Aplikovaná elektronika

Transkript

1 Vysoké učení echnické v Brně Fakula srojního inženýrsví Úsav auomaizace a informaiky Aplikovaná elekronika Sudijní opora pro magiserské sudium Obor Auomaizace a výpočení echnika, specializace auomaizace Auor: Ing. Zdeněk Němec, Sc. ok vydání: 24

2 Obsah Úvodní poznámka Pasivní elekronické prvky Odpory Kondenzáory Indukčnosi Displeje z ekuých krysalů Polovodičové součásky diskréní Diody Zenerovy diody Diody LED Tyrisory Triaky Diaky Tranzisory Fooranzisory a oprony Operační zesilovače Vlasnosi operačních zesilovačů Oevřený obvod, korekce frekvenční charakerisiky Přenos operačního zesilovače se zpěnou vazbou Obvyklá zapojení operačních zesilovačů Mikroprocesory (přehled) Mikropočíače Jednočipové mikropočíače Mikrořadič I Mikrořadiče PI 6xx Zdroje sejnosměrného napěí Zdroj s jednocesným usměrňovačem Zdroj s dvoucesným usměrňovačem Sabilizáory napěí Impulzní zdroje Elekrochemické zdroje Elekronické obvody pro auomaizaci Filry ypu dolní propus (DP) Krysalové osciláory Laboraorní cvičení Prosředí pro simulaci elekronických obvodů cvičení č Dvoupolohový a impulzní reguláor cvičení č Návrh a analýza síťového zdroje ss napěí cvičení č PID reguláor s operačními zesilovači cvičení č.4 28 Srana 2

3 Úvodní poznámka Předložená sudijní opora je shrnuím obsahu výuky předměu Aplikovaná elekronika pro posluchače 5. ročníku VUT v Brně, FSI, oboru auomaizace. Láka je vybrána ak, aby doplňovala předchozí obecné znalosi sudenů o y čási, keré jsou pořebné a specifické pro práci v oboru auomaizace. Nejde edy o ucelený výklad elekroniky, ale o zkrácený výče doplňujících poznaků, převážně ve formě hesloviých sdělení bez komenářů (vysvělující komenáře jsou součásí přednášek). Pasivní elekronické prvky pasivní => jsou spořebiči energie věšinou dvoupóly => mají 2 svorky. Odpory (resisory) značka: even. v USA: hlavní paramery: odpor [Ω] zaížielnos [W] vyráběné hodnoy odporů jsou v řadách E6 E2 E24 E96, nejčasěji v řadě E2 číslo značí poče hodno v jedné dekádě např. pro E2: a jejich dekadické násobky příklady značení odporů: 2j2 = 2,7 Ω 3k3 = 3 3 Ω M5 = 5 Ω M8 = 8 Ω zaížielnos:,25,25, [W] miniaurní odpory vrsvový odpor: keramické ělísko přívod odporová vrsva (spirála) odporová vrsva je uhlíková (běžné odpory) nebo mealizovaná (kvalinější odpory) spirála je vyvořena vybroušením z původně celisvé odporové vrsvy dráový odpor: odporová dráha je ze speciálního dráu (konsanan, ), navinuého na keramický váleček je vhodný pro věší zaížení desičkový odpor: je velmi přesný, sabilní, malá eploní závislos měnielné odpory: rimr (nasavení šroubovákem) poenciomer (nasavení knoflíkem) 3

4 náhradní schéma pro vysokofrekvenční signály: L L= paraziní indukčnos spirály přívodů další paramery (vlasnosi) odporů: úchylka odporu od jmenovié hodnoy ( %, 5 %, 2 %, %,.) eploní závislos odporu; běžné. %/ o, kvaliní <. %/ o časová sabilia odporu; běžné 2 %/rok, kvaliní <,2 %/rok inenzia poruch; běžné >. 6 /hod., kvaliní <. 8 /hod. klimaická odolnos (T min,, T max, vlhkos, )..2 Kondenzáory (kapaciory) značka: normální elekrolyický hlavní paramery: kapacia [pf, nf, µf] dovolené napěí [V] příklady značení kapaciy kondenzáorů: = pf 3n3 = 3,3 nf (éž 3K3 = 3, = 3,3 nf) 5 M = 5 µf 2 G = 2 µf ( = 2 mf = 2 µf) dovolené napěí = maximum souču sejnosmě rného napěí a sřídavé složky U P ozn.: u papíro vých je omezení sřídavé složky na 2 % Umax z dovoleného napěí. náhradní schéma: P pro sejnosměrný a nízkofrekvenční signál, zráový činiel I g δ = I P = X P S pro vysokofrekvenční signál, zráový činiel I značí proud, U napěí, X reakanci U S g δ = = U X S V ýpočové vzahy S 2 kapacia = εr εo [ F;, F m, m, m] ] d kde ε r = relaivní permiivia dielekrika 4

