HUS
BIBLIOTEKI G tC J W N E J
Podręcznik o p ra co w a n y pod kierunkiem dr hab. inż. Mariusza Olszewskiego profesora na Wydziale M echatroniki Politechniki Warszawskiej
Biblioteka Główna Wojskowej Akademii Technicznej
66867
Opracowanie m erytoryczne tekstu i tłumaczenie: prof. dr hab. inż. Mariusz Olszewski dr inż. Jan Barczyk dr inż, Micha! Bartyś dr inż. W ieńczysław J. Kościelny dr inż. Willi Mednis dr inż. Andrzej Sierota dr inż. Jerzy Szacillo-Kosowski Redakcja: Agnieszka Grzybek Redaktor prowadzący: Stanislaw Grzybek Do opracowania podręcznika wykorzystano m ateriały z publikacji: Mechatronika. Verlag Europa-Lehrmittel, REA, Warszawa 2002 Praktyczna elektrotechnika ogólna. Verlag Europa-Lehrmittel, REA, Warszawa 2003 Podstawy elektroniki. Verlag Europa-Lehrmittel, REA, Warszawa 2006 Fachkunde Mechatronik. Verlag Europa-Lehrmittel, 2004 za zgodą w ydawnictwa Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH&Co. KG, 42781 Haan-Gruiten (Germany)
Podręcznik dopuszczony do użytku szkolnego przez m inistra właściwego do spraw oświaty i wychowania i wpisany do wykazu podręczników przeznaczonych do kształcenia w zawodach do nauczania zawodu te c h n ik m e ch a tro n ik na poziomie te c h n iku m na podstawie opinii rzeczoznawców: dr. inż. Jerzego Gustowskiego, mgr. Rafała Janusa, mgr. inż. Henryka Krystkowiaka i dr. hab. Krzysztofa Pacholskiego. Numer dopuszczenia: 18/2006
© W ydawnictwo REA s.j., Warszawa 2006 Wydanie 2010 ISBN 978-83-7141-516-6 W ydawnictwo REA s.j. 01-217 Warszawa, ul. Kolejowa 9/11 tel./fax: (22) 631-94-23, 632-21-15 http://www.rea-sj.pl e-mail: handlowy@ rea-sj.pl Podręcznik i jego wszystkie pom oce dydaktyczne chronione są prawem. Każdorazowe jego wykorzystanie, w innym niż zastrzeżonych prawem przypadkach, wym aga uprzedniego pisemnego zezwolenia wydawnictwa. Druk i oprawa: Eurodruk-Kraków Sp. z o. o.
Wstęp Mechatronika, nowa, dynamicznie rozwijająca się dziedzina nauki, techniki i przem ysłu, potrzebuje coraz więcej specjalistów przygotowanych zawodow o do podjęcia wyzwań nowoczesności. W uczelniach europej skich kształcenie inżynierów m echatroników rozpoczęto już w połowie lat 90., a kilka lat później, w szkołach zawodowych i technicznych, kształcenie techników m echatroników. W yroby polskiego przem ysłu sprostają konkurencji w ramach zjednoczonej Europy tylko wtedy, gdy spełnią wym agania mechatroniki - korzystne go dla końcowego produktu połączenia cech w yrobu m echanicznego, elektrotechnicznego, elektroniczne go i informatycznego. Już obecnie produkty m echatroniczne otaczają nas coraz szerzej nie tylko w pracy zawodowej, ale także w życiu prywatnym : od sprzętu m edialnego, kom puterow ego i gospodarstw a dom o wego rozpoczynając, a na nowoczesnej inżynierii m edycznej, obrabiarkowej, robotycznej i transportowej kończąc. Podręcznik „Podstawy m echatroniki" spełnia wszystkie wym agania podstawy program owej w zakresie na uczania bloku program ow ego - „P o d s ta w y m e c h a tro n ik i” i w prow adza do nauczania kolejnych bloków programowych. Zgodnie z podstawą program ow ą m ateriał nauczania został podzielony na działy tem atycz ne dotyczące istoty m echatroniki, bezpieczeństwa i higieny pracy z urządzeniam i m echatronicznym i, o b w odów elektrycznych oraz układów elektronicznych, pneum atycznych i hydraulicznych. Podział na stano wiące w dużym stopniu zamkniętą całość rozdziały i podrozdziały ułatwia naukę i nauczanie - te części p od ręcznika m ogą być czytane, analizowane i wykładane w różnej kolejności. Pozwala to na swobodne korzy stanie z książki i dostosowanie jej do potrzeb słuchacza i nauczyciela oraz dow olny wybór interesującego materiału lub zagadnień. Prawie „m ultim edialne" ilustracje dobrze odpow iadają zainteresowaniom i interne towym przyzwyczajeniom m łodego czytelnika i m ogą być łatwo wykorzystane jako pom oce dydaktyczne wykładowcy w prowadzonych przez niego zajęciach. Podręcznik został opracowany przez zespól inżynierów i w ykładow ców akadem ickich Politechniki Warszaw skiej, pracujących na uruchom ionym w 1996 roku, pierwszym w polskich uczelniach technicznych, Wydziale Mechatroniki. Doskonałe kwalifikacje naukowe i zawodowe zespołu oraz przede wszystkim wieloletnie do ś w ia d c z e n ie ^ nauczaniu mechatroniki pozwoliło na przygotowanie podręcznika zwięzłego, przystępnego, zachęcającego do nauki przez liczne kolorowe rysunki, fotografie, wykresy i tablice. Ważniejsze definicje i opisy zostały wyróżnione przez umieszczenie na zielonym tle, zależności matematyczne - na niebieskim, ważne dla bezpieczeństwa pracy nakazy - na żółtym tle. Każdy głów ny podrozdział kończy się pytaniami sprawdzającymi i utrwalającymi nabytą wiedzę - te części tekstu, podobnie jak przyklad-y, umieszczono na szarym tle. Korzystanie z podręcznika ułatwia obszerny indeks nazw wyróżnionych w tekście pogrubioną czcionką. Autorzy dziękują zespołowi recenzentów za wnikliwe uwagi - będą wdzięczni także Czytelnikom za sugestie zmian i uzupełnień. Dla wydawnictwa będą one ważną pomocą w przygotowaniu kolejnych wydań podręcznika. M ariu sz O lszew ski
Spis treści
4
Spis treści
1.1 1.2 1.3 1.4
Synergia różnych zasad działania urządzeń zintegrowanych w systemie m echatronicznym . . . . . . 12 System owe podejście przy projektowaniu urządzeń i system ów m e c h a tro n ic z n y c h .............................17 21 Przykłady urządzeń i system ów m e c h a tro n ic z n y c h ................................................................ Znaczenie m echatroniki dla rozwoju gospodarczego kraju ................................................................ 27
2.1
31 C z ło w ie k je s t m i a r ą ................................................................... 2.1.1 Ergonom ia .................................................................................................................................................31 2.1.1.1 Ergonom iczne stanowisko pracy .....................................................................................32 2.1.1.2 Ergonom iczne urządzenie m e c h a tro n ic z n e ................. i ..................................................33 2.1.2 Obciążenia wywołane pracą ................................................................................................................. 34 2.1.2.1 O bciążenia spow odow ane rodzajem p r a c y ..................................................... '.............. 34 2.1.2.2 Obciążenia wywołane organizacją p r a c y ....................................................................... 35
2.2
W arunki b e zp ie czne j p r a c y .............................................................................................................................. 36 2.2.1 Obowiązujące przepisy i d y re k ty w y ...................................................................................................... 37 2.2.1.1 Ustawa o ogólnym bezpieczeństwie produktów ..........................................................37 2.2.1.2 Przepisy, dyrektywy, n o rm y ................................................................................................37 2.2.1.3 Przepisy o zapobieganiu wypadkom ..............................................................................37 2.2.2 Oznakowania dotyczące bezpieczeństwa p r a c y ............................................................................... 38 2.2.2.1 Oznakowanie m ateriałów niebezpiecznych .................................................................. 38 2.2.2.2 Znaki b e zp ie czeń stw a ........................................................................................................... 38 2.2.3 Bezpieczne użytkowanie narzędzi i p rz y rz ą d ó w ............................................................................... 40 2.2.4 Odzież i środki ochrony indywidualnej ............................................................................................... 40
2.3
2.4
Praca z u rzą d ze n ia m i e le ktryczn ym i .............................................................................................................. 41 2.3.1 Ogólne warunki zasilania e le k try c z n e g o .............................................................................................41 2.3.2 Podstawowe pojęcia ...............................................................................................................................41 2.3.3 Zagrożenia spowodow ane pracą z urządzeniami e le k try c z n y m i..................................................42 2.3.3.1 Dziaianie prądu elektrycznego na organizm c z ło w ie k a .................................................43 2.3.3.2 Kom patybilność e le ktrom agnetyczna ................................................................................ 44 2.3.4 Bezpieczna praca z urządzeniami elektrycznym i ............................■................................................45 2.3.4.1 Pięć regut bezpiecznej pracy z urządzeniami e le k try c z n y m i........................................46 2.3A.2 Bezpieczna praca w pobliżu instalacji znajdujących się pod n a p ię c ie m ................... 46 2.3.4.3 Bezpieczna praca przy wykonywaniu robót na instalacji znajdującej się pod n a p ię c ie m .......................................................................................... 47 2.3.5 O chrona p rze ciw p o ra że n io w a ...............................................................................................................47 2.3.5.1 Ochrona przed dotykiem bezpośrednim i p o ś re d n im ...................................................48 2.3.5.2 Ochrona przez bardzo niskie n a p ię c ie ..............................................................................48 2.3.5.S O chrona przez ograniczenie energii rozładowania . .■...................................................49 2.3.5.4 Ochrona przeciwporażeniowa w w arunkach norm alnych (ochrona przed dotykiem bezpośrednim lub ochrona podstawowa) .........................................49 2.3.5.5 Ochrona przeciwporażeniowa w warunkach awaryjnych (ochrona przed dotykiem pośrednim lub ochrona w warunkach zagrożenia) ......................... 50 2.3.5 .6 Izolacje ochronne .................................................................................................................. 51 2.3.5.7 Ochrona przez izolację p o m ie s z c z e ń ................................................................................ 52 2.3.5 .8 Ochrona przez galwaniczne oddzielenie o b w o d ó w ....................................................... 52 2.3.5.9 O chrona przez nieuziemione, lokalne połączenia wyrównawcze .............................. 52 Praca z u rzą d ze n ia m i p n e u m a tyczn ym i ......................................................................................................53 2.4.1 Zagrożenia spow odow ane pracą z urządzeniami pneum atycznymi ..........................................53 2.4.2 Przepisy dotyczące bezpiecznego użytkowania instalacji i zbiorników c iś n ie n io w y c h 54 2.4.3 Bezpieczna praca z urządzeniami pneum atycznym i .................................................................. 55
Spis treści 2 .5
2(6
3.1
.
Praca z urządzeniami h yd ra u liczn y m i...................................................................................................... 2.5.1 Zagrożenia spow odow ane pracą z urządzeniami h y d ra u lic z n y m i......................................... 2.5.2 Dziaianie cieczy hydraulicznych na organizm człowieka i jego środowisko ........................ 2.5.3 Bezpieczna praca z urządzeniami hydraulicznym i ....................................................................
"■ 5 55
56 56 56
57 50 58
Bezpieczna praca z urządzeniami i systemami m ech atron iczn ym i............................................... 2.6.1 Przedsięwzięcia usuwające głów ne zagrożenia ......................................................................... 2.6.2 Postępowanie powypadkowe ........................................................................................................ 2.6.3 Ochrona przeciwpożarowa i postępow anie w przypadku pożaru ......................................... 2.6.4 Postępowanie z materiałami niebezpiecznym i ........................................................................... 2.6.5 W ytyczne UE dla zapewnienia bezpiecznej pracy urządzeń i s y s te m ó w ..............................
59 60 60
W prow adzenie d o e le k tro te c h n ik i ............................................................................................................ 3.1.1 Podstawowe wielkościelektryczne i ich jednostki ......................................................................... 3.1.2 Ładunek elektryczny .......................................................................................................................... 3.1.3 Napięcie elektryczne .......................................................................................................................... 3.1.3.1 Wytwarzanie napięcia elektrycznego ............................................................................ 3.1.3.2 Rodzaje napięcia e le k try c z n e g o ..................................................................................... 3.1.4 Prąd e le k try c z n y .........................! ....................................................................................................... 3.1.5 Pole e le k try c z n e ..................................................................................................................................... 3.1.6 Pole magnetyczne ................................................................................................................................ 3.1.6.1 Wielkości charakteryzujące pole m agnetyczne ........................................................... 3.1.6.2 Materiały m a g n e ty c z n e ...................................................................................................... 3.1.6.3 O bwody magnetyczne .................................................................................................... 3.1.6.4 Prąd elektryczny w polu m agnetycznym 3.1.7 Indukcja elektrom agnetyczna
62 62 63 63 64 65 66 67 68, 69* 70 711 73 j 74 !
3.2
O b w o d y p rą d u sta łe g o .......................................................................... 3.2.1 Elementy i budow a obw odu prądu s ta łe g o ................................................................................... 77 i 3.2.2 Rezystor w obwodzie prądu stałego .............................................................................................. 78 l 3.2.2.1 Budowa rezystorów, ich właściwościi oznaczenia .................................................... 78. i 3.2.2.2 Łączenie szeregowe re z y s to ró w ..................................................................................... 81 3.2.2.3 Łączenie rów nolegle re z y s to ró w ..................................................................................... 82 , 3.2.2A Szeregowe i równolegle łączenie re zysto ró w .............................................................. 83 3.2.3 Kondensator w obwodzie prądu s ta łe g o ....................................................................................... 84 3.2.3.1 Budowa kondensatorów, ich właściwości i o z n a c z e n ia ............................................ 85 3.2.3.2 Łączenie szeregowe i równolegle k o n d e n sa to ró w ...................................................... 88 3.2.4 Cewka w obwodzie prądu s ta łe g o ..................' ................................................................................ 89 3.2.5 Obliczanie param etrów obw odów prądu stałego z jednym i kilkom a źródłam i napięcia . . 90 3.2.6 Stany nieustalone w obw odach prądu stałego ............................................................................ 93
3.3
O b w o d y p rą d u p rz e m ie n n e g o ....................................................................................................................... 96 3.3.1 Wytwarzanie napięcia p rz e m ie n n e g o ........................................................................................... 96 3.3.2 Podstawowe zjawiska, wielkości i param etry obw odów prądu p rz e m ie n n e g o ..................... 97 3.3.2.1 Przebiegi sinusoidalne .................................................................................................... 98 3.3.2.2 Przebiegi n ie s in u s o id a ln e ................................................................................................ 100 3.3.2.3 Moce obw odów prądu p rz e m ie n n e g o ......................................................................... 102 3.3.3 Kondensator w obwodzie prądu przem iennego ................................................ 105 3.3.4 Cewka w obw odzie prądu p rz e m ie n n e g o .................................................................................... 106 3.3.4.1 Budowa cewek i ich właściwości .................................................................................. 106 3.3.4 .2 Reaktancja indukcyjna cewki ......................................................................................... 107 3.3.4 .3 Łączenie szeregowe i rów nolegle cewek .................................................................. 109 3.3.5 Obliczanie param etrów obw odów prądu przem iennego z rezystorami, kondensatoram i i cewkami (obwody R L C )................................................................................... 109 3.3.5.1 O bwody szeregowe RC iRL ......................................................................................... 110 3.3.5.2 O bwody rów nolegle RC iRL .......................................................................................... 112 3.3.5.3 Straty w k o n d e n s a to rz e .................................................................................................. 113 3.3.5.4 Straty w c e w c e ................................................................................................................. 114
Spis treści
3.3.6 3.4
4.1
4.2
jj li : || j(j i) : ■j j ■' if i 1 j! i ; ji( || i j jj: :}| | |; )j , 4.3 | j t | ij
3.3.5.5 Filtry RC i R L ............................................................................................................ O bw ody rezonansowe ....................................................................................................................
Obwody tró jfa z o w e .................. 3.4.1 W ytwarzanie napięcia tró jfa z o w e g o 3.4.2 Podstawowe połączenia w obw odach prądu trójfazowego ................ ,.................................... 3.4.2.1 Układ g w ia z d y 3.4.2.2 Układ trójkąta 3.4.2.3 Zastosowania układu gwiazdy i tró jk ą ta 3.4.3 Uktady kom pensacji m ocy b ie rn e j..................................................................................................
P odstaw ow e p o ję cia z za kre su b u d o w y u kła d ó w e le ktro n iczn ych 4.1.1 Element i układ elektroniczny 4.1.2 Elementy bierne i czynne układów e le k tro n ic z n y c h .......................... 4.1.3 Układy analogowe, binarne i cyfrowe .............................................................................................. 4.1.4 Układy kom binacyjne i s e kw e n cyjn e 4.1.5 Układy o stałym program ie oraz układy p ro g ra m o w a ln e ............................................................
Spis treści
11b 118 124 124 125, 125 126 126 127
129 129 131 132 134 135
, j i t i
Układy cyfrowe .......................................................................................................................................... 235 235 4.4.1 Budowa układu cyfrowego ......................................................................................................... 4.4.2 Informacja w układzie cyfrowym .................................. , ................................................................. 237 4.4.2.1 Reprezentacja lic z b ........................................................................................................... 239 4.4.2.2 ' Reprezentacja znaków ...................................................................................................... 242 4.4.2.3 Reprezentacja instrukcji ......................................................................................................244 4.4.3 Elementy układów cyfrowych ............................................................................... 246 4.4.3.1 Rejestry p rz e s u w n e ........................................................................................................... 246 4.4.3.2 Specjalne elementy układów cyfrowych .......................................................................249 4.4.3.3 Przetworniki kodów cyfrowych ...................................................................................... 251 4.4.3.4 Przetworniki analogow o-cyfrowe i c y fro w o -a n a lo g o w e ............................................... 254 4.4.3.5 Pamięci stale (ROM) ............................................................................................................257 4.4.3.6 Pamięci zapis/odczyt (RAM) .............................................................................................. 260 4.4.3.7 M ik ro p ro c e s o ry ..................................................................................................................... 262 4.4.4 Budowa m ikro ko m p u te ra .....................................................................................................................264 4.4.4.1 Architektura i minimalna k o n fig u ra c ja ............................................................................ 264 4.4.4.2 Magistrale ........................................................................................................................... 266 4.4.4.3 Wejścia i wyjścia s y g n a ło w e ............................................................................................ 269 4.4.4.4 Podstawowe tryby pracy m ik ro k o m p u te ra ................................................................... 272 4.4.5 Programowanie m ikrokom putera ..................................................................................................... 274 4.4.5.1 Programy u ż y tk o w e ......................................................................................................... 275 4.4.5.2 Języki program owania ..................................................................................................... 276 4.4.5.3 Rodzaje adresowania ....................................................................................................... 281 , 4.4.5.4 Listy instrukcji ....................................................................................................................... 283 4.4.5.5 Przykład realizacji prostego p ro g ra m u ................................................... 285 4.4.6 W spółpraca m ikrokom putera z urządzeniamizewnętrznym i ...................................................... 291 4.4.7 Przykłady zastosowań m ikrokom puterów w urządzeniach m e c h a tro n ic z n y c h ....................... 300
5.1
Fizyczne podstawy zachowania sprężonego powietrza ....................................................................... 308 5.1.1 Powietrze jako m edium robocze ........................................................................................................ 308 5.1.2 Podstawowe prawa gazowe ...............................................................................................................310 5.1.3 Rodzaje i parametry przepływu gazu ...............................................................................................310 5.1.4 Parametry charakteryzujące stan powietrza ro b o c z e g o ............................................................... 312
5.2
Budowa układu pneumatycznego ...............................................................................................................314 5.2.1 Układ wytwarzania sprężonego powietrza ......................................................................................315 5.2.2 Układ przygotowania powietrza roboczego ................................................................................... 319 5.2.3 Pneumatyczny układ napędowy ........................................................................................................320 5.2.4 Siłownik p n e u m a ty c z n y ............................................................................................................ 320 5.2.4.1 Budowa siłownika tło k o w e g o ............................................................................................321 5.2.4.2 Budowa siłownika beztioczyskow ego...... ...................................................................... 322 5.2.4.3 Budowa siłownika beztlokow ego (muskul p n e u m a ty c z n y )........................................ 323 5.2.4.4 Dane techniczne i sym bolika oznaczeń siłow ników pneum atycznych .....................324 5.2.5 Zawór p n e u m a tyczn y............................................................................................................................327 5.2.5.1 Budowa zaworu rozdzielającego tulejowo-gniazdowego ................ ■......................... 327
;
!
4.3.3.1 Podstawowe prawa algebry d w u w a rto ś c io w e j............................................................... 219 4.3.3.2 Podstawy syntezy układów k o m b in a c y jn y c h ..................................................................221 4.3.3.3 Minimalizacja liczby bram ek w układach kom binacyjnych .........................................223 4.3.3.4 Projektowanie układów k o m b in a c y jn y c h ........................................................................ 224 Układy sekwencyjne .......................................................................................................................... 226 4.3.4.1 Asynchroniczne przerzutniki R S ..................................................................................... 226 4.3.4.2 Synchroniczne przerzutniki JK ........................................................................................ 227 4.3.4.3 Liczniki asynchroniczne i synchroniczne ...................................................................... 230 4.3.4.4 Rejestry ................................................................................................................................... 231 4.3.4.5 Projektowanie układów s e k w e n c y jn y c h .......................................................................... 231
4.4 ) ■
P ó łp rze w o d n iko w e e le m e n ty i u kta dy e le k tro n ic z n e .......................................................................... 136 4.2.1 P ó łp rz e w o d n iki...................................................................................................................................... 136 4.2.1.1 Przepływ prądu w m etalach i p ó łp rze w o d n ika ch .......................................................... 137 4.2.1.2 W łaściwości półprzew odników typu P i N .................................................................. 139 4.2.1.3 W łaściwości ztącza PN .................................................................................................... 140 4.2.2 Diody półprzewodnikowe .......................................................................................................... ■ 142 4.2.2.1 Budowa diod półprzewodnikowych i ich oznaczenia .............................................. 145 4.2.2.2 Diody Zenera i S c h o ttk y 'e g o ............................................................................................ 146 4.2.2.3 Lasery półprzewodnikowe 149 , 4.2.3 T ra n z y s to ry............................................................................................................................................. 152 4.2.3.1 Tranzystory bipolarne typu NPN i P N P ......................................................................... 152 4.2.3.2 Tranzystory unipolarne 159 ! 4.2.3.3 O budow y tranzystorów i ich oznaczenia 166 j 4.2.3.4 Tranzystor jako łącznik e le k tro n ic z n y 166 • 4.2.3.5 Tranzystor jako wzm acniacz niskich c z ę s to tliw o ś c i 168 : 4.2.4 T y ry s to ry .................................................................................................................................................. 170 4.2.5 T r ia k i 172 ‘ 4.2.6 Diaki ........................................................................................................: ............................................... 173 4.2.7 Elementy optoelektroniczne .............................................................................................................. 174 4.2.8 Chłodzenie elem entów p ó łp rze w o d n iko w ych ................................................................................ 179 4.2.9 Uktady s c a lo n e ....................................................................................................................................... 180 4.2.10 Układy p ro s to w n iko w e ......................................................................................................................... 182 4.2.11 Układy stabilizacji napięć i prądów .................................................................................................. 185 4.2.12 Układy wzm acniające ......................................................................................................................... 188 4.2.12.1 Wzmacniacze z tranzystorami bipolarnym i ................. 191 4.2.12.2 W zmacniacze z tranzystorami unipolarnym i .............................................................. 198 4.2.12.3 Wzmacniacze o p e ra c y jn e ...................................................................................................201 4.2.12.4 Zastosowanie wzm acniaczy operacyjnych ................................................................... 204 U kła d y lo g ic z n e ............................................................................................................................................... 211 4.3.1 Sygnały i kody ......................................................................................................................................... 211 4.3.2 Elementy układów lo g ic z n y c h ............................................................................................................ 212 4.3.2.1 Bramka I (AND) .................................................................................................................. 213 4.3.2.2 Bramka LUB (OR) 214 4.3.2.3 Bramka NIE (NOT) .............................................................................................................. 214 4.3.2.4 Bramka NIE-I (NAND) ................................................................ 215 4.3.2.5 Bramka NIE-LUB (NOR) .............................................................................. 216 4.3.2 .6 Realizacje i podstawowe parametry bramek w technice s c a lo n e j............................. 217 4.3.3 Układy k o m b in a cyjn e .................................................................................. 218
4.3.4
7
1 Istota
10
•
•
•
W prow adzenie elektronicznych układów autom atycznego sterowania i regulacji param etrów systemu, rozwiązujących problemy prowadzenia, koordynacji, nadzoru i optymalizacji procesów realizowanych przez system. Zasadność cechy: Ingerencja operatora-czfowieka w system jest kosztowna, jej efektywność podlega silnym okresowym wahaniom związanym z fizjologiczną gotowością człowieka do wykonywania pra cy, prowadzi do obciążeń fizycznych i psychicznych, których skutkiem są wypadki i awarie systerriu, Wykorzystanie w możliwie największym zakresie niematerialnych możliwości kształtowania wła ściwości systemu. Zasadność cechy: pozostawienie materialnych - m echanicznych elementów i zespołów kształtujących właściwości systemu ogranicza m ożliwości ich zmiany, wym iany lub optymalizacji. Oprogramowanie, będące właśnie niematerialnym elementem systemu m echatronicznego, w połączeniu z konsekwent nym zastosow aniem kom puterow ego przetwarzania i przesyłania danych procesow ych, zapewnia działanie systemu bez potrzeby ingerencji w elem enty i zespoły mechaniczne, Dążenie do wykorzystania i ścisłej współpracy w systemie elementów i zespołów o różnych za sadach działania, pochodzących z różnych dziedzin techniki. Zasadność cechy: podejście system owe pozwala, dzięki niekonwencjonalnem u ujęciu problem u d o boru i integracji elem entów systemu, na uzyskanie w systemie bądź nowych, bądź bardziej korzyst nych charakterystyk i w łaściwości, niż będzie to m iało miejsce w przypadku ograniczenia się do roz wiązań jednorodnych technicznie.
Doskonałym przykładem stopniow ego, ew olucyjnego przechodzenia od rozwiązań m echanicznych do me chatronicznych są urządzenia do zapisu i odtwarzania dźwięku. W fonografie', wynalezionym przez Tomasza Edisona 2 w 1877 r., jednym z pierwszych urządzeń do zapisy wania i odtwarzania dźwięku, przytwierdzona do m em brany igta, ślizgając się po powierzchni walca pokryte go warstwą wosku, żłobiła w niej rowek o głębokości zmieniającej się w takt drgań m em brany - ta sama bam busowa lub metalowa igła, przenosząc drgania z wyżłobionego rowka na membranę, pozwalała na odtworzenie dźwięku. Było to więc wyłącznie urzą dzenie mechaniczne, podobne do starszych, bo już znanych w XVIII wieku, m echanizm ów grających ze garów, katarynek i pianoli. C ałkow icie m echanicznym i urządzeniam i byty także p ie rw s z e g ra m o fo n y 3 z p ła s k ą p ły tą i z a p ise m w b o c z n y m w y n a le z io n ym przez E m ila B e rlm era “1 w 1879 r. oraz pafefony z zapisem w głębnym opra cowane i produkow ane do lat 20 . ubiegłego stule cia przez Karola i Emila Pathó5. O prócz płaskiej pły ty isto tn ym po stęp e m b yło w p row ad ze n ie w g ra mofonach mechanicznych napędu sprężynowego z m echanicznym regulatorem prędkości obrotow ej (jako standard przyjęto w tedy 78 ob r/m in ), ruch o m ego ramienia z osadzoną iglą oraz przede wszyst kim wzm ocnienia odtw arzanego dźwięku przez ra mię w postaci rury i tubę lub pu d lo rezonansow e (rys. 1).
1 istota m echatroniki Po 1920 r. pojawiają się pierwsze gramofony elektryczne, w których napęd mechaniczny ptyty zastąpiono napędem elektrycznym oraz, dziesięć lat później, tubę i pudlo rezonansowe - głośnikiem i lam pow ym wzmacniaczem elektronicznym . Wzmacniacz w spółpracow ał z umieszczonym na końcu ramienia tzw. adap terem 1 (stąd kolejna, dość m ylna nazwa gram ofonów elektrycznych, rys. 1), będącym w istocie przetwórnikłem m echanicznych d rg a ń ig ły na sygnał elektryczny. W latach 50. XX wieku up o w sze chn ia ją się wzmacniacze tranzystorow e, igły szafirowe, ko ru n dowe i nawet diam entow e oraz ustala się kolejny standard obrotów płyty (33 1/3 i 45 obr/m in). W 1958 r. pojawiają się pierwsze gram ofony stereofoniczne. Zaledw ie p ię tn aście lat po p o ja w ie n iu się p ie rw szych gram ofonów elektrycznych, w 1935 r. w Berli nie, na W ystawie Radiotechniczne] pokazano kolej ne nowe urządzenie fo n og ra ficzn e o p a tentow ane pod nazwą m agnetofonu2. O degra ono kolosalną rolę nie ty lk o w d z ie d z in ie z a p isu i o d tw a rz a n ia dźwięku, ale także w rozwoju techniki program ow al nego sterowania w autom atyce i robotyce oraz tech niki komputerowej i pomiarowej. Taśma m agnetycz na okaże się doskonałym - w zasadzie do czasów nam współczesnych - nośnikiem zapisywanych na niej informacji, zarówno fonicznych, wizyjnych (ma gnetowid), ja k i tworzących p rocedury sterowania in n ym i m aszyn a m i i u rz ą d z e n ia m i. M ag n eto fo n szpulowy (rys. 2) i od 1963 r. magnetofon kaseto wy (rys. 3) wykorzystują jeszcze dość złożone m e chanicznie zespoły napędowe taśmy (współcześnie z prędkością 4,76 cm /s w przyrządach kasetowych) i zespoły sterujące jej ruchem - pozostałe zespoły są już wyłącznie elektryczne, m agnetyczne i elektro niczne.
Rys. 1. Adapter - gramofon elektryczny z lat 50. ubiegłe go wieku
W 1982 r. dokonany zostaje w dziedzinie fonografii kolejny krok w kierunku m echatroniki - zaprezento wany zostaje pierwszy gramofon cyfrowy (tzw. od twarzacz CD3 lub rzadziej dyskofon, rys. 4). W gra mofonie wykorzystywany jest jako nośnik informacji krążek - p łyta (nazyw any pow sze ch nie dyskiem ) z przezroczystego tworzyw a sztucznego (gru b o ść
Rys. 2. Magnetofon szpulowy z łat 60. ubiegfego wieku
Rys. 1. Patefon - gramofon mechaniczny z pierwszych lat XX wieku
1 z gr. p h o n o = dźw ięk, gtos, g ra ph ein = skro b a ć, rytow ać; 2 Thom as Alva E dison (1847 -1 93 1 ) - w yn alazca a m e rykań ski, tw ó rca p o n a d 1000 p ate ntó w z zakresu elektrotechniki; 3 z gr. gram m a = zapis, p h o n o = dźw ięk, gtos; 4 Em il B e rlin er (1 8 51 -1 92 9 ) - in żynier a m e rykań ski p o ch o d ze n ia niem ie ckiog o ; 6 C harles (1863-1957) i E m il (1860-1937) P alhó - bracia, p rze m ysło w cy francuscy, pion ie rzy europ ejskiej fonografii - stąd p ow szechna w XX nazw a p a te fo n
Rys. 3. Przenośny magnetofon kasetowy - przełom lat 80. i 90. XX wieku
Rys. 4. Przenośny gramofon cyfrowy - odtwarzacz CD z ostatnie) dekady ubiegłego wieku
’ z tac. adaptare = przystoso w a ć, aclaptor - elem on t lu b ze spó l za pe w n ia jący w ła ściw ą w sp ó łp ra cę d w ó c h urządzeń; niom . M a g ne top ho n — m a g ne tofo n; CD (ang. C o m p act D /sc) = p łyta ko m p akto w a, nazyw ana także płytą la serow ą lu b optyczn ą
: * > -
12
1 1 Synergia różnych zasad działania urządzeń zintegrowanych w systemie m echatronicznym
1.1 Synergia różnych zasad działania urządzeń zintegrowanych w systemie mechatronicznym
13
1,2 mm i średnica 12 cm, także 8 cm i inne) o metali zowanej pow ierzchni, w której w ytw orzone zostały wgłębienia o różnej długości i w różnych odstępach, co pozwala przy pom ocy odbijającego się od ścieżki zapisu prom ienia laserowego i fo to dio d odczytują cych wytworzyć ciąg sygnałów optycznych przetwa rzanych na elektryczny sygnał cyfrow y i następnie analogowy, kierow any do wzm acniacza akustyczne go. Tu już tylko sam dysk, rotor (wirnik) obracającego go silnika elektrycznego oraz laserowy zespól o d czytowy (bądź współcześnie także zapisowy) są ru chom ym i elementami m echanicznym i (liniowa pręd kość odczytu i zapisu wynosi przeważnie 1,25 m/s). Pozostałe zespoły są wykonane jako układy cyfro we. Zespoły elektroniczne sterują prędkością obro tową silnika, utrzym ują plamkę prom ienia lasera na ścieżce odtwarzania i zapisu, dokonują korekcji błędów i redukcji szumów, przetwarzają cyfrową postać sygnału na postać analogową, wzmacniają sygnał i sterują programem odtwarzania lub zapisu. Płyta CD, opracowana przez firmę Philips początkowo tylko 'dla zapisu dźwięku stereofonicznego wysokiej jakości, podobnie jak wcześniej taśma magnetyczna, zrewolucjonizowa ła nie tylko procesy zapisu fonii, ale także obrazu i wizji oraz - a może przede wszystkim - procesy tworze nia nośników baz danych i program ów w technice komputerowej oraz w technice program owalnego stero wania maszynami i urządzeniami. Ostatnie lata to ju ż dom inacja odtw arzaczy z pam ięcią f/as/i1 (nazywanych powszechnie ipodam i lub odtwarzaczam i plików mp3 - w rzeczywistości stosowane są jeszcze inne m etody kompresji plików, np. atrac). W tych odtwarzaczach nie ma już w ogóle elem entów m echanicznych lub elektrom echanicznych wprawiających w ruch nośnik informacji - elementy mechaniczne zostały zredukowane do korpusu obudowy odtwarzacza oraz dotykow ych sensorów sterujących jego pracą (rys. 1). Sama pamięć flash, podobnie jak to było z pam ięciam i taśm ow ym i i płytow ym i, w ykorzystyw ana jest już jako w ygodny nośnik inform acji w technice kom puterow ej (nazywany tu potocznie pendrive’m2).
