1

B - ELEKTRONIKA Literatura:

J. Grilec, D. Zorc: Osnove elektronike, kolska knjiga, Zagreb.

T. urina: Tranzistorska tehnika, Tehnika knjiga, Zagreb. P. Biljanovi: Elektroniki sklopovi, kolska knjiga, Zagreb. P. Biljanovi: Mikroelektronika, kolska knjiga, Zagreb. J. Millman, A. Grabel: Microelectronics, Mc. Graw Hill.

ELEKTRONIKA se bavi voenjem struje kroz poluvodie, plinove i vakuum, te pripadnim elementima i sklopovima.

ELEKTRONIKI ELEMENTI, SKLOPOVI, UREAJI

Podruja: Opa elektronika (elementi, sklopovi, integrirani sklopovi) Analogna digitalna raunalna (informacijska) Visokofrekventna, mikrovalna tehnika, optoelektronika,

energetska elektronika, itd.

Po namjeni: avionika, automobilska, biomedicinska, itd. Profesionalna elektronika - Potroaka elektronika

2

SADRAJ Elektroniki elementi: diode, tranzistori, tiristori

Elektroniki sklopovi: ispravljai, stabilizatori napona, pojaala, povratna veza, oscilatori, tranzistorske sklopke

Operacijska pojaala Digitalni integrirani sklopovi: logiki sklopovi, bistabili, memorije Mikroraunala

Dodatna poglavlja za kolegij Elektronika (mehatroniari): Linearni integrirani sklopovi: primjena operacijskih pojaala, regulatori napona, pojaala snage, vremenski sklopovi Senzori, akvizicija signala, A/D i D/A pretvornici, aktuatori Programabilni logiki kontroleri

Elektronika instrumentacija

3

POLUVODII

Kovalentna veza sa 4 susjedna atoma u kristalnoj reetki Germanij i silicij su 4-valentni, struju vode elektroni i upljine

slobodni elektron upljina

Generiranje parova elektron-upljina i rekombinacija

Dodavanje 3 ili 5-valentnih primjesa poveava vodljivost n-tip(5-valentna primjesa): mnogo slobodnih elektrona, mnogo nepokretnih + iona, malo upljina (manjinski nosioci ) p-tip(3-valentna primjesa): mnogo upljina, 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

POLUVODIKA DIODA

p nA K

p n

p n

+

+

p n

+

+

7

KARAKTERISTIKA DIODE

A

V

+ -

[ ]kVUzzoU

1 5,0

[ ]AI p

[ ]AI z

[ ]VUppoU 1 2

2

4

20

10

Propusno podruje, zaporno podruje, podruje proboja

Idealna dioda? Dioda je nelinearni element ->grafiko rjeavanje strujnog kruga

8

ISPRAVLJAI

~

~

=

+

ISTOSMJ.TROILO

u~ R

u = uD + uR

2T T t

u

MU

efU

srU

DMAXU

napon na troilu:

2)(1

2)(1

0

2

sin.

0

MT

Ref

efMT

Rsr

UdttuT

U

UUdttuT

U

==

===

pipi

9

Filtriranje ispravljenog napona

~

i

u CR

u

SRU

SRU

2/T Tt

C

bez C

PUNOVALNI ISPRAVLJA

Graetzov mostni spoj

+ -~

+

u

MU

T t

napon na troilu :

2

2

Mef

Msr

UU

UU

=

=

pi

10

TROFAZNI POLUVALNI ISPRAVLJA R

S

T

0

R

12T

125T t

u

R S T R S ...MU

],0[10

TdtuT

UT

sr =

====12/5

12/

17,183,02

332sin13

T

TefMMMsr UUUtdtT

UT

Upi

pi

11

TROFAZNI PUNOVALNI ISPRAVLJA A

B

RST

12T

125T t

u

R S T R S ...MU

( ) ( )

efefMSR

MSmR

T

TSR

T

BASR

UUUU

tT

UutT

Uu

dtuuT

dtuuT

U

34,263333

22sin,2sin

6114/

12/000

===

==

==

pipi

pipipi

12

ZENER DIODA

IUR =

- statiki R

iu

r

=

- dinamiki R

rS /1=

ZI

I

DU

DI

UZUV7,0

ZZ

Z rIU

=

- Zenerov otpor

Zenerova dioda radi u podruju proboja.

