elektronika
TRANSCRIPT
1
B - ELEKTRONIKA
• 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.
• ELEKTRONIKA se bavi vo ñenjem struje kroz poluvodi če, plinove i vakuum, te pripadnim elementima i sklopovima.
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
2
• 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
Programabilni logički kontroleri
Elektronička instrumentacija
3
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)
4
ZAPORNI SLOJ
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
- - -
- -
-
-
-- -
n p
Difuzija
5
Q
V
+-
V∆
difuzni napon iznosi oko 0.7V za silicij, 0.3V za germanij
6
POLUVODIČKA DIODA
p n
A K
p n
p n
+
+
p n
+
+
7
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
8
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
9
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
10
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
11
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
12
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
13
• 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
14
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
15
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)
16
[ ]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
17
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,
18
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
19
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
−=⋅=
20
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 !
21
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 =
22
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
23
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
24
- 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
25
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 −≅+
+−=
26
• 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
27
∫−≈→<<<< dtU
RCUU
A
U
A uiui 1
;11
iU
uU
• Zamjenom mjesta R i C →→→→ derivator:
dt
dURCU u
i −≈
28
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
29
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
30
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
31
• 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...
32
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
~
~
~
33
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
~
t
u
Cu
34
TIRISTORSKO PALJENJE MOTORA S UNUTRAŠNJIM IZGARANJEM
Mehanička sklopka
Tiristorska sklopka
== /
1k
V12 V400
1R
2k2R
1C 2C
i dt
diMe −=
35
TRIJAK (TRIODE A.C. SWITCH)
pn
p
n
n n
n
A1G
A2
A2
A1G
AI
AI−
GI
GI−12 AAU− 12 AAU
36
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
37
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
38
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
39
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
40
FOTODIODA I FOTOELEMENT (FOTOČLANAK)
• Fotodioda
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 (»sun čane baterije»)
[ ]lxE
pasivni element:fotodioda
aktivnifotoelement
40
FI
[ ]mVU F
3000
2000
1000
41
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
42
• 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
43
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
44
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).
45
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
46
• 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
+
47
• 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 +=
48
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
49
• 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
50
• 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 =
51
• 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
52
• 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
53
• 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
54
MIKROPROCESOR
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
55
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
56
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
57
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
58
• 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 i rasporedom priključaka sa smanjenom potrošnjom i većom brzinom, u bipolarnoj i CMOS tehnici
59
MOSFET
S G D
NN
P
n-kanalsamozaporni
SUBSTRAT
G S
D
DI
0>GU
DSU
0
• CMOS (Complementary metal–oxide–semiconductor) – izvedba invertora:
1G
1S1T
1D2D
2T2G2S
p-kanal
n-kanal
G
1S2S
1G 2G1D
2D
+N +P+N +P
p
N substrat
+V
izlazulaz
Prijenosna karakteristika invertora
uU
iUHU
2HU
60
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
61
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
Elektroničke tehnologije, trendovi razvoja
Elektronička instrumentacija
62
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
≥
=
63
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
64
IZLAZNO POJA ČALO SNAGE
batU+
uU
iU
TR
batU+
iUuU
TR
batU−
1T
2T
a) emiterskoslijedilo
b) push-pullspoj
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
65
STABILIZATORI NAPONA
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
2. Prekida čki (switching) stabilizator napona (ima ve ći stupanj iskorištenja i širi raspon ulaznog napona):
1R
2RTR
+
-
+-
+
- PW MuU
zU
iU
1T
CL
LI
D
T
t
3. Pretvornici: DC/DC, DC/AC, AC/DC
66
LM317HV
VIN VOUT
ADJINV
F1.0
C1
µ Ω=
1.22
R1
RT
Stabilizator struje
IZVORI NAPAJANJA S INT. STABILIZATORIMA 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−
67
INTEGRIRANI VREMENSKI SKLOP – NE555 TIMER ASTABIL – generator pravokutnog signala
MONOSTABIL – generator jednog impulsa
Ra
555
Rb
C
3
8
6 5
2
1
4
7
Vcc+
OUTPUT
t1
t2
( )CRbRa0.693t1 +=( )CRb0.693t2 =
555
8
5
2
1
4INPUT
Vcc+
6
7
R
C3
OUTPUT
1.1RCt =
t
68
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
POKAZIVAČ DIGITALNI IZLAZI
0 1 1 1 0 0 0
9 6 D C
M
B A
DIGITALNI
VELIČINA
DIGITALNO ANALOGNI
PRETVORNIK
M ULAZI
1
69
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.
70
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
71
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
72
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
73
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
74
• 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.
75
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).
76
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
77
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 • izolaciono pojačalo za analogne signale (sa opto-spojkama), • DC/DC pretvornici (DC-> AC -> Transformator -> DC)
78
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
79
PROGRAMABILNO - LOGI ČKI KONTROLER (PLC)
• U početku zamišljen kao zamjena za relejnu (kontaktnu) logiku. Danas je to univerzalna komponenta za industrijsku automatizaciju.
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
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
82
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)
83
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
84
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
85
<kraj dijela B>
3/19/2010