inštitút aurela stodolu v liptovskom mikuláši...
TRANSCRIPT
Ing. Gabriel CIBIRA, Ph.D.
http://lm.uniza.sk/, [email protected]
Inštitút Aurela Stodolu v Liptovskom Mikuláši
Elektrotechnická fakulta Žilinskej univerzity v Žiline
Téma 6: Budúcnosť elektrotechniky
pre bežný život človeka 21. storočia
1/34
Téma 6: Budúcnosť elektrotechniky
pre bežný život človeka 21. storočia
Obsah:
1. Miesto a úlohy elektrotechniky
2. Hlavné druhy materiálov pre elektrotechniku
3. Možnosti skúmania vlastností materiálov pre elektrotechniku
4. Skúmanie elektrických vlastností solárneho článku
5. Skúmanie vlastností svetelných zdrojov pre domácnosť
6. Meranie a spracovanie údajov o teplote
7. Meranie parametrov elektrickej siete
8. Meranie a spracovanie akustických signálov
9. Prenos, záznam, spracovanie a užitie údajov
2/34
2015 – International Year of Light
and Light-based technologies
http://www.roksvetla.sk/
1. Miesto a úlohy elektrotechniky
Elektrotechnika je technická veda. Skúma zákonitosti pôsobenia
elektrónov a ďalších nabitých častíc s elektromagnetickým poľom
a rozpracovaním metód konštrukcie elektronických prístrojov.
Člení sa na silnoprúdové odbory (elektroenergetika, elektrické
stroje, elektrické prístroje, výkonová elektronika, elektrické pohony), a
slaboprúdové odbory (elektronika vákuová /pevných látok /kvantová,
komunikácie).
3/34
• výroba a dodávka energie
• konštrukcia energetických zariadení
• premena elektromagnetickej energie na iné formy energie
• automatizácia výrobných procesov
• prenos – spracovanie – uchovanie informácií
• konštrukcia komunikačných, zabezpečovacích, výpočtových a iných
elektrických zariadení ...
1. Miesto a úlohy elektrotechniky
Uplatnenie elektrotechniky v bežnom živote:- Spotrebná elektronika pre domácnosť
- Elektrické náradie a zariadenia pre domácnosť
- Elektrické náradie, zariadenia, súčasti a obvody pre rôzne odvetvia(priemysel, poľnohospodárstvo, zdravotníctvo, školstvo, výskumné pracoviská, služby, ...)
4/34
2. Hlavné druhy materiálov pre elektrotechniku
izolanty (keramika, sklo, sľuda, plasty, olej, ...) – nemajú voľné nosiče náboja
vodiče (hliník, meď, zinok, volfrám, ...)
polovodiče (kremík, germánium, selén, ...)
odporové materiály (zliatiny kovov)
magnetické materiály
materiály pre výrobu chemických akumulátorov – batérií
materiály pre chladenie a tepelnú izoláciu
SiO2 69 %
Al2O3 14 %
Fe2O3 + FeO 4 %
Zastúpenie prvkov
v zemskej kôre
prvokpomerné
zastúpenie
Kyslík 46,6 %
Kremík 27,7 %
Hliník 8,1 %
Železo 5,0 %
Vápnik 3,6 %
Sodík 2,8 %
Draslík 2,6 %
Horčík 2,1 %
Titán 0,4 %
Vodík 0,1 %
Fosfor 0,1 %
Mangán 0,1 %
Síra 0,05 %
Uhlík 0,03 %
Ostatné
prvky0,7 %
majú voľné nosiče náboja