Probojni napon ovisi i o temperaturi (temperaturni koeficijent)

Simboli:

K

A

ZIK

A

13

STABILIZACIJA NAPONA

TI

GU STUG S T

( )T

T

STG

G

STST

TGST

II

UUUUU

IUfU

+

=

= ,

.konstIST

G

TUU

=

=

- faktor stabilizacije

konstUT

ST

GI

U

=

=

- unutranji otpor (negativan)

GU

STU.stbez

TI

STU

.stbezvelik mali

14

STABILIZATOR SA ZENER-DIODOM (PARALELNI)

GU

SR

TRU

Gi

Zi

Ti

+

-

GU

SR

U

GUU

SR

GI

GU

S

G

RU

S

G

G

G

GSGG

RUI

UU

URIUU

+=

+=

1

:

Grafiko rjeenje IT=IG - IZ konstrukcijom toku po toku:

ZI

Zr

USTU

ZGT III =

TT R

UI =

Minimalni ulazni napon:

)1(0T

SZG R

RUU +

U

TI

TR

ctgRT =

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 (upravljaka elektroda)

GD

Skanaln

0GI

G-S kontrolni krug (ulazni), D-S radni krug (izlazni)

Naponsko upravljanje - visok ulazni otpor (109 )

16

[ ]VUGS 2 1 0 10 20

10

20

[ ]VUDS

[ ]mAID

[ ]VUGS

ulazna izlazna0

1

5,0

5,1

25,2

VUDS 10=

.constUGS

DDSU

IS=

=

MOSFET (Metal-Oxide-Silicon FET)

a) samozaporni n-kanalni, b) samovodljivi n-kanalni

DI

GSU

DI

DSU

[ ]VUGS

12345

a)

SG

D

DI

GSU

DI

DSU

[ ]VUGS

b)

01

12

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

[ ]mAIB

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 zasienju)

B

BEu

B

BEu

IU

r

kI

UR

=

= 5do,

18

TRANZISTOR KAO SKLOPKA

BBU

R

I

BBS UUI

=

= 0

0

max

=

==

S

BB

UR

UII

S

R

IC

UBBIB

BRU

BII

URIU

BBCB

CECBB

==

+=

maxmin

[ ]VUCE

[ ]mAIC

min.CI

maxCBB IR

U=

BBCE UU =max

A

B

BI

0

CEzasCE UU =min

Usporedba s obinom sklopkom:

tranzistor je istosmjerna sklopka vrijeme preklapanja kratko > mogunost regulacije vijek trajanja elektromagnetske smetnje bez iskrenja Tipino: UCE min 0,2 V ... 0.5 V, IC min < 1A

19

POJAANJE (Odnos istovrsnih fizikalnih veliina na izlazu i ulazu)

u

i

XXA =

- statiko pojaanje uX iX

u

i

XXA

=

- dinamiko pojaanje

iU

uU

u

i

UU

tgA ==

zasienje

zasienje

A

0 df gf f

istosmjernopojaalo izmjenin

o

Pojaanje kaskadno vezanih pojaala

1uX 1iX 2uX 2iX1A 2A 212

1

1

2 AAXX

XXA

u

i

u

i==

Logaritamska jedinica: Bel [ ]u

i

PP

BA log=

[ ]i

ii

u

u

u

u

i

RU

PRU

PuzPPdBA

22

;;log10 ===

[ ]u

i

u

i

i

u

u

iv R

RUU

RR

UUdBA log10log20log10 2

2

==

20

PRILAGOENJE OTPORA IZMEU POJAALA

U

I

E

iR uR

( )u

ui

IRURRIE

=

+=

Pojaalo 1 Pojaalo 2

Optimalni odnos Ri i Ru za razliite kriterije Naponsko prilagoenje: to vei napon

iu

u

iRR

RR

EU >>+

=

1 (prednost FET-a)

Prilagoenje prema korisnoj snazi: to vea snaga

( ) uuiuK RRRERIP 2

22

+==

ekstrem pojaanja snage:

uiu

K RRdRdP

== 0

Paradoks: u ovom sluaju se pola snage se gubi u Ri !