Rys. 1. Przykład systemu mechatronicznego: współczesne stanowisko produkcyjne Ze względu na cyfrowy sposób przetwarzania tych sygnałów w układzie sterowania tą ujednoliconą postacią sygnałów powinna być również postać cyfrowa. Kolejne zadanie systemu m echatronicznego, jakim jest przetwarzanie i interpretowanie zebranych przez sensory informacji procesowych, pow inno charakteryzow ać się trzem a głównym i cechami:
1 1 Synergia różnych zasad działania urządzeń zintegrowanych w systemie mechatronicznym
•
Optymalizację zachowania urządzenia, maszyny lub ogólnie systemu mechanicznego, która jest głównym celem działań inżynierskich nazywanych mechatronizacją, osiąga się przez połączenie zespołów elektrycznych, elektronicznych i kom puterow ych z zespołami m echanicznym i w nowy, powiązany sprzętowo i sygnaIowo, system m echatroniczny. Ten zintegrowany fizycznie system (rys. 1 na następnej stronie) odbiera za pom ocą sensorów (czujników i przetworników pomiarowych) sygnały ze środowiska roboczego (oto czenia) oraz sygnały wytwarzane przez własne zespoły, przetwarza je i interpretuje we własnym procesorze (sterowniku, układzie sterowania) i następnie - odpow iednio do stanu środowiska i własnych zachowań reaguje na nie przy pom ocy aktuatorów (elementów i urządzeń wykonawczych), działając - w sposób zgodny z celem użytkowania systemu - na środowisko.
; ; : ‘
działaniem w czasie rzeczywistym, a więc z możliwie najmniejszymi opóźnieniam i pom iędzy zaistnie niem nowej sytuacji procesowej i reakcją na tę sytuację, • realizacją program ow ą przetwarzania zapewniającą wspom nianą już w rozdziale 1 niematerialną zdol ność kształtowania właściwości i zachowań systemu m echatronicznego, • osiągnięciem takiego stopnia inteligencji przetwarzania, który pozwala na przejęcie przez system me chatroniczny od je g o użytkownika przynajm niej części odpow iedzialności za realizację przewidzia nych zadań. Generalnie wyróżnia się trzy poziomy zadań przewidzianych dla procesora systemu mechatronicznego: •
Pierwszą, istotną cechą systemu m echatronicznego jest więc zintegrowanie sensorów z realizowanym przez ; system procesem. Procesy te, a więc i pobierana przez sensory informacja (dane procesowe), m ogą mieć bardzo różną postać fizyczną: mechaniczną, elektryczną, pneumatyczną, hydrauliczną, także optyczną, che miczną, a nawet biologiczną oraz różny charakter: ciągły (analogowy) i nieciągły (przerywany, dyskretny) w czasie. Sensory powinny zapewnić możliwie wierne przetworzenie tej inform acji w ujednolicone sygnały ■ elektryczne, akceptow ane przez w łasną (lokalną) sieć linii przesyłow ych oraz przez procesor system u.
1 ang. flash m e m o ry ~ p a m ię ć błyskow a; 2 z a ng. p e n - p ióro, drive = n ap ęd
sterowanie i regulacja wielkości procesowych - jest to tzw. najniższa lub dolna warstwa działania (rys. 1 na następnej stronie), • kontrola wartości granicznych, m eldowanie sytuacji awaryjnych, zapewnienie działania lub zatrzyma nie pracy systemu w przypadku pojawienia się w ybranych uszkodzeń, • nadzór i diagnoza uszkodzeń, koordynacja system ów cząstkowych w systemach złożonych, zarzą dzanie systemam i złożonym i - i jest to tzw. najwyższy lub górny poziom działania. Już nawet przejęcie przez procesor systemu m echatronicznego odpow iedzialności za najniższy poziom działania odciąża użytkownika i pozwala mu na zwrócenie większej uwagi na zadania wyższego poziomu i na głów ny cel, jakim jest użytkowanie systemu.
14
komunikacja z układami nadrzędnymi
sygnaiy sterujące, regulujące
t
>roc procesor (mikrokomputer) rokc
sensory ciśnienia powietrza sygnały prowadzące, zadające
Jtt nastawnik energii (prostownik sterowany)
sygnalizacja, diagnostyka
15
1.1 Synergia różnych zasad działania urządzeń zintegrowanych w systemie mechatronicznym
1.1 Synergia różnych zasad działania urządzeń zintegrowanych w systemie mechatronicznym
proporcjonalny zawór przepływowy przetwornik elektromecha niczny zaworu proporcjonal nego procesor-mikrokomputerowy sterownik
sygnały pomiarowe sensory (przetworniki położenia, sity, momentu...) ‘ sygnały procesowe
w ielkości zakłócające
przetwornik energii (silnik, siłownik)
energia wyjściowa
wielkości wyjściowe, mechaniczne
pneumatyczny. siłownik tłokowy
przemieszczenie, siła, m o m e n t,...
procesor - mikrokomputerowy sterownik
Rys. 1. Schemat budowy warstwy działań sterujących i regulacyjnych systemu mechatronicznego na przykładzie elek tromechanicznego układu napędowego Trzecią cechą systemu m echatronicznego jest, podobnie jak w przypadku sensorów, zintegrowanie aktuatorów z realizowanym przez system procesem . Tu także ponow ne zbliżenie się do wielkości procesowych skutkuje koniecznością wyboru różnych zasad działania elementów i urządzeń wykonawczych oraz różnych sposobów ich działania w czasie (działania ciągle, przerywne itd.). Jednocześnie działania wykonawcze wy m agają w zdecydow anej większości procesów: • • •
wzm ocnienia energetycznego sygnałów, a więc podania energii pom ocniczej, najczęściej w postaci ełektrycznej, pneum atycznej lub hydraulicznej, przetworzenia elektrycznych sygnałów cyfrowych procesora na akceptowaną przez dany aktuator postać (analogową, cyfrową, binarną) i w ielkość fizyczną sygnału (prąd, ciśnienie, przepływ itd.), dobrej jakości przetworzenia sygnałów wejściowych aktuatora na sygnały procesowe - może to w y m agać potraktowania urządzenia wykonawczego jako cząstkowego systemu (lub podsystem u) me chatronicznego z własnym i sensorami, procesorem i aktuatorami.
Ta integracyjna, synergiczna' koncepcja systemu m echatronicznego może być wykorzystana w bardzo róż nych rozwiązaniach technicznych, począwszy od produktów klasy cyfrowego odtwarzacza muzyki i aparatu fotograficznego, przez stanowiska i linie produkcyjne współczesnego przemysłu aż do praw dopodobnie naj większego na świeoie systemu m echatronicznego, jakim jest system zabezpieczający drogę wodną do por tu w Rotterdamie w Holandii, ze sterowanym i kom puterow o elementami ruchom ym i śluz mierzącymi ponad 300 m etrów długości. 5 syn ergiczn y = d zięki w s p ó łd zia ła n iu sku te czn iejszy niż su m a o d d zie ln ych działań , gr. syn ergo s = w spółdzia ła n ie
Rys. 1. Mechatroniczne zgrzewadto blach stosowane w zrobotyzowanej linii montażu karoserii i a) zgrzewadto zamontowane na robocie przemysłowym, b) przekrój budowy oraz c) schemat budowy mechatro nicznego układu napędowego zgrzewadla
'
Dobrym przykładem synergii różnych zasad działania urządzeń zintegrowanych w systemie m echatronicz nym jest zgrzewadto blach stosowane w procesach m ontażu karoserii sam ochodowych, jedno z najczęściej obecnie wykorzystywanych narzędzi robotów przem ysłowych (rys. la ) . Wykorzystanie konwencjonalnego rozwiązania polega na ręcznym doprowadzeniu zgrzewadla przez robotnika-operatora stanowiska do punktu zgrzewania, zamknięciu elektrod (szczęk) zgrzewadla na łączonych blachach i włączeniu przepływu prądu przez elektrody. Po upływie żądanego czasu zgrzewania i wyłączeniu prądu operator otwiera elektrody i przemieszcza ręcznie zgrzewadto do kolejnego punktu zgrzewania. Czas elementarnego cyklu zgrzewania trwa od kilkunastu do kilkudziesięciu sekund. Niedokładności ręcznego doprowadzenia i sterowania zgrzew adłem są przyczyną ograniczonej jakości i w ytrzym ałości zgrzeiny, W tym także często złego wyglądu miejsca zgrzewania. W wersji mechatronicznej zgrzewadto jest doprowadzane (rys. 1 a) do punktu zgrzewania przez robota prze mysłowego, pełniącego rolę nadrzędnego - w stosunku do zgrzewadla - systemu m echatronicznego. Usta wienie elektrod w stosunku do punktu zgrzewania z dokładnością rzędu części milimetra, typową dla robo tów przemysłowych, wywołuje przesłanie sygnału inicjującego proces zgrzewania do procesora-sterownika m ikrokom puterowego zgrzewadla (rys. 1 b).
16
1 .2 Systemowe podejście przy ¡projektowaniu urządzeń i systemów m echatronicznych
1.1 Synergia różnych zasad działania urządzeń zintegrowanych w systemie m echatronicznym
Proces zgrzewania przebiega zgodnie z następującą programowaną procedurą: • aktuator zgrzewadia przemieszcza elektrody w pobliże powierzchni zgrzewanych blach z m ożliwie naj-\ , większą prędkością ruchu (ruch jafowy), • aktuator dosuw a elektrody do pow ierzchni zgrzew anych blach z tak nastaw ianą prędkością, aby w chwili Ich zetknięcia się z łączonym i blachami prędkość była równa zeru - zapobiega to uderzeniu elektrod i odkształceniu blach (ruch roboczy), aktuator rozwija - zgodnie z przyjętą charakterystyką - silę docisku elektrod do powierzchni zgrze wanych blach, • po osiągnięciu zadanej sity docisku procesor zgrzewadia wysyła sygnał włączenia prądu zgrzewającego, • po zaprogramowanym czasie zgrzewania i wyłączeniu prądu aktuator odsuwa elektrody z możliwie największą prędkością ruchu od punktu zgrzewania (ruch jałowy), • po zajęciu pozycji wycofania elektrod procesor zgrzewadia wysyła sygnał zakończenia procesu do układu sterowania robotem - robot przemieszcza zgrzewadto do kolejnego punktu zgrzewania.
17
1.2 Systemowe podejście przy projektowaniu urządzeń I systemów mechatronicznych . j |
i | i l ; i
Ten - mechatroniczny, autom atycznie sterowany - sposób zgrzewania gwarantuje najwyższą jakość i dosko- i nały w ygląd zgrzeiny przy jednocześnie zdecydow anie krótszym czasie cyklu w porównaniu ze zgrzewa- • niem konwencjonalnym . i
.Interdyscyplinarność m echatroniki zmusza do innego podejścia przy projektowaniu urządzeń, maszyn i systemów, niż miało to miejsce w przypadku rozwiązań konwencjonalnych! Tylko pozornie może się wydawać, że rozwiązanie mechatroniczne jest wyłącznie następstwem dokonujące go się postępu technicznego. Duże, drogie, bardziej zawodne i nie poddające się woli użytkownika zespoły mechaniczne są - dzięki postępowi technicznem u - zastępowane małymi, tańszymi, niezawodnym i i progra mowanymi przez użytkownika zespołam i elektrycznymi, elektronicznym i i m ikrokom puterowym i. W istocie rzeczy jednak rozwiązanie m echatroniczne od wspom nianego konwencjonalnego odróżnia wła śnie inne podejście do projektow ania (tab. 1). Już od fazy wstępnej koncepcji projektu uw zględnia się w mechatronice przede wszystkim cele funkcjonalne i użytkowe danego rozwiązania i dobiera najbardziej sprzyjające tym celom koncepcje, a potem elementy i zespoły, nawet jeśli pochodzą one z różnych dziedzin techniki i wykorzystują różne zasady działania, odm ienne od tradycyjnej koncepcji. Jest to więc podejście
W budowie mechatronicznego zgrzewadia wykorzystano (rys. 1c na poprzedniej stronie):
Tab. 1. Ważniejsze różnice pomiędzy projektowaniem konvvencjonalnym i mechatronicznym
• •
Projekt konwencjonalny
Projekt mechatroniczny
Tradycyjna koncepcja rozwiązania
Studium wielu m ożliwych rozwiązań powstałych na podstawie niekonwencjonalnych metod rozwiązywania problem ów
Prowadzenie projektu zgodnie z jednorodną koncepcją rozwiązania
W ybór rozwiązań cząstkowych na podstawie badań modeli teoretycznych i eksperymentalnych
trzy sensory, dwa czujniki piezokrystaliczne ciśnienia powietrza w komorach siłownika aktuatora, pozwalające na sterowanie silą docisku elektrody ruchomej, • czujnik magnetostrykcyjny położenia tloczyska siłownika aktuatora, pozwalający na sterowanie po zycyjne elektrodą ruchom ą zgrzewadia, • mikrokomputer pełniący rolę procesora-sterownika zgrzewadia zapewniający, oprócz realizacji za dań sterowania ruchem i siłą docisku elektrod, także zadania interfejsu sieci lokalnej zgrzewadia i interfejsu zewnętrznej magistrali sieciowej przesyłającej sygnały w spółpracy z nadrzędnym ste rownikiem robota, • aktuator elektropneumatyczny zbudow any z dwóch elementów: - pneumatycznego siłownika tłokowego jako przetwornika energii pom ocniczej (sprężone powie trze) w energię ruchu i siły docisku elektrody ruchom ej zgrzewadia, - elektropneumatycznego, proporcjonalnego zaworu przepływowego jako nastawnika energii dostarczanej do siłownika, « dźwigniowy mechanizm kinematyczny przekształcający ruch iiniowy tłoczyska siłownika aktuatora w ruch kątowy elektrod.
Do charakterystycznych dla rozwiązania m echatronicznego, synergicznych cech zgrzewadia zaliczyć należy: • •
•
i • ", k i; • j :?
zintegrowane działania sensoryczne - konstrukcyjne połączenie czujników sensorów ciśnienia z ka nałami wyjściowym i zaworu proporcjonalnego i połączenie czujnika położenia z tloczyskiem siłownika, wyposażenie zgrzewadia we własny wewnętrzny system komunikacyjny optymalizujący przesyłanie sygnałów z sensorów do procesora i z procesora do przetwornika elektrom echanicznego zaworu pro porcjonalnego, zintegrowane z sensorami i aktuatorem działanie procesorowe zastosowanego m ikrokom putera zapewniające: - programową realizację dwóch procedur sterowania: ruchu i siły docisku elektrod, - komunikację przez zewnętrzną magistralę sieciową z nadrzędnym układem sterowania, - diagnostykę działania sensorów i aktuatora zgrzewadia, - konstrukcyjną integrację płyt obwodów elektronicznych mikrokomputera z m echanicznym i ele mentami aktuatora, zintegrowane działania mechaniczne - konstrukcyjne połączenie nastawnika energii - zaworu proporcjonalnego z przetwornikiem energii - siłownikiem tłokowym oraz połączenie tloczyska siłownika mechanizmem kinematycznym z elektrodam i zgrzewadia, zamknięcie aktuatora, sensorów i procesora-sterownika we wspólnym korpusie serwojednostki napędowo-sterującej zgrzewadia, umożliwiające w przypadku awarii łatwą i szybką wymianę całego zespołu.
• Wykorzystanie konwencjonalnych elementów i zespołów m echanicznych i elektrom echanicznych
Wykorzystanie dostępnych m odułów mechatronicznych oraz przenoszenie działań m echanicznych do obszaru sterowania i oprogram owania
Zapewnienie dokładności i jakości przez zawężanie tolerancji wykonawczych i dopuszczal nych zmian wartości param etrów
Zapewnienie dokładności i jakości przez pom iar i regulację
Przesyłanie sygnałów przy pom ocy tradycyjnych połączeń kablowych
Przesyłanie sygnałów przy pom ocy wewnętrznych i zewnętrznych m agistrali telekom unikacyjnych
Sterowanie parametrami działań m echanicznych
Program owanie i regulowanie wartości param etrów działań mechanicznych
Pomijanie wpływu wielkości niemierzalnych
Uwzględnianie w pływu wielkości niemierzalnych przez odtwarzanie (rekonstrukcję) tych wielkości
Alarmowanie granicznych wartości param etrów
Ciągłe nadzorowanie, wizualizacja stanów awaryjnych i diagnostyka uszkodzeń
Produkt ciężki, łączony przez zewnętrzne dodawanie kolejnych elementów, zespołów i okablowania
Zwarty, lekki, zamknięty we w spólnym kadłubie p rodukt powstały ze zintegrowanych elem entów i zespołów BIBLIOTEK A CLOWNA WAT
92339
18
1.2 Systemowe podejście przy projektowaniu urządzeń i systemów m echatronicznych
1 .2 Systemowe podejście przy projektowaniu urządzeń i systemów m echatronicznych Wydaje się, że drugie podejście m oże zapew niać optym alną realizację projektów o charakterze mechatronicznym , uw zględniając zarów no czas trwa nia prac nad projektem, jak i końcowy wynik. Oba podejścia nie oznaczają, że w przyszłości rola inżynierów i techników m echaników, elektroników i informatyków w projektowaniu i prowadzeniu prac badawczych i rozwojowych będzie malała. Oznacza to tyle, że w coraz większym stopniu będą potrzebni w przemyśle specjaliści łączący wąską specjalizację z umiejętnością poruszania się w obszarze dziedzin pokrewnych, przede wszystkim automatyki, elektro techniki, elektroniki i informatyki, ale także m echani ki, w tym pneum atyki i hydrauliki, robotyki, optyki i fotoniki oraz metrologii i sensoryki. Oznacza to je d nak, że będzie malało znaczenie tradycyjnego w y kształcenia zarów no zaw odow ego, technicznego, jak i inżynierskiego na rzecz kształcenia bardziej niż obecnie wszechstronnego, zapewniającego i m ożli wość pracy w zespołach interdyscyplinarnych, i ła twość dokształcania się dla podnoszenia i zm iany kwalifikacji.
kwalifikacjo zawodowo przedstawiciele wszystkich specjalności
ocena w odnlos lontu do problemu oczekiwanie jasnych I akceptowalnych wyników
19
' koszty : jakie sq koszty osobowe . (w tym ekspertów: zewnętrznych).
członkowie zespołu projektującego cochy osobowo • motywacja • predyspozycjo do pracy zespotowoj • dośwladczonie • samodzielność
niezależność • od warunków socja/nych • od środowisk doradczych . . I opiniodawczych dyspozycyjność • możliwość czasowe go oddelegowania • zastępstwa
Rys. 1. Kryteria doboru zespołu realizującego projekt mechatroniczny
Szczególne miejsce w projektowaniu złożonych system ów mechatronicznych ma wstępne studium rozwią zania. Jego rola wynika z istnienia zwykle wielu możliwych rozwiązań alternatywnych. Dobrym przykładem jest tu wybór napędu urządzenia lub maszyny - aktualnie producenci wszystkich trzech podstawowych ro dzajów napędu, a więc elektrycznego,, pneum atycznego i hydraulicznego, proponują bardzo porównywalne, funkcjonalnie i użytkowo, rozwiązania. Muszą być one ocenione i porównane w fazie studium i początkowej fazie realizacji projektu. Dla wyboru pomysłu oraz oceny i porównania różnych koncepcji rozwiązań projektów mechatro nicznych proponowane są trzy techniki: ■
systemowe, a nie, jak się to często dzieje w rozwiązaniach tradycyjnych, proste dołączanie do już istniejące go lub znanego rozwiązania dodatkow ych elementów i uktadów pom iarowych, sterujących i wykonawczych, często realizowanych w tej samej technice, co podstawowe rozwiązanie.
■
Konsekwencją podejścia system owego do problem u projektowania urządzeń i maszyn m echatronicznych jest konieczność zapewnienia w zespole projektującym umiejętności korzystania z różnych dziedzin nauki ¡ techniki (rys, 1). Można to oczywiście zapewnić albo przez oparcie się na projektantach-mechanikach z do brą znajomością automatyki, elektroniki i informatyki, a więc na m echatronikach, albo przez dobór projektantów-specjalistów i ekspertów z interesujących dziedzin (rys. 1 na następnej stronie). To jednak nie rozwiązu je jeszcze problem u systemowego podejścia przy projektowaniu nowoczesnych urządzeń, maszyn i syste m ów produkcyjnych.
■
Dotychczasowe doświadczenia przemysłu wskazują, że optymalne są tu dwa podejścia: • m echatronik lub m echatronicy przygotowują propozycje realizacji danego projektu, wykonują warian towe m odele i dopiero wtedy, razem ze specjalistami z towarzyszących projektowi dziedzin, wybierają końcową koncepcję rozwiązania i dopracow ują szczegóły jego realizacji, • m echatronik kieruje zespołem specjalistów, przy czym charakterystyczne dla realizacji mechatronicznej cząstkowe rozwiązania są przygotowywane w zespołach różnych specjalistów ju ż od sam ego po czątku prac nad projektem , a nie dopiero po wstępnym przygotowaniu koncepcji i modeli.
do ws'tępnego wyboru i oceny koncepcji tzw. metody asocjatywne1, do których należą m etoda „bu- ' rzy mózgów”2, m etoda tzw. „list występowania"3 i szczególnie m etoda „map poglądowych"4 (przy kład na następnej stronie), modelowanie funkcjonalne, którego celem jest opis i wykazanie funkcjonalności oraz obliczanie i badanie wartości param etrów np. układów sterow ania i regulacji. W tym obszarze m odelowania ■ szczególnie dobrze sprawdzają się m etody zorientowane na budow ę m echanizm ów kinematycznych > złożonych urządzeń i maszyn z uwzględnieniem ich dynamiki, pracujące w czasie rzeczywistym5, modelowanie konstrukcyjne, którego celem jest opis i ocena geom etrii i wytrzym ałości zarówno : rozwiązań cząstkowych, jak i zintegrowanego m echatronicznie produktu projektu. Wykorzystywane i są tu m etody kom puterowo wspom aganego projektowania klasy FEM8 i CAD7 oraz narzędzia progra-1 mowe ich wzajem nego powiązania. ; •:
Proces projektowania ma zwykle charakter iteracyjny5, cykliczny, polegający na naprzemiennym stosowaniu modelowania funkcjonalnego i konstrukcyjnego połączonego ze sprawdzaniem wyniku i jego zgodności z założeniami projektowym i.
lac. assoclare ~ połą cze nie m yśii, je d n o czen ie się w m yślen iu ; ang. B ra insto rm ing -. 3 ang. B ra tn w rlttn g : l ang. M ln d -M a p p ln g ; M in d -- m apa, M a p = m apa; -“np. klasy m o d eli nazyw a n ych M B S , ang. M u ltib o d y S ystem s i RTS, a ng . R eal-Tim o Systems: ang. Finile-Elem ent M e th o d ~ m e to d a e lem en tów sko ńczo nych ; ang. C o m p u ta r A id e d D e sig n ~ p ro jekto w a nie w sp o m a g a n o ko m p ute row o; lac. itoratio = p ow tarzanie
:
T 1.2 Systemowe podejście przy projektowaniu urządzeń i systemów m echatronii
20
•Í'-ÍM 1 3 Przykłady urządzeń i system ów m echatronicznych
21
1.3 Przykfady urządzeń i systemów mechatronicznych Przykład:
p ro g ra m s te ru ją c y
Dla układu napędowego stanowiska badawczego (rys. 2) należy sporządzić mapę poglądową koncepcji rozwiązań mechatronlcznych
cyfrow e-
w iz u a liz a c ja sy s te m o p e ra c y jn y
s e n s o ry m e c h a n ic z n e in d u k c y jn e te c h n ik a p o je m n o ś c io w e j s e n s o ryczn a
Rozwiązanie:
Rys. 1 - mapa poglądowa Rys. 2 - przykład rozwiązania
e le k try c z n e
Przyjmuje się, że pierwszym system em m echatronicznym była o b ra b ia rka s te ro w a n a p ro g ra m o w o do produkcji żeber skrzydła sam olotowego, opraco wana w 1949 r. w Massachussetts Institute of Tech n o lo g y (MIT) w USA. W m iejsce m e ch a n iczn e g o sterowania krzywkowego, wtedy jedynego sposobu p rogram ow ania o b ra b ia re k, w yk o rz y s ta n o w niej analogowy zapis na taśmie magnetycznej programu obróbki żebra. W tym sam ym Instytucie w 1952 r. skonstruowano kolejną, program owo sterowaną o b rabiarkę do produkcji śm igieł helikoptera. W sterow niku tej o b rabiarki w ykorzystano po raz pierw szy technikę cyfrow ą, tw orząc tym sam ym p o d sta w y rozwoju o b ra b ia re k s te ro w a n y c h n u m e ry c z n ie 1 (rys. 1).
w e jś c ie \ w z m a c n ia c z y \
p rz e w ó d
w y jś c ie
Rys. 1. Mapa poglądowa projektu mechatronicznego układu napędowego ■
Podobną d ro g ę p o c z ą tk o w e g o rozw oju przeszły także ro b o ty p rzem ysłow e, wym ieniane obok obra biarek NC jako najbardziej przykładowe dla m echa troniki rozwiązania techniczne (rys. 2). Rozpoczęte w 1954 r. prace doprowadziły w 1961 r. do zastoso wania pierwszych robotów przem ysłow ych w prze myśle sam ochodowym USA (firma General Motors i rok później firma Ford).
Rys. 1. Współczesna plęclooslowa frezarka NC - dosko nały przykład maszyny mechatronicznej
s te r o w n ik
tą H
•S-. , I • stacja .i :
W
Do początku lat 70. ubiegłego wieku w napędach obrabiarek NC i napędach robotów przem ysłowych wykorzystywano prawie wyłącznie s e rw o m e c h a n i zm y e le k tro h y d ra u lic z n e sterow ane analogow ym sygnałem elektrycznym. Prace nad nowymi rodzaja mi napędu elektrycznego, um ożliwiającego dokład ne sterow anie p o zycyjn e osi obrabiarek i członów robotów, d oprow adziły do pow stania początkow o analogowych, obecnie najczęściej cyfrow ych s te ro w n ikó w e le k try c z n y c h s e rw o je d n o s te k n a p ę dowych i szybkiego upowszechnienia się powstałe go dla nich term inu „m echatronika” . Podobne ste rowniki wprowadzono w latach 80. do sterowania na pędów elektrohydraulicznych i w latach 90. XX wieku do sterow ania nap ęd ó w elektro p n e u m a tyczn yo h , tworząc z nich także m e c h a tro n ic z n e s e rw o je d nostkf napędowe (rys. 1 na następnej stronie), mo gące konkurować z napędam i elektrycznymi.
iLl....... X PC ł
£¡1
obsługa, wizualizacja, dokumentowanie
płyta podstawy
prowadnice
moduły 1/0
W spółcześnie nie sposób doszukać się dziedziny życia, zarówno gospodarczej, społecznej, jak i pry watnej, w której nie mielibyśmy do czynienia z urzą dzeniami, maszynami i systemami m echatronicznymi. Przyczynił się do tego przede wszystkim postęp i rozwój m ik ro e le k tro n ik i, n a n o e le k tro n ik i i m ik ro e le ktro n iki m o le ku la rn e j w ostatnim ćwierćwieczu.
Rys. 2. Przykład rozwiązania mechatronicznego układu napędowego stanowiska badawczego 1 ang. N u m e rica l C o n tro l (NC)
Rys. 2. Roboty przemysłowe - typowy produkt mechatro niki - tu w zastosowaniu do robotyzacji linii pro dukcyjnej samochodów osobowych
1.3 Przykłady urządzeń i systemów m echatronicznych
22 Od w yprodukowania w 1971 r. pierw szego układu scalonego podwajanie co dwa lata, a obecnie na wet co półtora roku, w ydajności przetwarzania infor macji w procesorach m ikro ko m p ute ró w d o p ro w a dziło, dzięki zastosowaniu sieci telekom unikacji, no woczesnych technik sterowania, im plem entacji p ro cedur sztucznej inteligencji oraz niskiego kosztu ich produkcji, do realizacji - trudnych jeszcze do w y obrażenia kilkanaście lat tem u - rozwiązań'. W spół czesny kalkulator różni się od swego m echaniczne go poprzednika (rys. 2) nie tylko nieporównywalnie większymi możliwościami obliczeniowym i, ale także ok. pięćdziesięciokrotnie niższą ceną. A dzieli te w y konania mniej niż 30 lat.
nentów, jed n o ste k ruchu i m o d u łó w n a p ęd o w ych (rys. 3 na poprzedniej stronie), p o p rz e z ro b o ty (rys. 1) i p o d s y s te m y m o n ta ż o w e (ry s . 2 ), d o kom pletnych syste m ó w p ro d u k c y jn y c h , w s p o m a ganie m echatroniczne u m ożliw ia ela styczn ą in te grację całego zakresu cz y n n o ś c i p ro d u k c y jn y c h i o sią g n ię cie p e łn e g o w s p ó łd z ia ła n ia c z ło w ie k a i „inteligentnych" m aszyn (rys. 3).