5/34
2. Hlavné druhy materiálov pre elektrotechniku
Skupina
→1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
↓ Perióda
11
H
2
He
23
Li
4
Be
5
B
6
C
7
N
8
O
9
F
10
Ne
311
Na
12
Mg
13
Al
14
Si
15
P
16
S
17
Cl
18
Ar
419
K
20
Ca
21
Sc
22
Ti
23
V
24
Cr
25
Mn
26
Fe
27
Co
28
Ni
29
Cu
30
Zn
31
Ga
32
Ge
33
As
34
Se
35
Br
36
Kr
537
Rb
38
Sr
39
Y
40
Zr
41
Nb
42
Mo
43
Tc
44
Ru
45
Rh
46
Pd
47
Ag
48
Cd
49
In
50
Sn
51
Sb
52
Te
53
I
54
Xe
655
Cs
56
Ba
*
Ln
72
Hf
73
Ta
74
W
75
Re
76
Os
77
Ir
78
Pt
79
Au
80
Hg
81
Tl
82
Pb
83
Bi
84
Po
85
At
86
Rn
787
Fr
88
Ra
**
An
104
Rf
105
Db
106
Sg
107
Bh
108
Hs
109
Mt
110
Ds
111
Rg
112
Cn
113
Uut
114
Uuq
115
Uup
116
Uuh
117
Uus
118
Uuo
(*)57
La
58
Ce
59
Pr
60
Nd
61
Pm
62
Sm
63
Eu
64
Gd
65
Tb
66
Dy
67
Ho
68
Er
69
Tm
70
Yb
71
Lu
(**)89
Ac
90
Th
91
Pa
92
U
93
Np
94
Pu
95
Am
96
Cm
97
Bk
98
Cf
99
Es
100
Fm
101
Md
102
No
103
Lr
6/34
Všetky materiály pri zmene
podmienok menia vlastnosti
pri veľmi nízkych a nízkych
teplotách – supravodivosť
Využitie keramiky v elektrotechnike
(vyrába sa zlinovaním a glazovaním):
- izolačná a konštrukčná - horčíková – izolačné prvky, poistkové púzdra, ...
- oxidová (korund, zirkón) – vysokofrekv. prvky,
- vodivá - odporové vykurovacie telesá,
- rezistory ...,
- iónové vodiče, supravodiče, ...
- senzory (piezokeramika),
- dielektrická - kondenzátory,
- mikrovlnové prvky (Ti, Zr, Ta, Ni) - rezonátory
2. Hlavné druhy materiálov pre elektrotechniku
izolanty (keramika, sklo, sľuda, plasty, olej, ...) – nemajú voľné nosiče náboja
Využitie skla v elektrotechnike ...?
Využitie sľudy v elektrotechnike ...?
Využitie plastov v elektrotechnike ...?
Využitie olejov v elektrotechnike ...?
7/34
Využitie hliníka v elektrotechnike:
Hliník je tretí najrozšírenejší prvok v zemskej kôre (bauxit, ...). Hliník je odolný voči korózii. Pre jeho
dobrú elektrickú vodivosť a nižšiu cenu než meď sa často používajú jeho zliatiny v elektrotechnike -
na výrobu vodičov.
V bytových rozvodoch sa prestal používať na konci 80-tych rokov. Používa sa v lanách na rozvody
vysokého napätia (elektrorozvodná sieť) a v priemyselných aplikáciách pod dohľadom.
Využíva sa tiež jeho veľmi dobrá tepelná vodivosť na výrobu rôznych chladičov a výmenníkov tepla
(chladničky, výkonové súčiastky, procesory PC.
Počet elektrónov v hladinách: 2, 8, 3
2. Hlavné druhy materiálov pre elektrotechniku
vodiče (hliník, meď, zinok, volfrám, ...) – majú voľné nosiče náboja
8/34
Využitie medi v elektrotechnike:Počet elektrónov v hladinách: 2, 8, 18, 1
Medená ruda je v zemskej kôre pomerne vzácna, významné ložiská sú v Severnej a Južnej Amerike.
Až 75 % medi sa použije pre elektrotechniku. Meď je veľmi ťažná a kujná.
