog kruga od mreže 220V
Mogu ćnosti galvanskog odvajanja
• energetski transformator, impulsni transformator • elektromagnetski relej • opto-spojka, optičko vlakno • SSR - solid-state relay (poluvodički relej) • izolaciono pojačalo za analogne signale (sa opto-spojkama), • DC/DC pretvornici (DC-> AC -> Transformator -> DC)
89
DC/AC
ž
SSR - Solid State Relay
Upravljački signal ide preko fotonaponske ćelije koju osvjetljava LED. Brži je od elektromagnetskog releja, neograničen broj uključenja
90
POLUVODIČKI ELEMENTI SNAGE
Bipolarni tranzistor, Darlington spoj, MOSFET, IGBT, TIRISTOR, GTO TIRISTOR, TRIJAK
B
C
EDarlington NPN
B
C
EQuasi-DarlingtonNPN
G
D
S
MOSFET snage
G
E
C
IGBT-Insulated GateBipolar Transistor
91
Solarni sustav napajanja
Uloga ovog sustava je sigurno napajanje objekta - kuće uz uštedu energije vlastitom proizvodnjom preko sunčanih panela sastavljenih od serijski i paralelno spojenih silicijskih fotonaponskih elemenata (photo voltaic cells) -Solarni paneli daju istosmjerni napon i struju promjenjivog iznosa. Regulator punjena (charge controller) se koristi da osigura ispravan napon i struju punjenja baterije -eventualno se mogu primjeniti i vjetrogeneratori koji daju izmjenični napon promjenjivog iznosa i frekvencije -energiju daje: javna mreža, solarni paneli preko akumulatora ili pomoćni benzinski agregat (AC generator) koji se uključuje u slučaju ispada javne mreže
92
-baterija (akumulator) pohranjuje višak energije i stabilizira istosmjerni napon -jedinica “Power Inverter” ima centralno mjesto u sustavu. Osnovne funkcije:
• pretvorba istosmjernog napona iz akumulatora u izmjenični napon 230V za napajanje trošila u objektu (DC/AC pretvorba).
• odreñuje tokove energije (Energy Management System) obzirom na trenutnu proizvodnju i potrošnju te stanje napunjenosti baterije
-u nekim izvedbama inverter može vraćati energiju u mrežu ako trenutno solarni paneli proizvode više energije nego se troši. U tom slučaju mreža služi kao spremnik viška energije, tada nije potreban akumulator velikog kapaciteta. Ujedno, energija isporučena u mrežu može se naplatiti. Da bi to bilo moguće DC/AC pretvornik u invertoru mora dati AC napon istog iznosa, frekvencije i faze kao mrežni napon. To je tzv. Grid Tie inverter (GTI). -ako nije potrebno osigurati napajanje u slučaju ispada mreže, može se izostaviti AC generator a i veliki akumulator nije potreban ako inverter može vraćati energiju u mrežu. DALNJA POBOLJŠANJA -za zagrijavanje/ dobivanje tople vode povoljno je dodatno korištenje termo-panela uz fotonaponske. Za hlañenje može se koristiti sustav cijevi u zemlji pored kuće. Kombinacijom svih tih tehnologija uz termoizolaciju moguće je napraviti kuću sa ukupnom potrošnjom blizu nule. http://www.freesunpower.com/example_systems.php
93
Struktura Grid Tie invertera -prvi dio (Q2, Q3, Q4, Q5) pretvara DC/AC/DC da poveća DC napon i osigura izolaciju -drugi dio (Q6, Q7, Q8, Q9) je PWM DC/AC pretvornik
Sinteza sinusnog napona pulsno-širinskom modulacijom http://en.wikipedia.org/wiki/Grid-tie_inverter http://solar.smps.us/grid-tie-inverter-schematic.html
94
ELEKTRONIČKE TEHNOLOGIJE
Računala se koriste u svim fazama od projektiranja, proizvodnje do testiranja elektroničkih ureñaja Projektiranje elektroni čkih sklopova Simulatori na PC računalu, Projektiranje integriranih krugova Silicon compilers, PLA (Programmable logic array) Projektiranje tiskanih plo čica (PCB) Izrada sheme, automatsko odreñivanje rasporeda i spojeva Automatska montaža sklopova Automati za montažu sklopova i lemljenje spojeva Automatsko testiranje Računalo testira gotove sklopove
Projektiranje elektroni čkih ure ñaja kod projektiranja elektroničkih ureñaja treba obratiti pažnju na:
• potencijali na masi, petlje mase (način spajanja masa kod rada sa malim signalima)