Rys. 1. Mechatroniczne Jednostki ruchu stosowane w au tomatyzacji I robotyzacji współczesnych procesów produkcyjnych
Bez przesady m ożna ju ż dzisiaj powiedzieć, że m echatronika" je st na u sługach człow ieka. M a szyny, podzespoły i system y m echatroniczne są w y ko rzystyw a n e d o b u d o w y urzą d ze ń d o m o w ych i biurow ych, w telekom unikacji, m edycynie i bio in żyn ie rii, rolnictw ie i le śn ictw ie , o ch ro n ie środowiska, przem yśle spożywczym , farm aceu tycznym , przem yśle m otoryzacyjnym , m aszyno wym i okrętowym , inżynierii chemicznej, energe tyce, lotnictwie, technice wojskowej i kosmicznej, a nawet w zabawkarstwie. W przem yśle m aszyny i syste m y m ech a tro niczne zbudowane przez człowieka mają za zadanie zastą pienie go w procesach wykonywania wielu prostych, nużących i powtarzających się czynności lub pracy w ciężkich warunkach, często stanowiących zagro żenie dla zdrowia lub życia. Urządzenia te są zinte growanym i, w ielofunkcyjnym i zespołami kom ponen tów i podzespołów, o niejednokrotnie złożonej struk turze wewnętrznej, ale jednorodnym i spójnym algo rytmie funkcjonowania; działającymi w oparciu o róż ne praw a fizyki i w y ko rzysta n ie różn ych zjaw isk. Szczególną rolę pełnią w tych procesach manipula tory i roboty przemysłowe, które - dzięki elektronizacji i m echatronizacji w m inionych dwóch dziesię cioleciach - staty się nieodzow nym i pom ocnikam i człowieka na wielu polach działalności przem ysło wej. Ocenia się, że w przemyśle światowym pracuje •już kilka m ilionów robotów wspom agających i zastę pujących pracę produkcyjną człowieka. M echatroniczne linie m ontażowe oraz linie kon fekcjonow ania i pakow ania w yrobów (przem ysł s a m o c h o d o w y , fa rm a c e u ty c z n y , s p o żyw czy) są przykładam i system ów sterow anych binarnie i cy frow o , p rzy p o m o c y p ro g ra m o w a ln ych s te ro w n i k ó w i m ik ro k o m p u te ró w 1. Począw szy o d ko m p o ' n a zyw a n ych także k o m p u te ra m i p rze m ysło w ym i lu b w w e rsji jo d n o u k la d o w e j - p o to c z n ie iP C & C h lp , z ang. Ind u stria l P C
23
Przykła d y urządzeń-i s y s te m ó w m e c h a tro n iczn ych _
T3___
Przemyśl sam wytwarza urządzenia m echatronicz ne, ale jest również największym o d b io rc ą i użyt kownikiem m echatronicznych maszyn i systemów. Te przemysłowe mechatroniczne m aszyny i sys temy dzieli się na trzy g ru p y b ra n żo w e zw iązane z typowymi procesami produkcyjnym i: •
•
w ytw arzania d e ta li i e le m e n tó w te c h n ik a m i obróbczym i - jest to mechatronika maszyno w a1, montażu zespołów i urządzeń - mechatroni
ka montażowa2, • oraz re a liza cji p ro c e s ó w p rz e m y s ło w y c h mechatronika procesowa3. W nowoczesnych zakładach p rodukcyjnych wspo
maganie produkcji przez mechatronikę'1 dotyczy wszystkich faz produkcji: Rys. 2. Kalkulator mechaniczny z lat 60. ubiegłego wieku i współczesny, wielofunkcyjny, zasilany fotoogni wem kalkulator elektroniczny - Ilustracja postępu w rozwoju produktów powszechnego użytku •j z ro b o ty z o w a ’ i no s ta n o w is k o
Rys. 1. Robot przemysłowy opracowany dla zastosowań w liniach montażowych urządzeń mechatronicz nych • • •
projektowania i przygotowania prototypu, przygotowania produkcji, realizacji procesów produkcyjnych części, ze społów i modułów, • m ontażu gotow ych wyrobów, • m on ito ro w a n ia p ro d u kcji, utrzym ania ruchu i kontroli jakości, • działań logistycznych i zarządzania. ;
' •
.... .......... y&ymuiDwąne i, (Wirtualna i “-stanowislio | zrobotyzoWanei
m mmm
.
Rys. 2. Podsystemy mechatroniczne współczesnych Jinii l | produkcyjnych
Rys. 3. Mechatroniczne moduły ruchu łączące funkcje ot rotu i chwytania, stosowane jako wyposażenie rc botów przemysłowych
Rys. 3. Interaktywne programowanie wirtualne zrobotyzowanego stanowiska produkcyjnego
! ang. * ang. :i ang. 4 ang.
M a ch in in g M e clm tro n ics\ A ssem bly M a ch atro nics; P ro cess M e c h a iro n ic s ; M e ch n iro n ic Support
r : 24
1.3 Przykłady urządzeń i system ów m echatronicznych
1 3 Przykłady urządzeń i systemów m echatronicznych
25
Do powszechnie już znanych i chętnie w ykorzy stywanych produktów m echatronicznych, produ kowanych przez współczesny przemysł, można zaliczyć: •
•
•
• • is ta n o w ls k o m o c o w a n ia I o d m o c o -J iw a n la p rz e d m io tu o b ra b ia n e g o
Rys. 1. Elastyczny system wytwarzania (FMS) - rysunek poglądowy: kolorem niebieskim oznaczono maszyny produkcyj ne, kolorem żółtym - maszyny manipulacyjne I transportowe We współczesnej, zautom atyzowanej i zrobotyzowanej produkcji przemysłu m echanicznego i elektrom echa nicznego główną rolę odgrywają obrabiarki sterowane kom puterowo’ . Programy sterowania numeryczne go tych maszyn są przygotowane w fazie wirtualnego przygotowania produkcji. Obrabiarki CNC charaktery zuje ograniczone oprzyrządowanie, krótki czas przezbrajania i obróbki, stała jakość wytwarzania i mala ilość braków. Ze względu na autom atyzację i robotyzację obsługi koszty produkowania są minimalne. Choć ma szyny CNC idealnie nadają się do produkcji wielkoseryjnej, wym agania różnorodności produktów w ramach tej sam ej rodziny w yrobów doprow adziły do koncepcji elastycznych gniazd i elastycznych wysp obróbczych, składających się z wielofunkcyjnego centrum obróbczego, urządzeń do wym iany narzędzi i palet, z systemem transportu elem entów wsadowych, narzędzi i produktów wytwarzanych oraz kom puterow ego systemu sterowania. Ich rozwinięciem są elastyczne systemy wytwarzania2, często uzupełniane przez inne systemy mechatroniozne (rys. 1), np. przeznaczone do m ontażu detali i podzespołów w jedną całość, tw o rząc zintegrowane systemy produkcyjne3. Mechatronika procesowa jest realizowana w systemach sterowania ciągłych procesów energetycznych, chemicznych, petrochemicznych, metalurgicznych itp., realizowanych w wielkich instalacjach przemysłowych, jak np. rafinerie ropy naftowej, elektrownie, cukrownie, cementownie, oczyszczalnie ścieków. Ich charaktery styczną cechą jest wykorzystanie nadzorującego przebieg procesu produkcyjnego systemu kontroli i zarzą dzania oraz w układach sterowania poszczególnych wielkości procesowych sprzężeń zwrotnych realizowa nych przez mechatroniozne urządzenia pomiarowe (sensory), regulacyjne (regulatory) i wykonawcze (aktuatory), zapewniających regulację tych wielkości na zadanym poziomie lub o zadanym przebiegu. Ko nieczność ciągłej kontroli systemu sterowania produkcją, przy równoczesnej maksymalizacji możliwości kon troli realizowanych procesów technologicznych i poprawności funkcjonowania poszczególnych elementów in stalacji i urządzeń technicznych, zmusza do stosowania inteligentnych systemów sterowania i to zarówno na poziomie stanowiska centralnego sterowania, jak i stanowisk sterowań lokalnych oraz do wykorzysta nia wizualizacji i diagnostyki realizowanych procesów opartej na inteligentnej komunikacji sieciowej.
! ang, C o m p u te r N C (C N C ); s a ng . Flexibte M anuta ctu rin g System (FM S); 3 ang. C o m p u te r-lnto grate d M a n uta ctu rin g (C IM )
urządzenia gospodarstw a dom ow ego, np. roboty kuchenne, sterow ane cyfrow o pralki, zmywarki, chłodziarki i zamrażarki, kuchenki mikrofalowe, domowe maszyny do szycia i ma szyny dziewiarskie, sprzęt audiowizualny, np. cyfrow e aparaty fotograficzne, kam ery w izyjne i telew izyjne, nagrywarki i odtwarzacze płyt CD i DVD, przyrządy, urządzenia i stanowiska do ba dań naukowych, np. kom puterow o sterow a ne analizatory i chrom atografy, ultrawirówki, teleskopy, sprzęt biurowy, np. kopiarki, drukarki lasero we i atramentowe, skanery, urządzenia i systemy techniki motoryzacyj nej, np. układy sterowania silnikam i spalino wymi, wspom agania uktadu jezdnego, syste m y p rz e ciw b lo ku ją c e i p rz e c iw p o ś liz g o w e , system y resorowania, p o d uszki pow ietrzne, napędy szyb, systemy parkowania i nawigacji.
Do urządzeń nieco mniej znanych, ale ze względu na ochronę zdrowia i życia człowieka bardzo ważnych, należą o c z y w iś c ie m e c h a tro n io z n e p rz y rz ą d y i sprzęt inżynierii biomedycznej, np. do budow y sztucznych narządów, autom atycznego podaw ania leków, wspomagania funkcji układu krążenia i oddy chania, rehabilitacji narządów ruchu. Mechatroniczne urządzenia rehabilitacyjne, np. dla osób z pora żeniem kończyn, ułatwiają prowadzenie ćwiczeń ru chowych i sam odzielne poruszanie się. Mechatroniczna proteza (rys. 1) może zastępować pracę rąk, których ruch wspom agają siłowniki pneum atyczne sterowane przez umieszczony w plecaku sterownik komputerowy. Roboty, a w łaściw ie teleoperatory chirurgiczne, nie tylko umożliwiają prowadzenie ope racji na odległość przez chirurga znajdującego się po za salą operacyjną (rys. 2), ale także ułatwiają prowa dzenie operacji wymagających dużej precyzji ruchów oraz operacji wewnętrznych oszczędzających pacjen ta, prowadzonych tylko przez nacięcia skóry. W nieodległej przyszłości m ożem y oczekiw ać, że roboty nazywane hum anoidalnym i lub antropom orficznym i, n a śla d u ją c e w y g lą d i za ch o w a nie człowieka (rys. 3) lub zwierząt (rys. 1 na następnej stronie), staną się naszym i pa rtn e ram i nie ty lk o w zabawie i rozrywce, ale przede wszystkim będą służyć osobom starszym, samotnym, niedołężnym , kalekim lub chorym.
Rys. 1. Opracowana w Instytucie Sztuki, Informacji I Tech nologii w Hamburgu mechatroniczna proteza wspo magająca procesy rehabilitacji ruchu ramienia
Rys. 2. Za pierwszą operację wykonaną na odległość uważa się usunięcie kamieni żółciowych, wykona ne w 2001 r. przez prof. Jacąuesa Marescaux w Nowym Yorku, pacjentce operowanej w szpita lu w Strasburgu
Rys. 3. Japońskie roboty humanoidalne mają już w nieda lekiej przyszłości opiekować się osobami samot nymi, chorymi, kalekimi I niedołężnymi
26
1.3 Przykłady urządzeń I systemów
4 Znaczenie mechatroniki dla rozwoju gospodarczego kraju
Wreszcie, o czym także należy pamiętać, cały sprzęt techniki lotniczej, badań kosmosu, techniki policyj nej i militarnej - to wszystko są bardzo zaawanso wane rozwiązania m echatroniczne. Mobilne, minia turowe roboty inspekcyjne (rys. 2), przygotowane do penetrow ania nie b e zpieczn ych lub .niedostęp nych dla człowieka środowisk, chronią życie i zdro w ie p o licja n ta , sapera, g ro to ła za i... a rch e o lo g a . Służyć m ogą także w przypadku katastrof budow la nych, p o w o d o w a n y c h przez np. trzęsie n ia ziem i i huragany, przeszukując niezasypane przestrzenie w ruinach budynków. M ogą także odkurzać nasze mieszkania i strzyc nasze trawniki. Trochę większe pomagają w pracy robotnikom budow lanym i leśni kom w trudno dostępnym terenie. Mechatronika może także bawić, przestraszać, swa wolić... Jako robo-prezenterzy na targach i wysta wach techniki, lalki w teatrzykach i oknach wystaw
m a try c e m ik ro e le k tro d
fi
k o ra ru c h o w a ,fĄ s*
'
fie u ro u k ta d s c a lo n y
-3
m ó zg u
LjćJŹ'-Li
'*
u k ia d s c a lo n y ste ru ją c y s k u rc z e m m ięśn i
Rys. 1. Pieski Albo bawią, ale i uczą |apońskle dzieci ob cowania na co dzień z „inteligentnymi" maszynami
Rys. 1. Mechatronlczny upiór - straszy czy bardzie) bawi...
Rys. 2. Miniaturowe roboty mobilne opracowane na Wydziale Mechatroniki Politechniki Warszawskie): a), b) Jezdne - In spekcyjny (a) i roboczy (b) oraz c) kroczący (rys. 3) i m echatroniczne potwory w horrorach i fil mach fantastycznych (rys. 1 na następnej stronie). Na koniec warto także wspom nieć, że m y - jako lu dzie i cała otaczająca nas żywa natura to także swe go rodzaju system y m echatroniczne, tyle że biolo giczne. Posługujem y się przetwarzaniem informacji i czynność ta jest realizowana w p o dobny sposób w każdej komórce, zarówno w kom órce drożdży, jak i kom órkach układu nerw ow ego - neuronach m ó zgu człowieka. Wytwarzane w trakcie przetwarzania Informacji potencjały (w korze m ózgowej człowieka osiągające wartość nawet 70 mV) pobudzają bądź pojedynczy mięsień, bądź grupy mięśni, prowadząc - przez układ m ięśniowo-szkieletowego żywego or ganizmu - do wykonywania żądanych ruchów. Za awansowane są już pracę badawcze nad wykorzy sta n ie m ty c h z ja w is k d o s te ro w a n ia s y s te m ó w m e c h a tro n ic z n y c h - b a d an ia m i tym i za jm uje się neurorobotyka, będąca jedną z najbardziej intere s u ją c y c h p rz y s z ło ś c io w o d zie d z in m e c h a tro n ik i (rys. 2 na następnej stronie).
27
Rys. 2. Sterowany bioprądami samojezdny wózek inwa lidzki dla osób sparaliżowanych - to neurobotyka, czyli też mechatronika
1.4 Znaczenie mechatroniki dla rozwoju gospodarczego kraju Ze względu na coraz szersze zastosowanie m echatronicznych maszyn i urządzeń w życiu codziennym oraz różnych sektorach przemysłu i całej gospodarki m echatronika wywiera coraz większy w pływ na rozwój eko nomiczny każdego kraju, w tym oczywiście i Polski. Obecność m echatroniki w nauce, technice i edukacji pozwala na tworzenie wspólnej platformy, na której in tegrowane są pom ysły i działania zmierzające do realizacji nowych projektów i rozwiązań potrzebnych no woczesnej gospodarce. Termin „wspomaganie mechatroniczne" dotyczy wielu form inteligentnego działa nia prowadzącego do usprawnienia procesów projektowania oraz budow y i wykorzystania nowej generacji maszyn i urządzeń (rys. 1 na następnej stronie). W nauce i technice powstał nowy obszar badań nad możliwościami budow y nowych, „inteligentnych" urzą dzeń i systemów, od nanomaszyn przez wspom agane kom puterow o stanowiska badawcze wielu dziedzin nauki i techniki (rys. 2 na następnej stronie) aż do w ielkogabarytow ych systemów produkcyjnych. Mecha troniczne projekty techniczne i technologiczne są z reguły powiązane z badaniami w zakresie inżynierii ma teriałowej i zastosowaniem nowych m ateriałów o w yjątkowych właściwościach i parametrach.
Rys. 3. Przyciągają oczy nie tylko maluchów - mechatronlczne robo-kukielki
Projektowanie urządzeń m echatronicznych zw ykle rozpoczyna się od stw orzenia w irtualnego m odelu, w którym zaprogram owane są wszystkie je g o param etry i sym ulow ane wszelkie je g o funkcje. Nowe m eto dy badań elem entów inteligentnych urządzeń i system ów (sensorów, sterowników, aktuatorów), obejmują ce wyznaczenie charakterystyk ich działania i w pływ u na różnorodne procesy, np. biologiczne i technolo giczne, pozwalają na zwiększenie niezawodności i funkcjonalności maszyn i urządzeń, skrócenie czasu ich
28________________________________________ 1.4 Znaczenie mechatroniki dla rozwoju gospodarczego kraju
1 4 Znaczenie m echatroniki dla rozwoju gospodarczego kraju________________________________________ 29
Rys. 1. Stanowisko projektowo-badawcze parametryzacji elementów, podzespołów I modułów systemu mechatronlcznego z wykorzystaniem modelowania funkcjonalnego jego zachowań dynamicznych (system WlnPISA - Festo)
poprawie warunków życia i pracy, kom unikujące się z człowiekiem maszyny i urządzenia. Produkty wielu dziedzin przem ysłu, nie tylko obrabiarkow ego czy sam ochodow ego, ale także np. zaba w ka rskie g o , stają się produktami mechatroniki. Dotyczy to rów nież metod ich wytwarzania, zarówno produkcji wa łów napędow ych siln ik ó w w e la styczn ych g n ia z dach obróbczych, spawania i lakierowania karoserii samochodów przy pom ocy robotów, jak i linii pro dukcyjnych wytwarzających elementy elektroniki lub pakujących produkty spożywcze. W szystko to d o kumentuje coraz pow szechniejszą o b e cno ść m e chatroniki w całej gospodarce.
Proce«»Contro) System rw iłlini) X« >$.0« W» «».W V* «,0(1
Durtltflułi I s ».«O W* ) l,lf V * łł.O*
Ołuth
Temptfilur KB 2M* W» Jf,i» y » im.m
... lii
3E Rys. 1. Stanowisko produkcyjne elementów z tworzyw sztucznych dla przemysłu samochodowego - przykład nowej generacjl mechatronlcznych, wielkogabarytowych maszyn produkcyjnych uruchom ienia i optym alne sterowanie realizowanym p ro ce se m , Z a m o d e lo w a n ie w irtu a ln e g o pro ce su i testowanie jego przebiegu pozwala na uniknięcie wielu błędów i strat oraz obniżenie kosztów związa nych z rozruchem system ów rzeczywistych (rys. 1 na następnej stronie).
Wprowadzane do praktyki przemysłowej i oparte na mechatronicznych maszynach i urządzeniach inteligentne systemy wytwarzania usuwają wiele niedostatków produkcji przemysłowej i zapewniają zasadniczą poprawę produktywności, co ma ogrom ne znaczenie dla poprawy konkurencyjności polskich wyrobów na rynkach eu ropejskich i światowych. W konsekw encji m echatronika przyczynia się do wzrostu produktu krajow ego, zmniejszenia bezrobocia i tym samym do oczekiwanego wzrostu zamożności i poprawy poziomu życia całego społeczeństwa.
Nowe p ro je kty i ko n stru kcje urządzeń m echatronicznych są tw orzone p rzy ścisłej w sp ó łp ra cy na u k o w c ó w z in ż y n ie ra m i, w ra m a c h r e a liz a c ji w spólnych pro je któ w przez p laców ki uniw ersytec kie, przem ysłow e instytuty badaw cze i działy ba d a w czo-rozw ojow e firm p rzem ysłow ych. Projekty te realizow ane są zarów no przez w łasne finanso w anie (projekty w łasne oraz p ro je kty celow e i za m awiane, w sp ółfinansow ane przez a g e nd y rządo we), ja k i przez finansow anie w ram ach Unii Euro pejskiej. Różne dziedziny i obszary gospodarki kraju (prze mysł, komunikacja, budownictwo, rolnictwo, m edy cyna i inne) stopniow o wchłaniają nowe, inteligent ne rozwiązania komponentów, podzespołów' i kom p le tn ych system ów, prze kszta łca ją c je w służące
Spotykane są określenia m echatroniki jako „infor Rys. 2. Komputerowo wspomagane sterowanie I monito rowanie procesów przemysłowych (system WlnCC matyki stosowanej", „informatyki przem ysłow ej” firmy Siemens w zastosowaniach firmy Festo) i „inteligentnej komunikacji". To właśnie technolo gie informatyczne i telekom unikacyjne nadają urzą dzeniom i systemom znamiona „inteligencji” , rozumianej jako zdolność do przetwarzania i przekazywania in formacji (wr formie sygnałów mechanicznych, elektrycznych, pneum atycznych, optycznych i innych), ucze nia się oraz kom unikowania się z czlowiekiem -użytkownikiem tych urządzeń i system ów przy zapewnieniu wysokiego stopnia ich autom atyzacji (rys. 2) i robotyzacji. Przyczynia się to w istotny sposób do rew olucjo nizowania zarówno metod wytwarzania, jak i m etod w ykorzystania m echatronicznych środków i narzędzi produkcji.
Mechatronizacja, rozum iana nie tylko w yłącznie w odniesieniu do techniki i technologii, ale w znacznie szerszym ujęciu uwzględniającym aspekty pozatechniczne (elastyczna integracja czynności produkcyjnych i zarządzania produkcją, zarządzanie kadram i, zarządzanie inform acją i logistyka), jest najefektywniejszą drogą do rozwiązania nie tylko w spom nianego problem u wzrostu produktyw ności i konkurencyjności go spodarki, ale rów nież drogą do zapew nienia gosp od a rce w ykw alifikow anych pracow ników zdolnych do sprostania współczesnym w ym aganiom zaw odowym i społecznym (rys. 1 na następnej stronie). Rys. 2. Stanowisko badawcze wyposażone w zrobotyzowany system manipulacyjny próbek I komputero wy system sterowania przebiegiem eksperymen tów I analizy wyników - przykład mechatronlzacjl badań naukowych i usługowych
W procesach transformacji, wym uszających reformy rynkowe i związane z nimi reformy systemu edukacyjne go oraz duże zmiany na rynku pracy, warunki kształcenia zawodow ego m łodzieży i dokształcania dorosłych, możliwe do realizacji na różnych poziom ach zaawansowania technicznego i umiejętności zawodowych, na-
ï 1.4 Znaczenie m echatroniki dla rozwoju gospodarczego kraju
30
bierają szczególnego znaczenia. Edukacja mechatron iczn a p ro p o n u je tu now e m e to d y kształcenia i uczenia się, otwierając nowe m ożliwości zawodo wej kariery.
31
2.1 Bezpieczeństwo i higiena pracy
2 Bezpieczeństwo i higiena pracy 2.1 Człowiek jest miarą
W krajowej edukacji zawodowej służącej zaspakaja niu potrzeb rynku pracy obserwuje się rosnące zain teresow anie m echatroniką. M echatronika stwarza możliwości powstawania nowych zawodów, nie tyl ko w sferze p ro d u k c ji prze m ysło w e j, ale rów nież w innych dziedzinach gospodarki (rolnictwo, leśnic two, ochrona środowiska, budow nictw o, medycyna, b iotechnologie), z uw zględnieniem także obszaru usług. Specjalista „elektrom echanik p ojazdów sa Rys. 1. Nowoczesna pracownia mechatroniki powinna in tegrować kształcenie w zakresie mechaniki, elek m ochodow ych" już obecnie musi wykonywać zada troniki 1Informatyki nia w ła ściw e dla zaw odu m on te ra -m e ch atro n ika . Specjaliści m echatronicy będą znajdow ać zatrud nienie w wielu specjalistycznych zawodach we wszystkich dziedzinach przemysłu i gospodarki oraz w wielu obszarach zastosow ań „inteligentnych" maszyn i urządzeń powszechnego użytku. S Realizacja procesu kształcenia zawodowego na różnych jego poziom ach przy pom ocy mechatronicznych j; system ów dydaktycznych (nowoczesne urządzenia, specjalistyczne oprogram owanie, sprzęt pomocniczy,! multimedia), um ożliwiających wprowadzenie do nauczania i uczenia się elementów interaktywnej stymulacji,!; elem entów gier kom puterow ych, zabawy i w spółzaw odnictw a bardzo aktywizuje uczestników kształcenia j oraz zwiększa jego atrakcyjność i efektywność. Ułatwia to realizację koncepcji specjalizacji zawodowych! w ramach m echatroniki jako grupy zawodów otwartych powiązanych z aktualnymi potrzebami rynku pracy, j Rozwój nowych dyscyplin naukowych, podniesienie poziom u wykształcenia technicznego i kultury tecbnicz-.; nej, tworzenie nowych miejsc pracy przez nowy system kształcenia i szkoleń oraz zapewnienie wzrostu efek-'^ tyw ności produkcji, to wym agania dla każdej, także polskiej gospodarki, w sprostaniu którym pom aga me-^ chatronika. j
Praca, warunki jej wykonywania, urządzenia towarzy szące i otoczenie muszą być dostosowane do fizycz nych, fizjologicznych i psychicznych możliwości czło wieka. Człowiek, wraz ze swoimi zdolnościami i potrze bami, jest miarą tego dostosowania - praca powinna być dla niego: • wykonywalna, • znośna, • akceptowalna, ■ zadowalająca. Kształtowanie warunków pracy odnosi się zarówno do stanowiska pracy - jego ergonomii, jak i zadań oraz or ganizacji pracy.
2.1.1 Ergonomia Ergonomia zajmuje się dostosowaniem urządzeń tech nicznych i produkcyjnych do określonych przez anato mię, fizjologię i psychologię cech sprawności człowie ka. Od dawna już traktuje się człowieka - poprzez ze spól tych cech - jako miarę tego dostosowania (rys. 1 ). Pomiarami wspomnianych cech i badaniem ich zmien ności zajmuje się dziedzina nauki nazywana antropo metrią2. Człowiek jest jedynym i absolutnym odniesieniem dla działań ergonomicznych.
1. Podaj inne, niż wymienione w rozdziale 1, urządzenia do zapisu i odtwarzania dźwięku, produkty techniczne ze swojego domu, szkoły lub najbliższego otoczenia, które przeszły lub przechodzą od rozwiązań mecha nicznych do mechatronlcznych. 2. Do najważniejszych cech charakteryzujących produkty mechatroniczne powszechnego użytku należą między ; innymi: I
Rys. 1. Kanon proporcji - człowiek jako obiekt geome tryczny, szkic Leonarda da Vinel1
Konstrukcje maszyn, przyrządów oraz otoczenie miej sca pracy powinny być dostosowane do człowieka, a nie na odwrót. slronnś^ Dodatkowe zalecenia podaw ane są dla stanow isk pracy osób niepełnosprawnych.
światło p om ieszcze n ie
- miniaturyzacja wymiarów, - małe zużycie energii,
j
- automatyczne działanie,
I
- programowalność funkcjonowania, - uniwersalność zastosowań, - duża trwałość i niezawodność, -niska cena,
i
i ■ ‘
j
- powszechna dostępność. Połącz te cechy z posiadanymi osobiście lub znanymi przyrządami, urządzeniami i maszynami. 3. Wyjaśnij, na czym polega synergiczna koncepcja budowy urządzeń i maszyn mechatronicznych.
j
4. Wymień najważniejsze różnice między realizacjami konwencjonalnych i mechatronicznych projektów tech- , nicznych. 5. Jakie dziedziny nauki i techniki tworzą mechatronikę? <
Do ważniejszych kryteriów ergonomicznie ukształ towanego miejsca pracy zalicza się: • właściwy poziom wymagań od pracownika: nie przekraczających jego możliwości, ale także ich nie dyskwalifikujących („nie za dużo wymagań, ale i nie za mato”), • bezpieczne korzystanie ze środków produkcji bez narażenia się na wypadek, • wykonywanie pracy przy naturalnym ułożeniu ciała (rys. 2 ), • akceptowalne - odnośnie ruchu powietrza, hała su, temperatury i oświetlenia - otoczenie. Przestizeganie tych kryteriów przynosi wymierne ko rzyści zarówno dla zatrudnionych, jak i pracodawców.
kąt o bse rw a cji . bez konie czn ości ruszania g łow ą o p tym a ln y kąt obse rw a cji
Rys. 2. Otoczenie stanowiska pracy I pozycja ciała Leonardo da Vinci (1452 -1 51 9 ) - w ło ski m alarz, b adacz, b u d o w n i czy, technik; gr. a nlluo p os = czło w ie k, m etron = m iara
2.1 Człowiek jest
2.1.1.1 Ergonomiczne stanowisko pracy
_ j
2,1
W grupie urządzeń m echatronicznych najw ażniej sze jest komputerowe stanow isko pracy. Musi ono spełniać zalecenia ergonom iczne. O prócz ergono micznego kształtu klawiatury, ekranu itp: ważny jest również .układ sprzętu na stanow isku, ja k również jego usytuowanie w pom ieszczeniu (rys. 1 ).
Tab. 1: Wymiary stanowiska pracy praca tylko stojąca
praca siedząca i stojącą
powierzchnia robocza na wysokości mężczyzna: ok. 72 cm kobieta: ok. 69 cm
mężczyzna: ok. 105 cm kobieta: ok. 95 cm
podział ciężaru: 60% na powierzch nię siedzenia, 40% na stopy
podwyższenia przy bardzo wysokich maszynach
zalecane siedzisko robocze
konieczna wolna przestrzeń sięgania
wysokość: ok. 30 cm powierzchnia: ok, (40x40) cm 2 nachylenie: 20°
nastawiana wyso kość: 420-500 mm głębokość: 380-440 mm szerokość: 400-480 mm
szczególna uwaga na przestrzenie robocze i sięgania osób bardzo niskich
Jeżeli zezwala na to proces produkcyjny, to pozycje (ułożenie) ciata powinno się zm ieniać w trakcie pra cy, tzn. należy przyjm ować różne pozycje siedzące, wstawać i chodzić (rys. 1 ). Wymiary przestrzeni roboczej zależą od zasięgu i ru chliwości rąk - nie wszystkie obszary tej przestrzeni nadają się jednak do wykonywania w nich harmonij nych ruchów. Ograniczenia te wynikają z wygodnych i niewygodnych położeń stawów rąk (rys. 2 ). Właściwie ukształtowane stanowisko pracy powinno zawierać w obszarze maksymalnej przestrzeni sięga nia wszystkie zespoły nastawcze, narzędzia i detale. Jeżeli jest to niemożliwe, to rzadko używane elementy należy umiejscowić tak, aby można je było chwycić już po niewielkim ruchu korpusu ciała. Przy pracy stojącej zwiększa się znacznie przestrzeń robocza (rys. 3). Przestrzenie robocze, a więc zasięg d ło n i, rąk i nóg, muszą być przebadane odnośnie warunków bezpie czeństwa. Przepisy dotyczące b e zp ie cznych o d le g ło ś c i są wyczerpująco i dokładnie opisane w nor mach BHP. Zalecane odległości urządzeń ochronnych (kraty, ba rierki) od zabezpieczanych urządzeń, np. od pras lub obracających się walów maszyn, podawane są w od powiednich tabelach - w zależności od stopnia zagro żenia stosuje się mniejsze lub większe odległości. Na leży przy tym brać pod uwagę prawdopodobieństwo wystąpienia wypadku oraz je g o rodzaj. Małe ryzyko wystąpienia wypadku łączy się z otarciem o obracają cy przedmiot, bardzo duże - jeśli grozi wciągnięcie do wnętrza maszyny lub nawinięcie (części ubrania, wło sów) na elementy ruchome.
33
2.1 .1.2 Ergonomiczne urządzenie mechatroniczne
i____
Wymiary stanowiska zależą od rodzaju pracy (tab. 1) i musi być ono dostosowane do indywidualnej wiel kości pracownika.
praca tylko siedząca
Człowiek jest miarą
Ekrany należy umieszczać poprzecznie do okien, aby nie razić oczu użytkownika jasnym tłem okien i nie zmuszać do ciągłego przystosowywania się do jasności ekranu. Okna powinny być wyposażone w żaluzje lub wertikale dla uniknięcia bezpośrednie go oświetlenia światłem, słonecznym i zapewnienia sterowania wpadającym światłem dziennym (tab. 1 na następnej stronie). Powinna istnieć możliwość regulacji wysokości położenia ekranu odpowiednio do wzrostu użytkownika. Górna kra wędź ekranu powinna znajdować się na wysokości oczu użytkownika, podczas używania klawiatury ręce powinny być zgięte o 90° (rys. 2). Pomiędzy kiawiaturą a zaokrą gloną krawędzią stołu pow inna być p ow ierzchnia do oparcia dłoni o szerokości nie mniejszej niż 100 mm1.
Tmnrmn . i h m
it
wottłkolo do regulacji oświetlenia
T T -m n u . r r r bozpośrcdnlo oświetlenie stanowiska
l-U J _
-8 0 0 1 2 3 4
-6 0 0
-4 0 0
-2 0 0
0
2 00
400
600
Rys. 1 . Komputerowe stanowisko pracy
+ 20°^-5°
Rys, 2. Praca przy monitorze1
800
o p tym a ln a prze strzeń ro b ocza prze strzeń ro b o c z a d la o b u rąk o p tym a ln a p rzestrzeń się ga n ia d la z g iętych rąk m a ksym a ln a p rzestrzeń się ga n ia przy w yp ro sto w a n ych rękach
Rys. 2. Przestrzenie robocze
w ym iary w cm
Rys. 3. Telemanipulator sterowany na podstawie przestrzennego (3D) obrazu wizyjnego
Rys. 3. Przestrzenie ruchu człowieka 1 na podstaw ia Dz.U. n r 14811998, p oz. 973
iir tr + t.
nicosluplnjqco sztuczne oświetlenia
b iurko
Oparcie krzesła ma zapewnić właściwą, wyprosto waną (pionową) postawę ciała podczas pracy. Przykładem ergonom icznego urządzenia mechatronicznego jest telem anipulator (rys. 3). Jest on zdal nie sterowany przez operatora, który kontroluje jego pracę przy p o m o cy telew izji przem ysłow ej. Takie
rm
2.2 Warunki bezpiecznej pracy ■
36
37
2.2 Warunki bezpiecznej pracy
Przepisy dotyczące zagospodarowania miejsc pracy określają wymagania i wyposażenie toalet i pomieszczeń • socjalnych oraz wymagania związane m.in. z wietrzeniem, oświetleniem i ogrzewaniem (tab. 1).