21

TRANZISTORSKO POJAALO Za pojaanje signala moe se koristiti bipolarni tranzistor ili FET

+

GSU DI RID

DSU iU

DI

GSU

DSUBU

DSUGSU

0A0A

A A

DI

RU B

( )RS

URIA

UI

UIS

RIURIIUUURIUU

UUA

u

D

u

D

GS

D

DiDDBii

DBi

u

i

=

=

=

=

=+=+=

=

DSi UU =R

BU

DI

GSu UU =

22

POJAALO NAPONA (BIP. TRANZISTOR)

10 20

10

20

[ ]VUCE

[ ]mAIC [ ]AIB

204080100 30

10

20

40

60

80

100

5,0

6,0

7,0

[ ]VU BE

[ ]AIB

0A

a) Jednostavno pojaalo

RR

UUI BEBB

=

12 >

1

pomak radne toke (drift)

Definiranje statike radne toke A0 pomou otpora R

Odjeljivanje stupnjeva pojaala pomou kondenzatora

23

b) Pojaalo s stabilizacijom radne toke

RR

UUUI EBEBB

=

BU

Stabilizirajue djelovanje

+

CI EU

BI CI

c) Poboljano pojaalo s stabilizacijom radne toke

1RBU

2R

BICR

ER

Preporua se IR2>>IB (IR2=10 IB) UE 1V

URC =UCE

d) Pojaalo s FET-om

GSU1R 2R 2RID

DI

24

- Zajednika toka (masa ) - Odreivanje radne toke:

UGS+IDR2= 0 (IG=0) -UGS= IDR2

-rjeava problem DRIFT-a

POVRATNA VEZA

A

pA

uX iX

iX

1||

11

1

;

=

=

=

+=

AA

AA

XXA

XXXA

p

u

ip

iu

i

a) 0

25

RAUNSKO POJAALO

(Operacijsko pojaalo)

+

U

+U

( )( )6101 doA

AUUUAUi>>>

==+

0V

U

U je uvijek vrlo malen (virtualna nula). Ulazni otpor vrlo velik. Izlazni otpor mali.

Izlazni raspon Ui ogranien naponom baterije Matematiki model nepotrebna grafika rjeenja.

Invertirajue pojaalo (invertor)

+

R

0RI

uU

iU

( ))2(

)1(

0RRUUI

IRUAU

ui

ui

+

=

+=

Uvrtenjem (2) u (1) i separacijom varijabli : uiui UR

RUU

ARR

R

RU 00

0

++

=

26

Neinvertirajue pojaalo

+

R 0R

uU iU

( )

0RRUI

IRUAU

i

ui

+=

=

RR

UUA

u

ip

01+==

I

Zbrajatelj (sumator)

+

1R

0R1U

iU

2U

3U

I2R

3R

n

nn

n

ni

i

RUUI

IRUUAUU

=

=

=

0

27

28

OSCILATOR

Pojaalo s pozitivnom povratnom vezom i =1/A

)0(11

=

== upu

ip XA

AXXA

C L

+

LCf

pi21

=

LC oscilator+

+

Svojstva: valni oblik, frekvencija, stabilnost frekvencije

Mehatroniki oscilator - njihalo

+ +

+ U

1L 2L

N S

29

VAKUUMSKA TRIODA

ak

g

g

a

k

a - anoda k - katoda g - reetka

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 vrtlonih struja i eventualno gubitaka histereze

V.F. Generator

gustoa inducirane struje eksponencijalno pada prema unutranjosti predmeta (f =100 kHz do 15 MHz)

x

eJJ

= 0x

037,0 J

0J

- dubina prodiranja: fK r =

31

Dielektriko zagrijavanje u dielektriku dolazi do pomaka elementarnih dipola, unutarnje "trenje", porast temperature

.

..

