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