2.2.1 Obowiązujące przepisy i dyrektywy
W przepisach dotyczących uprawnień związkowych podane są aktualne informacje o prawach i obowiązkach pracowników, w tyrfi np. o zmianie stanowisk pracy, urlopach itp. Określone są tu również prawa i obowiązki rad zakładowych.
Wprowadzając odpow iednie prawa i przepisy, państwo chroni swoich obywateli, użytkowników energii elektrycznej, przed niebezpieczeństwami, które m ogą im zagrażać.
Przepisy dotyczące bezpieczeństwa i higieny w pracy określają warunki bezpiecznej pracy w procesie produk-i cyjnym i określają zadania odpowiednich siużb, np. zadania, lekarza zakładowego i zadania oraz.uprawnienia in- j. spektorów BHP.
•
Lekceważenie tych nakazów prowadzi do śmiertelnych porażeń prądem, pożarów, awarii itp. Odpowiednie prawa i przepisy są zawarte m.in. w prawie budowlanym, energetycznym, kodeksie pracy, ustawie o ogólnym bezpieczeństwie produktów, rozporządzeniach ministrów odpowiednich resortów oraz w normach.
2.2.1.1 Ustawa o ogólnym bezpieczeństwie produktów Przepisy o zapobieganiu wypadkom podają szczegółowe zalecenia dla budowy stanowisk pracy i potrzebnych! środków zabezpieczających. Przepisy te są zwykle opracowywane przez stowarzyszenia i związki zawodowe. Sąi Ustawa określa ogó ln e w ym agania dotyczące bezpieczeństw a produktów , zasa to przepisy bardzo specyficzne dla danego zawodu - ciągle modernizowane wraz z postępem i nowymi metoda-, mi pracy. Są to m.in. przepisy o zapobieganiu wypadkom ze względu na hałas, urządzenia elektryczne, maszyny ro-j ■ dy i tryb przeciwdziałania naruszeniom tych wymagań przez przedsiębiorców oraz or gany sprawujące nadzór nad bezpieczeństwem produktów. Dotyczy ona głównie wy boczę, prasy i gilotyny, pojazdy do transportu podłogowego. i .B , robów przeznaczonych do użytku konsumentów, nowych, używanych i naprawionych. Ponieważ większość wyrobów (np. sprzęt AGD) jest używana przez osoby niewykwa Rys. 1. Znak bezpie lifikowane, to w stosunku do tych wyrobów wym agania w zakresie bezpieczeństwa Tab. 1. Temperatura pomieszczeń czeństwa B obsługi i eksploatacji są zaostrzone. W yroby te powinny być testowane w laborato Przykłady pomieszczeń Przeznaczenie pom ieszczenia Temperatura riach posiadających akredytację, tzn. upoważnienie do wystawienia certyfikatu. • magazyny bez stałej obsługi, garaże • nieprzeznaczone na pobyt ludzi + 5 “C Dla sprzętu elektrotechnicznego jednostką certyfikującą, tzn. sprawdzającą i wydają indywidualne, szyby dźwigów osobowych cą tzw. Świadectwo Zgodności, może być np. Biuro Badań Jakości - Stowarzy • klatki schodowe w budynkach • bez zysków ciepła, pobyt ludzi w okryciach + 8°C szenia Elektryków Polskich (BBJ - SEP). Sprzęt po pozytywnym wyniku przepro mieszkalnych zew. nie przekraczający 1 godz. Rys. 2. Znak CE wadzonych prób może nosić znak bezpieczeństwa „B” (rys. 1). • hale sprężarek, pompownie, wydziały • z zyskami ciepła od urządzeń obróbki cieplnej, kuźnie technologicznych W Unii Europejskiej, a od 1.05.2004 r. także w Polsce, wszystkie sprzedawane i uruchamiane maszyny • magazyny ze stalą obsługą, hole • bez zysków ciepła, przeznaczone do stałego + 12°C i aparaty muszą odpow iadać europejskim dyrektywom o bezpieczeństwie i nosić znak C E1 (rys. 2). wejściowe, poczekalnie bez szatni pobytu ludzi w okryciach zew. lub wykonujących prace fizyczne Znak ten nadaje produktom wytw órca i tym sam ym zaświadcza, źe wyrób spełnia europejskie przepisy • bez zysków ciepła, przeznaczone na pobyt ludzi • sale widowiskowe bez szatni, ustępy + 16°C o bezpieczeństwie, które szczegółowo opisuje w dokum entacji techniczno-ruchowej (DTR). publiczne, hale produkcyjne siedzących lub stojących w okryciach zew. lub bez tych okryć, ale wykonujących prace fizyczne 2.2.1.2 Przepisy, dyrektywy, normy • przeznaczone do stałego pobytu ludzi bez okryć • pokoje mieszkalne i biurowe, + 20 °C sale posiedzeń zew. i nie wykonujących w sposób ciągły prac fizycznych W krajach UE dąży się do ujednolicenia przepisów. Służą do tego tzw. dyrektywy nowego podejścia. Są to doku • pomieszczenia iekcyjne (min + 18 °C) menty obligatoryjne dla krajów członkowskich, nie zawierają one jednak szczegółowych wymagań technicznych. • łazienki, rozbieralnie - szatnie, • przeznaczone dla ludzi bez odzieży, + 24 °C Podstawową zasadą zawartą w każdej dyrektywie jest założenie, że wyrób spełnia wymagania zasadnicze, je sale niemowląt i dziecięce w żłobkach śli produkowany jest według zharmonizowanych norm technicznych, tzn. norm europejskich EN, które zo stały wdrożone do systemu norm danego państwa - w Polsce normy PN-EN.
CC
B iS Ś ilj f i i n ih il •¡(.'IfiflTfM l
V'
......
i
1. Wymień najważniejsze kryteria ergonomicznego ukształtowania stanowisk pracy. 2. Co rozumie się pod pojęciem zmiany pozycji siedzenia i jak osiąga się zmiany w obciążeniu clata? 3. Jak należy umieścić monitor w stosunku do wysokości oczu? 4. Jakie negatywne skutki powoduje praca wielozmlanowa? 5. Wymień najważniejsze przepisy dotyczące zaleceń odnośnie warunków pracy.
2.2 Warunki bezpiecznej pracy T Praca, przy której korzysta się z urządzeń technicznych, powinna być bezpieczna. Obowiązek stworzenia odpow iednich do rodzaju pracy w arunków i zabezpieczeń spoczywa na pracodawcy. Prawie każdy proces produkcyjny wiąże się z wykorzystaniem energii elektrycznej, dlatego.szczególnie waż ne jest przestrzeganie przepisów BHP w tej dziedzinie.
Jeżeli normy i przepisy krajowe nie są zharmonizowane z normami europejskimi (EN), to można je stosować po spełnieniu określonych warunków. Stosowane, oprócz PN-EN, są również normy PN-ICE. Zawarte w nich wy magania nie są obligatoryjne, chyba że powołują się na nie przepisy państwowe, dyrektywy UE lub producent. Przykładami dyrektyw UE są: • dyrektywa maszynowa nr 98/37/EWG w sprawie zbliżenia prawa państw członkowskich dotyczącego maszyn, • dyrektywa o ogólnym bezpieczeństwie wyrobu nr 92/59/EWG. W Polsce obowiązującym i dokum entam i są rozporządzenia właściwego ministra. Normy i przepisy wym ie nione w rozporządzeniu są dokum entam i obligatoryjnym i. Pozostałe norm y lub ich części, jeśli nie są pow o łane do obowiązkowego stosowania, nie są obligatoryjne. W krajach UE obowiązują normy EN lub dokumenty harmonizujące DH, które mają jednak charakter norm niższego rzędu.
2.2.1.3 Przepisy o zapobieganiu wypadkom Za stan BHP w zakładzie pracy odpow iada pracodawca. 1CE (franc. C onfo rm itó
E uropćenno)
= zgodność europejska
Tii 2.2 Warunki bezpiecznej pracy ;
38
: Obowiązkiem pracownika jest przestrzeganie przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy, stosowanie się ;j do wydawanych w tym zakresie poleceń i wskazówek przełożonych, dbanie o należyty stan maszyn, j : urządzeń i sprzętu oraz o porządek i lad w miejscu pracy. i Zadania i obowiązki pracodawcy w zakresie bezpieczeństwa i higieny pracy są zapisane w ustawie kodeks j pracy. Pracodawca jest zobowiązany do przeszkolenia pracownika w dziedzinie bezpieczeństwa i higieny pra-'1' cy przed dopuszczeniem go do pracy oraz przeprowadzania okresowych szkoleń. Ponadto musi wydać szczegółowe instrukcje i wskazówki dotyczące bezpieczeństwa i higieny pracy na stanowisku pracy. Pracow- .• nik jest zobowiązany potwierdzić na piśmie, że zapoznał się z wyżej wymienionymi przepisami oraz zasadami. > 4
2.2 Warunki bezpiecznej pracy
39
Tab. 1 . Znaki bezpieczeństwa
Nieupoważnionym wstęp wzbroniony
Zakaz ruchu dostawczych pojazdów naziemnych
Zakaz palonia oraz używania ognia i otwartego światła
Nłet dotykać, obudowa znajduje się pod napięciom
2.2.2 Oznakowania dotyczące bezpieczeństwa pracy Zakaz palonia
2.2.2.1 Oznakowanie materiałów niebezpiecznych Zgodnie z przepisami materiały niebezpieczne muszą być oznakowane. W oznakowaniu muszą być podane niezbędne informacje, jak m.in,: • rodzaj niebezpiecznej substancji, • sym bol i znak zagrożenia (tab. 1). Jeżeli materiał znajduje się w kilku opakowaniach (jedno w drugim ), to każde opakowanie musi być oznakowane oddzielnie. Przy przepakowywaniu na mniejsze porcje także obowiązuje ozna kowanie, nawet wtedy, gdy mniejsze opakowania są przeznaczone do użytkowania jedynie wewnątrz zakładu. Dla zmniejszenia zagrożenia podczas styczności z niebezpiecznymi sub stancjami zostały ustalone wartości największych dopuszczalnych stężeń (NDS) substancji niebezpiecznych w miejscu pracy. Nawet długotrwale przebywanie (w cyklu po 8 godzin przez 5 dni) w środowisku, w którym NDS nie przekracza dopuszczalnej wartości, nie jest szkodliwe dla zdrowia.
S ym bol
Znak
E
■
Znaki nakazu zwracają uwagę na potrzebę odpowiedniego zachowania się pracownika, np. konieczność noszenia wyposażenia ochronnego. Z n a k i o s trz e g a w c z e to znaki bezpieczeństw a, które ostrzegają przed zagrożeniem, np. przed niebezpiecznym napięciem. Z naki ra tu n k o w e zawierają sym bole, które w sytuacji zagrożenia wskazują drogę ucieczki albo miejsce, gdzie są środki ratunkowe, np. urządzenia do przem ywania oczu. Z naki p o ża rn icze wskazują miejsce, gdzie są urządzenia do zgła szania albo zwalczania pożaru, np. przycisk alarmowy albo gaśnica. Znaki bezpieczeństwa m ogą zawierać jedynie sym bole, tzn. mieć tylko formę graficzną. Dzięki temu każdy pracownik, niezależnie od , jakim językiem się posługuje, może rozumieć sens znaku. ¡li, ' i '■
Podstawowe znaki bezpieczeństwa podano w tab. 1 na następnej stronie.
Nfo przełączać
Nie zastawiać drogi
O b ja ś n ie n ie
V l
Z a g r o ż e n ie w ybuchem
J
n i
J
Załóż okulary ochronne
Załóż holm ochronny
Załóż słuchawki przeciwhałasowe
Załóż m askę ochronną
Włóz b uły ochronne
Przed otw arciem wyjm ij wtyczkę z gniazdka
O diącz przed rozpoczęciom pracy
z-"'- if.AA^
A ê1
O
Ł a tw o p a ln e
F
Ł a tw o z a p a ln e
F+
fi'
f
Mi
Załóż rękawico ochronno
B a rd z o ła tw o z a p a ln e
Vj i
Włóż ubranie ochronne
Załóż osłonę twarzy
Znaki ostrzegaw cze u .-
m b
N
N ie b e z p ie c z n e d la ś ro d o w is k a
T
T ru ją c e
T-ł-
Z naki zakazu zabraniają zachowania, które może narażać na nie bezpieczeństwa, np, palenie w pom ieszczeniu akumulatorowni.
W oda nie nadajo się do picia
Tab. 1. Symbole zagrożeń
B a rd z o tru ją c e
*
2.2.2.2 Znaki bezpieczeństwa Pracodawca jest zobowiązany zwrócić uwagę na istniejące w miejscu pracy zagrożenia i środki ochronne oraz wydać niezbędne zakazy. Podobnie jak w ruchu drogowym, kształt i kolor znaku podpowiadają, czy chodzi o zakaz, nakaz, ostrzeżenie, ratunek czy znak pożarniczy (tab. 2).
Zakaz przejścia
SI*
C
Ż rą c e
Xi
D ra ż n ią c e
\w \
Xn
S zkodliw e dla zdrow ia
- ........... ................. ... ........ — Tab. 2. Znaki bezpieczeństwa K s z ta łt i b a rw a
• O A
Uwagal Miejsce niebezpieczne
Uwagi Sub:
Uwagat Materiały wybuchowo
we
Uwaga! Substancje trująco
reństwo i
Uwaga! Materiały radioaktywno
—!
Z n a c z e n ie Uwaga! Niebezpieczne napięcie
Zakaz
Uwaga! Poie elektromagnetyczne
N akaz
J O s trz e ż e n ie
,
Lf1"
Droga ucieczki
Uwaga! Możliwość samoczynnego rozruchu
ß lli
l i ‘¿ a A ' '.Ifw . Wyjście rałunkowe
Uwaga! Baterio lub akumulatory
V Punkt pierwszej pom ocy
Urządzenie do przemywania oczu
R a tu n e k
■H
O c h r o n a p o ż a ro w a
Wąż gaśniczy
Punkt zgłaszania pożaru
Urządzenia do zwalczania pożaru
2.2 Warunki bezpiecznej pracy j
40
2.3 Praca z urządzeniami elektrycznymi
41
2.2.3 Bezpieczne użytkowanie narźędzi i przyrządów 1
Zasady bezpiecznej pracy są dostosowane do cha rakteru wykonywanych czynności i dotyczą używa nych podczas pracy przyrządów i narzędzi. Na przy kład w elektrotechnice narzędzia do pracy przy ze społach znajdujących się pod napięciem pow inny być odpowiednio izolowane (rys. 1), oznaczone oraz dobrane do napięcia, przy jakim wykonuje się pracę.
Kto sprawdza zgodność produktu z wymaganiami w celu nadania znaku bezpieczeństwa B?
2. Kiedy normę uważa się za obligatoryjną? 3.
W jakim celu tworzy się przepisy o zapobieganiu wypadkom?
4.
Jak oznacza się substancje niebezpieczne?
5.
Co to znaczy: „największe stężenie substancji niebezpiecznej w środowisku pracy”?
6. Wymień znaki bezpieczeństwa. 7.
Po czym rozpoznaje się bezpieczne narzędzia przeznaczone do pracy przy elementach znajdujących się pod napięciem? 8. Jak należy postępować, aby utrzymać narzędzia w dobrym stanie?
N arzędzia należy, c z yścić, ko n se rw o w a ć oraz p rzechow yw ać w w a run ka ch za p o bieg a ją cych ich wzajem nym uszkodzeniom . D otyczy to za równo narzędzi do prac elektrycznych, jak i na rzędzi ślusarsko-m onterskich.
9.
10.
Jak oznaczane jest okresowo sprawdzone elektronarzędzie? Wymień dwa sprzęty ochronne.
E,S\ Praca z urządzeniami elektrycznymi
Narzędzia izolowane mają oznakowanie zawierające: symbol (podwójny trójkąt), znak napięcia (np. 1000 V), numer normy (np. PN EN 60 900), typ (np. IS 18 6,5 x 150), specyficzny znak bezpieczeństwa (np. B dla rynku polskiego), numer w kodzie: dzień / rok produkcji oraz skróconą nazwę producenta. Przykłady najistotniej szej części oznakowania pokazano na rys. 2, a - stare, b - nowe (niemieckie), c - polskie.
2,3. ł Ogólne warunki zasilania elektrycznego Zasady i warunki dostarczania energii elektrycznej do odbiorców taryfowych określają przepisy ustawy pra wo energetyczne i szczegółowe rozporządzenia Rady Ministrów, Przesyłem i dystrybucją zajmują się przed stawiciele przedsiębiorstw energetycznych. Oznaczenia bezpiecznych narzędzi Izolowanych
Narzędzia i przyrządy przed użyciem należy obej rzeć (ewentualnie sprawdzić), żeby stwierdzić, czy nie są uszkodzone. Pomocną przy regularnej kontroli elektronarzędzi jest plakietka probiercza (rys. 3), ułatwiająca odnotowanie ostatniej i następnej daty kontroli.
DIN VDE 0680 A l0 0 0 V
DIN .EN 60900
A 1000V
Osoba zajmująca się eksploatacją sieci oraz instalacji i urządzeń elektrycznych musi posiadać kwalifika cje potwierdzone świadectwem wydanym przez komisję kwalifikacyjną. Urządzenia u klienta powinny być instalowane, konserwowane, rozbudowywane lub m odyfikowane wyłącznie przez osobę uprawnioną, po siadającą odpowiednie świadectwo kwalifikacyjne. Szczegółowe postanowienia dotyczące wymagań bezpieczeństwa i higieny pracy pracowników zatrudnionych przy eksploatacji urządzeń i instalacji elektroenergetycznych zawarte są w rozporządzeniu Ministra Gospodarki1.
2.3.2 Podstawowe pojęcia Dla ułatwienia form ułowania jednoznacznych nakazów i zakazów, które w elektrotechnice są szczególnie ważne, ustalono i zdefiniowano poniższe pojęcia:
PN EN 60900 ^
Rys. 3. Plakietka probiercza dla elektronarzędzi
1000V
Rys. 2. Znaki graficzne z podaniem napięcia
2.2.4 Odzież i środki ochrony indywidualnej Przestrzeganie przepisów bezpieczeństwa to również noszenie właściwej odzieży roboczej i ochronnej. O dzież robocza, ochronna i środki ochrony indyw idualnej służą do ochrony zdrowia i zabezpieczają ' przed urazami i chorobam i zawodowym i. ! W zależności od przeznaczenia sprzęt ochronny dzieli się na: • sprzęt izolacyjny, np. drążki izolacyjne, uchwyty bezpieczników, wskaźniki napięcia, izolowane narzędzia, rękawice, hełmy, kombinezony, • sprzęt chroniący przed pojawieniem się napięcia, np. uziemiacze, • sprzęt zabezpieczający, np. okulary ochronne, osłony izolacyjne, • sprzęt pom ocniczy: ogrodzenia, barierki, liny, tablice ostrzegawcze.
• Część czynna to przewód lub przewodząca część urządzenia, przeznaczona do pracy pod napięciem w warunkach norm alnych, łącznie z przewodem neutralnym N, lecz z wyjątkiem przewodu ochronnoneutralnego PEN. • Część przewodząca dostępna to część przewodząca instalacji elektrycznej, która może być dotknięta i która w warunkach normalnej pracy instalacji nie znajduje się pod napięciem, lecz może się znaleźć pod napięciem w wyniku uszkodzenia. • Część przewodząca obca to część przewodząca nie będąca częścią instalacji elektrycznej, która może znaleźć się pod określonym potencjałem , zazwyczaj pod potencjałem ziemi. • Urządzenie przenośne to takie urządzenie, które podczas użytkowania przy podłączonym zasilaniu m o że być tatwo przemieszczane z jednego miejsca na drugie. • Urządzenie ręczne to urządzenie przenośne, przeznaczone do trzymania w ręce podczas jego normalne go użytkowania, przy czym silnik, jeżeli jest, stanowi integralną część tego urządzenia, np. elektronarzędzia. • Urządzenie stacjonarne jest nieruchom e bez uchwytów i ma taka masę, że nie można go łatwo prze mieszczać. • Urządzenie stałe jest przytwierdzone do podłoża lub przym ocowane w inny sposób w określonym miej scu, np. na ścianie. • Instalacja elektryczna (obiektu budow lanego) to zespól w spółpracujących ze sobą elem entów elek trycznych o skoordynowanych parametrach technicznych, przeznaczony do określonych celów, np. in stalacja oświetleniowa. 'D z .ll. n r 00/1999, p oz. 912
r 42
iż ^ a ^ a j r a ź il r t l ^
2.3 Praca z urządzeniami
Szczególnie niebezpieczne jest użytkowanie przyrzą dów elektrycznych w pom ieszczeniach w ilgotnych (rys. 1). Niebezpieczne, często kończące się śmiercią, jest używanie sprzętu, elektrycznego w trakcie kąpieli w wannie (rys. 2).
oświatlonio lustra
r
X ' ' - dodelkowo wyrównanie i j
p o to n c /n ló w p r z e w o d o m
miedzianym (
) dozwolony tylko sprzęt [ o bezpiecznym napięciu
I
Rys. 1. Zabezpieczenia w pomieszczeniach wilgotnych
Poruszanie się w odzieży ze sztucznego tworzywa p ow oduje naładow anie e le ktro sta tyczn e (rys. 3). Podobne zjawisko może też w ystąpić na pracują cych częściach maszyn (taśmy transporterów itp.).
Na ogól te wyładowania nie są niebezpieczne dla lu dzi, ponieważ przepływająca energia jest mala. Zagra żają one pośrednio, a mianowicie, gdy wyładowanie następuje w atm osferze wybuchowej, np. w zapylo nym pomieszczeniu (wybuch pyłu) lub w pomieszcze niu z oparami benzyny.
;
Z wielu względów prąd elektryczny może być groźny dla ludzi i zwierząt, bowiem prawie wszystkie żywe organy funkcjonują w oparciu o elektryczne im pul sy. Na przykład siabe im pulsy (ok. 50 mV) z mózgu sterują ruchami mięśni. Również informacje „w od wrotnym kierunku", tj. z mięśni, oka, kom órek zapa chowych itp., przekazyw ane do m ózgu są natury elektrycznej. Ponieważ ciało przew odzi e le ktrycz ność, więc zewnętrzne obce prądy m ogą zaktócić funkcjonowanie ważnych organów człowieka. Przy kładowo, jeżeli zostanie dotknięty elem ent będący pod napięciem, to przez ciało może popłynąć prąd wielokrotnie wyższy od prądów norm alnie występu jących w tej części ciaia. Nastąpi wówczas m iejsco we porażenie mięśni, co uniemożliwi np. oderwanie palców od miejsca dotyku. Reakcja ludzkiego ciała na prąd zależy m.in. od czasu trwania przepływu oraz jego natężenia (rys. 2). Jeżeli prąd przemienny przepłynie przez mięsień sercowy, to rytm serca stara się przystosować do silnych zewnętrznych pobudzeń. Prowadzi to do zakłócenia rytmu serca. G dy zewnętrzne p o b u dzanie będzie zgodne z tzw. szkodliwą fazą skur czów serca, to może dojść do niebezpiecznego migotania kom ór sercowych, co może doprow a dzić do śmierci.
Napięcia wynoszą często nawet kilkadziesiąt tysięcy V, co kończy się zwykle wyładowaniem elektrycznym z widocznym i słyszalnym „przeskokiem" iskry,
Rys. 2. Sytuacja zagrażająca życiu
Podczas pracy z zespołami elektronicznymi, np. przy naprawie lub wymianie modułów pamięci, należy za chować szczególną ostrożność. W takich przypadkach mogą powstać uszkodzenia przyrządu spowodowane zgromadzeniem się ładunku elektrycznego na osobie naprawiającej. W związku z tym stanowiska pracy elek troników powinny być wyposażone w specjalne środki zabezpieczające (rys. 1 na następnej stronie).
Natężenie przepływającego przez ciało prądu zale ży m.in. od rezystancji RK, która składa się z rezy stancji samego ciała Ria i tzw. rezystancji przejść: wejściowej Rm i wyjściowej RW2 (rys. 3). Wartości Rm i RW2 zależą od istniejących warunków. I tak: su cha skóra, suche ubranie mają znaczną rezystancję, natomiast wilgoć, tj. pot, mokra podłoga itp., mają znikomą rezystancję. Rezystancje przejść m aleją wraz ze zwiększaniem się powierzchni styku.
Rm - rezystancja między przewo dem a ciałem flKI - rezystancja wewnętrzna ciała Rm - rezystancja między ciałem a przewodem RK - rezystancja ciała
Szczególnie zagrożone są jednobiegunowe (unipolarne) zespoły elektroniczne (np. półprzewodniki FET) - do ich uszkodzenia wystarczy napięcie elektrostatyczne rzędu 100V.
Rk
Przed rozpoczęciem pracy z zespołami elektronicz nymi należy się „rozładować", dotykając uziemienia lub przewodu ochronnego, szczególnie wówczas, gdy mamy na sobie ubranie lub bieliznę ze sztuczne go tworzywa.
'¿ M I T
Rys. 3. Elektrostatyczne ładunki I Iskrzenie przy rozła dowaniu
43
2.3.3.1 Działanie prądu elektrycznego na organizm człowieka
: dopuszczalno pizolijczniki i gniazdka. I 7. wyłącznikami ochronnymi różnicowym:]
(dol2V)
Używanie w wannie sprzętu elektrycznego zagra ża życiu i jest zabronione.
2 3 Praca z urządzeniami elektrycznymi
zurźądzeniami elektrycznymi
W pomieszczeniach z groźbą w ybuchu (zapylenie, opary benzyny itp.) wszystkie przewody przewodzą ce prąd należy zabezpieczyć przed bezpośrednim dotknięciem . O bowiązuje to rów nież w innych po m ieszczen ia ch , c h y b a że m am y tam u rzą d ze n ia o bezpiecznym , niskim napięciu, tzn. maksym alnie 25 V AC lub 60 V DC. Uwaga: nawet małe prądy ok. 10 mA m ogą śmiertelnie porazić, jeżeli przepływają przez mięsień serca.
,;:tx
Rys. 3. Rezystancja ciała RK
-
Rw r + R k i + Rwz
p rze w o d zą ca w ykładzina s p o d ło g o w a (antystatyczna) skó rza ne b u ty
Rys. 1. Stanowisko montażowe urządzeń elektronicz nych zabezpieczone przed wyładowaniami elektrostatycznymi próg odczuwania
próg zwolnienia
próg migotania
r~ 1. ‘‘ '’M' blo
i r~ i i
v ©
\
I rn
/i ! wyłącznika o prą*dzie znamionowyrr ; 1/An ś 30 mA X 1 i 1 l i i 0,1 0,2 0,S 1
2
5
10 20
¡X-
50 100200 5001000mA5000
natężenie prądu
11< —
zakres
reakcja ciała
©
brak reakcji
©
nieszkodliwe oddziaływanie
©©©
groźba migotania komór serca i 1MTiożilwe'rrl'iigoitan|e kbrnór serca1••
Rys. 2. Zakresy oddziaływania prądu przemiennego (50 Hz) na dorostą osobę (wg IEC479) P rzykład: Przy przeciętnej wartości rezystancji fi,< = 1000 fi, po dotknięciu do części będącej pod napięciem UB = 50 V przez ciało popłynie prąd lK = 50 mA (UB = R k • lK = 1000 f i • 0,05 A = 50 V). • Napięcia przemienne powyżej 50 V zagrażają życiu ludzi (dla zwierząt 25 V). • Napięcia State powyżej 120 V zagrażają życiu ludzi (dla zwierząt 60 V). • Prąd przem ienny o częstotliwości 50 Hz jest groźniejszy od stałego, bowiem może spow o dow ać migotanie kom ór serca.
2.3 Praca z urządzeniami elektrycznymi!
44
2 3 praca z urządzeniami-elektrycznymi
Przykład:
45 ■
wysokionapięcio
przełączniki,styczniki
Podczas napraw y silnika w m anipulatorze m echatronik d o tkną! część będącą pod napięciem 230 V: a) o bliczyć, jakie będzie natężenie prądu przepływ ającego przez jego ciało? b) jakie zagrożenia wystąpią, jeżeli czas trwania przepływu prądu wynosił ( = 0,1 s?
człowiek
R ozw iązanie:
a) h< ' /UV
230 V 230 mA 1 k£2 "
b) są to w artości z trze cie g o zakresu o d d zia ływ a nia (ry s .'2 z po p rze d n ie j strony). M oże wystąpić skurcz mięśni oraz groźba migotania komór sercowych.
Ciepło w ydzielane w m iejscach zetknięcia p ow oduje oparzenia (spalenia), m ogące do ch od zić nawet do oparzeń 4 stopnia (zwęglenia). Dalszymi skutkami, które m ogą się objawić dopiero po kilku dniach, są: przeciążenie nerek i elektrolityczny rozkład krwi prowadzący do objawów silnego zatrucia. Zatem wizyta u lekarza jest konieczna, nawet jeżeli od razu po wypadku nie są widoczne i odczuwalne skutki powypadkowe.
olektroniczno ,nastawnikiiprzclqcznlki przewodysygnatowo przowociyenorgolyczne
| ;;i 'i :.f
tork loo low na y tó i(‘i »)
Przyrządy i urządzenia elektryczne oddzialywują na otoczenie i odwrotnie (rys. 1 na następnej stronie), , Prądy w ywołują pola magnetyczne, napięcia - pola elektryczne. Ich przemiana wywołuje powstawanie i roz przestrzenianie się fal elektrom agnetycznych. Fale może w ywołać również „iskrzenie''. Szczególnie silnymi źródłami zakłóceń są: wszystkie przyrządy elektryczne wytwarzające iskry, np. przełączniki, styczniki, silniki z komutatorami, naturalne i sztuczne błyskawice, a także wyładowania elektrostatyczne, urządzenia nadawcze, radary, linie wysokiego napięcia, elektronicznie taktowane nastawniki.
Kompatybilność elektromagnetyczną można poprawić przez usunięcie źródeł zakłóceń I przez stosowanie śród- : ków chroniących. Ochrona przed zakłóceniami
>
:
j
O pmoulagnutyczno f il ffliyczno ^~Kit. cluktfornngnelyczm) vj/f T faloradiowo promieniowanie rentgenowskie Impulsyzakłócające __TL_ wprzewodach
cenie przewodów. Wówczas zaindukowane napięcia działają przeciwsobnie i w znacznym stopniu się znoszą. Do brą ochronę uzyskuje się przez ekranowanie dobrze przewodzącą plecionką lub dobrze przewodzącą powloką metaliczną. Zmienne pola magnetyczne wytwarzają w ekranie prądy wirowe, które przeciwdziałają polu źródłowe mu. Przed stałym polem magnetycznym chronimy przyrządy mumetalem lub stalową obudową. Przed falami elektromagnetycznymi chroni się przyrządy dobrze przewodzącymi ekranami lub powierzchniami obudów. Zakłócenia ze strony sieci zasilającej zmniejsza się przez filtry sieciowe, ochronę przed przepięciami - przez odprowadzenia przepięciowe: gazowe, diody tłumiące i warystory (dotyczy także ochrony przed skutkami wyłado wań burzowych). Pola elektromagnetyczne działają również na żywą, przewodzącą prąd elektryczny tkankę oraz na układ nerwowy - tak więc i na człowieka. Dopóki człowiek przebywa w polu elektromagnetycznym o niewielkim natężeniu, np. w polu wytwarzanym przez sieci i układy elektryczne niskiego napięcia (U s 1000 V), to nie należy się obawiać ne gatywnych skutków jego działania. Ze względu na wysoką częstotliwość bardzo negatywny wpływ na organizm człowieka mają fale emitowane przez nadajniki radiowe i radary. Szczególnie niebezpieczne są mikrofale oraz promieniowanie rentgenowskie. Z tego powodu w czasie używania kuchenki mikrofalowej jej drzwi muszą być zamknięte.
j
Pola elektrostatyczne ekranuje się za pomocą metalowych obudów (klatka Faradaya2). Fale eiektromagnetycz-| ne można również ekranować przy pomocy metalowych obudów, także ze szkła ołowiowego, co jest stosowane;), np. w przyrządach mikrofalowych i w aparatach rentgenowskich. Zmienne pola magnetyczne, na skutek sprzężeń , indukcyjnych, wywołują napięcia zakłócające. Sprzężenia indukcyjne można usunąć lub zmniejszyć poprzez skrę- f 1 Dz.U. n r 8 9/2003, poz. 828 i Dz.U. n r 141 /200S, p oz. 1189; 2 M ic lm o l Faraday (1 7 91 -1 86 7 ) - a n g ie lski fizyk, ch om ik
s il
i
Rys, 1. Źródła zakłóceń
Urządzenia elektryczne są kompatybilne, o ile nie oddzialywują elektromagnetycznie w stopniu niedopuszczalnym 11 na swoje otoczenie i pracują bezzaklóceniowo mimo elektromagnetycznych wpływów otoczenia. 11
• • • • •
radary
©
Ze względu na niebezpieczeństwo wypadku zabroniona jest praca przy zespołach będących pod napięciem. ¡1 W yjątkowo: przy napięciu przem iennym powyżej 50 V i stałego powyżej 120 V może pracować personel* o specjalnych uprawnieniach1. |
2.3.3.2 Kompatybilność elektromagnetyczna
*
V
i
2.3,4 Bezpieczna praca z urządzeniami elektrycznymi Z analizy danych statystycznych wynika, że zarówno laicy, jak i fachow cy bardzo często nie doceniają istnie jącego zagrożenia. Większość wypadków wynika z lekceważenia przepisów i braku odpow iedniego prze szkolenia. Największa liczba wypadków (ok. 85%) ma miejsce przy instalacjach o napięciu 130+400 V.
t
2.3 Praca z urządzeniami elektrycznymi
46
W sytuacjach wyjątkowych, np. gdy wyłączenie napięcia pociągałoby za sobą olbrzym ie straty, (stalownie, huty szklą itp.), dopuszcza się pewne odstępstwa od wym ienionego zakazu. W yjątki te omawia m.in. norma PN-EN 61477/203/A2 - norma określa także wymagania odnośnie pracowników biorących udział w takich operacjach.