5 obecně proud kondenzáorem ε o = permiivia vakua S = plocha elekrod d = vzdálenos elekrod (loušťka dielekrika) harmonický signál: proud předbíhá napěí o 9 o, náboj v kondenzáoru: q( ) = u( ) du ( ) i ( ) = d energie v kondenzáoru : w( ) = u 2 ( ) 2 X jω = ( ) j ω A ) Elekrolyické kondenzáory jen pro napěí jedné polariy!(při záměně poškození) velké kapaciy, proože dielekrikum (oxid hliníku nebo oxid analu) má malou loušku používají se jako filrační kondenzáory ve zdrojích, jako vazební, kvalia je horší: zráový činiel gδ.2 jen věší hodnoy kapaciy, např µf velké odchylky kapaciy, běžně 2 % až 5 % B) Papírové kondenzáory chlorovaný papír, impregnan, nejčasěji používán mealizovaný papír: levný, málo kvaliní (gδ.5) malá váha a rozměry, regenerační schopnos (použielnos i po průrazu přepěím) ) Slídové kondenzáory malé kapaciy (do pf) posříbřené desičky, mezi nimi slída velmi kvaliní (gδ.), sabilní, nízká eploní závislos D) Polysyrénové a polyeserové kondenzáory dobré sřední vlasnosi, levné velmi rozšířené E) Keramické kondenzáory velmi příznivý poměr kapacia/objem horší sabilia (časová sálos kapaciy), značná eploní závislos F) Speciální kondenzáory oočné: mění kapaciu dle vzájemného naočení segmenů (ladění radiopřijímačů) dolaďovací : hrníčkové skleněné pískové rozběhové, elekrolyické : pro krákodobé připojení pomocné fáze moorku na 5 Hz. 5

6 .3 Indukčnosi (idndukory) značka: L hlavní paramery : indukčnos [H, mh, µh] dovolený proud [A] maeriál jádra: železné plechy; pro lumivky, pro 5 Hz feri; válcová jádra, hrníčky,.., pro vysokofrekvenční signály bez jádra, j. vzduchové; pro velmi vysoké frekvence (> MHz) náhradní schéma: L S S = paraziní odpor vinuí relaivně malá kvalia, proože S je podsaný V ýpočové vzahy obecně napěí na indukčnosi: dil( ) ul( ) = L d harmonický signál: proud je zpožděn vůči napěí o 9 o, energie magneického pole v indukčnosi: XL ( jω) = j ω L 2 w( ) = L il ( ) A 2 [ J; H, ]].4 Displeje z ekuých (kapalných) krysalů zkraka LD ( Liquid rysals Displey) základní lákou jsou organické sloučeniny s proáhlými molekulami, keré se chovají jako elekrické dipóly elekrickým (even. magneickým) polem se mění uspořádání molekul => změna opických vlasnosí, j. průchod či odrazivos svěla princip: U řídicí elekrody ve varu zobrazovaných informací dopadající svělo molekuly při el. napěí orienovány jedním směrem LD řídí : odrazivos (reflexní yp LD) => vyžadují osvělení průchod svěla (ransparenní yp) velmi perspekivní; jsou i barevné (mají řízený elekroopický jev) zásadní vý hoda: éměř nulová spořeba energie (ovládání jen napěím, éměř nulový proud) využií: displeje měřicích přísrojů, zobrazovacích zařízení, hodinek, kalkulaček, další druhy displejů: bodové nebo sedmisegmenové s LED prvky; plazmové, elekroluminiscenční; kaodové (digirony), 6

7 2 Polovodičové součásky diskréní polovodičový maeriál: křemík (Si), dříve germánium aomy Si ma jí 4 volné elekrony (je čyřmocný) polovodič ypu N: do čisého Si se záměrně přidá malé množsví pěimocného hliníku (Al), ím se dosáhne vodivos volnými elekrony polovodič ypu P: do čisého Si se přidá římocné indium (In), ím se dosáhne děrová vodivos, j. mění se míso s chybějícím elekronem 2. Diody (usměrňovací, deekční) značka: anoda kaoda (označení barvou) při éo polariě vede při éo polariě nevede využívají přechodu (syku) mezi polovodičen ypu N a polovodičem P: P N propusný směr nepropusný směr hlavní paramery: dovolený proud [A] (rvalý, efekivní hodnoa ) dovolené závěrné napěí [V] volampérová charakerisika (příklad): U ZÁV [V] 2 I POP [A] dovolené napěí 2 Up ~.6V 2 I ZÁV [µa] dovolený proud U POP [V] vodivos v propusném směru je až x věší než v závěrném další paramery: úbyek napěí v propusném směru (věšinou pro jmenoviý proud) proud v závěrném směru (věšinou pro dovolené závěrné napěí) velikos impulzu proudu (až 5 x věší než jmenoviý) dynamické paramery, např. doba zoavení (např. rr ~.5 µ 2.2 Zenerovy diody značka: A K při éo polariě sabilizuje 7

8 závěrná čás charakerisiky záměrně upravena ak, aby napěí zlomu bylo definováno a aby zlom byl srmý charakerisika: I POP U ZÁV U Z U POP pracovní oblas I Zmax Pmax I ZÁV nejčasěji je používána jako sabilizáor napěí: U VST U VST U S U S 2.3 Diody LED LED = Ligh Emiing Diode svělo emiující dioda, dle čs. normy správně svíivka značka: A K fyzikální podsaa: přechod PN, zapojení v propusném směru, minoriní nosiče způsobují vyzařování foonů enká vrsva svělo P N A() K() svělo éměř monochromaické barva je závislá na maeriálu: GaP => červená, GaAsP => zelená, ad. použií: indikace dvouhodnoových informací (míso dřívějších žárovek) zdroj záření pro opické spoje sedmisegmenové zobrazovače, jsou sesaveny z LED (každý segmen = řada LED) mozaikové zobrazovače; znak = pole bodů s LED diodami dekodér znaků 2.4 Tyrisory čyřvrsvý polovodičový spínací prvek funkce: řízená usměrňovací dioda => jen pro polariu spínaného proudu značka: A K G 8