Meď v čistom stave (čistejšia než 99,95%) výborne vedie elektrický prúd, po striebre vykazuje druhú
najlepšiu vodivosť zo všetkých kovových prvkov pri normálnej teplote. Veľmi dobre odvádza teplo. Pre
tieto vlastnosti sa z nej vyrábajú vodiče elektrického prúdu, vinutia cievok, transformátorov, motorov, ...
2. Hlavné druhy materiálov pre elektrotechniku
vodiče (hliník, meď, zinok, volfrám, ...) – majú voľné nosiče náboja
9/34
Vlastnosti polovodičov:
široký rozsah rezistivity a vodivosti
vodivosť polovodičov značne závisí od prímesí, tak sa môže meniť o niekoľko rádov
vodivosť so stúpajúcou teplotou stúpa
pri absolútnej nule sú polovodiče izolantmi
majú malé rozmery a malú hmotnosť
pri svojej činnosti spotrebujú malé množstvo energie
môžeme ich používať vo veľkom rozsahu frekvencie
počas prevádzky nemenia svoje vlastnosti, sú spoľahlivé a majú dlhú životnosť
Podmienky použitia polovodičov: dokonalá čistota, forma monokryštálu, vodivosť
Polovodičové prvky – kremík, germánium, selén, telúr, cín (používa sa modifikácia Alfa - práškový cín
na rozdiel od modifikácie beta používanej na výrobu pájok).
Polovodičové zlúčeniny – arzenidy, antimonity, fosfory, oxidy, sulfidy, selenidy, teluridy.
VYUŽITIE POLOVODIČOVÝCH MATERIÁLOV
Materiál Použitie
kremík (Si) diódy, tranzistory, integrované obvody, tyristory, solárne články
germánium (Ge) vysokofrekvenčné tranzistory, detektory rádioaktívneho žiarenia
gáliumarzenid (GaAs) svetelné diódy, laser, vysokofrekvenčné tranzistory
indiumantimonid (InSb)
Indiumarsenid (InAs)
magnetorezistory, Hallove generátory
kadmiumsulfid (CdSi) fotoodpory, solárne články
karbid kremíka (SiC) varistory, svetelné diódy
2. Hlavné druhy materiálov pre elektrotechniku
10/34
Využitie germánia v elektrotechnike:
Využitie kremíka v elektrotechnike: 90% polovodičov je z kremíka
Šírka zakázaného pásu pri 0 K je 1,16eV
Kremíkové súčiastky vydržia teploty až do 150 ˚C
Čistenie a ťaženie monokryštálu kremíka je technologicky dobre
zvládnuté a uľahčené tým, že sa jedná o čistý prvok
Pri vysokej teplote sa kremík pokryje vrstvičkou SiO2, (dobre izoluje)
Protóny 14,
Neutróny 14,
Elektrónový obal:
vnútorná vrstva 2 elektróny,
druhá vrstva 8 elektrónov,
valenčná vrstva 4 elektróny.
2. Hlavné druhy materiálov pre elektrotechniku
Počet elektrónov v hladinách: 2, 8, 18, 4
Šírka zakázaného pásu pri 0 K je 0,78eV a so stúpajúcou teplotou sa zmenšuje
Optická šírka zakázaného pásma je1,5eV
Obsah v zemskej kôre je veľmi nízky (iba v rudách Zn a Ag),
preto sa získava úpravou oxidu germaničitého
Využíva sa hlavne na výrobu vysokofrekvenčných polovodičových súčiastok
(lebo v porovnaní s kremíkom má väčšiu pohyblivosť elektrónov a dier)
11/34
Mikročip koncentruje vodivé, polovodivé a nevodivé vlastnosti materiálov.Výroba integrovaného obvodu začne tým, že sa valec čistého kremíka s priemerom 15 až 45 cm
rozreže na plátky (wafers) hrubé štvrť milimetra až milimeter. Z každého plátku sa potom vyrobia
desiatky mikročipov. Pod mikroskopom sa do nich nanášajú materiály a odleptajú nepotrebné časti
elektronických prvkov budúceho integrovaného obvodu: odpory, kondenzátory a tranzistory.