2.3.4.1 Pięć reguł bezpiecznej pracy z urządzeniami elektrycznyfńl
47
^ ^ B e z p le c z n a praca przy wykonywaniu robót na instalacji znajdującej się pod naWykonywanie robót na częściach instalacji znajdujących się pod napięciem wym aga nie tylko więcej cza su, specjalistycznych narzędzi i materiałów, ale także wyższego poziomu wiedzy, zaangażowania i poczu cia odpowiedzialności zarówno wykonawcy, jak też osoby nadzorującej. Wykaz prac, które można wykonywać przy bardzo niskim i niskim napięciu, zawiera tab. 1.
Przed przystąpieniem do pracy przy urządzeniu elektrycznym należy ustawić ta blicę zakazu włączenia (rys. 1). Aby zmniejszyć groźbę zaistnienia wypadku podczas pracy przy urządzeniach elektrycznych, należy spełnić w podanej kolejności pięć poniższych reguł (tab. 1) opracowanych na podstawie PN-EN 50110-1.
2 3 praca z urządzeniami elektrycznymi
Nie włączać pracują ludziel Rys. 1. Znak zakazu włą czania z tabliczką dodatkową
Tab. 1. Dopuszczalne prace wykonywane pod napięciem (przykłady) Napięcia znamionowe do 50 V AC do 120 V DC
Prace, które wolno wykonywać określonym osobom Osoba poinstruowana i wykwalifikowana: •
wszelkie prace.
Tab. 1. Pięć regut bezpieczeństwa 1. Wyłączyć napięcie
2. Zabezpieczyć przed ponownym włączeniem
3. Sprawdzić stan napięcia 4. Uziemić i zewrzeć
5. Osłonić i oddzielić sąsiadujące elementy znajdujące się pod napięciem
• wyłączyć wszystkie części urządzenia, przy których będą prowadzone prace • wyłączyć instalacyjny wyłącznik nadmiarowy, usunąć bezpieczniki topikowe • zabezpieczyć (np. taśmą samoprzylepną) wyłączniki przed ponownym załączeniem • wyjąć wkładki bezpiecznikowe • wyłącznik zablokować kłódką • wywiesić tablicę zakazu załączania • brak napięcia sprawdza pracownik kwalifikowany • do sprawdzania używać dwubiegunowego próbnika napięć • najpierw zawsze uziemić, potem zewrzeć aktywne części urządzenia • elementy zwierające muszą być widoczne z miejsca pracy Reguła 4 nie dotyczy urządzeń 0 napięciu poniżej 1000 V (wyjątkiem są linie napowietrzne) • przy urządzeniach 0 napięciu poniżej 1 kV jako osłony można zastosować maty i folie izolacyjne. Przy napięciu powyżej 1 kV wymagane są ścianki i linki odgradzające oraz tablice ostrzegawcze • ochrona osobista to: helm z osłoną twarzy, przylegające do ciała ubranie i rękawice
Osoba nadzorująca może zezwolić na pracę tylko po spełnieniu tych regut w kolejności od 1 do 5 oraz po sprawdzeniu beznapięciowego stanu urządzenia. Zezwolenie na ponow ne uruchom ienie może być wydane wyłącznie po wykonaniu powyższych czynno ści (reguł) w dokładnie odwrotnej kolejności.
2,3.4.2 Bezpieczna praca w pobliżu instalacji znajdujących się pod napięciem Jeże li trz e b a p ra c o w a ć w są sie d ztw ie urządzeń znajdujących się pod napięciem i nie można się za bezpieczyć przed dotykiem bezpośrednim, to szcze gólną uwagę należy zw rócić na d o b ór właściwych n a rzędzi i za ch o w a nie b e z p ie c z n y c h o d le g ło ś c i (tab. 2). Podane m inim alne o d ległości obow iązują elek tryków oraz innych pracow ników , którzy m ogą pracować w takich warunkach tylko pod nadzo rem uprawnionych elektryków.
od 50 V AC tub 120 V DC do 1000V AC lub 1500 V DC
Osoba poinstruowana 1wykwalifikowana: • • • • • • •
używanie odpowiedniego wyposażenia do prób, pomiarów 1 regulacji, np. próbniki napię cia, drążki izolacyjne, narzędzia do poruszania elementów łatwych do przemieszczenia, używanie odpowiednich narzędzi ( środków do czyszczenia oraz zakładanie osłon 1zapór, wyjmowanie i zakładanie odpowiednimi uchwytami wkładek bezpiecznikowych nie chro nionych przed dotykiem bezpośrednim, np. bezpieczników energetycznych, jeżeli można to zrobić bez zagrożenia, spryskiwanie elementów pod napięciem podczas gaszenia pożaru, prace przy akumulatorach z zachowaniem szczególnych środków ostrożności, prace w polach prób i laboratoriach przy zachowaniu szczególnych środków ostrożności, kiedy wymagają tego warunki pracy, zbijanie szronu i szadzi, np. na liniach napowietrznych, przy użyciu odpowiednich sztang izo lacyjnych.
Wyłącznie osoba wykwalifikowana: • •
lokalizacja uszkodzeń w obwodach pomocniczych, np. badanie działania układów i przy rządów, sprawdzanie sygnałów, inne prace w stanach awaryjnych, gdy wydane zostało polecenie przez osobę nadzorującą.
Przy wszelkich pracach wykonywanych pod napięciem należy używać środków ochrony osobistej, narzędzi, urządzeń i przyrządów odpow iednich z uwagi na rodzaj wykonyw anych czynności, wysokość napięcia i wa runki otoczenia. Decyzję o konieczności pracy pod napięciem może podejm ow ać wyłącznie osoba sprawująca nadzór.
2.3.5 Ochrona przeciwporażeniowa
Tab. 2. Minimalne odległości ochronne Napięcie znamionowe
do 1000 V
Odległość ochronna od elementów pod napięciem, bez ochrony przed dotykiem bezpośrednim 0,5 m
ponad 1 do 30 kV
1,0 m
ponad 30 do 110 kV
1,5 m
ponad 110 do 220 kV
2,5 m
ponad 220 do 380 kV
4,0 m
Przy prawidłowej eksploatacji urządzeń elektrycznych nie pow inno dochodzić do porażeń ludzi, zwierząt lub uszkodzenia przedm iotów. Aby spełnić ten w ym óg, należy przedsięwziąć określone działania ochronne, m.in. takie, aby po zaistnieniu błędnego działania nie w ystąpiło za duże napięcie m ogące porazić w razie dotyku lub powinno nastąpić autom atyczne wyłączenie urządzenia. Ważniejsze techniczne środki ochrony przeciwporażeniowej zestawiono w tab. 1 na następnej stronie.
2.3 Praca z urządzeniami elektrycznymi
48 Tab. 1. Techniczne środki ochrony przeciwporażeniowej Środki ochrony podstawowej (przed dotykiem bezpośrednim, rys. 1a).
Środki ochrony przy uszkodzeniu (przy dotyku pośrednim, rys. 1b)
Ochrona dodatkowa (uzupełniająca)
izolacja podstawowa ' przegrody ochronne (obudowa, ogrodzenie) przeszkoda ochronna (bariera) umieszczenie poza zasięgiem'ręki samoczynne wyłączanie zasilania w układzie TN, TT, IT urządzenia II klasy ochronności środowisko nieprzewodzące (Izolowane stanowisko) nieuziemione połączenia wyrównawcze seperacja elektryczna stosowana, gdy w/w środki nie są skuteczne przy wszystkich prawdopodobnych zagrożeniach
2 3 Praca z urządzeniami'elektrycznymi___________________________________________________
L1
Aby uzyskać tzw. g a lw a n ic z n e o d d z ie le n ie od sieci, niskie napięcie musi być uzyskiwane w spo sób bezpieczny. Na przykład przez stosowanie: • • • •
,
,
,/
rozdzielenie» galwaniczne strona niskonapięciowa jest uziemiona
transformator bezpieczeństwa wg. EN60742 ^
Niskiego napięcia nie w olno uzyskiwać z w yko rzystaniem autotransform atorów, dzielników na pięć i szeregowych rezystorów.
Rys. 1. Źródło prądowe dla obwodów PELV2 Ponadto w tyczki, gniazda w o b w o d ach SELV nie SELV
zestyków uziemiających lub zerujących, • „pasować” do obw odów o innych napięciach oraz do obwodów PELV i odwrotnie. • m ie ć
B ezp o śred n i d o ty k 2 ma miejsce wtedy, gdy d ocho dzi do kontaktu ciała ludzkiego (zwierzęcego) z ze społem, który podczas norm alnej pracy znajduje się pod napięciem (ry s . 1a). Aby tem u zapobiec, ze społy są izolowane lub zakrywane.
Zestawy w tyko w o -g n ia zd o w e dla ob w o d ów PELV mają zestyki uziem iające lub zerujące oraz row ki w oprawce uniemożliwiające ich om yłkow e zastoso wanie dla wyższych napięć (rys. 2).
D o ty k p o ś re d n i za c h o d zi wtedy, g d y n a stęp u je ko n ta k t z częścią urządzenia, na któ re j podczas normalnej eksploatacji nie ma napięcia, a pojawiło się o n o np. na o b u d o w ie s iln ik a na s k u te k np. uszkodzenia izolacji (ry s . 1b). M ów im y w ów czas o „z w a rc iu przez ka d tub ".
Obwody FELV1 (bez bezpiecznego rozdzielenia) nie spełniają w ym o g ó w staw ianych o b w o d om SELV i PELV.
2.3.S.2 Ochrgna przez bardzo niskie napięcie
50Hz 230 V
transformatorów bezpieczeństwa, przetwornic dwumaszynowych, elektrochemicznych źródeł napięć np. baterii, generatorów napędzanych silnikiem spalinowym.
mogą:
2.3.5.1 Ochrona przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim
49
, rowek IPELV i pomocniczy —
rowek główny 2P bez rowka pomocniczego U = 20...25 V kolor - fioletowy
/= i
50 Hz 60 Hz
. 3P z rowkiem pomocniczym U = 40...50 V kolor - biały
Rys. 2. Gniazda dla przyrządów niskonapięciowych
2.3.5.3 Ochrona przez ograniczenie energii rozładowania \
W niskonapięciowych o b w o d a ch o c h ro n n y c h SELV i PELV stosuje się napięcia do 50 V AC i 120 V DC. Różnice polegają na ich połączeniu z ziemią. Strony wtórnej SELV nie wolno uziemiać lub łączyć z innym obw odem napięciowym. O bwody PELV występują, gdy ze względu na funkcjonowanie sprzętu jego wtórna strona lub obudowa jest uziemiona. Jeżeli w obw odach SE LA/3 (rys. 2) lub PELV4 (rys. 1 na następnej stronie), wolnych od napięć pasożyt niczych, tj. takich, w któ rych a m p litu d a d o d a tko wych nakładających się na skuteczne przem ienne napięcie nie przekracza 10%, to w zasadzie nie są w ym agane środ ki za b e zpieczające przed b e zp o średnim dotykiem . Należy je jednak stosować, na wet w zakresach napięć do 25 V AC wzg. 60 V DC, dla takiego sprzętu jak: elektrycznie napędzane za ba w ki, s p rz ę t m e d yczn y, s p rz ę t o g ro d n ic z y itp . Przykładow o: w sp rzę cie m ed yczn ym używ anym wewnątrz ciała napięcie jest ograniczone do 6 V. 1 wg PN-IEC 60364; Rys. 2. Transformatory dla obwodów SELV1 2 wg PN-EN 61140 i PN-IEC 60364 3 SELV (ang. Safety Extra Low Voltage) = obwód ochronny niskonapięciowy; 4 PELV (ang. Protective Extra Low Voltage) = obwód ochronny z bezpiecznym rozdzieleniem;
Jeżeli energia wyładowania źródła napięcia nie przekracza 0,35 J, to można zrezygnować ze środków zabezpie czających przed bezpośrednim dotykiem, np. przy naładowanym kondensatorze, elektrycznym „pastuchu” itp.
2.3.5,4 Ochrona przeciwporażeniowa w warunkach normalnych (ochrona przed dotykiem bezpośrednim lub ochrona podstawowa) 1
Środki zapobiegaw cze należy w zasadzie stosować, gdy na pięcie zn a m io n o w e p rz e k ra cza 25 V AC lub 60 V DC. Przy o k re ś lo n y m s p rz ę c ie (n p . elektronarzędzia) sto su je się je ró w n ie ż d la n iż s z y c h n a pięć. Przedsięwzięcia o ch ro n ne ilustrują ry s u n k i 3, 4 oraz 1, 3 na n a stęp n e j stro n ie .
L1 N pe
, ;
izolacja F l[1 głównego
]
‘
H
H
/« prąd płynący , przez ciało
t J \ -=t-
Rys. 3. Ochrona przez Izolację źródła Podstawowym środkiem jest odizo lowanie głównego źródła (rys. 3).
' FELV (Functional Extra Low Voltage) = obwód bez bezpiecznego rozdzielenia
Rys. 4. Ochrona przez izolację Części przew odzące otacza się m ateriałem izo lu ją cym , którego usunięcie jest możliwe tylko przez jego zniszczenie (rys. 4).
2.3 Praca z urządzeniami elektrycznymi
50
Rys. 2. Ochrona przez utrudnienia dostępu Zakrywa się i ostania przełączniki i gniazda (rys. 1), do ich dem on tażu trzeba stosować narzędzia.
Zachowywane są tak duże odle-,^ glości (np. linii przesyłowych), by 1 człowiek nie m ógł ich normalnie I dosięgnąć (rys. 3).
Szerokości pustych przestrzeni, np. odległości między różnym i kratami itp., powinny wynosić m inimum 2,5 m (podwójny zasięg ramion), tak aby uniknąć jednoczesnego dotknięcia dwóch części m ogących być pod różnymi potencjałam i.
2 3 5 5 Ochrona przeciwporażeniowa w warunkach awaryjnych (ochrona przed dotykiem pośrednim lub ochrona w warunkach zagrożenia) ; Działanie ochrony przeciwporażeniowej w przypadku awarii polega na odłączeniu zasilania lub, gdy jest to niedo-) puszczalne (np. w salach operacyjnych), na załączeniu sygnalizacji alarmowej. ■ Reakcja ludzkiego ciała na przepływający prąd zależy m. in. od czasu trwania przepływu (patrz p. 2.3.3.1), dłate- i go istotny jest czas trwania procesu wyłączania. Przykładowo: dla napięcia znamionowego 230 V powinien być | krótszy od 0,4 s. Dla sieci z bezpiecznikami topikowymi czas wyłączania (stopienia elementu topikowego) wyzna- i cza charakterystyka prądowo - czasowa bezpiecznika. :j ' O chronne uziem ienie zapobiega wystąpieniu po awarii niebezpiecznego napięcia na częściach urządzeń nor- j malnie nie będących pod napięciem. Wartość napięcia między tymi częściami a ziemią, a więc decydująca o prą- > dzie 4 płynącym przez ciało, zależy od relacji między rezystancją uziemienia punktu zerowego (uziemieniem ro-! boczym Ra a rezystancją uziemienia ochronnego Rz. Dla R0 » Rz prąd Ik jest znikomy (rys. 4). j Środkiem ochrony, np. w sieciach czteroprzewodowych, jest również tzw. „zerowanie" polegające na łączeniu', obudowy odbiornika z przewodem zerowym. Po awarii wyłącznik bezpieczeństwa wyłącza urządzenie.
Rys, 1. Wyłącznik różnicowoprądowy RCD: a - budowa, b - wyłącznik w układzie sieciowym TN wy lub doziemnego) równowaga zostaje zachwiana, ponieważ prąd wypływający (przewód N) dzieli się na część płynącą przez wyłącznik i na część płynącą poza wyłącznikiem do ziemi. W uzwojeniu wyjściowym indukuje się siła elektromotoryczna, która uruchamia wyzwalacz łącznika i w efekcie powoduje odłączenie odbiornika od trzech faz zasilających. Zastosowanie wyłącznika pokazano na rys. 1. Wyłączników różnicowoprądowych nie wolno stosować jako jedynego środka ochrony przeciwporażeniowej. Jeżeli przew ód o c h ro n n y PE1 jest połączony z obudow ą urządzenia elektrycznego, to obwód ochronny uważa się za uzależniony od systemu. Przew ody o c h ro n n e PE i PEN2 są zawsze zielonożółte. Dodatkowo przewód PEN ma jasnoniebieskie zakończenie.
2.3.S.6 Izolacje ochronne Zastosowanie iz o la c ji o c h ro n n e j (rys. 2a) zabez piecza przed w ystą p ie n ie m na s p rz ę c ie n ie b e z piecznego n a p ię cia s p o w o d o w a n e g o u s z k o d z e niem izolacji ź ró d ła (ry s . 3). Jeżeli np. p o d czas montażu zastosowano dodatkową izolację, to urzą dzenie zostaje oznakowane dodatkow ym sym bolem (rys. 2b). W li klasie bezpieczeństwa wszystkie dostępne do tykowo części, na których po awarii może się poja wić napięcie, należy trwale zabezpieczyć dodatko wą lub wzmocnioną izolacją (rys. 4). Izolacja ochronna może być umieszczana wewnątrz urządzenia (rys. 4). Zj
Ipe]
F1
h
, wyłączenie 'prądem przeciążeniowym ± -R b
51
a)
Stosuje się przeszkody w postaci listw, krat, pom ieszczeń dostęp nych tylko dla upoważnionych itp. Pokonanie takich przeszkód o d bywa się bez użycia narzędzi, lecz ich trwale, np. omyłkowe, usunię cie jest bardzo trudne (rys. 2).
S kute czn o ść ze ro w a n ia będzie zapewniona jeżeli: • przewód zerowy będzie uziemiony w kilku miej scach, • rezystancja uziemienia roboczego nie przekroczy 5 £2, • na przewodzie zerowym nie będą instalowane bez pieczniki, • wyłączenie przewodu zerowego nastąpi jedynie z jednoczesnym wyłączeniem wszystkich faz,
2 3 Praca z urządzeniami elektrycznymi
prąd przez ciało Ik ” 0
i i
b) brak przewodu uziemienia
obudowa izolacja między silnikiem a przekładnią z iżolacynego materiału Rp
pełną Izolację ' ’ (pokrycie tworzy wem części : metalowych) Izolacja między silnikiem a przekładnią
s
- silnik pokryty materialem izolacyjnym
~~4-s;VH H
H
\ wzmocmo ia iub dodatk owa izolacja Rys. 3. Rodzaje izolacji ochronnej
& \j
Rys. 2. Symbole Izolacji ochronnej
2
izolacja żródla - ^ r
IpE = b
Do w yłączenia zasilania odbiornika, kiedy na jego obudowie pojawi się niebezpieczne napięcie, stuży Rys. 4. Ochrona przez wyłączanie m.in. w yłącznik różn icow oprądow y RCD, w którym wszystkie przewody przewodzące prąd (L1, L2, L3 i N) przechodzą przez przetw ornik sum acyjny prądu (prze-i kla d n ik Ferrantiego) i oddziałują na uzwojenie wyjściowe przetwornika. W stanie bezawaryjnym suma prądów dopływ ających jest równa prądow i w ypływ ającem u. W yp a d ko w y strum ień m agnetyczny jest równy zeru i w uzwojeniu wyjściowym nie indukuje się żadna siła elektromotoryczna. Po wystąpieniu zwarcia (np. do obudo-
a) izolacja ochronna
b) ochrona przez: odizolowanie...! ozęśoi wyłącznik pokryty materialem f izolacyjnym Rys. 4. Realizacja izolacji ochronnej w wiertarce
PE (ang. Protection Earth) = przewód ochronny; PEN (ang. Protection Earth Neutratj = przewód ochronny neutralny
2.3 Praca z urządzeniami elektrycznymi I
52
2 4 Praca z urządzeniami pneumatycznymi
53
Urządzenia ruchom e (np. kosiarki ogrodow e itp.) ma|ą dwużylowy przewód zasilający i zatopiony wtyk j bez zestyku ochronnego. Żółtozielony przewód jest zam ocowany we wtyku, a jego drugi koniec (w urzą- ¡y dzeniu) należy krótko przyciąć i odizolować tak, aby nie m ogło dojść do zetknięcia z elementami urzą- J dzenia.
'
kocioł — przenośny transformator oddzielający
i
.3.5.7 Ochrona przez izolację pomieszczeń_____ Ta form a ochrony ma miejsce, gdy np. zastosowano izolacyjną w ykładzinę na po d ło dze i na ścianach, osłony lub p odkładki gum ow e izolujące osoby od ziemi.
granica zasięgu ramion
/
M inimalna rezystancja warstw izolacyjnych na podłodze i ścianach wynosi 50 kQ przy napięciu znam ionow ym do 500 V. Dla w yższych napięć rezystancja powinna wynosić 100 k£2.
W warunkach szczególnego zagrożenia (np. pra ca w zbiornikach, tj. gdy podłoże przewodzi elek tryczność) korpus urządzenia (narzędzia) można połączyć przewodem wyrównawczym z przewo dzącym podłożem (rys. 1).
Rys. 1. kach szczególnego zagrożę .
.
’
„ .
1.
Od jakiej wartości napięcia przemiennego I stałego bezpośrednio dotknięcie jest niebezpieczne? W Jakich przypadkach nawet małe napięcia mogą być niebezpieczne? 3. Kiedy następuje naładowanie elektrostatyczne?
Na stanow iskach pracy należy rów nież zachow ać odpow iednie odległości (rys. 1).
2.
Rys. 1. Wymiary stanowiska uwzględniające zasięg ra mion
4. Jak można uniknąć wyładowań elektrostatycznych? 5. Jakie są niebezpieczeństwa powodowane wyładowaniami elektrostatycznymi ? 6. Na co należy zwracać uwagę pracując z zespołami elektronicznymi?
2.3.5.B Ochrona przez galwaniczne oddzielenie obwodów
7. Jakie zespoły elektroniczne są szczególnie zagrożone wyładowaniami elektrostatycznymi? Przy tym rodzaju ochrony m iędzy zasilającą siecią a odbiornikiem umieszcza się separujący transfor mator. Dzięki temu na odbiorniku nie wystąpi napię cie uziemionej zasilającej sieci. Wyjście transforma tora nie ma potencjału względem ziemi (rys. 2).
wyjście
wejście
8. Na co należy zwrócić uwagę przy budowle stanowiska montażowego urządzeń elektronicznych? 9. Jakie są sposoby ochrony przed dotykiem bezpośrednim? -K l Uz<, 500V -i-C
Jeżeli jest w ym agany ten rodzaj ochrony, to do transformatora m ożna przyłączyć tylko jeden od b io rn ik . W tyk o b w o d u w y jś c io w e g o nie m oże m ieć ze stykó w o ch ro n n ych . N ie d o p u szczaln e jest uziemienie tego obwodu lub łączenie go z in nymi obwodam i.
dl
...•;
Gniazda odbiorników muszą m ieć zestyki ochronne, nieuziemione i połączone z przewodem w yrów nują cym potencjały (rys. 3).
;
11. Jakie są wymogi odnośnie wtyków I gniazd w obwodach ochronnych niskonapięciowych? 12. Jaka powinna być rezystancja wykładzin w pomieszczeniach izolowanych? 13. Omów zasadę ochrony przez separację.
i
do 16 A
przenośny transformator separujący
Rys. 2. Bezpieczne oddzielenie
2.3.5.9 Ochrona przez nieuziemione, lokalne połączenia wyrównawczą Jeżeli z jednego transform atora oddzielającego za silam y kilka odbiorników, to ich obudow y (korpusy) należy lokalnie, bez uziem iania, p ołączyć dla w y równania ewentualnej różnicy potencjałów. Przewód w yró w n ujący p o te n cja ły nie m oże być uziem iany lub łączony z przew odam i ochronnym i innych ob wodów.
10. Podaj sposoby uzyskiwania niskich napięć.
nieuziemiony, lokalny.- przewód wyrównujący, potencjały
przytwierdzony na stale transformator oddzielający Rys. 3. Oddzielenie ochronne przy kilku odbiornikach
2.4 Praca z urządzeniami pneumatycznymi Bezpośrednie działanie strugi sprężonego powietrza jest wykorzystywane w technice do prac niewymagających dużej precyzji wykonania, takich jak chłodzenie, czyszczenie, piaskowanie, transport materiałów syp kich itp. Główne zastosowanie pneum atyki to napęd i sterowanie zespołów wykonawczych, tzn. siłowników i silników wykonujących czynności technologiczne w określonych maszynach. Na ogól urządzenia pneum a tyczne są częścią składową maszyny wytwórczej, rzadziej stanowią samodzielną jednostkę, taką jak miot pneumatyczny, ubijakl (zagęszczarki) Itp. Cechą wspólną jest praca ze sprężonym powietrzem jako nośni kiem energii, natomiast wykonywane czynności, a w związku z tym i bezpieczeństwo pracy, zależą w głów nej mierze od konkretnego urządzenia i stanowiska pracy.
2.4.1 Zagrożenia spowodowane pracą z urządzeniami pneumatycznymi Wykaz zagrożeń związanych z wykorzystaniem w urządzeniach energii pneumatycznej zawiera norma PN-EN 983, przy czym większość wym ienionych w niej zaleceń dotyczy fazy projektowania układu pneumatycznego, a nie jego eksploatacji. Właściwości nośnika energii (pneumatycznej), jakim jest sprężone powietrze, wykluczają: porażenia, poparze nia, zatrucia itp., czyli zjawiska niebezpieczne dla zdrowia ludzkiego. Ponadto samo powietrze nie wytworzy
54
2.4 Praca z urządzeniami pneumatycznymi
iskry m ogącej być przyczyną pożaru, w ybuchu lub innego zagrożenia. Między innym i z tych. powodów pneumatykę, rozum ianą jako urządzenie techniczne, w którym energię oraz często też sygnały sterujące przenosi sprężone powietrze, uważa się za technikę bezpieczną. Pneum atyka m oże n a to m ia st stw a rza ć zagrożenia p o śre d n ie przez: • odłam ki awaryjnie rozrywanych ciśnieniem korpusów, osłon itp., • elementy unoszone niekontrolowanym strumieniem powietrza, wydobywającym się np. z uszkodzone go przewodu itp., • „m iotający” się koniec elastycznego przewodu, którego drugi koniec jest podłączony do zasilania pneu- ■ matycznego, • nieprawidłowe ruchy zespołów wykonawczych spowodow anych błędnym wysterowaniem, • drgania urządzeń pneum atycznych przenoszonych na obsługę (np. zespoły wibracyjne), • hałas wywołany pracą urządzeń pneum atycznych lub wypływające do atmosfery powietrze (rozłado - 1 wanie ciśnieniowe komór).
2 5 praca z urządzeniami hydraulicznymi
55
2,4.3 Bezpieczna praca z urządzeniami pneumatycznymi Urządzenia pneumatyczne mają dobrą zdolność do magazynowania znacznej energii w postaci sprężonego powietrza. Dlatego niekontrolowane rozprężanie zachodzące np. po rozerwaniu korpusu może być bardzo groźne w skutkach. Aby zapobiec nadmiernemu wzrostowi ciśnienia, należy stosować zawory bezpieczeń stwa, których otwarcie następuje przy ciśnieniu np. o 10 % wyższym od m aksym alnego ciśnienia roboczego.
Przed szkodliwym oddziaływaniem na ludzi urządzeń, których praca jest związana z wytwarzaniem drgań (np. wibratory), chronią takie przedsięwzięcia jak: • eliminacja źródeł drgań (jest to często niemożliwe ze względu na proces technologiczny), • ograniczenie emisji drgań przez minimalizację luzów, wyważanie, systemy wibroizolacyjne - np. stosowa nie materiałów o lepszych właściwościach tłum iących, • stosowanie specjalnych rękawic antywibracyjnych, • unikanie zim nego nawiewu na ręce pracownika (zalecany ciepły nawiew),
i, Większość współczesnych układów pneumatycznych jest zbudowana z zespołów elektropneumatycznych, \ ; ; żatem aktualne są w szystkie zagrożenia w ynikające ze stosow ania o d p ow iednich zespołów elektro-, ; : mechanicznych.
2 4 2 Przej3iśy4dótyćźąe# tiśżpiecznegó użytkowania instalacji i zbiorników ciśnieniowych .:
• stosowanie narzędzi niewymagających użycia przez pracownika dużych sil (zaciskających, naciskających, pchających itp.), • automatyzacja i zdalne sterowanie procesów.
/
Bezpieczną pracę dla obsługujących urządzenia pneumatyczne powinno się zapewnić już w fazie projekto wania układu. Powodem jest m.in. nieudzielanie przez producentów gwarancji na żywotność i niezawodność zespołów pneumatycznych. Na te wskaźniki jakości znaczny wpływ mają w pneumatyce warunki eksploatacji,' a te na ogół nie są producentowi znane. Do rzadkości należą specjalne zespoły pneumatyczne wykonywane dla potrzeb konkretnej maszyny. Głównie korzysta się z zespołów „ogólnego zastosowania". G dy zagadnie nia bezpieczeństwa i niezawodności są priorytetowe, to projekt powstaje w ciągłej konsultacji między projek tantem, producentem i przyszłym użytkownikiem. Między innymi z tych pow odów brak jest ogólnych norm i zaleceń w tej dziedzinie. Wyjątek stanowią tu norm y na przewody, złączki oraz rozstawy otworów mocują cych i roboczych w zespołach funkcjonalnych. Ścisłe przepisy dotyczące bezpieczeństwa są związane z konkretnym stanowiskiem pracy; należy ich bez względnie przestrzegać podczas pracy, naprawy lub ustawiania maszyny. Szczególnie w ostatnim przy padku (ustawianie) dochodzi do licznych wypadków, bowiem ustawiacz rra czas swojego działania wyłą- j cza na ogół urządzenia zabezpieczające.
Do wspomnianych już szkodliwych skutków, jakie może wyrządzić struga sprężonego powietrza, musimy dopisać wytwarzany hałas. Należy go minimalizować np. przez tłum iki w króćcach wypływowych zespołów, zapewnić obsłudze środki ochrony słuchu (czopki, nauszniki itp.) oraz kontrolować ich stosowanie.
1. Podaj główne zagrożenia związane z pracą z urządzeniami pneumatycznymi. 2. Jakie zagrożenia pośrednie stwarza praca z urządzeniami pneumatycznymi? 3. W zależności od jakich parametrów i na ile grup dzieli się zbiorniki ciśnieniowe?
2.5 Praca z urządzeniami hydraulicznymi
Większość układów posiada z b io rn ik i ciśn ie n io w e , przewody o znacznej pojemności itp. Niebezpieczeń stwa z tym związane uwzględniają szczegółowe przepisy ustanowione przez Urząd D ozoru Technicznego. (UDT). Zbiorniki ciśnieniowe dzieli się na trzy grupy w zależności od objętości i ciśnienia. Poniżej podana podstawowe informacje.