• E.M. smetnje koje dolaze izvan ureñaja (filtri, oklopljeni kablovi), takoñer i na smetnje iz samog ureñaja
• prenaponi na napajanju i ulaznim linijama • software greške • parazitni kapaciteti i induktiviteti (visokofrekventni ureñaji) • promjena karakteristika s promjenom temperature ili napona
napajanja • pregrijavanje elemenata - projektiranje hlañenja
95
• voditi računa o maksimalnim vrijednostima U, I, P za sve dijelove ureñaja – predimenzionirati komponente snage
• predvidjeti zaštitne/ sigurnosne mjere za nepredviñene situacije
• testiranje ureñaja u raznim situacijama - uvjetima rada • usklañenost sa standardima • napraviti dokumentaciju • industrijski dizajn
TRENDOVI RAZVOJA ELEKTRONI ČKIH UREðAJA
• Veći stupanj integracije i minijaturizacije, veće brzine rada, niže cijene
• Nove metode obrade, spremanja i prijenosa informacija • Razvoj novih algoritama za obradu informacije (kompresija,
kodiranje itd.) • Digitalizacija funkcionalnih blokova (prijenosa i obrade signala) • razvoj senzorike • Umrežavanje (Internet, GSM)
Primjeri:
• Mikroprocesori nove generacije (veća brzina – manja potrošnja energije)
• Video kamera na jednom integriranom krugu • Mikrovalni integrirani primopredajnici (za mobilnu telefoniju i
bežične mreže) • Endoskopske kamere u obliku kapsule (koje se gutaju) • Radio-frequency identification (RFID tag) • MEMS - mikroelektromehanički sustavi (inkjet printeri, DLP
projektori, senzori pritiska, ubrzanja, žiroskopi, itd.) • Bežične mreže senzora (WSN: wireless sensor networks) • digitalizacija i kodiranje audio i video signala (High Density
DVD, DivX)
96
ELEKTRONIČKA INSTRUMENTACIJA 1. Generator funkcija Generator sinusiodalnog, pravokutnog ili trokutastog valnog oblika (oscilator frekvencije 1 Hz – 10 MHz)
2. Osciloskop Prikazuje vremensku funkciju signala (frekvencije 1 Hz – 1 GHz) Načini rada: 1. Y1, Y2 = func(t), na X ulazu je pilasti napon (vremenska baza) - okidanje (trigger): Y1/ Y2, mreža 50Hz, auto - manual 2. Y2 = func(Y1), prikazuje X-Y ovisnost, na X osi je Y1 napon Izvedbe:
• Osciloskop s katodnom cijevi - Cathode-ray oscilloscope (CRO)
• Osciloskop sa digitalnim spremanjem - Digital storage oscilloscope (DSO)
• Osciloskop na personalnom računalu - PC-based oscilloscope (PCO)
3. Akvizicijski sustavi s personalnim ra čunalom
• Sadrže A/D, D/A karticu i odgovarajući software. • PC osigurava akviziciju, matematičku obradu, upravljanje,
prikaz na ekranu i spremanje rezultata, umrežavanje
97
Tipični izgled prednje ploče osciloskopa
Interna struktura osciloskopa s katodnom cijevi Primjeri upotrebe instrumentacije mogu se naći na Internetu: http://www.doctronics.co.uk/scope.htm http://www.doctronics.co.uk/design.htm
98
4. Karakteristike elektroni čkih elemenata – crta č krivulja
Crtač krivulja (curve tracer) je sklop koji omogućuje prikaz naponsko – strujne karakteristike nekog elementa na ekranu osciloskopa. Pogodan je za brzo ispitivanje ispravnosti elektroničkih elemenata. Na jedan kanal osciloskopa dovede se signal napona na nekom elementu (X os), dok se drugom kanalu osciloskopa dovede signal proporcionalan struji tog elementa (Y os). Crtač sadrži generator izmjeničnog ispitnog napona, koji može biti sinusoidalni ili pilasti. Signal struje dobije se mjerenjem pada napona na otporniku malog iznosa. Da bi mogli ispitati elemente čija karakteristika ovisi o parametru (na primjer struja baze parametar je na izlaznoj karakteristici tranzistora) potreban je i generator stepeničastog napona, koji u diskretnim koracima povećava tu veličinu. Elementi koji se mogu ispitivati su.: otpornici, kondenzatori, zavojnice, diode, tranzistori, tiristori i slično. Slika prikazuje pojednostavljeni spoj crtača krivulja:
TRANZISTOR
STEPENICA
GENERATOR
NAPONPILASTI
B
E C
B EBI
C
1R
2R
)( otpormali
+
−... TUD
U I
OSCILOSKOP
x
y
/\U
V0
xCH /1 yCH /2
99
<kraj elektronike B>
9/24/2013