Pretože plátky pripomínajú zemiakové lupienky (chips), vyrobené integrované obvody dostali ich
meno – čipy. Pod týmto názvom skrýva zariadenie, ktoré vie spracovávať a uchovávať elektrické
signály (procesory, pamäte, ...).
Jack Kilby sprevádzal svojho otca - elektrotechnického inžiniera pri pracovných pochôdzkach. Elektrina ho
zaujala, ako 14-ročný zostrojil rozhlasový prijímač, študoval elektrotechniku a fyziku. Ako 25-ročný r. 1958
za necelý mesiac vyrobil na jedinom stavebnom prvku z polovodičového materiálu úplný obvod.
Vznikol tak prvý mikročip: na skle nalepená germániová doštička, z ktorej vyčnievalo niekoľko drôtikov.
Kto a kedy vyrobil mikročip ako prvý na svete?
2. Hlavné druhy materiálov pre elektrotechniku
12/34
2. Hlavné druhy materiálov pre elektrotechniku
13/34
Ako sa v súčasnosti vyrábajú mikročipy?https://www.youtube.com/watch?v=-GQmtITMdas
... → kvantové počítače
2. Hlavné druhy materiálov pre elektrotechniku
14/34
Ako sa vyrábajú zložitejšie elektrické a elektronické obvody?https://www.youtube.com/watch?v=X90OvxBNyDE
https://www.youtube.com/watch?v=KnyB9btlhS8
S - snímač, C – obvod na úpravu signálu, AD - analógovo-číslicový prevodník,
P - (číslicové) spracovanie signálu, DA - číslicovo-analógový prevodník, A - akčný člen
Základné prvky elektronického meracieho reťazca:
3. Možnosti skúmania vlastností materiálov pre elektrotechniku
EXPERIMENTÁLNE METÓDY ↔ ANALYTICKÉ METÓDY
- optické merania (lupa, optický mikroskop),
- optoelektronické merania (spektroskopia, elektrónový mikroskop),
- meranie elektrických vlastností (náboj, potenciál, prúd, výkon, účinnosť)
15/34
4. Skúmanie elektrických vlastností solárneho článku
vyčerpateľnosť fosílnych energetických zdrojov →
→ potreba výskumu obnoviteľných zdrojovdemonštrácia merania I-V charakteristiky a teploty solárneho článku
Cibira, Koščová: Photovoltaic module parameters acquisition model
16/34
4. Skúmanie elektrických vlastností solárneho článku
vyčerpateľnosť fosílnych energetických zdrojov →
→ potreba výskumu obnoviteľných zdrojovdemonštrácia merania I-V charakteristiky a teploty solárneho článku
Cibira, Koščová: Photovoltaic module parameters acquisition model
17/34
Svetelný tok klasická žiarovka LED žiarovka
úsporná (kompaktná)
žiarivka
halogénová
žiarovka
50 lm 1,2 W
100 lm 15 W
150 lm 20 W 4 W
200 lm 25 W 2 W 5 W 18 W
250–400 lm 30–35 W 3 W 6–7 W
400–450 lm 40 W 4 W 8–9 W 28 W
500 lm 50 W 5 W 10 W 35 W
550–700 lm 60 W 6 W 11–12 W 42 W
5. Skúmanie vlastností svetelných zdrojov pre domácnosť
demonštrácia merania účinnosti a spektra svetelných zdrojov:
Ktorý z umelých svetelných zdrojov je energeticky najúčinnejší?
? ? ?
18/34
6. Meranie a spracovanie údajov o teplote
demonštrácia merania tepelného výkonu svetelných zdrojov:
Tepelné straty - akú teplotu dosiahnu umelé svetelné zdroje?
? ? ?