9 volampérová charakerisika: I POP řídicí elekrodou G ovládáme napěí, při kerém yrisor sepne I G > I G = řídicí elekrodou sepneme, ale nemůžeme rozepnou U ZÁV U POP rozepnuí nasane až při poklesu proudu na éměř příklad použií: U NAP záěž např. žárovka A K G I I G Řídicí obvod U NAP I G I 2.5 Triaky funkce je sajná jako u 2 aniparalelních yrisorů značka: A A 2 G pro řízené spínání v obou polariách volampérová charakerisika: I spíná symericky obě polariy proudu I G > I G = U I G = I G > 9

10 příklad použií: U NAP záěž zde odporová A A 2 G I I G Řídicí obvod U NAP I G I φ pro síťové napěí jde o zv. fázové řízení, pak φ je úhel pro sepnuí, φ = až 8 o např. ve výsupech programovaelných auomaů se používá jako alernaiva vůči relé k bezkonaknímu spínání sřídavých silových obvodů 2.6 Diaky jako riak, ale bez řídicí elekrody značka: použií: pro osciláory (VA charakerisika obsahuje zápornou obla ochrany proi přepěí (spíná v okolí 3 V) 2.7 Tranzisory vynález r. 947: Barden, Briein, Shockley dnes jsou hlavními součáskami v inegrovaných obvodech (poče ranzisorů <=>složio samosaný ranzisor se používá omezeně: jako výkonový ranzisor, jako spínací prvek,.. A) Bipolární ranzisor ypu NPN značka: B E fyzikální podsaa: E emior N P N () kolekor B báze () obvyklé zapojení jako zesilovače (zapojení se společným emiorem): B U napáj U 2 U I I 2 B = proo = I zesílení = β I B U/ B U 2 = β I U A = U 2 = β B = B B β U

11 paramer β = I / I B je proudový zesilovací činiel, někdy éž značený jako h 2E běžně β = 5 až 5 charakerisiky ranzisoru: Převodní charakerisika I Výsupní charakerisika I B4 I B I U E I B3 I β <= I B I B2 I B I B U E B) Bipolární ranzisor ypu PNP značka: B E fyzikální podsaa: E emior P N P () kolekor B báze () ) Unipolární ranzisor MOS (FET jsou obdobné) značka: G E U E fyzikální podsaa: ( s kanálem ypu N) E emior U GE G mřížka () záporný poenciál G zužuje efekivní plochu mezi E, proo I = f(u GE ) charakerisiky: I N () kolekor Výsupní charakerisika Převodní charakerisika U GE4 U GE3 U GE2 U GE U GE U E výhoda: vsup (G) je impedančně oddělen, => řízení polem, => velmi velký vsupní odpor

12 2.8 Fooranzisory a oprony A) Fooranzisory svělo dopadá na bázi, uvolňuje nosiče nábojů => nahrazuje působení I B U napáj I ověl. ověl. 2 U výs ověl. 3 U napáj U E použií: u čidel pro převod svělo el. signál, ad. poznámka: pro spínání se éž používá fooyrisor B) Oprony opoelekronická součáska, zahrnující zdroj záření opickou vazbu (může bý i svělovod) čidlo záření věšinou LED fooranzisor v pouzdře: I 2 I I 2 E I even. obsahují i zesilovač pro logické zpracování signálů: U 2 U 2 používají se pro galvanické oddělení obvodů, např. pro vsupy programovaelných auomaů paramery : izolační napěí (25 až 4 V) přenosový poměr ( I výs / I vs ) izolační odpor ( až MΩ) doba náběhu, doba doběhu ( až µ 2

13 3 Operační zesilovače (OZ) OZ = základní akivní součáska analogových obvodů značka (symbol ve schémaech): neinverující vsup výsup inverující vsup použií v auomaizaci: zesílené signálů na normovanou velikos ke zpracování informací => reguláory s přenosy I,D,.. provedení: monoliický inegrovaný obvod; vsupy bipolární unipolární (MOS nebo FET) 3. Vlasnosi OZ (žádané vlasnosi) velké napěťové zesílení (bez zpěné vazby); běžně > 5 velký vsupní odpor; sovky kω malý výsupní odpor; desíky Ω polačení souhlasného napěí malý vsupní klidový proud; <. 5 µ A malá napěťová nesymerie vsupů, j. vsupní zbykové napěí; > mv u bipolárních OZ, > mv u unipolárních OZ malý eploní drif (drif napěťové nesymerie vsupů); jednoky µv/ o, přepoče na vsup! malá cilivos na změny napájecího napěí ( diferenční zapojení obvodů uvniř OZ) velká mezní frekvence; f T = ranziní kmioče, při něm poklesne zesílení na velká mezní rychlos přeběhu výsupního napěí; jednoka až desíky V/µs 3.2 Oevřený obvod, korekce frekvenční charakerisiky oevřený obvod = obvod s OZ bez zpěné vazby (ZV) z výsupu na vsup aby byl OZ se ZV sabilní, je nuná korekce frekvenční charakerisiky OZ; (viz souvislos s eorií auomaického řízení) u nových OZ je korekce již uvniř OZ, ale jen pro sandardní ZV s odpory, což pro je někeré aplikace nevýhodné (nesabilní, nebo naopak zbyečně zalumené) A db = zesílení příklady korekcí: bez korekce 2dB/dek s korekcí f ϕ [ o ] f 9 8 3