W urządzeniach hydraulicznych nośnikiem energii jest ciecz. Urządzeniami tego typu steruje się na ogól środkami elektrotechniki, a zatem ważne są również odpow iednie przepisy o bezpieczeństwie z dziedziny elektrotechniki. Z zasady sterowanie elektryczne jest zdublowane przez sterowanie ręczne (mechaniczne), które wykorzystuje się w trakcie sprawdzania i ustawiania obw odów hydraulicznych oraz w stanach awaryj nych, np. gdy zabraknie zasilania elektrycznego.
G rupa A. Zbiorniki, w których iloczyn objętości V [dm 3] i ciśnienia p jb a r] jest mniejszy od 200 dm 3 • bar i ciśnienie nie przekracza 0,5 bar. Zbiorniki takie nie podlegają żadnym przepisom UDT.
Powszechnie stosowane są urządzenia hydrostatyczne, tj. energię przekazuje ciecz pod ciśnieniem. Ze względu na małą ściśliwość cieczy energia potencjalna użytej cieczy (ciśnienie [N /m 2J x objętość cieczy (m3j = energia [Nm ]) jest znikoma, stąd zagrożenia wynikające z niekontrolowanego „rozładow ania” ciśnie niowego są dużo mniejsze niż w pneumatyce.
G rupa B. Jeżeli V- p zawiera się w zakresie od 200 do 1000 dm 3 ■ bar, to zbiornik po wyprodukowaniu podlega jednorazowej kontroli. G rupa C. Jeżeli V -p jest większe niż 1000 dm 3 - bar, to zbiornik musi być co 4 lata wszechstronnie zbadany; ’ i przejść próby ciśnieniowe, łącznie z przeglądem stanu wewnętrznej powierzchni. Co 8 lat przechodzi; wodną próbę ciśnieniową.
Zbiorniki powinny m ieć zawór bezpieczeństwa i zawór zwrotny zamknięty w kierunku sprężarki.
Energię kinetyczną, związaną z prędkością strugi cieczy, wykorzystuje się w urządzeniach typu turbiny itp., ale też w miniaturowych urządzeniach, np. w bezigtowych strzykawkach.. „Zjawisko strzykawki" może być groźne, gdy z kom ory o wysokim ciśnieniu przez m ały otworek w ypły nie cienka strużka cieczy i trafi w oko lub wstrzyknie pod skórę porcję cieczy hydraulicznej.
56
2.5 Praca z urządzeniami h yd ra u lic z n y ^
2
2.5.1 Zagrożenia spowodowane pracą z urządzeniami hydraulicznym M W urządzeniach elektrohydraulicznych występują znaczne siły wywołane ciśnieniem i duże naprężenia. Doj datkow o jest tam często m agazynowana energia związana z położeniem lub prędkością (przyspieszeniem)!" masy..Aby uniknąć w ynikających stąd zagrożeń dla ludzi i sprzętu podczas pracy z tym i urządzeniami, nal®.-j;' ży przestrzegać przepisów bezpieczeństwa dla urządzeń hydraulicznych. ¡i
W dziedzinie hydrauliki obowiązują następujące przepisy bezpieczeństwa:
• przepisy o zapobieganiu niebezpieczeństwu, tzn. zasady postępowania I sprawdzania (kontroli) wydane ,j przez stowarzyszenie zawodowe (branżowe), • zarządzenia i norm y dotyczące pojem ników ciśnieniowych płynowych oraz instalacji, tj. PN-87/M-73007 ■ ' oraz EN 982, i .J • przepisy w ydane przez stowarzyszenia zawodowe i branżowe oraz reguły techniczne dotyczące pojem- -i ników ciśnieniowych, w szczególności ustalające: wymiary, postać, obliczenia, materiały i dopuszczalne.;! obciążenia oraz ¿graniczenia wynikające z przeznaczenia tych urządzeń! ,Pi-
2 5 2 □¿latanie cieczy; hydraulicznych na organizm człowieka i jego środowisko , , . .... •, . ■ ■'• .-
I
/
6 Bezpieczna praca z urządzeniami i systemami mechatronicznymi
57
• zainstalować awaryjny wyłącznik bezpieczeństwa w łatwo dostępnym miejscu.
: j
• Wartość aktualnego ciśnienia roboczego musi być wyraźnie widoczna. , Linie zasysające powinny być tak wykonane, aby uniemożliwić zasysanie powietrza. • Temperatura cieczy w przewodzie ssącym nie powinna przekraczać 60° C. • Chronić tloczyska przed brudem i bocznym i silami wyższymi od wartości katalogowych. • Należy znać wartości wszelkich nastaw w urządzeniu. • Zasilanie włączać po dołączeniu wszystkich obwodów. • Podczas pierwszego uruchamiania prawie całkowicie otworzyć zawory ograniczające ciśnienie, a dopiero i po rozruchu powoli nastawiać żądane ciśnienie robocze. Zawory powinny być łatwo dostępne. , •! • Przed uruchomieniem (np. po remoncie) urządzenie należy dokładnie przepłukać, następnie wym ienić < wkłady filtrujące, odpowietrzyć. • Należy przestrzegać zasad obsługi podanych przez producenta. • Nigdy nie wypuszczać zawartości pojem ników ciśnieniowych w sposób niekontrolowany.
'
Ukiady hydrauliczne tworzą zamknięte obwody, tzn. ciecz pobierana do układu wraca do zbiornika. Zatem-¡. w normalnie pracującym układzie obsługa nie powinna m ieć styczności z cieczą. Do bezpośredniego ze- j tknięcia dochodzi np. podczas napraw, wym iany oleju lub w kładów filtrujących oraz awarii. J Przy silnie rozgrzanej cieczy roboczej i słabej wentylacji pomieszczeń pojawia się w powietrzu tzw. „mgła ) o le jo w a ” . W zależności od składników cieczy mgta wdychana przez dłuższy czas może być szkodliwa. Mgła; osiada wraz z kurzem na wszystkich powierzchniach, tworząc lepką maż, z którą styka się skóra człowieka;', Z tego pow odu nie pow inny na takich stanow iskach pracow ać osoby uczulone na produkty naftowe lui|j inne ciecze stosow ane w hydraulice. Stw ierdzono, że objaw y ch o ró b derm atologicznych pojawiają sięV często dopiero po dłuższym czasie. Szczególnie niekorzystnie na skórę działają oleje stare, zużyte. Szkodlk;| we m ogą być też składniki dodaw ane do cieczy dla poprawienia jej właściwości eksploatacyjnych, , sj
1
• Szczególną ostrożność należy zachować przy pracach z hydroakum ulatorami. Podlegają one przepi- 1 som UDT (rozdz. 2.4.2). Należy starannie zapoznać się z zaleceniami producenta. i
1. Wymień główne zagrożenia związane z pracą z urządzeniami hydraulicznymi. 2. Opisz „zjawisko strzykawki" i skutki, jakie może wywołać. 3. Jakie zagrożenia powoduje „mgła olejowa"? 4. Dlaczego ciecze utworzone na bazie mineralnej szkodzą środowisku?
’
5. Wymień ważniejsze zalecenia dotyczące bezpiecznej pracy z urządzeniami hydraulicznymi.
u
S posobem ochrony je st zachow anie czystości na stanow isku pracy oraz używanie odzieży i rękawic']! ochronnych. 1; Oleje mineralne są palne, należy więc stosować osłony ochronne zabezpieczające, po ewentualnej awarii,: przed wylaniem cieczy na bardzo gorące zespoły. j Ciecze utworzone na bazie mineralnej (typowe ciecze hydrauliczne) nie rozkładają się biologicznie, a za-l tern szkodzą środowisku. Glebę i w odę zanieczyszczają przeważnie wycieki z nieszczelnych obwodów: w pojazdach lub bezmyślne wylewanie produktów naftowych i podobnych do kanalizacji. Jest to powód; do poszukiwania cieczy hydraulicznych opartych na olejach roślinnych (np. oleje rzepakowe) lub natural-1 ne estry. •' Stosuje się również ciecze syntetyczne oparte np. o poliglikole lub syntetyczne estry. Te nowe ciecze dopie: ro po bardzo znacznej dawce dodatków zbliżają się swoimi właściwościam i do olei mineralnych, a proces, ich uszlachetniania znacznie je podraża.
2.5.3 Bezpieczna praca ¿ urządzeniami hydraulicznymi Bezpieczną pracę zapewnia się przez właściwą obsługę I konserwację urządzeń. Poniżej zestawiono waż niejsze zalecenia dotyczące układów hydraulicznych.
2.6 Bezpieczna praca z urządzeniami i systemami mechatronicznymi Każda maszyna lub urządzenie stwarza określone zagrożenia. Stosując właściwą ochronę, można zm inima lizować g ro źb y w yp a d kó w , c h o ró b z a w o d o w y c h i u sz c z e rb k ó w zd ro w ia. N ależy u suw ać przyczyn y zagrożeń, z których kilka wyszczególniono poniżej.
Głównymi p rzyczynam i zagrożenia są: • • • • • • .• •
przedmioty, o które można się potknąć, uszkodzone zespoły, niewłaściwe rusztowania, podesty, drabiny, za słabe lub uszkodzone podnośniki, haki, liny, nadwerężenie ciała po noszeniu, trzymaniu, podnoszeniu ciężarów, praca wymuszająca niewygodną pozycję ciała, brak urządzeń wyłączających i zamykających, psychiczne, chemiczne i biologiczne oddziaływanie (np. hałas, para wodna), brak wiedzy o postępowaniu z materiałami niebezpiecznymi, psychiczne obciążenie wywołane: terminami, niedokładnym opisem zadań, dużą odpowiedzialnością, brakiem doświadczenia, niespodziewanym i zakłóceniami, brakiem kontaktu z ewentualnym doradcą itp. ;
Najbardziej narażeni na zagrożenia są: m onterzy podczas składania urządzenia, personel urucham iający maszynę, pracownicy produkcyjni oraz konserwatorzy maszyn i urządzeń.
i
2.6 Bezpieczna praca z urządzeniami i systemami mechaironicznym
58
m Każdy pracownik swoim postępowaniem może w znacznej mierze przyczynić się do podniesienia poziomi bezpieczeństwa w zakładzie. . Może to uczynić przez: • • • • • • • • •
przestrzeganie przepisów i stosowanie się do znaków ostrzegających, noszenie odzieży ochronnej, ustawianie oston itp ., dbanie o porządek i czystość, usuwanie uszkodzonych narzędzi i sprzętu pom ocniczego, ostrożne i rozsądne postępowanie, przewidywanie m ożliwych zagrożeń, dokładne przeanalizowanie zleconych zadań, dokładne rozpracowanie czynności roboczych, intensywne konsultacje i doprowadzenie do wiążących ustaleń.
O pracowane przy udziale związków zawodowych przepisy o zapobieganiu wypadkom zawierają wymagania odnośnie: • • • •
urządzeń zakładowych, organizacji BHP w zakładzie, stosowanych sposobów produkcji, współdziałania pracowników. Przepisy są obowiązujące i muszą być dostępne dla pracowników. Ich nieprzestrzeganie jest karalne. Do i osób mających styczność ze sprzętem elektrycznym stosuje się, w zakresie BHR dodatkowe przepisy: i obostrzenia. W zależności od posiadanych kwalifikacji są oni uprawnieni do wykonywania tylko określa -1 nych prac.
2.6.2 Postępowanie pbwypadkowe \ Jeżeli, mimo przestrzegania wszystkich przepisów, dochodzi do wypadku, wówczas należy: • zachować spokój, • rozpoznać zdarzenie i ustalić jakie są uszkodzenia, • oszacować, czy istnieje groźba dalszych w ypadków (np. groźba wybuchu) i jakie należy podjąć działa nia zapobiegawcze, • rozsądnie i zdecydowanie działać przy: wyłączaniu maszyn, zabezpieczeniu miejsca wypadku, ratowaniu poszkodowanych, udzieleniu pom ocy poszkodowanym , przywołaniu pom ocy za pom ocą sygnalizacji alarmowej. Jeżeli jest kilka osób ratujących, to należy im przydzielić zadania odpowiednio do ich predyspozycji fachowych. Do pierwszych zadań należą: • Powiadomienie służb ratowniczych i przełożonych z dokładnym podaniem: - miejsca w ypadku (gdzie), - rodzaju wypadku (co), - liczby poszkodow anych (ilu), - rodzaju uszkodzeń (jak). • Zajęcie się poszkodowanym i, w tym: - wyprowadzenie poza strefę zagrożeń (np. w przypadku pożaru), - kontrola oddechu, ewentualnie sztuczne oddychanie, - ułożenie poszkodowanego na boku (jeżeli samodzielnie oddycha), - założenie opaski uciskowej w przypadku silnego krwawienia, - uniesienia nóg do góry w przypadku osób w szoku.
2 6 Bezpieczna praca z urządzehiam i i systemami mechatronicznymi Tab. 1• C z y n n o ś c i
59
w y k o n y w a n e w ra m a c h p ie rw s z e j p o m o c y
.
Objaw
C zyn n o ści
Brak o d d e ch u / pulsu Nieprzytomność Slaby puls /s z o k Silne krwawienie Palenie się
Sztuczne oddychanie / masaż serca Stabilne ułożenie na boku Nogi do góry / uspokajanie Opaska uciskowa Gaszenie ognia kocem gaśniczym, w odą
2.6.3 Ochrona przeciwpożarowa I postępowanie w przypadku pożaru Pożar jest szczególnym zagrożeniem z pow odu m ożliwości szybkiego rozprzestrzeniania się na sąsied nie pomieszczenia i budynki. Groźba pożaru jest szczególnie duża przy pracach m ontażowych i urucha mianiu urządzeń. Powstawaniu pożaru sprzyja: • tlen zawarty w powietrzu, • ciepło, iskra, płomień, ■ materiał palny. Brak któregokolwiek z wym ienionych czynników elim inuje groźbę pożaru, ale stworzenie takich warunków podczas normalnej pracy jest raczej nierealne. Przyczyną (źródłem) pożaru może być: • przegrzane łożysko, • przeciążone łożysko, • nieostrożne obchodzenie się z materiałami palnymi (np. podczas spawania), • nieodpowiedzialne zachowanie się podczas pracy lub przerw (np. palenie lub gaszenie papierosa w miejscu zagrożonym wybuchem). Profilaktyczna ochrona przeciwpożarowa obejm uje m. in. minimalizację m ożliwości powstania i ewentual nych skutków pożaru poprzez: • wprowadzenie procesów technologicznych zm niejszających groźbę powstania pożaru, • wyznaczenie pilnujących przy robotach z otwartym płom ieniem (np. spawanie) lub wysoką temperaturą (np. cierne przecinanie), • wyposażenie zakładu w regularnie kontrolowany sprzęt przeciwpożarowy i zaznajomienie pracowników z jego obsługą i rozmieszczeniem, • opracowanie i zaznajomienie pracowników z instrukcją przeciwpożarową, instrukcją alarmowania i planem ewakuacji, • stosowanie i zaznajomienie pracowników ze znakami ochrony przeciwpożarowej (PN - 92/N - 01256/01) i znakami ewakuacyjnymi (PN - 92/N - 01256/02). Tab. 2. Gaśnice służące do gaszenia pożarów sprzętu mechatronicznego Postępowanie w razie pożaru • zachować spokój, • ocenić swoje m ożliwości i podjąć próbę uga szenia zarodka pożaru, • jeżeli nasze działania są mało skuteczne to opuścić pomieszczenie, zamknąć drzwi (ale nie na klucz), • zawiadomić straż pożarną (tel. alarm owy 998) podając: - co się pali, - gdzie się pali (adres, piętro, po mieszczenie), - czy są zagrożeni ludzie (orientacyjna liczba), - kto zawiadamia (nazwisko, numer telefonu zawiadamiającego). Słuchawkę należy odło żyć dopiero po potwierdzeniu przyjęcia po wiadomienia. • zawiadomić o pożarze przełożonego lub kie rownika zakładu.
Rodzaj i symbol gaśnicy
Pzeznaczona do gaszenia pożarow z grupy 1
Proszkowa GP
BC lub ABC oraz do gaszenia pożarów sprzętu pod napięciem do 1000V
Planowa GW
AB, nie wolno używać do gaszenia pożarów sprzętu znajdującego się pod napięciem
Śniegowa GS
BC oraz do gaszenia pożarow sprzętu znajdującego się pod napięciem
Oznaczenie na gaśnicy ( bc |
(abc)
f©
»
© )
1Grupy pożarów: A - clala stale palne, żarzące się, B - substan cje ciekle, tworzące płomienie, C - substancje palne gazowe
2 6 Bezpieczna praca z urządzeniami i systemami mechatronicznymi
2.6 Bezpieczna praca z urządzeniami i systemami mechatronicznymi
60
Do czasu przybycia straży pożarnej należy: • udzielić pom ocy zagrożonym ludziom, • prowadzić ewakuację wyznaczonym i trasami, w pierwszej kolejności osób starszych, niepełnosprawnych: i dzieci, • podczas przechodzenia przez miejsca zadym ione przyjąć pozycję m ocno pochyloną, • starać się, za pom ocą dostępnych środków, ograniczać rozprzestrzenianie się ognia, : • w trakcie gaszenia bez koniecznej potrzeby (np. ratowanie ludzi) nie otwierać okien, drzwi, • po wyprow adzeniu ludzi ratować cenne urządzenia, dokum enty itp. Do czasu przybycia straży pożarnej akcją kieruje przełożony lub osoba wykazująca najwięcej inicjały.| wy i opanowania.
2.6.4 Postępowanie z materiałami niebezpiecznymi Podczas m ontażu, uruchamiania, konserwacji maszyn i urządzeń m ożna zetknąć się z m ateriałami niebez-1 piecznymi. .{ Według przepisów za materiał niebezpieczny uważa się taki, który posiada przynajmniej jedną z poniższych cech: • • • • • • • • • •
może spow odow ać eksplozję (np. materiały wybuchowe), podtrzym uje i ułatwia pożar (np. tlen do spawania), łatwo i bardzo łatwo zapala się (np. rozpuszczalniki), jest trujący (np. lakiery, chemikalia), jest żrący, drażniący (np. kwasy, zasady), uszkadza piody i cechy dziedziczne (np. środki ochrony roślin lub zwalczające szkodniki), jest rakotwórczy (np. benzol, pyl drzewny), zatruwa środow isko (np. ołów, kadm, zużyty olej), szkodzi zdrowiu (np. rozpuszczalniki substancji klejących), pow oduje uczulenia (np. metanol, nikiel).
* uwzględnianie problem atyki bezpieczeństwa maszyn lub urządzeń już w fazie projektowania, , pchrona miejsc niebezpiecznych odpow iednim i środkami, , WySzczególnienie niebezpieczeństw w instruk cjach obsługi:
Symbol
11
bardzo trujący
Xn
X
; rozcieńczony
¿rodnia trujący
symbol niebezpieczeństwa
-i
skład materiału
objaśnienia typu R
uwagi o szczególnych niebezpieczeństwach: v szkodliwy dla zdrowia po wdychaniu lub połknięciu, Łatwopalny.
Bardzo szkodliwy dia zdrowia Trujący Bardzo trujący, mogący spowodować śmierć
Xi Xn
Szkodliwy dla zdrowia Drażniący Szkodliwy przez zawartość nitrozoamlny
C
Mato szkodliwy dla zdrowia Żrący, mogący powodować miejscowe oparzenia
grożący eksplozją
porady dla zachowania bezpieczeństwa: chronić przód dziećmi,'trzymać szczelnie ,••; zamknięty i daleko od źródeł światła i ognia. Nie palićl , Chronić przed zetknięciem oczy i dłonie. Chronić przed elektro statycznym naładowaniem.
■
O
wr,pom aga plom ion
M
tatwo zapalny
Cechy niebezpieczeństwa, dodatkowe określenie
T T+
E
zawiera: metanol, tolnal, butanol -
nazwisko, adres, leiefon, producenta^
Dodatkowe znaki
żrący
oznaczenie niebezpieczeństwa _
objaśnienia typu S
Przykłady niebezpieczeństw grożących ze strony m ateriałów roboczych z powodu ich składników i ewentu alne skutki oddziaływania na człowieka zestawiono w tab. 1.
Tab. 1. Niebezpieczne materiały
Celem tych zaleceń jest:
oznaczenie materiału / stan przygotowania^
61
Rozrywa sprzęt i powoduje uszkodzenia żywych tkanek Zagrożenie wybuchem Powoduje zapalenie palnych materiałów, podtrzymuje pożary Utleniający, utrudniający gaszenie
F F+
Gazy tworzące z powietrzem mieszaninę zapłonową; ciecze 0 temperaturze zapłonu <0° C 1temperaturze wrzenia < 35° C Łatwo zapalny Bardzo tatwo zapalny
N
Powoduje zagrożenie dla środowiska Niebezpieczny dla środowiska .
T45 T47
Materiały chorobotwórcze ; Wywołuje złośliwe nowotwory Uszkadza plód w czasie ciąży
T ?. R d ii
■
Producent
rakotw órczy
Tab. 1. Niebezpieczeństwa grożące ze strony materiałów roboczych Rodzaj
Składniki
O bjawy (skutki)
Farby Lakiery Olej hydrauliczny Materiały izolacyjne Kleje Rozpuszczalniki Chłodziwo .
Rozpuszczalniki, metylobenzen Dwum etylobenzen Benzol, nitrozoamina, PBC Azbest Rozpuszczalniki Perchloretylen, PER Aerozole olejowe
Utrudnione oddychanie Ból głowy, alergia Rakotwórcze, alergia Rakotwórcze Utrudnione oddychanie, ból gtowy, alergie Szkodzi na wątrobę i nerki Alergie
t i i ; 1
Rys. 1. Oznakowanie niebezpiecznych materiałów (przykład) I. ' ¡ i VI 1j i j f f '
ł ,
■_
[U li
'r u r
V/trakcie ciąży uszkadza piótf
,
* 1
1. Wymień główne zagrożenia związane z pracą z urządzeniami l systemami mechatronicznymi. 2. Podaj przedsięwzięcia usuwające gtówne zagrożenia. 3. Na czym polega postępowanie powypadkowe? 4. Opisz czynności wykonywane w ramach pierwszej pomocy.
M ateriały niebezpieczne muszą być porządnie zapakowane, a na opakowaniu muszą być dokładnie podane’ dane odnośnie: zawartości, producenta, rodzaju zagrożenia i zalecenia ochronne (rys. 1 i tab. 1 na następnej’: stronie). Dodatkowo musi być dołączony arkusz inform acyjny o danym niebezpiecznym materiale. i
2 6 5 Wytyczne UE dla zapewnienia bezpiecznej pracy urządzeń i systemów
5. Co może być przyczyną pożaru w przypadku pracy z urządzeniami mechatronicznymi? 6. Co należy do podstawowych przedsięwzięć przeciwpożarowych? 7. Na czym polega postępowanie w czasie pożaru? 8. Jakie cechy charakteryzują materiały niebezpieczne? 9. Od kiedy obowiązują w Polsce jednolite z Unią Europejską przepisy odnośnie budowy i eksploatacji maszyn? 10. Wymień pracowników szczególnie narażonych na wypadki. 11. Jakie mogą być działania pracownika zmniejszające zagrożenia?
Od 1.01.1995 r. w UE (od 1.05.2004 r. w Polsce) obowiązują jednolite przepisy dotyczące budow y i eksplo atacji maszyn. Producent zespołów, maszyn i urządzeń, umieszczając na swoim wyrobie znak CE, zaświad-t cza, że spełnia on w ym ogi BHP zawarte w przepisach UE.
*
T r i " ”-
12. Czy nieprzestrzeganie przepisów BHP jest karalne? 13. Podaj przykłady materiałów niebezpiecznych. 14. Wymień przykładowe objawy (skutki) u człowieka po styczności z materiałem niebezpiecznym.
63
3 i W prowadzenie do elektrotechniki
a i1 .2
5 O b w é d ^ e lé k ti^ C z n e
3.1 Wprowadzenie cło elektrotechniki Elektrotechnika jest nauką opisującą fizyczne i techniczne problem y związane z przem ieszczaniem s| ładunków elektrycznych, a więc z przepływem prądu elektrycznego. Dokładna znajom ość zjawisk fizycy nych i ich skutków jest niezbędna dla wielu dziedzin, m iędzy innymi elektroniki, techniki półprzewodnikowe! radiotechniki, elektroniki kwantowej, elektrom edycyny, m iernictwa elektrycznego ftp. W celu omówienia podstaw analizy obw odów elektrycznych oraz budow y i zasad działania maszyn i urząj; dzeń elektrycznych najwygodniejsze jest ujęcie zjawisk elektrycznych w sposób m akroskopowy. Oznacz^ ono rozpatrywanie skutków przemieszczania się ładunków elektrycznych, będących w ielokrotnością tadurif ku elementarnego, jakim cechuje się pojedynczy elektron. Wartość tego ładunku wynosi 1,6 02 1 8 9 -10-19C. Przestrzeń, w której zachodzi oddziaływanie sił na umieszczone w niej ładunki elektryczne, nazywa się! polem elektrom agnetycznym . Siła oddziaływania pola elektrom agnetycznego na ładunki elektrycznej ma dwie składowe: siłę związaną z polem elektrycznym oraz siłę związaną z polem magnetycznym. a Składowa związana z polem elektrycznym działa na ładunki elektryczne niezależnie od tego, czy są onj w ruchu, czy pozostają w spoczynku. f
i
Składowa związana z polem m agnetycznym oddziałuje na ładunki będące w ruchu.
3.1.1 Podstawowe wielkości elektryczne i ich jednośtk Znajom ość podstawowych term inów z zakresu fizyki bardzo ułatwia zrozumienie pojęć i praw dotyczących elektrotechniki. Na każde ciało można działać silą w sposób bezpośredni albo z pewnej odległości, np. dzlaj lanie sil przyciągania ziem skiego na satelity krążące wokół Ziemi. Ciała przyciągają się wzajemnie, a silą: przyciągania zależy od masy ciał i od odległości m iędzy nimi. Jeżeli ma miejsce takie działanie sit na odlej głość, mówimy, że jego przyczyną jest pole, ogólnie pole siłowe. W pobliżu ładunków elektrycznych występuje pole elektryczne. W pobliżu m agnesów działa pole m agne| tyczne. Szybko zm ieniające się pola elektryczne i magnetyczne są ze sobą powiązane, nierozdzielneJ tworząc pole elektrom agnetyczne. W tab. 1. podano zestawienie ważniejszych wielkości opisujących pola elektryczne i magnetyczne. Tab.1. Zestawienie ważniejszych wielkości opisujących pole elektryczne i pole magnetyczne Wielkość Natężenie pola elektrycznego Przenikalność elektryczna Indukcja elektryczna Ładunek elektryczny Natężenie prądu Gęstość prądu Napięcie elektryczne Potencjał elektryczny Siła elektromotoryczna Energia Moc elektryczna Natężenie pola magnetycznego Przenikalność magnetyczna Indukcja magnetyczna Strumień magnetyczny
Oznaczenie V/m F/m C/m2 Q. o JJ_ A/m2 U, u E, e W W A/m H/m T. Wb/m2 Wb
/
Jednostka wolt na metr Jarać/ na metr.. kulomb na metr kwadratowy kulomb -ampetL. amper na metr kwadratowy wolt wolt wolt dżul wat amper na metr J w nrna metr. tesla lub weber na metr kwadratowy : weber .
Ł a d u n e k e le k tr y c z n y
W normalnym stanie każde ciało je st elektrycznie obojętne. Stan ten można zmienić przez pocieranie ciała. Między prętami z materiałów izolacyjnych, np. ebonitu, szkła akrylow ego, polistyrenu, potartym i wełnianą szmatką występują siły odpychania (rys. 1) lub przyciągania (rys. 2). Sity te pow odow ane są obecnością ładunków elektrycznych. Ładunki jednakowe (jednoimienne) odpychają się, a ładunki różne (różnoimienne) przyciągają się. Rys. 1. Odpychania się ładunków jednolmlennych Ładunek na pręcie ze szkła akrylowego nazywamy ładunkiem d o d atn im (plus), a ła d u n ek na p ręcie z polistyrenu a lb o e b onitu nazyw am y ła d u n kie m ujemnym (minus). Ładunki oddzialyw ują na siebie wzajemnie sitami. Stan naładow ania m ożna w ytłu maczyć budową materiałów. Jeśli jądro atomowe zawiera tyłe samo protonów, ile elektronów krąży d o o koła niego, to atom jest elektrycznie obojętny (rys. 3). Z zewnątrz nie stwier dzamy obecności ładunku. Jeżeli je d n a k doo koła jądra krąży większa lub mniejsza liczba elektronów niż liczba protonów w jądrze, atom jest w pierwszym przypadku naładowany ujemnie, a w drugim dodat nio - nazywamy go wtedy jonem 1. Ruch ładunków e le ktryczn ych je s t zjaw iskiem związanym z u p ły w e m c z a s u . In te n s y w n o ś ć zmian ładunku elektrycznego określana jest jako natężenie prądu elektrycznego. Jednostką ładunku elektrycznego, jako zależnego od natężenia prądu elektrycznego I od czasu, jest amperosekunda (As), której nazwą szczególną jest kulomb2 (C). Każdy elektron naładow any jest ujemnie, a każdy proton dodatnio. Każdy z nich posiada najmniejszy możliwy ładunek, tak zwany ładunek elementarny. Ładunek elementary elektronu w ynosi -0 ,1 6 0 2 aC (attokulomba3), zaś protonu +0,1602 aC.
3.1.3 Napięcie elektryczne Pomiędzy ładunkami różnoim iennym i występują siły przyciągania. Jeśli ładunki różnoim ienne mają być od siebie odsunięte, trzeba wykonać pracę przeciwko siłom przyciągania. Praca ta zostanie zmagazynowana w ładunkach jako energia. Napięcie elektryczne jest to więc praca w łożona w rozdzielenie ładunków, odniesiona do ich wielkości. Między ładunkami powstaje napięcie. ' gr. /on - wędrujący;
7 Charles Augustin d e Culom b (1736-1806) - francuski fizyk; 3 d uń. atto oznacza 1 0 '1a danej jedn o stki, a w ię c 1aC = 10 ,aC
3.1 Wprowadzenie do elektroteohni
64 Rozdzielenie ładunków bez nakładu pracy nie jest moż liwe. Im większe jest wytworzone napięcie, tym silniej sza jest skłonność ładunków do neutralizacji (rys. 1). Napięcie elektryczne (sym bol U) m ierzy się w o lto mierzem (rys. 2). W celu pomiaru napięcia przyłącza się woltomierz do zacisków źródła lub odbiornika. Jednostką napięcia jest w o /f1(V), [l/]= V .
napięcie niskie
:
napięcie wysokie
Takie źródło napięcia nazywamy term oelem entem 1. Termoelementy są używane jako czujniki do pom ia ru temperatury.
.1'O 1O O1
Wytworzenie napięcia pod wpływem światła
napięcie zerowe -O Q Q -
Rys. 1. Napięcie przy przesuwaniu ładunków N apięcie w zględem pew nego punktu odniesienia nazywamy potencjałem. Napięcie m ożna przedsta wić jako różnicę dw óch potencjałów. W źródle napięcia napięcie występuje m iędzy dw o ma zaciskami (biegunam i). Urządzenia, które mają dwa zaciski, nazywa się dwójnikami.
M -M As
i v C
U - napięcie
M
' W - praca
3 1 Wprowadzenie do elektrotechniki
JUL o
O - ładunek
Ź ró d ło n a p ię cia ma bie g u n d o d a tn i ( + ) i biegun ujemny (-). Na biegunie dodatnim występuje niedo b ó r elektronów , a na bie g u nie ujem nym nadm iar elektronów.
pomiędzy płytą podstaw ow ą I pierścieniem styko wym fotoelementu2 pod wpływem światła pojawia się mata wartość napięcia (rys. 1). Płyta podstawo wa jest przy tym biegunem dodatnim , a pierścień ujemnym. Fotoelementy są używane jako źródła na pięcia, np. w kalkulatorach, zegarkach, sztucznych satelitach, różnego typu bateriach słonecznych. Foto elementy są także wykorzystywane w wielu dziedzi nach techniki pomiarowej.
65
I U
pierścień stykowy
metalówa podstawa
0 Y
podkład . ’ 3 ■V i selen___^ \ jiv.-
warstwa zaporowa
Rys. 1. Wytworzenie napięcia przy pomocy światła
W ytworzenie napięcia w skutek działan ia chemicznego
Pomiędzy płytkam i w ykonanym i z różnych m etali i zanurzonymi w cieczy przewodzącej powstaje na pięcie stale. Płytki i ciecz przewodząca tworzą ogni wo elektrochemiczne. Typowym przykładem zasila jącego ogniwa elektrochem icznego jest akumulator samochodowy.
O dróżniam y napięcie stałe, zm ienne lub prze mienne w czasie. .