GenFV

R C

CI

RI

I

U

RC

C

URU

II

tgC

R

1

1

=== tgCUR

UP 22

==

zagrijavaju se plastini materijali, drvo, papir, guma...

32

TIRISTOR (SCR: Silicon Controlled Rectifier)

pn

pn

A

K

G

A

K

G

A

KG

IA

UAK

IGIA0Upa

b

c

d

a karakteristika blokiranja

b prekretni napon: Up = f(IG)

c karakteristika voenja

d zaporna karakteristika

~

~

~

33

TIRISTORSKI ISPRAVLJA

GENERATORIMPULSA

MAC

pi pi2

u

MU

t

180 - kut paljenja, okidanja

- kut voenja, protjecanja

( ) ( )

( )22sin

2sin

21

cos12

sin21

22 pipi

pi

pi

pi

pi

pi

+==

=+==

MMef

T

srsr

MMsr

UtdtUU

RUIUtdtUU

Primjer jednostavnog okidnog sklopa

TU1D

2D

C

R~

t

u

Cu

34

TIRISTORSKO PALJENJE MOTORA S UNUTRANJIM IZGARANJEM

Mehanika sklopka

Tiristorska sklopka

== /1k

V12 V400

1R

2k2R

1C 2C

i dtdiMe =

35

TRIJAK (TRIODE A.C. SWITCH)

pn

p

n

n n

n

A1G

A2

A2

A1G

AI

AI

GI

GI12 AA

U 12 AAU

36

FAZNA REGULACIJA IZMJENINE SNAGE

~

i

Polaritet Ug

1GAU

12 AAU

+

+

TU

1D C

R~

Diac

t

iu,

22sin

2

22sin

2

pipi

pi

pi

+=

+=

Mef

Mef

II

UU

Slui za regulaciju snage otpornih troila i univerzalnih motora

37

TOPLINSKI OVISAN OTPORNIK - TERMISTOR

NTC (negativni temp. koeficijent) Koristi se kao senzor temperature

[ ]R

][ Co0 200

10

100

1

B

AeR =

- konstante izvedbe:

A [] B [K]

PTC (pozitivni temperaturni koeficijent)

][ Co

[ ]R

100101102103104

moe se koristiti za nad-temperaturnu zatitu

38

NADTEMPERATURNA ZATITA

~

2k

1k

T

R

PTC

+

M

Beskontaktna sklopka (proximity switch)

+++

+ +

1T

2T

3T

1C

2C1R2R

R U

1U

+

+

1U2BU 2CI

2CU 3BU 3CI

U 2BU

HU

39

FOTOOTPORNIK

CdSLDR

lxE

R

= AER=

>=

3003010

9,07,0

1000 xl

D

RMR

100

101

102

103

100 101 102 103

A= konst.

Broja predmeta na tekuoj vrpci:

1T 2T

RI

U+

EFR

1BI 2BI RI

N

FR

40

FOTODIODA I FOTOELEMENT (FOTOLANAK)

Fotodioda

FI

[ ]lxE

[ ]AI F

[ ]lxE

[ ]vU z0 20 40

50

100

150 3000

2000

1000

0

+

U

-vrijeme porasta = 1 ns- osjetljivost

EIS F

=

Fotoelement: izvor napona (sunane baterije)

[ ]lxE

pasivni element:fotodioda

aktivnifotoelement

40

FI

[ ]mVU F

3000

2000

1000

41

FOTOTRANZISTOR

lxAS 10

Srodne komponente:

- fotoFET

- fotoTiristor

- fotoTRIAC

SVJETLEA DIODA LED

UUp

I

Uz0 10 V Up = 1.3 3.5 V

I [mA]

[ ]lm

Poluvodiki materijali od kojih se izrauje 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 veu trajnost, LED je dinamiki pogodnija (vrlo brzo ukljuivanje i

iskljuivanje), LED emitira uzak spektar svjetlosti za razliku od sijalice koja

pokriva daleko iri spektar (vidljiva svjetlost + infracrveno zraenje + ultraljubiasto zraenje)

Primjena LED: Signalizacija, rasvjeta, Optospojke, I.R. komunikacija

Pokaznici (display)

7 - segment display:

Alfanumeriki, matrica toaka

Druge tehnologije pokaznika: LCD (Liquid Crystal Display), DLP (Digital Light Processing -> Digital Micromirror Device), CRT (Cathode Ray Tube), Plazma, elektromehaniki, itd.