19/34
5. Skúmanie vlastností svetelných zdrojov pre domácnosť
demonštrácia merania účinnosti a spektra svetelných zdrojov:
Prečo sú farby pod umelým osvetlením odlišné než na dennom svetle?
20/34
5. Skúmanie vlastností svetelných zdrojov pre domácnosť
demonštrácia merania účinnosti a spektra svetelných zdrojov:
Prečo sú farby pod umelým osvetlením odlišné než na dennom svetle?
21/34
5. Skúmanie vlastností svetelných zdrojov pre domácnosť
demonštrácia merania účinnosti a spektra svetelných zdrojov:
Prečo sú farby pod umelým osvetlením odlišné než na dennom svetle?
22/34
7. Meranie parametrov elektrickej siete
demonštrácia merania výkonu a spektra
ostrovného harmonického napájacieho zdroja:
Dokáže striedač pre ostrovné systémy vyrábať dostatočný výkon?
Je spektrum napätia distribučnej siete
a striedačov harmonické?
vplyv neprispôsobenia záťaže na
parametre napájania
23/34
7. Meranie parametrov elektrickej siete
demonštrácia merania výkonu a spektra
ostrovného harmonického napájacieho zdroja:
Dokáže striedač pre ostrovné systémy vyrábať dostatočný výkon?
24/34
8. Meranie a spracovanie akustických signálov
Frekvenčný rozsah citlivosti sluchu:
ľudské ucho: 20 Hz – 20 000 Hz
pes: 30 Hz – 45 000 Hz
mačka: 15 Hz – 50 000 Hz
netopier: 14 000 Hz – 100 000 Hz
ľudia s absolútnym sluchom odlišujú tóny
25/34
elektronické zvukové senzory – mikrofóny
uhlíkový
kondenzátorový
piezoelektrický
dynamický
pásikový
8. Meranie a spracovanie akustických signálov
26/34
8. Meranie a spracovanie akustických signálov
27/34
8. Meranie a spracovanie akustických signálov
demonštrácia akustického spektra hudobných nástrojov: drumbľa, píšťalka, okarína, fúkacia
harmonika, husle, viola
demonštrácia akustického tlaku pri rozbití skla
28/34
8. Meranie a spracovanie akustických signálov
demonštrácia merania smeru k zdroju akustického signálu
29/34
9. Prenos, záznam, spracovanie a užitie údajov
- metalické vedenia, optické vedenia, rozhranie medzi nimi, záznam,
- vysokofrekvenčný (rádiový) prenos (Bluetooth, Wifi, internet vecí),
- záznamové média
30/34
9. Prenos, záznam, spracovanie a užitie údajov
- metalické vedenia, optické vedenia, rozhranie medzi nimi, záznam,
- vysokofrekvenčný (rádiový) prenos (Bluetooth, Wifi, internet vecí),
- záznamové média
31/34
https://www.youtube.com/watch?v=HviFM3FpQV8
https://www.youtube.com/watch?v=CMPi1XDLzLc
9. Prenos, záznam, spracovanie a užitie údajov
- inteligentné riadenie dopravy,
- inteligentná domácnosť
32/34
https://www.youtube.com/watch?v=FjyYpvr4afc
33/34
Potrební kvalifikovaní odborníci: výskumníci, vývojári,
konštruktéri, projektanti, riadiaci pracovníci, technológovia,
programátori, technici, operátori elektrotechnickej výroby,
operátori testovacích zariadení, bezpečnostní technici, revízni
technici, dozorujúci a obsluhujúci personál prevádzok, opravári,
distribútori, predajcovia, ...
34/34
Otázky?Ďakujem za pozornosť.
Ing. Gabriel CIBIRA, Ph.D.
http://lm.uniza.sk/, [email protected]
http://www.vedanadosah.sk/vedecka-roadshow/
Inštitút Aurela Stodolu v Liptovskom Mikuláši
Elektrotechnická fakulta Žilinskej univerzity v Žiline