14 3.3 Přenos OZ se ZV (obecně) požadované vlasnosi celého obvodu jsou dány zpěnovazebními prvky! ZV je nuné připoji na ( ) vsup; zapojení ZV na () vsup vede k nesabiliě A) Řešení obvodové obecně: I Z Uvs I Z odvození: impedance Z (, Z ( mohou bý obvody s odpory, kondenzáory, indukčnosmi, ad. B) Řešení z analogie k regulačnímu obvodu U A Ivs U Z U Z U I = U ( = ( G(, kde prenos G( = Z ( / Z( vs I = U ( = U Z ( ( Z( β přenos uzavřené smyčky: U ( U A A G( = = ], U( A β proo G( = A = A β β Z ( jelikož β = Z /Z, pak přenos G( = Z( povrzení: přenos je závislý jen na zpěné vazbě ale A β >>, 3.4 Obvyklá zapojení s OZ A) Inverující zesilovač napěí U U = U nejčasěji používané zapojení B) Neinverující zesilovač napěí U = U výhodou je velký vsupní odpor 4

15 c) Převodník napěí proud I Záěž I = U nev ýhodou je, že záěž nemá uzemněný vývod D) Převodník proud napěí I U = I U E) Proudový zesilovač (převodník I I) I 2 I Záěž I 2 = I F) Napěťový sledovač U U = využií pro impedanční přizpůsobení (vsupní odpor vysoký, výsupní odpor éměř nulový) G) Diodový omezovač U U U,6V U,6V U = chová se jako ideální dioda: přenos pro záporný vsup přenos pro kladný vsup H) Mulivibráor even. šířková modulace U U 2 U jde o kombinaci záporné a kladné vazby šíroké použií, hlavně pro šířkovou modulaci impulzních signálů (mění se sřída úměrně vsupnímu signálu) 5

16 činnos je parná z časových průběhů na vedlejším obrázku U h τ=. o U h U h=u M. / 2 U 4 Mikroprocesory (přehled) Definice mikroprocesoru: Je o inegrovaný obvod vysoké složiosi, realizující hlavní funkce procesorové jednoky (PU), j. če jednolivé insrukce programu a provede podle nich předepsané operace. hlavní bloky: arimeickologická jednoka (ALU), regisry, vyrovnávací paměi, řadič program je obsažen v exerních paměech (OM, AM, EPOM,..) odlišnos od inegrovaných obvodů (IO): univerzální srukura, požadovaná funkce zajišěna programem, => možnos masové výroby A) 4 biové r. 97, yp I 44, počáek mikroprocesorové éry vznikl jako náhrada za sadu IO do kalkulačky (byl o redukovaný procesor z počíače PDP8) pořeba mnoha vnějších IO pro podporu B) 8 biové r. 972, yp I 88 r. 973, yp I 88 r. 974, yp I 88A; sandard, velmi rozšířený, obsahoval 5 ranzisorů r. 976, yp I 885; éž fy Zilog: Z8, 2x výkonější, vrchol 8 bi. mikroprocesorů éž fy Moorola: M 68 ) 6 biové r. 978, yp I 886 r. 979, yp I 888; uvniř 6 biový, vně zapojen jako 8 biový => úspora spojů, součásek,.. koprocesor I887: pro arimeické operace => zrychlení numerických výpočů éž fy Zilog: Z8, éž fy Moorola: M 68 r. 982, yp I 8286; zvěšený adresový rozsah, vyšší rychlos I 8287: koprocesor pro průmyslové aplikace: I 886, I888 D) 32 biové r. 984, yp I 8386; hodinový kmioče 6 až 33 MHz I 8386 SX; vně 6 biů DX; vně 32 biů I 8387: koprocesor r. 989, yp I 8486 SX; vniřně i vně 32 biů, bez koprocesoru DX; s koprocesorem DX2/5; vniřní hodinový kmioče 5 MHz, vnější 25 MHz 6

17 E) 64 biové ( sav k r. 993) řada Penium, fy Inel kompaibilia insrukcí s I 8486, echnologie MOS.8 µm, uvniř 3 miliony ranzisorů, příkon 3 W, superskalární srukura => až 3 insrukce současně (2 v ALU v FPU), zrychlení 8x vůči I 8486 řada Power P ypy MP 6 až MP 62, sdružení firem Moorola IBM Apple, archiekura superskalární, IS (redukovaný insrukční soubor) řada Alpha fy DE, archiekura superskalární, IS, hod. kmioče 2 MHz, plán zvýši výkon x (x kmiočem, x paralelní srukurou, ) 5 Mikropočíače Definice : Mikropočíač je programovaelný sekvenční auoma, sesavený z inegrovaných obvodů vysoké inegrace. skládá se z: mikroprocesoru paměi pro záznam a čení da (WM, AM) paměi pro program ( OM, POM, EPOM, EEPOM) obvody pro vsup a výsup da pozor: mikroprocesor je součáska ( moor) mikropočíač je zařízení s ucelenou funkcí ( auomobil) v auomaiz aci nejčasěji ve formě savebnice (jednoka PU jedn. vsupů/výsupů ) sejný HW pro mnoho aplikací, odlišnos funkce dána jen programem => univerzálnos => => nízké ceny 5. Jednočipové mikropočíače éž název mikrořadiče, nesprávně mikrokonroléry do čipu inegrováno: ALU (arimeicko logická jednoka) hlavní paměť omezeného rozsahu (AM, ev. EPOM pro program) časovač / čiač vsupní / výsupní obvody omezeného rozsahu even. A/Č převodník, sériová komunikace vhodné pro malé aplikace s malým počem vsupů a výsupů např. měřicí přísroje, el. spořebiče, iskárny, pračky,.. výhody: velmi levné; vše v pouzdře IO nevýhody: programování na úrovni assembleru první ypy: I 848 (KB OM), I 8748 (KB EPOM), AM 64B, 27 linek vs/výs 5.2 Mikrořadiče I 85 sandard, nyní výkonnější kompaibilní náhrady (Amel,..) I 85: 4 KB programu v OM I 83: program musí bý na vnější paměi I 875: 4 KB programu v EPOM paměť AM je 28 B, adresový prosor programu 64 KB 7