OPTOSPOJKA (OPTO-COUPLER)

UIiI

5,1doII

U

i

GALVANSKO ODJELJIVANJE

43

INTEGRIRANI KRUGOVI (IC)

Minijaturizacija: manji utroak prostora, manji utroak energije, vee brzine

Integriraju se i sklopovi neizvedivi u diskretnoj izvedbi.

Mnotvo tehnologija: monolitni, hibridi

SSI, MSI, LSI, VLSI, ULSI (> 106 tranzistora)

Digitalni, analogni i mjeoviti integrirani krugovi

ANALOGNI IC (linearni)

operacijska (raunska) pojaala 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

MJEOVITI IC (mixed signal)

pretvornici U/f, f/U, A/D, D/A

analogni meusklopovi (analog interface circuits) vremenski sklopovi (timer-i) meusklopovi za LAN mree, radio, mobitele, itd.

DIGITALNI IC

osnovni logiki sklopovi (I, ILI, NE, NILI, NI..) aritmetiki sklopovi, komparatori

dekoderi, multiplekseri

spec. namjena (buffers, drivers, transceivers, PLL) multivibratori (bistabil, monostabil, Schmitt okidni skop...) brojila, registri memorije (RAM, ROM) programabilni logiki nizovi (PLA, PAL, CPLD, FPGA) mikroprocesori, mikrokontroleri, meusklopovi itd.

Osnovna podjela digitalnih sklopova: kombinacijski i sekvencijalni sklopovi (sekvencijalni sadre memorijske elemente).

45

OSNOVNI LOGIKI SKLOPOVI

Logika stanja: DA (1) (zatvorena sklopka) NE (0) (otvorena sklopka)

Logiki I (AND)

A BZ

AB

( )+ 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

Logiki ILI (OR)

A

BA+B

AB 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

Logiki NE (NOT)

A Z 0 1 1 0

AZ =A

+

47

Logiki 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

BBAZ =

Logiki 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

BBAZ +=

48

SLOENI LOGIKI SKLOPOVI POLUZBRAJALO

A B S P 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1

HAB

SP

- tee se proiruje

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

FAB

S

PsP

- lako se proiruje na viebitne brojeve

49

KOMPARATOR

A0A1A2A3

B0B1B2B3

ABA=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

12R21R

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

Moe 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

U1U2

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 (nadreeni ulaz)

Binarno brojilo Dekadsko brojilo zahtijeva dodatne povratne veze Sinkrona brojila su openito bra reverzibilna i programabilna brojila

53

REGISTAR

D D D D D DDD bit8

Radi se o nizu bistabila koji se zajedniki upravljaju Mogunosti:

paralelno postavljanje i oitavanje (brisanje) serijsko postavljanje, pomicanje lijevo - desno

MEMORIJA

0A

nAWR/

mD0D

RAMRandom Acces Memory

R/WStatika i dinamikaOvisnost sadraja o

napajanju

54

MIKROPROCESOR

Mikroprocesorski raunalni sustav sastavljen od jedne ili vie IC komponenti

RAM ROM

PIOCPUSABIRNICE adresa podataka

kontrolnih signala

tastaturaekran

disk, trakaproces

CPU, RAM, ROM, PIO - funkcionalne jedinice CPU : RAUNA, USKLAUJE, KONTROLIRA

ROM: SADRI POHRANJENE STALNE PODATKE RAM: PAMTI PRIVREMENO

PIO: KOMUNICIRA S OKOLINOM

55

SKUPINE DIGITALNIH INT. KRUGOVA

Tehnologije odreuju svojstva pojedinih logikih sklopova Unutar skupine: direktna mogunost spajanja krugova