Wytworzenie napięcia przez deformację kryształów
3.1.3.1 Wytwarzanie napięcia elektrycznego Rys. 2. Pomiar napięcia Powstanie napięcia, czyli rozdzielenie ładunków różn o im ie n n ych, m oże być p o w o d ow an e uży ciem różnych postaci energii, np. energii m agne tycznej, cieplnej, chem icznej lub promienistej. Wytworzenie napięcia przez indukcję W ykorzystanie energii pola m agnetycznego to w y tw orzenie napięcia przez indukcję m agnetyczną. Przy przesuwaniu m agnesu, tam i z powrotem , we w n ą trz z w o jn ic y p o w s ta je n a p ię c ie p rze m ie n n e (rys. 3). W ytw orzenie n apięcia przy p o m o cy m a gnesu nazywamy indukcją2. Ten sposób wytworze nia napięcia stosuje się w generatorach wirujących. Jest to najważniejszy sposób wytworzenia napięcia.
cewka tzrz^>
W < r-
Rys. 3. Wytworzenie napięcia przez Indukcję magnetyczną
Jeżeli kryształ piezoelektryczny3 poddany zosta nie naciskom, to wewnątrz kryształu następuje prze mieszczenie ładunku elektrycznego. W skutek tego działania na je g o w ła ś c iw y c h p o w ie rz c h n ia c h (okładkach przew odzących) p o w stanie napięcie. Zależy ono od sity i kierunku nacisku. Przy naprze miennym naciskaniu i ściskaniu powstaje napięcie przemienne. Zjawisko powstania napięcia nosi na zwę efektu piezoelektrycznego prostego. Zjawisko piezoelektryczne o d w ro tn e to zm iana w ym ia ró w materiału piezoelektrycznego pod wpływem przyło żonego napięcia. Wytworzenie napięcia przez pocieranie izolatorów Przy pocieraniu materiałów izolacyjnych m ogą powstać ładunki elektryczne o różnych znakach. Napięcie przy pocieraniu występuje wbrew naszej woli, np. przez elektrostatyczne ładowanie się pojazdów, folii, tka nin z tworzyw sztucznych, plastykowych pasków napędowych. Ładunki elektrostatyczne można usunąć, np. uziemiając metalowe obudow y urządzeń.
■3.2 Rodzaje napięcia elektrycznego Wytworzenie napięcia pod wpływem ciepła Pojęcia rodzajów napięcia elektrycznego bardzo silnie związane jest z rodzajami prądów elektrycznych.
Jeżeli dwa przew ody w ykonane z dw óch różnych m etali p o łą czy się na je d n ym końcu i będzie się og rze w a ć m ie jsce połączenia, to na ich w olnych k o ń c a c h p o ja w i się n a p ię c ie rzę d u m iliw o ltó w (rys. 4). Na w olnych końcach pojaw i się napięcie stale wtedy, gdy tylko w ystąpi różnica tem peratur pom iędzy m iejscem połączenia i wolnym i końcami.
' A leksandro Volta {1 7 45 -1 82 7 ) - w io ski fizyk; 2 fac. in d u c c e re = w p ro w a dza ć
miedź Siła elektromotoryczna stanowi w obwodzie elektrycznym wymuszenie napięciowe. Przebieg prądu uzależnio ny jest od przebiegu napięcia. Napięcie jest przyczyną a prąd skutkiem. Powstały wskutek wymuszenia napię ciowego (siły elektromotorycznej) prąd przepływając przez elementy bierne tworzy na nich spadki napięcia (prawo Ohma4). W elektrotechnice przyjęto nazwy rodzajów napięcia elektrycznego zależne od stówa „PRĄD", tzn. zarówno w stosunku do napięć, jak i do prądów używa się określeń DC, AC, UC5 (rys. 2). Rys. 4. Wytworzenie napięcia przy pomocy ciepła
«• 'fit
' gr. lita m o s = cie p ło ; 2 lo to o d gr. p /ro s = św iatło, ja sno ść; 3 p ie z o o d groo, p io s o ln - naciska ć; 4 G eo rg S im on O hm (17 07 -1 05 4 ) - fizyk niemiecki; J o d a ng , D ire c t C urrent = p rą d stafy, A lterna tive C u rre n t - p rą d p rze m ie nn y, Universai C u rre n t = p rą d zm ien ny
.
66
3.1 Wprowadzenie do elektrotechniki
W elektrotechnice rozróżniamy poniżej przedstawione rodzaje napięć i prądów: napięcie i prąd staty - stały kierunek prądu zależny od kierunku wymuszenia; oznaczeniem tego rodząju prądu i napięcia są litery DC, napięcie i prąd przem ienny - kie run e k p rzepływ u p rą d u zm ienia się w czasie a w a rto ść ś re d n ia j - całookresowa równa się zero; oznaczeniem prądu i napięcia przem iennego są litery. AC, . ; napięcie i prąd zm ienny - stały kierunek prądu, zm ienna w czasie w a rto ść liczbow a lub zm ienny - kierunek prądu przy je g o stałej b ą d ź zm ie nn e j w a rto ści liczb o w e j; ozn a czen ie m prądu i napięcia|3 zm iennego są litery UC.
3.1.4 Prąd elektryczny Obecność napięcia w ywołuje przepływ prądu elek trycznego. Prąd elektryczny m oże płynąć tylko w obwodzie zamkniętym. Obwód elektryczny składa się ze źródła, odbiornika i przewodów łączących źródło z odbiornikiem (rys. 1). Obwód m ożna przerywać (otwierać) lub łączyć (za mykać) za pom ocą łącznika. Metale zawierają elektrony, które m ogą swobodnie przemieszczać się wewnątrz materiału. Nazywa się je elektronami wolnymi (swobodnymi). Poruszają się one w kie ru n ku od m ie jsca z na d m ia re m do miejsca z niedomiarem elektronów. Ukierunkowany ruch elektronów nazywa się prądem elektrycznym . W dobrych przewodnikach, np. miedzi lub srebrze, występuje prawie tyle samo wolnych elektronów, co elektronów krążących wewnątrz atomów. W źródle napięcia w ystępuje siła działająca na w ol ne elektrony, która po zamknięciu obw odu rozprze strzenia się niemal z prędkością światła. Natomiast e le ktro n y w p rze w o d n iku p oruszają się z bardzo małą prędkością (zaledwie kilku mm/s). Ruch utrud niają atom y przewodnika, które stanowią przeszko dy na drodze elektronów. ; Za techniczny kierunek przepływu prądu (rys. 2) i przyjm uje się kierunek przem ieszczania się jo nów dodatnich w cieczach (przeciwny do kierun:■ ku ruchu elektronów). Prąd elektryczny (symbol /) m ierzy się am perom ie rzem (rys. 3). Jednostką natężenia prądu elektrycz nego jest am peń (A). W c e lu p o m ia ru n a tę ż e n ia p rą d u a m p e ro m ie rz należy w łączyć szeregow o do obw o d u e le ktrycz nego.
' A nd re M aria A m p bre (1 7 75 -1 83 6 ) - fra ncu ski lizyk l m a tem atyk
iiliim iE ;
*v.’
3 1 Wprowadzenie do elektrotechniki
67
Pole elektryczne W układzie doświadczalnym złożonym z dw óch na ładowanych płyt i styropianowej kulki m ożna wyka zać, że ładunki elektryczne oddziaływują na siebie silą F (rys. 1). Ciała o zgodnej polaryzacji odpycha ją się, a ciała o polaryzacji przeciwnej przyciągają się. Zatem pomiędzy tym i ciałami działa pole siłowe. . -jo jeSt właśnie pole elektryczne. Każde napięcie elektryczne wytwarza pole elek tryczne.
Ogólnie: p
£ F 0 U 1
-
F 0
W polu jednorodnym: F
U
[£] = V/m
natężenie pola elektrycznego siła działająca na ładunek ładunek napięcie między ładunkami odległość między ładunkami
Na rys. 2 przedstaw iono w ynik eksperym entu. Dwie metalowe płytki um ieszczone obok siebie naładowano wysokim napięciem tak, żeby miały ładunki o przeciwnej polaryzacji. Rozsypane wtókienka z tworzyw sztucznych układają się zgod nie z kierunkami działających na nie sit, tak żę powstaje wrażenie linii pola elektrycznego. Linie pola stanowią w rzeczywistości użyteczny model pola elektrycznego. Pole elektryczne działa także pomiędzy tymi liniami. Kierunki linii pola są z g o d ne z kierunkami sil działających na dodatni ładu nek punktowy umieszczony w polu elektrycznym. Linie pola elektrycznego biegną od ciała nałado wanego dodatnio do ciała naładowanego ujemnid. Zaczynają i kończą się prostopadle do po wierzchni tych ciał. Pole elektryczne między dwiema równoległymi elek trodami jest polem jednorodnym (rys. 2). We wszyst kich punktach pola je d n orodnego natężenie pola jest jednakowe) Natężenie pola jest tym większe, im większe jest napięcie pomiędzy ładunkami i im mniej sza jest odległość m iędzy nimi. Sita działająca na ła d u n ek zn a jd u ją cy się w polu elektrycznym jest tym większa, im większe jest natę żenie pola oraz im większy jest ładunek. Działanie sil pola wykorzystuje się np. do odchylania strumienia elektronów w lampach oscyloskopow ych, w filtrach elektroakustycznych i urządzeniach lakierniczych. Całkowitą liczbę linii pola wychodzącego z elektrod nazywamy strumieniem elektrycznym (symbol i/;). Strumień przypadający na jednostkę powierzchni to gęstość strumienia (symbol D). Strumień elektrycz ny i ładunek elektryczny mają taką samą jednostkę. Dlatego też przy obliczaniu gęstości strum ienia ich symbole można używać zamiennie. indukcja elektrostatyczna Jeżeli w pole elektryczne wprow adzim y przewodnik, to pod wpływem pola wolne elektrony w tym prze-
D = ę/S D= D ę Q S D0 i-0 E -
Q_ S
D0- t ; 0 • E [O] = As/m2 = C/m2
gęstość strumienia elektrycznego strumień elektryczny (psi) ładunek elektryczny naładowana powierzchnia gęstość strumienia elektrycznego w próżni przenikalność elektryczna próżni, ¿0=8,85 pC/(Vm) natężenie pola elektrycznego
68
3.1 Wprowadzenie do elektrotechnik
w o d n ik u b ędą się p rze m ie szcza ły p rze ciw nie do kierunku pola. Na brzegach przewodnika powstają tadunki ujem ny i dodatni, m iędzy którym i występuje pole. O bydw a pola są je d n a kow o silne, lecz m ają przeciwne zwroty. Wewnątrz przewodnika ich działa nia znoszą się (rys. 1).
• pole magnetyczne oddziałuje na ładunek elek tryczny będący w ruchu, • pole m agnetyczne jest polem bezżródlowym (w przeciwieństwie do pola elektrycznego nie istnieją ładunki magnetyczne, na których zaczy nałyby się i kończyły linie pola magnetycznego), • podstawową przyczyną powstania i istnienia pola m agnetycznego jest ruch ładunków elek trycznych (przepływ prądu elektrycznego). Na rys. 1 pokazano położenie linii sil pola m a gnetycznego wytworzonego przez prąd prze pływający przez cewkę.
Rys. 1. Indukcja elektrostatyczna
3.1 ,|6 Pole magnetyczne
G dy nad m agnesem sztabkow ym um ieścim y płytę szklaną, na której będą ustawione małe igły m agne tyczne zam ocowane obrotow o, to siły działające na igły pow odują ustawienie ich w określonym porząd ku. Jeżeli w w yobraźni przeprow adzim y linie prze chodzące przez końce ustawionych igiełek, to będą to tzw. linie pola magnetycznego (rys. 2). Linie po la m agnetycznego są modelem , który pom aga nam wyobrazić sobie poie magnetyczne, podobnie jak li nie pola elektrycznego wyobrażają pole elektryczne. Należy jednak pam iętać, że pom iędzy liniam i pole istnieje tak samo, ja k w miejscu przebiegu linii. W o kół każdego m agnesu w ystępuje pole m agnetycz ne. Jeżeli na p ły tę 's z k la n ą um ieszczoną nad m a gnesem s zta b ko w ym ro zsyp ie m y o p iłk i żelazne, ułożą się one w zdłuż linii biegnących od je d n e go d o drugiego bieguna m agnesu (rys. 3).
3 .1 .6.1
¿y /? 03T / S ' 0 0 ł 0 /* X X X /*
'sk.
/S '
■ o
•o
0 X X
0
'ifc.
Tk.
X X 0 0 -o
31—
-O 0
/r
X
/ f
J-Z-
0
0
0
-o
-o
X X 0 0 0 0 4T
Rys. 2. Wykrywanie pola magnetycznego
i
ce w ka
¡ tlf.! ix \ . : iin ie sil p o la ; m a g n e ty c z n e g o
Rys. 1. Linie sił pola magnetycznego wytworzonego przez prąd przepływający w cewce
Wielkości charakteryzujące pole magnetyczne
Przyczyną powstania i istnienia pola m agnetyczne go jest przepływ prądu elektrycznego. W konstrukcji cewki pokazanej na rys. 2 uzwojenie składające się z N zwojów drutu nawinięto równolegle na karkasie w kszlalcie walca. W ielkością wzbudzającą pow sta nie pola magnetycznego jest tzw. siła magnetomotoryczna 9 (theta), będąca iloczynem liczby zwojów N I prądu I płynącego przez to uzwojenie 0 = IN , [ 0 ] = A. Siła magnetomotoryczna, zgodnie z prawem Ampera dla obwodu magnetycznego pokazanego na rys. 3, powiązana jest z natężeniem pola m agnetycznego zależnością [H ]= £ , gdzie lm jest średnią drogą m agnetyczną (rys. 4). W każdym punkcie przestrzeni pole m agnetyczne można określić, p o d a ją c w a rto ść natężenia pola magnetycznego H i wartość indukcji m agnetycznej
W polu m agnetycznym opiłki stają się nam agneso wane i ustawiają się zgodnie z kierunkiem sit, które na nie działają. Ustawiają się one w zdłuż linii pola m agnetycznego. Linie pola m ag n e tyczn e g o prze biegają na zewnątrz m agnesu od bieguna północ nego do p o łu d niow e g o , a w ew nątrz m agnesu od po łu d n io w e g o do p ó łn o cne g o . Są one liniam i za mkniętymi. Gęstość linii poła jest miarą działających w nim sił m agnetycznych. Jeżeli linie pola leżą blisko siebie, to w polu tym działają duże sity m agnetyczne. Po między biegunam i niejednoim iennym i, leżącymi do statecznie blisko siebie, linie pola przebiegają rów nolegle i w jednakow ych odstępach od siebie. Takie pole nazywa się jednorodnym (rys. 4).
69
W łaściwości pola magnetycznego:
Przemieszczanie się ładunku w przewodniku pod wpływ em pola elektrycznego nazywam y induk cją elektrostatyczną.
Przestrzeń, w której daje się zauważyć oddziały wanie siłowe m agnesu trw ałego lub elektrom a gnesu na różne materiały, nazywam y polem m a gnetycznym .
3 1 wprowadzenie do elektrotechniki
B = fiH,
[8 ] = Vs / m2 = T (fes/a1),
przy czym w spółczynnik /t określa właściwości ma gnetyczne ośrodka, w którym występuje opisywane pole magnetyczne i nosi nazwę przenikalności ma gnetycznej.
Rys. 4. Pole magnetyczne magnesu o kształcie podkowy
W łaściwości m agnetyczne o śro d kó w m aterial nych okreśia się zwykle w odniesieniu do w łaści wości m agnetycznych próżni. Podaje się wartość przenikalności względnej ur tego ośrodka (licz ba nie mianowana) odniesionej do przenikalno ści magnetycznej próżni ¡«0. Stąd przenikalność magnetyczna ośrodka jest równa f l - I I ,11 oNikola Tesla (1856-1943) - pochodzący z Chorwacji inżynier amerykański
Ul
I 3.1 Wprowadzenie do
70
.
-
.
.z m
|i
3 1 wprowadzenie do elektrotechniki______________________________________________________________
Ii
71
Przenikalność m agnetyczna próżni jest stata i ma wartość /i0 = 4 re 10'7 H/m (h e n r1 na metr), gdzie
i■
H = £2 s (henr = ohm razy sekunda).
'!' >,
w natli histerezy poszczególne odcinki noszą nazwy: OA - krzywa pierwotnego magnesowania, BC - krzyodmagnesowania, po przekroczeniu punktów A i D - nasycenie. Dodatkowo, na pętli histerezy wyróżnia^ dwa charakterystyczne punkty: punkt oznaczony jako B nosi nazwę remanencji lub pozostałości mag n e t y c z n e j , punkt oznaczony jako C nosi nazwę natężenia powściągającego lub siły koercji.
i: ' ■
Wartość siły koercji jest podstawą podziału materiałów na m agnetycznie miękkie - mata wartość siły koercji . Magnetycznie twarde - duża wartość siły koercji (rys. 3 na poprzedniej stronie).
Fizycznie indukcja magnetyczna B obrazuje gęstość linii sil pola magnetycznego na jednostkę powierzchni. W ielkością określającą liczbę Unii sil pola m agne tycznego w całym przekroju poprzecznym rozpatry wanego ośrodka magnetycznego jest strumień ma gnetyczny
8® ®
if f B - 1'
N
Rys. 1. M a g n e s y m o leku larn e nieu p o rząd ko w an e I u p o rzą d ko w an e
I: !i
Materiały magnetycznie twarde (stopy alnico, alnisi i inne rodzaje ferrytów) nie ulegają łatwo przemagnesowaniu i używane są do wyrobu m agnesów trwałych.
II
M a g n e s a m i trwałymi nazywamy takie magnesy, które trwale zachowują swoje pole. Znajdują one zastosowanie do wylwarzania sil mechanicznych, do przemiany energii mechanicznej w energię elektryczną oraz energii elektrycznej w mechaniczną. Magnesy trwale znajdują zastosowanie w małych generatorach, silnikach, miernikach wychylowych, głośnikach, mikrofonach i czujnikach przemieszczenia liniowego i kątowego. Produkuje się magnesy trwale o kształtach zależnych od przeznaczenia tych magnesów.
3.1.6.2 Materiały magnetyczne
A
W szystkie m ateriały poddaw ane działaniu pola m agnetycznego m ożna ze względu na w artość przenikalności m agnetycznej względnej podzielić : na trzy grupy: diamagnetyki, paramagnetykl, ferromagnetykl,
< 1, > 1, pr s> 1.
Materiały diam agnetyczne to takie, w których w i doczne jest zjawisko diam agnetyzm u. Zjaw isko to, uzależnione od budow y atom owej m ateriału, pow o duje skuteczne przeciwdziałanie m agnesowaniu, Do materiałów diam agnetycznych należą m iędzy innymi woda, miedź, cynk, srebro, złoto, ołów. M ateriały paramagnetyczne to takie, w których nie jest możliwe pełne uporządkowanie m agnesów m o lekularnych (rys. 1). U porządkowanie to, nie osią gające nasycenia, wystarczające jest do przesłonię cia występującego we wszystkich m ateriałach zjawi ska diam agnetyzm u. Do p a ra m a g ne tykó w należą m iędzy innymi: alum inium , platyna, wolfram , cyna, mangan.
^' i' '
nasycenie
indukcja magnetyczna B
H c
0 /F sifa / n r*“ / koercji - £ ------- ' / E
natężenie pola m agnetycznego
n/|ateriaiy magnetycznie miękkie (stal krzemowa, permaloj, niektóre ferryty) mają wąską pętlę histerezy, użyWane są do budow y rdzeni maszyn elektrycznych i transformatorów.
I’ Ij
= B S, [] = Vs = Wb (w e b e r2), gdzie S - pole powierzchni przekroju obejm ującego wszystkie linie sil w zbudzonego w magnetowodzie pola m agnetycznego.
.
;• ! i
^nasycenie
3 .1 .6.3
Obwody magnetyczne
Obwodem magnetycznym (magnetowodem) nazywa się przestrzeń lub ośrodek, w których występuje pole magnetyczne. Podobnie jak w przypadku obw odów elektrycznych obliczenie obw odów m agnetycznych po lega na rozwiązaniu jednego z dwóch problemów: 1. Dane jest wymuszenie: natężenie prądu /, liczba zwojów N uzwojenia wzbudzającego i parametry magnetowodu (rodzaj materiału, wym iary geometryczne) a szukana jest odpowiedź obwodu na to wym u szenie: strumień 0 lub indukcja magnetyczna B. 2. Znana jest odpowiedź obwodu a poszukuje się parametrów wymuszenia lub parametrów magnetowodu magnetycznego.
R ys. 2 . Pętla h lsterezy
,S :
B
Rolę wymuszenia w obwodach m agnetycznych pełni przepływ 0 . W przypadku pojedynczego uzwojenia z prądem jest on równy iloczynowi natężenia prądu I oraz liczby zwojów N uzwojenia wzbudzającego
i ■I / J J Hc
h
-■!] J
hł
Hc
R ys. 3 . Pętle hlsterezy m ateriałó w m agnetycznych tw ard y ch (p o lew ej) I m ateriału m agnetycznego m ię kkie g o (p o praw ej)
0 =1N.
Jednostką przepływu jest amper [Aj. Przepływ jest odpow iednikiem sity elektrom otorycznej w obwodach elektrycznych i dzięki tej analogii nosi nazwę siły magnetomotorycznej. W każdym obwodzie magnetycznym lub w jego fragm encie (oczku) przepływ albo suma przepływów jest równa sumie spadków napięć m agnetycznych U,„ na poszczególnych odcinkach m agnetowodów. Prawo to, będące odpow iednikiem napięciow ego prawa Kirchhoffa dla obw odów elektrycznych nosi nazwę prawa przepływu albo prawa Am pera i jest zapisane w postaci 0 =
H2/2+ H3la+ ... = Un,i+ U m2+Um3+...,
M ateriały ferromagnetyczne to takie, w których dom inującym zjawiskiem jest ferromagnetyzm, czyli możli w ość pełnego uporządkowania m agnesów m olekularnych, nawet w słabych zewnętrznych polach magne tycznych (rys. 1).
gdzie lh l2, /3... są długościam i odcinków magnetowodów, w których w ystępują natężenia pól m agnetycz nych H u H2, H3 ... Jednostką spadku napięcia m agnetycznego jest amper [A], a jednostką natężenia pola magnetycznego amper na metr [A/m].
W łaściwości ferrom agnetyków opisuje się, podając ich charakterystykę magnesowania, tzw. pętlę histerezy (rys. 2), czyli zależność indukcji magnetycznej B od natężenia pola magnetycznego H, przy zmianie wartości H od 0 do HmBX i od + H mm przez - H max ponow nie do + H mm.
Odpowiedzią obwodu m agnetycznego na działające wymuszenie jest strumień magnetyczny - odpow ied nik prądu w obwodzie elektrycznym. Wartość strumienia m agnetycznego 0 można obliczyć z zależności bę dącej odpowiednikiem prawa Ohma
5J o s o p h H enry {1797-1078) - amerykański fizyk; 2 W ilhelm E dm un d W eber {1804-1891) - niemiecki fizyk
Q = 0 R „„
72
3.1 Wprowadzenie do elektrotechniki
gdzie Rm oznacza reluktancję magnetowodu. Cał kowitą reluktancję m agnetowodu oblicza się sum u jąc w artości reluktancji poszczególnych odcinków magnetowodu, na których występuje ten sam mate riał magnetyczny charakteryzowany przenikalnością m agnetyczną p i jednakow y przekrój poprzeczny S. Reluktancję m agnetyczną określa zależność
Sr
R” = i s ' gdzie: S - przekrój poprzeczny odcinka m agneto w odu, p - przenikalność tego odcinka m agnetowo du, / - długość drogi magnetycznej (rys. 1).
Ma przewód z prądem umieszczony w polu m agne tycznym działa siła F. Jej kierunek działania jest pro stopadły do kierunku przepływ u prądu i kierunku pola magnetycznego. Sita wypycha przewód z pola magnetycznego (rys. 1). Siła ta nazywa się silą Lo rentza1 i jest tym większa, im większe są gęstość li nii pola magnetycznego (indukcja m agnetyczna), ła dunek i prędkość poruszania się ładunku.
F = 0 - v -B
Dla magnetowodu rozgałęzionego (rys. 2), w któ rym istnieją d w ie lu b wiele dróg przepływu strum ie nia m a g n e tyczn e g o sp e łn io n e je s t m ag n e tyczn e prawo G aussa1. Stanowi ono odp ow ie dn ik prądo■wego prawa Kirchhoffa dla obw odów elektrycznych.
Q = l- t
m
^
____
0
l
+
/ Ą
B
a
w
S
d
r
i l i ,
>j>
Rys. 1. O d ch ylen ie p rzew o d u p rąd e m w polu m agnetycznym
dia jednego przewodu F = B11 dla wielu przewodów F = B i l N F
O bw ody m agnetyczne m ożna podzielić na jedno rodne (zawierające tylko jeden ośrodek) i niejedno rodne (zawierające dwa łub więcej ośrodków). Przy kładem m agnetow odu niejednorodnego może być rdzeń ferrom agnetyczny wykonany z różnych mate riałów albo rdzeń ze szczelina powietrzną. W ystępo wanie strumienia rozproszenia w obszarze tej szcze liny m ożna uw zg lę d n ić p rzyjm u ją c nieco w iększą w artość przekroju poprzecznego Sp m agnetowodu w o b sza rze s z c z e lin y niż w a rto ś ć p rz e k ro ju p o przecznego Sr sąsiadującego z nią rdzenia
73
3 1 Wprowadzenie do elektrotechniki
0 V R ys. 1. O b w ó d m ag n e tyc zn y n łero zg ałęzlo n y z e szcze- i liną po w ietrzn ą I je g o sc h e m a t zas tę p c z y
Sp = k S r . W spółczynnik proporcjonalności k przyjm uje warto ści z przedziału 1,05-1,2. Jeżeli uwzględnić, że strumień magnetyczny w rdze niu i w szczelinie ma taką samą wartość, to
. @ “ Sp Sp — Br Sr. Rozproszenie strum ienia powoduje k-krotne zm niej szenie indukcji magnetycznej w szczelinie powietrz nej.
B i ■t s ; N
-
siła Lorentza ładunek elektryczny prędkość indukcja magnetyczna natężenie prądu czas droga długość oddziaływania pola magnetycznego liczba zwojów
Tu -
«■
f/j/ z"— ( ( I i ( X )> _ Wk V K i Hf -
Rys. 2. W y p a d k o w e w ekto ry p ola I siły d zia ła ją c e na przew ó d
Koncentryczne okręgi linii pola magnetycznego wokół prostoliniowego przewodnika z prądem oddzialywują z li niami pola magnetycznego wytworzonego pomiędzy biegunami magnesu. Pole m agnetyczne przewodnika z prądem po lewej stronie przewodnika osłabia, a po prawej wzmacnia linie pola magnetycznego wytworzonego przez magnesy (rys. 2). W rezultacie gęstość linii sił pola magnetycznego po jednej stronie przewodnika jest większa niż po drugiej. W tej sytuacji przewód z prądem jest wypychany w kierunku od większej do mniejszej gę stości linii pola m agnetycznego. Zm iana kierunku prądu w przewodzie spow oduje przeciwne zmiany rozkładu linii pola m agnetycznego i odwrócenie kie runku działania sity. Jeżeli zostanie zachowany kie runek prądu w przewodniku, a zmieni się kierunek linii pola m agnetycznego wytwarzanego przez ma gnes, to siła także zm ieni kierunek na przeciwny. Przy jednoczesnej zmianie kierunku prądu i kierun ku linii sil pola m agnetycznego wytwarzanego przez magnes kierunek działania siły nie ulegnie zmianie. Kierunek działania sity można określić za pomocą reguły lewej dłoni lub reguły silnika (rys. 3). Jeżeli w polu m agnetycznym znajdzie się większa liczba przew odów przew odzących w tym sam ym kierunku prąd o takiej samej wartości, to sita Lorentza Rys. 3 . W yzn a c za n ie kierunku siły
1C a rl Fried rich G auss (1 7 7 7 -1 85S) - n iem ie cki m a tem atyk, za jm o w a ł się rów nież fizyką i u c zo n ych świata
' Hendrik Antoon L orentz (1 8 5 3 -1 92B) - fizyk h o le n de rski
74
r
3.1 Wprowadzenie do elektrotechny I
jest tym większa, im większa jest liczba tych prze w odów. Z jaw isko w yp ie ran ia ła d u n kó w e le ktrycz nych w polu m agnetycznym w ykorzystane jest do budow y np. silników elektrycznych, ruchom ych ce w ek u s tro jó w p o m ia ro w ych w p rzyrzą d a ch e le k trycznych, lam p kineskopowych. Ramka przewodząca prąd umieszczona w polu ma g n e tyczn ym w zb u d za w ła sn e p o le m ag n e tyczn e (rys. 1). Pole to współdziała z polem magnetycznym w ytw orzonym przez bie g u ny m agnesu i pow staje pole w ypadkow e. Na b o ki ram ki sity w ypierające działają tak, że ramka obróci się. Ruch będzie trwał do momentu, kiedy linie pola m agnetycznego będą miaty taki sam kierunek, co linie pola wytworzonego przez magnes. Kierunek obrotu ramki zależy od kie runku prądu i kierunku linii pola m agnetycznego. -
75
nie z regułą śruby prawoskrętnej, wyznacza się kieru nek prądu. Ruch postępowy śruby jest zgodny z kie runkiem strumienia magnetycznego, a ruch obrotowy śruby odpowiada kierunkowi indukowanego napię cia i kierunkowi wywołanego przez nie prądu. Kierunek prądu, który płynie pod wpływem zaindukowanego napięcia, można wyznaczyć również z re guty prawej dłoni (rys. 3 na poprzedniej' stronie). Kiedy umieści się prawą dtoń tak, że wnika w nią od wewnętrznej strony póle magnetyczne, to od gięty kciuk wskazuje kierunek ruchu, a kierunek indukowanego prądu wskazują pozostałe wycią gnięte palce dłoni.
Rys. 1. Powstanie momentu sity działające] na cewkę w polu magnetycznym
1, 2, 3, 4
Prądy, które płyną pod wpływem napięcia samoindtikcji, wytwarzają wokót przewodu pole m agne tyczne, które wpływa na pole magnetyczne wytwo rzone przez magnes (rys. 1). W ten sposób na przewód będzie działała siła, która działa w kierun ku przeciwnym do kierunku ruchu.
Chcąc uzyskać ciągły ruch obrotowy, należy zasto sować urządzenie zm ieniające kierunek przepływu prądu przez ramkę w każdym półobrocie. Urządze nie to nazywa się kom utatorem 1 (rys. 2). Kom utator dla jednej ramki składa się z dw óch izo lo w a n y c h od s ie b ie p ó lp ie rś c ie n i w y k o n a n y c h z m osiądzu. Pólpierścienie są o d p o w ie d n io p o łą czo n e z p o c z ą tk ie m i k o ń ce m u zw o je n ia ram ki, p rz y czym ra m k a i p ó lp ie rś c ie n ie o b ra c a ją się wspólnie. Ramka jest zasilana przez dwie nierucho me szczotki węglowe. Kiedy ramKa obróci się o kąt niewiele większy od 90°, kom utator zm ieni kierunek prądu i ramka nie zatrzym a się, lecz nadal będzie się obracać.
g 1 Oprowadzenie do elektrotechnik:
określenie kierunku prądu
Rys. 1. Indukowanie się napięcia przez ruch
siła lorenlza
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej występuje niezależnie od tego, w jakich okolicznościach i z ja kich przyczyn nastąpiła zmiana strumienia pola ma gnetycznego wywołującego powstanie napięcia.
eieklron
w polu magnetycznym
Indukowane napięcie może być w ytw orzone w następujący sposób:
komutator szczotki Rys. 2. Model silnika z komutatorem ;
W silnikach prądu stałego rolę ramki przewodzącej pełni wirnik. Uzwojenie wirnika to wiele ramek, któ-.J re są najczęściej nawinięte na cylindrycznym rdzeniu z blach m agnetycznych., 'j
a) w nieruchomych przewodach przez zm ienne pole magnetyczne, b) w ruchomych przewodach przez State pole magnetyczne, c) w ruchomych przewodach przez zmienne pole magnetyczne. Wymienione przypadki w punktach b i c to induko wanie się napięcia przez ruch. W przewodzie prze mieszczającym się prosto p a d le do kierunku pola magnetycznego indukuje się napięcie elektryczne. Zjawisko to tłumaczy zasadę działania generatorów (rys. 2).
3.1.7 indukcja elektromagnetyczna Zjawisko indukcji elektrom agnetycznej polega na indukowaniu się napięcia w obw odzie elektrycz nym podczas zmian strum ienia m agnetycznego przecinającego ten obwód.