18 2 časovače / čiače 6 biů duplexní sériový por možnos přerušení (2 úrovně, 5 zdrojů) 32 linek vsupů / výsupů insrukce násobení a dělení Blokové schéma I 85 osciláor paměťprogramu OM/ EPOM paměťda 28 B AM čiače 6 biů 2x PU (ALU) přerušení řízení sběrnice OM/ EPOM řídicí vodiče pro P až P3 programovaelné vsupy/výsupy P P P2 P3 4 x 8 biů sériový por sér. výsup. sér. vsup. 5.3 Mikrořadiče PI 6xx výrobcem fy Microchip (USA), cena až 6 Kč společné vlasnosi: osmibiová daa, archiekura IS, echnologie MOS je mnoho ypů, zde uvedeme jen 3 hlavní skupiny dle složiosi (viz A, B, ) každá ypová řada má modifikace: dle ypu programové paměi (OM, POM, EEPOM) (provedení OTP => program je jen jednou nahrán) dle kapaciy paměi programu a da dle osciláoru a hodinového kmioču (od 4 do 2 MHz) dle ypu pouzdra dle rozmezí napájecího napěí a eplo A) Řada PI 65x Typ Paměť programu Paměť da (AM) Poče vs/výs PI x 2 32 x 8 2 ci./ čas x 2 32 x 8 2 ci./čas 56 K x 2 32 x 8 2 ci./čas K x 2 8 x 8 2 ci./čas mají 33 jednoslovních insruk cí, insr. = 2 biů doba rvání insrukce při osciláoru 2 MHz je věšinou,2 µs pouze úroveň podprogramu nemají přerušení čiač nebo časovač regisry (8biové): 8 speciálních, 6 až 24 univerzálních (daových) hlídání Wach Dog: při překročení doby nečinnosi se reseuje možný režim Slep, j. spaní => malá spořeba 8

19 B) Řada PI 67x hlavní yp je PI 67 (viz dále), odvozené ypy PI 67, 7, 72, 73, 74, bez A/D převodníku: PI 683, 84 (EPOM, použiý ve cvičeních) obsahuje 4 analogové vsupy 8 biový aproximační A/D převodník (doba převodu < 2 µ má sysém přerušení: 4 zdroje přerušení ( přerušení od exer. vsupu, od časovače, od konce A/D převodu, od změny na 4 vsupech) 3 vsupů / výsupů (z oho 4 analogové) 35 insrukcí, insrukce = 4 biů paměť programu K x 4 biů, paměť da 36 bye B) Řada PI 74x hlavní yp je PI 744 (viz další popi, odvozené ypy PI 743 (menší paměť programu), PI 742 (bez HW násobičky, menší paměť programu) má HW pro násobení 8x8 biů za,6 µs 2 šířkově modulované výsupy ( možno použí jako náhradu analogových výsupů) sysém přerušení: zdrojů 33 vsupů / výsupů 58 insrukcí, insrukce = 6 biů paměť programu 8K x 6 biů, paměť da 454 bye sériový por 3 čiače po 6 biech 6 Zdroje sejnosměrného napěí Zdroje sejnosměrného (s napěí pro přísroje auomaizace: síťový klasický, j. ransformáor usměrňovač filr even. sabilizáor síťový impulsní, j. usměrňovač meziobvod šířkově modulovaný měnič usměrňovač akumuláorový; věšinou jako záložní zdroj baeriový; pro přenosné a mobilní prosředky Pro auomaizaci převažují zdroje 24 Vss (uvniř přísrojů se z něho odvozují 5 V, 5V ); dříve éž 22 Vss, ale o dnes jen pro elekromagney venilů, Zajišění nepřeržiého napájení: a) Zdrojem sřídavého napěí jsou UPS (uninerrup Power Suply). Obsahují akumuláory, keré jsou zdrojem po výpadku el. síě. Překlenou ¼ hod. až několik hodin. b) Zálohování výhybkou na ss sraně: 23 V~ klasický el. síť síťový zdroj U N U N U 2 AKU U 2 výpadek síťového napájení 9

20 6. Zdroj s jednocesným usměrňovačem 23 V~ I N I Z U Z U Z I N U 2 ms T V ~ 7 ms orienační výpoče zvlnění U při daném kondenzáoru (nebo obráceně) vychází z rovnosi nabíjení a vybíjení nábojů v : I. Z T V = U. usměrňovací diodu nuno dimenzova na proud věší než je sřední hodnoa zaěžovacího proudu I Z (přesněji dle efekivní hodnoy pulzů I N ) 6.2 Zdroj s dvoucesným usměrňovačem A) Pro ransformáor s sekundárním vinuím: U Z 23 V~ U Z ms Grezův můsek (dnes jako součáska diodový můsek ) výhodou je jednodušší ransformáor nevýhodou je nunos věší filrace zvlnění výsupu B) Pro ransformáor s 2 sekcemi sekundárního vinuí: U Z U Z 23 V~ ms nevýhoda: složiější ransformáor 6.3 Sabilizáory napěí A) Se Zenenerovou diodou napěí z filru U F U I D I Z U S U F U S U 2