KARAKTERISTIKE

napon napajanja temperaturno podruje primjene faktori razgranjivanja (branch) vrijeme propagacije impulsna svojstva granice dozvoljenih smetnji izbor razliitih sklopova SSI, MSI, LSI, VLSI

mogunosti prijelaza na druge skupine potroak snage po jedininom sklopu

Karakteristian 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 -5.2 315 Potronja jed. sklopa [mW] 10 1 20 12 30 256

0 1nW / 100 Hz

Vrijeme propagacije [ns] 10 30 3 410 110 0.72 20-35 Faktor razgranjivanja 10(30) 10 10 20 10 - 50

57

TTL LOGIKA SKUPINA

Temeljni sklop: NE I (NAND)

L L H

L H H

H L H

1R 2Rk4 k6,1 4R 130

V5+

3R k1

2T1T

3TiU

uU

H H L

0.20.4

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]

tipina granicasmetnji za L

tipina granicasmetnji za H

tip. H

min. H

max. Lmin. L

58

ULAZNA STRUJA TTL SKLOPA

"H": 40 A max u ulaz

"L": -1,6 mA max iz ulaza

IZLAZNA STRUJA TTL SKLOPA

"H": -400 A max - izvor (source) "L": 16 mA max - ponor (sink)

Postoje inaice istih logikih struktura i rasporedom prikljuaka sa smanjenom potronjom i veom brzinom, u bipolarnoj i CMOS tehnici

59

MOSFET

S G D

NN

P

n-kanalsamozaporni

SUBSTRAT

G S

D

DI

0>GU

DSU0

CMOS (Complementary metaloxidesemiconductor) izvedba invertora:

1G1S

1T

1D2D

2T2G2S

p-kanal

n-kanal

G

1S 2S

1G 2G

1D 2D

+N +P+N +P

p

N substrat

+V

izlazulaz

Prijenosna karakteristika invertora

uU

iUHU

2HU

60

HLAENJE POLUVODIA - TOPLINSKI ODNOSI

poluvodi

kuite

hladnjak

ambijentE B C

SizaCTpo200 + 5V, +1V2, -5V, -12V

Svaki integrirani stabilizator ima ugraeno strujno ogranienje i nad- temperaturnu zatitu.

LM317HV

VIN VOUTADJ

V28VIN

F1.0C1

=

F1C2 =

= 5kR 2

=

240R1

+

VOUT

Stabilizator napona

TRANSFORMER

7812

7912

7805

7905F2200

F22001N4007

1N4007

1N4007

1N4007

VAC 220

+

+

F1+

F1+

F1+

F1+

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

47

Vcc+

OUTPU T

t1

t2

( )CRbRa0.693t1 +=( )CRb0.693t2 =

555

8

5

2

1

4INPUT

Vcc+

67

R

C3OUTPUT

1.1RCt =

t

68

PROCESNO RAUNALO

Raunalo za upravljanje procesima i strojevima opremljeno je ulazno / izlaznim meusklopovima koji ga povezuju s okolinom.

- digitalni ulazi i izlazi - analogni ulazi i izlazi

ISPISNA MEMORIJA

( ROM )

ITAJ / PII MEMORIJA

( RAM )

SPECIJALNI ULAZNO / IZLAZNI

SKLOPOVI

TASTATURA

ULAZNO / IZLAZNI MEUSKLOP

ANALOGNO

PRETVORNIK

REGULATOR

BRZINE DIGITALNI

DIGITALNI SIGNALI

uP

TAKT

ANALOGNI NAPON (0-10 V)

SENZOR

FIZIKALNA

PRETVORNIK

ANALOGNI NAPON (0-10 V)

MOTOR

DIGITALNA RIJE

VEZA SA DRUGIM SISTEMIMA

POKAZIVA DIGITALNI IZLAZI

0 1 1 1 0 0 0

9 6 D C

M

B A

DIGITALNI

VELIINA

DIGITALNO ANALOGNI

PRETVORNIK

M ULAZI

1

69

INTEGRIRANI MIKROKONTROLER (MCU)

(PRIMJER PROIZVODA)

AVR 8-Bit RISC.

Atmels 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 veliine koje nose informaciju

Informatiki kapacitet koliina informacije u sekundi

Vremensko i frekventno podruje (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, prilagoenje mediju vrste medija: optiki medij, radio valovi, elektriki vodi,

- spremanje signala magnetski medij, optiki medij, poluvodike memorije - umreavanje senzora (beine mree senzora) - prikaz signala (prezentacija)

Obrada signala analiza, interpretacija i manipulacija - obrada analognih signala - obrada digitalnih signala - statistika 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

UJE

)(tu

t

"1"

"0"

ANALOGNI SIGNAL DIGITALNISIGNAL

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

111110101100011010001000

D

Digitalno / analogni pretvornici

D/A iU0D1D

1ND

iU

D00

0

001

10 0

011

0

10 0

1

1

TAKT

A/D

P

( )tUul

KRAJPRETVORBE

START

1ND

0D

CS

73

SENZORI I PRIHVAT SIGNALA

Senzori su takvi elementi kod kojih neko elektriko svojstvo ovisi o jednoj fizikalnoj (neelektrikoj) veliini.

Aktivni senzori: Pasivni senzori:

- fotodioda (svjetlo) - fotootpornik - piezokristal (sila) - zavojnica s pominom

jezgrom - EM indukcija (brzina) - potenciometar (pomak) - HALL-generator (mag. polje) - tenzometar (deformacija)

SENZORSKI SKLOP

SENZOR

S ePrihvat iprilagoenje ( )Sfe =

S fizikalna veliina e elektrina veliina (analogna ili digitalna)

PODJELA:

Digitalni senzorski sklopovi daju digitalnu informaciju o ulaznoj veliini (koja je analogna ili digitalna)

Analogni senzorski sklopovi daju analognu informaciju o analognoj ulaznoj veliini

74

DIGITALNI SENZOR - sklopka blizine (proximity switch)

N

0DS

S 0

A +-

refU

iU0DKOMPARATOR

pomak S"0"

"1"

digitalni izlaz (1 bit)

Sklopka blizine slui za indikaciju pribliavanja predmeta (pribliavanje magneta Hall senzoru).

ANALOGNI SENZOR - sklop za mjerenje rasvjete

0=&uliA+-

0=&DU

0R

izlUEki sD =

ERkRiUUU

s

DRDizl

=

==+=

0

00 &

Struja koju generira fotodioda linearno je zavisna od rasvjete. MOSFET operacijsko pojaalo pojaava tu vrlo malu struju i odrava napon na diodi UD 0. Vrijeme odziva je reda veliine s.

75

AKTUATORSKI SKLOPOVI

D/APARALELNI

IZLAZ

ULAZR

M

M

KONTROLA

DIGITALNIAKTUATORSKI

SKLOP

ANALOGNIAKTUATORSKI

SKLOP

Aktuatori pojaavaju energetski nivo izlaznih signala i prilagoavaju oblik energije potroaima (kontrolnim ureajima). Potrebno je takoer i galvansko odvajanje troila.

DIGITALNI AKTUATORSKI SKLOP

PI0R 0D2D

mAVili

150 +

~

M

100mA

R S T

TRANZIST.SKLOPKA

RELEJ SKLOPNIK AVx 25/3803

Koriste se tranzistorske sklopke za pojaanje signala. Releji takoer omoguuju upravljanje velike snage iz kruga male snage (uz galvansko odvajanje).

76

UPRAVLJANJE ISTOSMJERNE SNAGE

1. ON/ OFF upravljanje troila 2. Analogna regulacija serijskim tranzistorom 3. Pulsno-irinska modulacija (PWM)

H most za dvosmjerno upravljanje motora

M+

BU+

A B

CD

A B C D Funkcija1 0 0 10 01 1

11 0 00 0 1 1

naprijednatragkocenjekocenje

M

BU+A B

NPN D

PNP

77

UPRAVLJANJE IZMJENINE SNAGE TRIJAKOM

1. ON/ OFF upravljanje troila 2. Fazna regulacija (promjena kuta upravljanja) 3. Regulacija upravljanjem u trenutku prolaza kroz nulu