21 návrh pracovního odporu : vycházíme z U Fmin, kdy musí bý I D, pak plaí: U Fmin U S. I Zmax => (U Fmin U S ) / I Zmax konrola zaížení Zenerovy diody: nejnepříznivější případ je při odpojené záěži, kdy I D = (UFsř U S ) /, zráový výkon P = I D.U S B) Inegrované sabilizáory vyrábějí se jako IO s pevnou hodnoou výsupního napěí (ypicky 5V, 9V, 2V, 5V, 24V) věšinou říbodové zapojení: nesabilizované napěí U vs Sabilizáor U výs sabilizované napěí nuná podmínka: (U vs U výs ) 2 až 3 V sabilizáory mají zabudovanou ochranu proudu (proi zkrau výsupu) a ochranu eploní (při přehřáí vypne) příklady ypů: MA 785 (pro 5V) až MA7824 (pro 24V) 6.4 Impulzní zdroje podsaou je o usměrňovač s navazujícím pulzním měničem: ~ = U 2 = usměrňovač pulzní měnič blokové schéma: usměrňovač filr šířkově modulovaný signál, f = 7 khz sřídač ransformáor s feriovým jádrem usměrňovač filr 23 V~ 3 V sejnosměrný meziobvod řízení šířkovou modulací reguláor napěí výsup ss nap. galvanické oddělení výhody: vyšší účinnos (energie není mařena jako u předchozích sabilizáorů) menší rozměry a váha (<= vysoký kmioče, malé filrační ) nevýhody: složiější => vyšší poruchovos je zdrojem rušení 6.5 Elekrochemické zdroje Nuno rozlišova akumuláory (po vybií možno opě nabí) od baerií (jednorázové využií)! A) Akumuláory věších kapaci jako sacionární zdroje, j. záložní zdroje 2

22 věšinou olověné (2. V/článek) evenuálně nikl kadmiové (.2 V/článek) nebo nikl ocelové (.2 V/článek) záložní zdroje pro: auomaiku; nuný rvalý provoz bez přerušení nouzové osvělení nuné rvalé dobíjení ze síě, věšinou umísění v samosané mísnosi (uvolňování plynů) B) Akumuláory přísrojové malé kapaciy, do přenosných přísrojů (hlavně měřicích přísrojů) α) Nikl kadmiové (Nid) klasické; I nabíj = I vybíj (kapacia [Ah]) / hod. β) Nikl kadmiové (Nid) se sinrovanými elekrodami; I nabíj, I vybíj jsou věší než u α) výhody α), β) : lze je přebíje bez poškození nevýhody α), β) : paměťový efek => jeli nabíjen nevybiý článek, je jeho kapacia menší γ) Nikl meal hybridové (NiMH); všeobecně lepší než Nid, mají menší paměťový efek,.., ale věší samovybíjení (4%/den vůči %/den u Nid)) společné doporučení pro α), β), γ) : používa cykly nabíjení až po úplném vybií článků δ) Lihium ionové (Liion); výhodné pro inenzivní používání, nemají paměťový efek, např. pro mobilní elefony ε) Sříbro zinkové; poměrně nákladné, pro speciální použií (např. závodní moocykly) ) Baerie (přesněji primární galvanické články) použiím je znehodnocena akivní hmoa => nelze nabíje! do přenosných přísrojů α) Klasický burelový článek (Leclanchéův) elekroda je burel (= kysličník manganičiý) elekroda je zinek (Zn) elekrolyem je rozok chloridu amonného napěí,5 V (ale vybíjením dosi klesá) normované rozměry (užkový var, monočlánek, ) β) Alkalický článek burelový obdoba předchozího, ale elekrolyem je rozok KOH vyšší kapacia 2 až 5x delší skladovaelnos (2 roky) o dobrá funkce i pod ale vyšší cena 2 až 3x γ) uťové alkalické články jmenovié napěí,35 V, během vybíjení se éměř nemění kapacia věší (.5 až 2x) než alkalické burelové vyšší cena rozměry knoflíkové do měřicích přísrojů, hodinek, foopřísrojů, δ) Lihiové články cca 3 V/ článek pro malé vybíjecí proudy dlouhá živonos (až le) velká měrná kapacia (3 Wh/kg) vysoká cena 22

23 7 Elekronické obvody pro auomaizaci (výběr) 7. Filry ypu dolní propus (DP) účel a použií: filrace signálů od rušení a od nadbyečně rychlých změn veličin příčinou rušení je používání dlouhých vedení, nízké úrovně signálů od čidel,.. rychlé změny jsou nežádoucí zejména při následném číslicovém zpracování signálů A) Jednoduchý filr DP, pasivní jde o přenos saického členu se servačnosí. řádu (éž servačný článek ne bo člen) výs Zapojení: vs Přenos: Uo( G( = =, kdeτ = U( s τ Přechodová charakerisika: Logarimická frekvenční charakerisika: 2log G /τ ω U 2 τ 2dB/dek filrace filrace je od zlomové frekvence f z : ωz = 2 π f = = 2 π τ 2 π výhody: pasivní obvod => nevyžaduje napájení lze realizova improvizovaně, např. na svorkách přísroje nevýhoda: nuno dodrže podmínky výs << << vs, jinak není přenos přesný ( G <) B) Jednoduchý filr DP s OZ (servačný článek) z = τ f z 2log G U /τ 2dB/dek filrace ω Uo( K o Přenos: G( = =, kde K =, τ = o o ( s τ výhoda: přenos není závislý na impedanci zdroje a záěže 23

24 ) Dvojiý filr DP s jedním OZ saická sousava se servačnosi 2. řádu (éž kmiající článek) lze realizova i kaskádním zapojením dle A) (ale obížnější dodržení podmínek impedancí) nebo dle B) (ale pořeba dvou OZ) volbou prvků lze dosáhnou různých charakerisik, j. různého chování Zapojení: Přenos: U Uo G( = U ( = ( kde T = K 2 ξ s T s 2 3 2, 2 2 T Přechodová charakerisika: Logarimická frekvenční charakerisika: 2log G /τ U ξ =.3 ξ = /T filrace ω 4dB/dek filrace je inenzivnější, proože sklon charakerisiky je dvojnásobný, 4 db/dekádu 7.2 Krysalové osciláory jedná se o osciláory s piezoelekrickými krysaly (éž krysalovými jednokami KJ) v analogových zařízeních generujeme harmonický signál; jako zesilovací prvek použijeme ranzisor, provozovaný v lineárním režimu v číslicových zařízeních vyžadujeme naopak pravoúhlé průběhy kmiů; jako zesilovací prvek použijeme logický inegrovaný obvod nejčasější zapojení osciláoru: frekvence f o reakance krysalové jednoky: ( linearizuje charakerisiku hradla;),, 2 čásečně filrují vyšší harmonické) & KJ & posouvá o 8 o X KJ f o L f 2 velmi přesné!; sabilia frekvence. 7 /rok (dlouhodobě), až. 9 /den (krákodobě) proo je žádoucí převés jakékoliv měření veličin na měření prosřednicvím krysalu 24

25 8 Laboraorní cvičení Poznámka: v éo kapiole jsou uvedeny exy zadání laboraorních úloh, keré se uskuečňují v počíačové laboraoři. 8. Prosř edí pro simulaci elekronických obvodů cvičení č. Úkol : Seznámení s počíačovou podporou pro návrh, kreslení a analýzu elekronických obvodů Název prosředí : Elecronics Workbench, v.5. (dále jen EWB) Zadání :. Spusťe EWB, nejlépe z nabídky programů. V roleě souborů oevřee ukázkový příklad 2moscil (později even. další doporučené ukázky UA79, STEPDV ). 2. Posupně si prohlédněe roleové nabídky a prolisuje Help. 3. Sezname se s modely alespoň nejdůležiějších součásek. Doporučený posup : Z druhé horní lišy (skupinové knihovny) přemísěe součásky na pracovní plochu bez jejich propojování. Informace o doyčných modelech součásek pak dosanee jejich označením (kliknuím) a siskem klávesy F. Dvojklikem vyvoláe nasavování paramerů označené součásky. 4. Podrobněji se sezname s užíváním osciloskopu. Zkuse např. propoji osciloskop s funkčním generáorem sleduje základní časové průběhy. Odečěe hodnoy časů a velikosi signálů pomocí posuvných ukazaelů. K dalšímu seznámení se s prosředím zapoje odbornou inuici (např. zapnuí pochodu = klik na přepínač OI, propojování součásek, ). Němec /2 v_apel.doc 25

26 8.2 Dvoupolohový a impulzní reguláor cvičení č.2 Obsah cvičení : Dvoupolohový a impulzní reguláor Pomůcky: P s nainsalovaným prosředím Elecronics Workbench v. 5. Zadání :. Sesave dvoupolohový reguláor s operačním zesilovačem dle přiloženého schémau. Odzkoušeje jeho vlasnosi a zaznameneje si jeho převodní charakerisiku (na vsup rojúhelníkový signál, na výsup osciloskop). Čím lze měni hyserezi, even. vyjádřee obecný vzah (závisí na 3 veličinách). 2. Před reguláor předřaďe obvod pro realizaci regulační odchylky, nejlépe ve formě rozdílového zesilovače dle přiloženého shémau. 3. Připoje obvod pro nasavování žádané hodnoy. Použije např. spojení baeriového zdroje V a poenciomeru, žádanou hodnou odebíreje z jezdce. 4. Připoje regulovanou sousavu. Jako hlavní objek volíme sejnosměrný moor. Budicí vinuí napájeje ze sejnosměrného zdroje proudem 3mA a výsupem reguláoru ovládeje přímo napěí kovy. Vliv dynamiky výkonového členu a achodynama nahraďe servačným článkem s časovou konsanou,2 s ve formě členu, zařazeného ve zpěné vazbě od oáček mooru (odpor vole 2 k). Změře přechodovou charakerisiku mooru a sanove jeho přenos (měříme v oevřené smyčce). 5. Experimenuje s celým (j. uzavřeným) regulačním obvodem. Pozn.: Pokud je v důsledku uzavření regulačního obvodu hlášena chyba, zvěšee v nabídkách Analysis Global paramer simulace elaive error olerance na,5. Při jmenoviých oáčkách zjisěe kolísání oáček (špičkašpička) a periodu kolísání. Čím lze sníži kolísání oáček, jaké nejmenší je dosažielné a při jaké periodě? 6. Změňe reguláor na impulzní. Z předměu PAŘ si pamaujeme, že reguláor je nuné rozšíři o pomocnou zpěnou vazbu ve formě servačného článku dle přiloženého schémau (součin kondenzáoru a odporu k přibližně určuje časovou konsanu, přes odpor k se realizuje odečíání zpěnovazebního signálu). 7. Experimenálně zjisěe přednosi impulzního reguláoru. Jak se změnila míra kolísání regulované veličiny? Čím lze kolísání oáček ješě více zmenši? Němec2/2v_ApEl2.doc 26