F

150

3022MOC

mA10

+

Troilo

Trijak

Upravljanje pomou optospojke opto-trijaka radi galvanskog odvajanja upravljakog kruga od mree 220V

Mogunosti galvanskog odvajanja

energetski transformator, impulsni transformator elektromagnetski relej opto-spojka, optiko vlakno SSR - solid-state relay izolaciono pojaalo za analogne signale (sa opto-spojkama), DC/DC pretvornici (DC-> AC -> Transformator -> DC)

78

POLUVODIKI ELEMENTI SNAGE

Bipolarni tranzistor, Darlington spoj, MOSFET, IGBT, TIRISTOR, GTO TIRISTOR, TRIJAK

B

C

EDarlington NPN

B

C

EQuasi-DarlingtonNPN

G

D

SMOSFET snage

G

E

C

IGBT-Insulated GateBipolar Transistor

79

PROGRAMABILNO - LOGIKI KONTROLER (PLC)

U poetku zamiljen kao zamjena za relejnu (kontaktnu) logiku. Danas je to univerzalna komponenta za industrijsku automatizaciju.

DIGIT.ULAZI

V220~

IZLAZIPLC

SPOJ NA MREU

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 (uobiajeni u montai postrojenja)

3. Matematika notacija (za istu funkciju):

Q233=(I123 OR Q233) AND NOT I124 AND NOT I125

Ugraeni programski elementi u PLC-u: Logike operacije Aritmetike operacije

AND ADD OR DIV NOT MUL XOR SUB

Ostale operacije: S/ R BISTABILI Set/ Reset SR POSMANI (SHIFT) REGISTRI C BROJILA (GORE/ DOLJE) C...0 BRZO BROJILO TR VREMENSKI SKLOP ZA KANJENJE A/D PRETVORNIK D/A PRETVORNIK

Varijable: I= input, Q= output, M= marker (1, 8 ili 16 bita)

81

ELEKTRONIKE TEHNOLOGIJE

Raunala se koriste u svim fazama od projektiranja, proizvodnje do testiranja elektronikih ureaja

Projektiranje elektronikih sklopova

Simulatori na PC raunalu,

Projektiranje integriranih krugova

Silicon compilers, PLA (Programmable logic array)

Projektiranje tiskanih ploica (PCB) Izrada sheme, automatsko odreivanje rasporeda i spojeva

Automatska montaa sklopova Automati za montau sklopova i lemljenje spojeva

Automatsko testiranje Raunalo testira gotove sklopove

82

TRENDOVI RAZVOJA ELEKTRONIKIH UREAJA

Vei stupanj integracije i minijaturizacije, vee brzine rada, nie 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 Umreavanje (Internet, GSM)

Primjeri: Mikroprocesori nove generacije (vea brzina manja potronja

energije) Video kamera na jednom integriranom krugu Mikrovalni integrirani primopredajnici (za mobilnu telefoniju i

beine mree) Endoskopske kamere u obliku kapsule (koje se gutaju) Radio-frequency identification (RFID tag) MEMS - mikroelektromehaniki sustavi (inkjet printeri, DLP

projektori, senzori pritiska, ubrzanja, iroskopi, itd.) Beine mree senzora (WSN: wireless sensor networks) digitalizacija i kodiranje audio i video signala (High Density

DVD, DivX)

83

ELEKTRONIKA 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) Naini rada: 1. Y1, Y2 = func(t), na X ulazu je pilasti napon (vremenska baza) - okidanje (trigger): Y1/ Y2, mrea 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 raunalu - PC-based oscilloscope

(PCO)

3. Akvizicijski sustavi s personalnim raunalom

Sadre A/D, D/A karticu i odgovarajui software.

PC osigurava akviziciju, matematiku obradu, upravljanje, prikaz na ekranu i spremanje rezultata, umreavanje

84

Tipini izgled prednje ploe osciloskopa

Interna struktura osciloskopa s katodnom cijevi

Primjeri upotrebe instrumentacije mogu se nai na Internetu: http://www.doctronics.co.uk/scope.htm http://www.doctronics.co.uk/design.htm

85

12/17/2008