27 8.3 Návrh a analýza síťového zdroje ss napěí cvičení č.3 Obsah cvičení : Návrh a analýza síťového zdroje ss napěí pro přísroj s napěím 9V, s odběrem do,3 A, zvlnění výs. napěí pod % Pomůcky: P s nainsalovaným prosředím Elecronics Workbench v. 5.a Zadání :. Sesave schema usměrňovače se síťovým ransformáorem. Síťový ransformáor vybere ze skupiny powrvol yp PP536. Usměrnění navrhněe dvojcesné Určee ampliudu napěí na sekundárním vinuí ransformáoru a velikos napěí za usměrňovačem (obě hodnoy bez zaížení). Proč se čásečně liší? K měření zde i v následujících bodech používeje osciloskopu a vesavěného mulimeru s odečíáním pomocí kurzoru. 2. Doplňe usměrňovač o filrační kondenzáor a určee hodnoy napěí dle abulky pro nejmenší dovolené síťové napájecí napěí 27 V (jmenovié %). Kondenzáor µf 33 µf Volíme kondenzáor 33 µf. Proč? Napěí Při záěži 4 Ω (odběr cca,3 A) bez záěže Maximum napěí Minimum napěí 3. Doplňe zdroj o sabilizáor. Ke sabilizaci použije odpor a Zenerovu diodu. Doporučujeme diodu N5238B, kerá má jmenovié napěí 8,9 V. Vybereme ji z knihovny ve složce moor n. Odpor vypočěe (viz přednášky nebo inuice), even. nouzově určee experimenováním. 4. Sanove paramery zdroje a) Výsupní napěí: při nezaíženém zdroji Uo =? při jmenoviém odběru U 3Ω =? b) Vniřní odpor zdroje i =? c) Činiel sabilizace, j. poměr zvlnění napěí před sabilizáorem ke zvlnění za sabilizáorem K=? d) Zjisěe zvlnění výsupu ( napěí špička špička) pro následující provozní podmínky: Síťové napěí 5 % záěže z = 6 Ω % záěže z = 3 Ω přeížení o % z = 27 Ω ( 23 V (jmen.) 27 V (%) 95 V (5%) 5. Zhodnoťe dosažené vlasnosi zdroje. Doplňující oázky (pro pokročilé): co je nuné změni aby zdroj správně fungoval i při sníženém síťovém napěí (při %) co se zhorší, použijemeli ve sabilizáoru diodu s napěím 9,V (j. N5239B) určee epelnou zráu na odporu sabilizáoru, jakou výkonovou zaížielnos odporu zvolíe vypočěe výkonové zaížení (epelnou zráu) na Zenerově diodě jak á je jiná variana sabilizáoru. Němec 2/24 v_apel_3b.doc 27

28 8.4 PID reguláor s operačními zesilovači cvičení č.4 Obsah cvičení : PID reguláor s operačními zesilovači Pomůcky: P s nainsalovaným prosředím Elecronics Workbench v. 5. Úkoly :. Sesave schéma PID reguláoru s operačními zesilovači Nechť reguláor obsahuje neideální derivační složku a má edy přenos TD * s G( s ) = KP * T s T s I * DF * kde Kp = 2, T I = s, T D =.2 s, T DF =.5 s 2. Před reguláor předřaďe obvod pro simulaci skokové změny regulační odchylky. Použije např. zapojení dle přiloženého schémau, obsahující i návaznos na proporcionální člen reguláoru. Přepínání změn se realizuje siskem klávesy mezery. 3. Připoje osciloskop. Na jednom kanálu sleduje celkový výsup reguláoru (akční veličinu), na druhém jen derivační složku. 4. Vyšeřee a zaznam eneje si přechodovou charakerisiku. 5. Jak se změní přechod. charakerisika pro éměř ideální derivační složku (zmenšee T DF nap = T D /2. ř. na deseinu). Jak se změní pro T DF 6. Analyzuje vliv rušícího signálu na činnos reguláoru. Předpokládejme, že na signál od čidla regulované veličiny se nasuperponuje síťový brum o běžné velikosi.5 % (při jmenoviých rozsazích V o odpovídá ampliudě rušení 5mV). Teno vliv lze modelova vřazením zdroje sřídavého napěí 35 mvef/5hz do série ze zdrojem V obvodu vsupního skoku. Poměr T D /T bez derivace 2 4 DF.5/.5.2/..2/.5 Poměrný brum na výsupu: Abr [V] / [V] Vyhodnoťe poznaky ze simulace rušení..2/.2 ideál. der..2/.2 Doplňující úkoly a oázky: nakreslee ampliudovu logarimickou frekvenční charakerisiku daného reguláoru jakým opařením lze zmírni vliv rušení o kmioču 5 Hz při paramerech přenosu dle bodu jaké spekra (kmiočy) rušení nelze polači (obecná úvaha) Němec 2/2 v_apel4.doc 28