W zwojach przewodnika bez przem ieszczania go, przypadek a, też może indukować się napięcie, o ile strumień obejm ujący te zwoje będzie zm ieniał się w czasie (zasada działania transformatora). Napię cie będzie tym większe, im więcej będzie zw ojów i im szybciej zmienia się strumień.
K ie ru n e k in d u k o w a n ia się n a p ię c ia je s t ta ki, że w przypadku gdy obwód jest zamknięty, to wywołany przez niego prąd i związane z nim sity mechaniczne przeciwdziałają zawsze polu magnetycznemu, które go wytworzyło. Reguta ta nosi nazwę reguty Lenza2. Na jej podstawie określa się zwrot indukowanego na pięcia. Znając kierunek pola m agnetycznego, zgod-
Rys. 2. Pojawienie się napięcia wskutek Indukowania się przez ruch przewodu
UL= - N
UL N A At
-
ii« . «
A‘P At
napięcie indukowane . liczba zwojów ■ przyrost strum ienia i czas, w którym nastąpił przyrost -k«,
i
. t U. i
1. Określ zachowanie się ładunków elektrycznych jednołmłennych oraz ładunków różnoimlennych. ł la c. ca m m u tare - zm ieniać; 2 H e in rich F rie d rich Lenz (1 8 04 -1 85 6 ) - ro syjski fizyk p o ch o d ze n ia n iem ie ckieg o
2. Z jaką wielkością związany jest ruch ładunków elektrycznych i jak określana jest intensywność tych zmian? 3. Co to jest napięcie elektryczne I jak się je mierzy?
Rys. 3. Regula prawej dłoni
i
76
3.2 Obwody prądu stałe j 3.2
77
nhwody pr^du statsgo
4. Co to jest potencjał? 5. W jaki sposób może być wytwarzane napięcie elektryczne? 6. Jakie rodzaje prądów i napięć rozróżniamy w elektrotechnice I jak je oznaczamy? 7. Co to Jest prąd elektryczny I jak się go mierzy?
Najmniejsza, n ie p o d z ie ln a pod w zględem funk cjonalnym część obw odu elektrycznego nazywa się elementem.
8. Opisz pola elektryczne.
o d b io rn ik 1
—C Z U -----
9. Jakie zjawisko nazywamy Indukcją magnetyczną? E l e m e n t y obwodu prądu stałego dzielim y na e le menty czynne (aktywne) i bierne.
10. Opisz pole magnetyczne I podać jego podstawowe własności. 11. Jakie wielkości (I Ich Jednostki) charakteryzują pole magnetyczne?
ź ró d ło
13. Opisz, jak zachowuje się przewód elektryczny umieszczony w polu magnetycznym. 14. Opisz zasadę działania silnika prądu stałego z komutatorem. 15. Na czym polega zjawisko Indukcji elektromagnetycznej?
3.2 Obwody prądu stałego Pod pojęciem obwodu prądu elektrycznego rozumie się przestrzeń lub ośrodek, w którym może wystąpić) zjawisko przepływu prądu elektrycznego. U ■Ą Aby zj'awisko przepływu prądu elektrycznego wystąpiło, konieczne jest spełnienie trzech warunków:| • istnienia źródta energii elektrycznej wym uszającej przepływ prądu, 1 • istnienia sw obodnych ładunków elektrycznych, Ł • istnienia zamkniętej drogi (obwodu) dla przepływu prądu. ; I| ■
Źródła energii elektrycznej nazywam y wymuszeniami. Źródła m ożna podzielić na źródta napięciowe? i prądowe. . Uwzględniając charakter zm ienności napięcia i prądu w czasie, źródła napięciowe, jak i prądowe moż, na podzielić na: źródła prądu stałego, źródła prądu zmiennego i przemiennego.
W zależności od charakteru zm ienności czasowej sygnału wyjściowego źródeł wym uszających obwody|S elektryczne m ożem y podzielić na: • obwody prądu stałego, • obwody prądu zmiennego i przemiennego. |i Drugim warunkiem koniecznym do wystąpienia zjawiska przepływu prądu jest istnienie swobodnych ładunjl ków elektrycznych. Cechę tę wykazują głównie metale, półprzewodniki ielektrolity.Zdolność ośrodka "doj; przewodzenia prądu określa się, podając wartość jego rezystywności. ^
i Pod względem zdolności do przewodzenia prądu elektrycznego ośrodki można podzielić na przewodniki:' półprzewodniki, nieprzewodniki, zwane także izolatorami lub dielektrykami. i Trzecim warunkiem przepływu prądu elektrycznego jest istnienie zamkniętej drogi dla przepływu prądu. 0 b | w ód elektryczny może zawierać jedną łub więcej dróg. O bw ód zawierający tylko jedną drogę przepływu prą| du nazywa się obwodem prostym (nierozgałęzionym). O bwód m ający dwie lub więcej takich dróg nazywa! się obwodem rozgałęzionym. | Zatem obwód prądu stałego to obwód elektryczny zawierający co najmniej jedno źródło prądu stałego I col najmniej jeden Odbiornik energii. O bwody prądu stałego m ogą być obwodami prostymi lub rozgałęzionymi.?^
E le m e n t a m i b ie rn y m i są o d b io rn ik i energii e le k trycznej. Są to głów nie rezystory, lecz m ogą nimi być także kondensatory, cewki indukcyjne, a także urządzenia zazwyczaj pracujące w obw odach prądu stałego ja ko e le m e n ty c z y n n e , n p . a k u m u la to r w trakcie jego ładowania.
Węzłem nazywa się punkt połączenia przynajmniej trzech elem entów o b w o d u . W w ęźle o b o w ią zu je prawo K irchhoffa1, zwane prawem węzłowym, m ó wiące, że suma prądów dop ływ a ją cych do węzła równa jest sumie prądów wypływających z węzła.
o d b io rn ik 2
o d b io rn ik 3
Rys. 1. Prosty obwód elektryczny
A
o d b io rn ik 1
B
ż^ 2 ° 2
C
K — © “
W obwodach elektrycznych wyróżnia się następują ce pojęcia podstawowe: węzeł, gałąź, oczko.
o d b io rn ik 4
i------j
■
o d b io rn ik 3
E
.... J— ---------n o d b io rn ik 5
Rys. 2 . Rozgałęziony obwód elektryczny
Przez pojęcie g a łą ź rozum ie się jeden lub więcej elementów obwodu włączonych między dw om a wę złami. Każda gałąź musi zawierać co najmniej jeden element, będący źródłem lub odbiornikiem energii. Obwód prosty, mający tylko jedną drogę przepływu prądu, ma zatem tylko jedno oczko (rys. 1). Oczko takie m ożna n a zw a ć o c z k ie m e le m e n ta r n y m (ABCD). O bw ód ro z g a łę z io n y m oże s k ła d a ć się z dwóch lub większej liczby oczek elementarnych. Obwód mający dwa oczka elementarne (rys. 2) za wiera w rzeczywistości trzy oczka: dwa elementarne (ABEF i BCDE) i trzecie utworzone z gałęzi zewnętrz nych obu oczek (oczko ABCDEF).
cb
© + 6 V >l
Rys. 3. Strzałkowanle kierunków spadku napięcia
Dla każdego oczka obw odu elektrycznego spełnione jest napięciowe prawo Kirchhoffa. Prawo to stano- ; wl, że algebraiczna suma napięć źródeł znajdujących się w gałęziach danego oczka jest równa algebra- : icznej sumie spadków napięcia na wszystkich odbiornikach tego oczka. Znaki spadków napięcia zależą od kierunków prądów płynących w gałęziach rozpatrywanego oczka. Na ogól przyjmuje się kierunek prądu zgodny z kierunkiem wym uszenia (rozdz. 3.1.4.) działającego w danej gałęzi. Zakłada się również, że zwroty spadków napięć są przeciwne do przyjętych zwrotów prądów gałęziowych. Strzałki odniesienia rysuje się w postaci prostych lub łuków pom iędzy punktami, których różnice poten cjałów mają reprezentować (rys. 3). Grot strzałki oznacza wyższy potencjał (biegun dodatni), począ tek linii strzałki - niższy potencjał (biegun ujemny). 1Gustaw R obort K lrc h h o ll (1824 -1 88 7 ) - niem ie cki fizyk
J
I i
„o c z k o e le m e n ta rn e ”
E l e m e n t a m i czynnym i są źródła energii elektrycz nej Zalicza się do nich baterie, akumulatory, prądni ce generatory, a także niektóre układy i urządzenia elektroniczne.
12. Na jakie grupy dzielimy materiały poddane działaniu pola magnetycznego?
• •
©
78
3.2 Obwody prądu stale ę j
3.2.2 Rezystor w obwodzie prądu stałego
79
3 2 Obwody prądu stałego T a b T P r z y k ła d y kodu lic z b o w e g o rezystorów stałych _ _ _ _ _
. Elementy rezystancyjne należą do grupy odbiorników energii elektrycznej. Idealne elementy rezystancyjne przekształcają energię prądu elektrycznego w ciepto. Podstawową zależnością, opisującą funkcjonow anie elementu rezystancyjnego, jest prawo Ohma. Wiąże'! ono spadek napięcia U z natężeniem przepływającego przezeń prądu / zależnością 5 U=Ft I.
Wartość
Nadruk
Wartość
0,10 Q 1,0 Q 1,33 Q
100 R 10 K 1M
100 O 10 kQ 1 MQ
P rzykład:
Współczynnik proporcjonalności R, zwany rezystancją, jest najważniejszym parametrem elementu rezystancyjnego. Jednostką rezystancji jest om (£2). Wartość rezystancji zależy od wym iarów geom etrycznych elementu (jego długości /, przekroju S), a także ocj zdolności zastosowanego m ateriału do przewodzenia prądu *
Tab. 2. Obciążalność i wymiary rezystorów warstwowych węglowych Obciążalność w tempera turze 70°C
ioon
Długość / (mm)
Średnica d (mm)
0,25 W 0,33 W 0,5 W t W 2W
100 R +10% I-----
N
- ....'aj
2,5 3 5 8 9
7 ■ 8 13 20 32
Hezystory stałe Wartości rezystancji w raz z dopuszczalnymi odchyłkami (tolerancją) można przedstawić w postaci: •
nadruku, np. 100 Q ± 1 % ,
• kodu kolorowego, • kodu liczbowego, np. 100 R.
R=Pć gdzie p - jest rezystywnością, [p ]= Q m . Rezystywność m ateriału jest w ielkością, której wartość zależy od warunków zewnętrznych, takich jak]!temperatura, wilgotność, oświetlenie Itp. Zjawisko wpływu tem peratury na wartość rezystywnoścl została wykorzystana w budowie dokładnych czuj-! ników temperatury. Jako m ateriału do Ich budow y używa się na ogól platyny, a najczęściej stosowany czuj-nik Pt100 ma rezystancję 100 Q w tem peraturze 273 K. 7
3.2.2.1 Budowa rezystorów, Ićh wtaściwbści i pznaczenla
Kod liczbowy stosowany jest najczęściej przy elementach o dużych rozmiarach, a szczególnie do rezystorów o dużej mocy i specjalnej budowie (tab. 1). Paskowy kod kolorów podano w norm ie PN-EN 60062. Powszechnie stosuje się kody cztero- i pięciopaskowe. Przewiduje się także stosowanie w oznaczeniu rezystora szóstego paska, określającego współczyn nik temperaturowy rezystancji (tab. 3). Aby odczytać wartość rezystancji, należy ustalić kierunek odczytywania kodu kolorów. Przyjmuje się, że: • pierwszy pasek znajduje się w pobliżu jednego z wyprowadzeń, • ostatni pasek często jest szerszy od pozostałych.
Spośród wszystkich elem entów rezystancyjnych (zwanych rezystorami, dawniej opornikam i) wyróżniamy re zystory liniowe I nieliniowe. Elementy rezystancyjne liniowe są wykonywane jako stale lub zmienne. Rezystory stale mają bardzo szerokie zastosowanie (tab. 1). Tab. 1. Rodzaje rezystorów stałych Rezystor Drutowy
“ i . . ...
H IS 1 0 » C
'
Materiał rezystancyjny
Struktura, wytwarzanie
Stop metalowy, np. konstantan, manganin, chromonikielina
Korpus ceramiczny w postaci walca z nawiniętymi zwojami Małe wartości rezystancji, np. rezystory pomiarowe drutu oporowego
k ¡j i
^
Uzwojenie pokryte jest warstwą cementu
Węglowy warstwowy
Warstwa węglowa
Metalizowany lub Warstwa metalu, powlekany warstwowy np. chrom - nikiel
•“M O ® ® **“ Z tlenków metali
Właściwości i zastosowanie
Tlenek metalu, np. tlenek cynku
Uzwojenie jest chronione warstwą ceramiki Na korpusie ceramicznym nałożona jest warstwa wę glowa zabezpieczona na zewnątrz powloką lakieru Warstwa metalu jest napylona na korpus ceramiczny i chroniona lakierem od czynników zewnętrznych Korpus ceramiczny pokryty jest tlenkiem metalu
Rezystory o dużych stratach mocy, stosowane np, i w odbiornikach telewizyjnych, Muszą być montowa-, ne z odpowiednim zabezpieczeniem miejsca lutowa nia, aby zmniejszyć wpiyw wydzielanego w nich ;s ciepła na pozostałą część obwodu elektrycznego . Rezystor może nagrzewać się do temperatury około 350°G. Zastosowanie: rezystory obciążenia, Najczęściej stosowane w elektrotechnice >{ jako rezystory szeregowe
Rezystory pomiarowe o tolerancji ± 0,01%, ■; stabilne temperaturowo Stosowane jako rezystory mocy, gdy temperatury na powierzchni osiągają wysokiE wartości (do 250°C)
Możliwości obciążania i wymiary rezystorów stałych Rezystory' zamieniają energię elektryczną w ciepło. Możliwość obciążania rezystora zależy od jego w y miarów linowych i temperatury otoczenia oraz rodza ju zastosowanych materiałów. W ym iary zewnętrzne rezystorów węglowych przedstawiono w tab. 2. Im większa jest pow ierzchnia rezystora, tym w iększą energię może on oddać w postaci ciepła w ciągu 1 s. Im wyższa temperatura otoczenia, tym zdolności do oddawania ciepła są mniejsze (rys. 1 na następnej stronie). Tym samym moc, którą można go obcią żyć, jest mniejsza. Przykład: Rezystor z tlenku metalu może być w temperaturze otoczenia 100°C obciążony m aksym alnie tylko do 70 % mocy znamionowej (rys. 1 na następnej stronie).
Tab. 3.
Paskow y kod ko lo ró w do o zn aczenia rezystorów w ęglo w ych
Wartości rezystancji (Q)
K o lo r
Skróty nazw koloru wg. PN-EN 60062
_ srebrny zloty czarny brązowy czerwony pomarańczowy żółty zielony niebieski fioletowy szary biały
2 c y fra
-
-
SR GD
-
-
-
-
BK BN RD OG
1 2 3 4 5 6
0 1 2 3 4
YE GN BU
VT GY WH
Przykład:
7 8 9
5 6 7 8 9
M n o ż n ik
_ 10"2 10~1 10° 10> 102 103 104 105 10° ,107 1 0° 109
jr
Rezystory zmienne Rezystory zmienne dają m ożliw ość ciągłej (bezstopniowej) zmiany wartości rezystancji. Mają trzy wyprowadzenia.
1 c y fra
brązowy
, t
czerwony
pomarańczowy
2 103 12kQ ± 5%
zloty
5% ,
Tolerancja
± ± ± ± ±
20% 10% 5% 1% 2%
-
_ ± 0 ,5 % ± 0 ,2 5 % ± 0 ,1 %
_ -
T i
3.2 Obwody prądu statęgoj
80 W potencjometrach i tzw. trymerach suwak porusza się po odpow iednio uform owanej ścieżce rezystancyjnej (rys. 2). W potencjometrach o konstrukcji liniowej suwak poru sza się liniowo po warstwie węglowej lub przewodzą cej taśmie z tworzywa. W potencjom etrach obrotow ych ścieżka ma kształt wycinka okręgu (rys. 2). Przy dużych obciążeniach potencjom etry obrotow e buduje się w postaci rezy storów drutowych. Małe potencjometry obrotowe (trymery) strojone są za pom ocą wkrętaka. Są one m.in. stosowane do ustawiania punktu pracy tranzystorów. Rezystory zmienne wykonuje się dla m ocy od 0,2 W do 500 W.
20
40
t mneratura pracy może zmieniać się w zakresie od + 3 0 °C do + 2 20 °C. Rezystancje znamionowe termiUrrów PTC odnoszą się do temperatury 25°C. Termistory PTC (rys. 5 na poprzedniej stronie) mają najczę ściej wyprow adzenia p rzystosow ane do lutow ania. Są stosow ane ja k o og ra n iczn iki prądu (rys. 6 na prz e d n ie j stronie). Jeżeli prąd I L wzrasta powyżej wartości granicznej, to term istor PTC silnie się nagrze wa Rezystancja szybko rośnie i ogranicza wartość prądu. O dbiornik R1 jest w ten sposób chroniony przed przeciążeniem.
60 80 100 120 140 °C 180 temperatura otoczenia ” —
Warystory (rezystory VD R1)
Rys. 1. Moc obciążenia w funkcji temperatury
Rezystancja warystorów zmniejsza się, gdy napięcie rośnie. Warystory (rys. 7 na poprzedniej stronie) ograniczają wartość napięcia, np. w odbiornikach telewizyjnych ¡układach przekaźnikowych (rys. 8 na poprzedniej stronie).
symbol
y
s7
/
. i—
". 2 .2.2 Łączenie szeregowe rezystorów
Rezystory nielinibwe
Przy połączeniu szeregowym dwójniki czynne lub bierne połączone są jeden za drugim (rys. 1).
Rys. 2. Rezystor obrotowy Rezystory nieliniowe są elementami, których rezy stancja nie jest wielkością stalą i zmienia się w za leżności od różnych wielkości fizycznych, np. tem peratury, napięcia, światła albo ciśnienia.
W p o je d yn czym o b w o d z ie z a m k n ię ty m p rz e z wszystkie rezystory po łą czo ne szeregow o płynie taki sam prąd, poniew aż nie ma w nim żadnych rozgałęzień. Z godnie z praw em Ohma, n a p ię cio wym prawem K irchhoffa i m atem atyczną zasadą rozdzielności m nożenia w zględem dodaw ania m o żemy stw ie rdzić, że re z y s ta n c ja c a łe g o u k ła d u równa jest sumie rezystancji poszczególnych rezy storów.
Rezystorami nieliniowymi są np. termistory NTC, PTC i warystory. Stosuje się je w przyrządach pom iaro wych; układach sterowania i regulacji. Termistory NTC1 Wraz'ze wzrostem tem peratury rezystancja termistora NTC zmniejsza się.
tolerancja
-
±10%
mnożnik
-
102
2. cyfra kolor
-
0
Suma wszystkich napięć w oczku obw odu pokaza nego na rys. 1 jest równa zero (drugie praw o Kir chhoffa) j Dla oczka tego mamy
1. cyfra kolor 1 Term istory NTC pracują w zakresie tem peratur od 10.102n ± 1 0 % =1 kQ ± 10% ok. -5 0 °C do + 3 00 °C i mają m oce znam ionowe od 0,2 do 5 W. Termistory NTC (rys. 3a) mają b udo Rys. 4. Oznaczenie na termistorach typu NTC wę dyskową. Do oznaczania wykorzystuje się pas kowy kod kolorów (rys. 4). Kolory odpow iadają takim samym cyfrom, ja k w p rz y p a d k u re z y s to ró w sta łych. Na te rm isto ra ch z m oco w a R1 niem śrubow ym umieszcza się na druk z w a rto ś c ią re zysta n cji (rys. 3b ). Z n a m io n o w e w a rto ś c i re zy Rys. 6. Termlstor PTC w układzie Rys. 5. Widok obudowy I symbol stancji te rm is to ró w NTC o d noszą termlstora typu PTC ogranicznika prądu s ię d o w z o rc o w e j te m p e ra tu ry 2 5 °C. Są one stosow ane m .in. do k o n tro li te m p e ra tu ry w p ra lk a c h i zamrażarkach.
Rys. 7. Widok obudowy I symbol warystora VDR
U, _ f i, U R
U Uy, U2 R R f, R2
-
U, fi, U2 ~ Rs
napięcie całkowite napięcia cząstkowe rezystancja zastępcza poszczególne rezystancje składowe
Przy połączeniu szeregowym na każdym z rezystorów występuje tylko część napięcia. Cale napięcie rozkła da się na poszczególne rezystory. Przy połączeniu szeregowym suma napięć cząstkowych jest równa cał kowitemu napięciu przyłożonemu. Napięcia cząstkowe są proporcjonalne do odpowiednich wartości rezy stancji. Jeżeli zmierzymy om om ierzem rezystancje p o szczególnych rezystorów i rezystancję ca ie g o układu, stwierdzimy, że rezystancja układu równa jest sumie rezystancji poszczególnych rezysto rów. Rezystancję całego ukiadu nazywamy rezysta n cją zastępczą. Płynie przez nią prąd o takim sam ym natężeniu, jak przez rezystory połączone szerego wo. Jeżeli w szystkie n rezystory m ają taką sam ą wartość rezystancji f i, , to rezystancja zastępcza łych rezystorów wynosi
Rys. 8. Warystor VDR w układzie ogranicznika napięcia
1 NTC (ang, N e ga tka Temperaturę Coetficent) = ujem ny w spółczynnik tem p e ra tu ro w y; 2 P TC (ang. P o s ilk e Tem p eratu ro C o e fiicie n t) = d o d a tn i w s p ó łc z y n n ik te m p e ra tu ro w y
VOR (ang. Voltagu D e p e n d o n t R e sistor) ~ re zystor zatoźny o d n apięcia
• S ir ;
R = f i, + R2 + ...
tzn. suma napięć wszystkich źródeł równa jest sumie wszystkich spadków napięć na odbiornikach.
O
Termistory PTC2
U = u , + u2 + ...
U - U 2 - U , =0,
.ił
R e z y s ta n c ja te rm is to ra PTC zwiększa się wraz z temperaturą.
81
3 2 Obwody prądu stałego
Jl
J O
U
'
oczko
j) R2^
Rys. 1. Łączenie szeregowe rezystorów
3.2 Obwody prądu stategą-
82
prąd I jest PrE!d e m dopływającym do węzła, a prądy ' i | /z są prądami odpływającymi.
R = n R). Elem enty łączy się szeregowo, gdy dopuszczalne n a p ię c ie ro b o c z e p o je d y n c z e g o e le m e n tu je s t m niejsze niż c a łko w ite napięcie przyłożo n e . O d b io rn ik m ożna przyłączyć do napięcia w iększego niż je g o napięcie znam ionow e, jeżeli d o łączy się dodatkow o rezystor szeregowy. Rezystor ten musi być tak dobrany, żeby odłożył się na nim nadm iar n a p ię cia oraz żeby w ytrzym a ł prąd zna m io n o w y o d b io rn ika . R ezystory szeregow e stosuje się np. p rzy n e o n ó w ka ch , a także p rzy d io d a ch Z enera i diodach LED. W każdym obwodzie są połączone szeregowo: prze w ó d dopływ ow y, o d b io rn ik i przew ód odpływ ow y. Ponieważ przew ody mają rezystancję, to m am y do czynienia z szeregowym połączeniem rezystorów.
o o Obwody prądu stałego_______________________
83
/ — i ] 4- / 2 +
A, A
...
Rz
jeżeli w układzie występuje n jednakow ych rezystoróWi to całkowite natężenie prądu wynosi l= n /,. Przez rezystor o m niejszej rezystancji płynie prąd o większym natężeniu, a przez rezystor o większej rezystancji płynie prąd o mniejszym natężeniu. Jeżeli połączymy szeregowo żaróweczkę 6 V/0,3 i rezystor nastawialny ze źródłem napięcia 24 V i przy pom ocy tego rezystora ustawimy prąd zna* m ionowy żaróweczki, to na rezystorze odłoży się napięcie 18 V, a wartość tego rezystora wynoslś będzie 60 Q. |
1
Na każdym przewodzie, przez który płynie prąd, powstaje spadek napięcia, który jest tym większy, im włęk| sze jest natężenie prądu lub wartość rezystancji przewodów. Spadek napięcia na przewodach jest powodenjj straty energii, która zamienia się w ciepło. J ;li
3.2.2.3 Łączenie równolegle rezystorów Przy połączeniu rów noległym jednakow e zaciski źródeł i odbiorników są ze sobą połączone (rys. 1). Woffl bec tego w szystkie dw ójniki połączone rów nolegle są przyłączone do tego sam ego napięcia. Każda dwójnik może zostać przyłączony albo odłączony niezależnie od pozostałych. I
Przy połączeniu rów noległym p rą d y składow e są odwrotnie proporcjonalne do odpow iednich w arto ści rezystancji, a tym samym w prost proporcjonalne do odpowiednich wartości ko n d ukta n cji. Z godnie z prawem Ohma, prądow ym (pierwszym ) prawem Kirchhoffa i m ate m a tyczną zasadą ro zd zie ln o ści mnożenia w zględem dod aw an ia m ożem y stw ie r dzić, że przy połączeniu rów noległym k o n d u k ta n cja zastępcza jest rów na sum ie konduktancji ele mentów składowych.
L = A + A R A fl,
■
G = R
Przy n Jednakowych rezystorach:
G ~ G-j + Gg + ... Przy dwóch różnych rezystorach: R = r ł' A A + A
R = - 1 n l li i 1z R A, A G G i, G2 n
-
całkowite natężenie prądu natężenie prądów składowych rezystancja zastępcza rezystancje składowe konduktancja zastępcza konduktancje składowe liczba jednakow ych rezystorów
Przy połączeniu równoległym rezystancja zastępczego rezystora jest mniejsza od najmniejszej rezystancji rezystorów. Wobec tego konduktancja zastępcza G jest większa. Przy równoległym połączeniu n jednakow ych rezystorów rezystancję zastępczą m ożna bardzo łatwo poli' czyć: wystarczy w tym celu podzielić rezystancję jednego rezystora przez liczbę rezystorów w układzie.
3.2.2A Szeregowe i równolegle łączenie rezystorów Układ, w którym o d biorniki są połączone zarów no szeregowo, jak i rów nolegle, nazywam y u kła d e m o połączeniu m ieszanym .
W ła ś c iw o ś c i p o łą cze nia ró w n o le g łe g o Jeżeli przyłączym y do akum ulatora dwa rezystory różnej wielkości, okaże się, że panują na nich jedna kowe napięcia.
Połączenie m ieszane może się składać w najpro stszym przypadku z trzech rezystorów. Można je po łączyć na dwa sposoby (rys. 1, rys. 2). Rezystor zastępczy układu o połączeniu mieszanym określamy zastępując kolejno rezystoram i zastęp czymi rezystory połączone szeregowo lub rów nole gle. Takie u p ro szcze n ie p rze p ro w a d za się aż do chwili, gdy oaly układ o połączeniu mieszanym d o prowadzi się do postaci pojedynczego połączenia szeregowego lub równoległego.
Przy połączeniu rów noległym na wszystkich re zystorach panuje takie samo napięcie.
Jeżeli zm ierzym y natężenia prądów na obydwu re zystorach i natężenie prądu całkowitego, stwierdzi my, że natężenie prądu całkowitego jest większe niż natężenie w każdym z rezystorów z osobna.
Przy połączeniu równoległym natężenie prądu całkowitego jest równe sumie prądów cząstkowych.
- j|
W węźle obw odu suma prądów dopływających jest równa sumie prądów odpływających (pierwsze prawo Kirchhołfa). Dla węzła na rys. 1 m am y zatem
Przykład: Rezystory o rezystancjach A = 50 Q, f l 2= 6 0 Q oraz f l 3= 4 0 q tw o rz ą p o łą c z e n ie m ie s z a n e pokazane na rys. 1 . O blicz w artość rezystancji rezystora zastępczego R. Rozwiązanie:
A = A + f l2= 5 0 £2+60 £2=110 Q A
A ’A A + A
_ 1 1 0 Q -4 0 £2 =29,3 a 110Q +40Q :
ąJJ
= > .
[]
R ą~R i -i- Fi2
fl3[ j
= > „
R,rf? 3
Rys. 1, Połączenie mieszane 1 z trzema rezystorami
g
3,2 Obwody prądu sta|60l
84
3 2 3 Kondensator w obwodzie prądu stałego i
/ prąd ładowania
K o n d e n s a to r jest elementem biernym obw odów elektrycznych, wykazującym zdolność grom adze nia ładunku elektrycznego pod wpływem wystę pującego napięcia, co m ożna ująć zależnością
+
K ond ensa tory State
kierunek mchu unek ru elektronów ektronć
K ondensatory zw ijane - okładziny metalowe takie00 kondensatora są wraz z dielektrykiem zwinięte w ciasny zwój (rys. 1). Zwój zostaje zwykle umiesz czony w m etalowej osło n ie , któ re j o ba końce są uszczelnione masą zalewową w celu ochrony przed
i Rys. 1. Ładowanie kondensatora
wilgocią. dipole elektryczne
. ła d u n k i/ w p ływ a ją ce'\
- . 0
©
+
- ©
©
+
©
+
.
+
© ©
Najczęściej kondensator zb udow any je st z dwóch płyt przewodzących, pom iędzy którym i znajduje się dielektryk, m ateriał izolacyjny. Pojem ność takiego kon d en sa to ra p ła s k ie g o zależy od pola powierzch ni płytek S, odległości d m iędzy nimi (grubość die lektryka) i wartości przenikalności elektrycznej e i jest wyrażona zależnością
C = eS
YY podziało kondensatorów ze względu na budow ę wyróżniam y k o n d e n s a to ry o sta tych w a rto ścia ch pojemności (stale) i k o n d e n s a to ry o z m ie n n ych w a rto ś c ia c h p o je m n o ś c i (nastaw ialne).
- 0
O = C ■U. Podstawowym parametrem kondensatora jest współ czynnik proporcjonalności C, zwany p o je m n o ś c ią e le k try c z n ą (w skró cie p o je m n o ścią ). Je d n ostką pojem ności jest farad1 [F] - iloraz ku h m b a i wolta [C/V] albo sekundy i oma [s/Q ], W praktyce stosuje się jednostki mniejsze: mikrofarady, nanofarady i pikofarady.
©
+
-
©
©
+
-
©
©
+
.
©
©
+
-
©
©
+
-
©
©
+
Rys. 2. Polaryzacja dielektryków
Jeżeli kondensator płaski, zawierający m iędzy płytkam i powietrze, przyłączym y do źródła napięcia stałegi to na obu płytach zgrom adzą się ładunki o przeciwnych znakach (rys. 1). Jeżeli pom iędzy okładki konder satora w prow adzim y dielektryk, to zaobserwujem y znaczny wzrost pojem ności w porównaniu z poprzedni stanem. Powodują to ładunki wewnętrzne zawarte w izolatorze. Pod wpływem pola elektrycznego ulegaj one elastycznemu przem ieszczeniu i tworzą d ip o le e le ktryczn e , które wzmacniają pole elektryczne (rys. 2j Dipol elektryczny to taka cząsteczka materiału dielektrycznego, dla której występuje przemieszczenie ląduj ków elektrycznych, tak że pod względem elektrycznym tworzy się układ dwóch związanych ze sobą ładuj ków elektrycznych o przeciwnych znakach. Zjawisko to nosi nazwę p o la ryza cji e le ktryczn e j. ® Najważniejszym param etrem dielektryka jest przenikalność elektryczna. Zwykle jej wartość odnosi się d wartości przenikalności elektrycznej próżni e0 i podaje się tylko wartość przenikalności elektrycznej wzglęt nej t> dielektryku e = i'0 t'f. P rze n ika ln o ść w zg lę d n a ą je s t wartością nlem ianowaną i wskazuje, ile razy przenikalność dielektryka je| większa od przenikalności próżni e0 = 8,85 pC/(Vm). Drugim parametrem dielektryków jest wytrzym ałość elektryczna na prze b icie . Przebiciem nazywamy zjav| sko wyładowania elektrycznego, jakie m oże wystąpić w przestrzeni m iędzy płytkami kondensatora. Wskutf tego zostaje w ypalona ścieżka w dielektryku, który traci właściwości izolacyjne. W ytrzymałość na przebici określa się podając najmniejszą wartość napięcia, dla której w określonych warunkach (temperatura, w i'""! ność, ciśnienie) wystąpi przebicie dielektryka. 1 M ic h a e l Faraday (1 7 91 -1 86 7 ) - a ng lo lskl fizyk i ch e m ik
85
j o nhwody prądu stałego'
Kondensatory p a p ie ro w e mają dielektryk złożony z dwóch lub więcej warstw papieru celulozowego. Okładziny są wykonane z folii aluminiowej. Końcówki ¡wyprowadzenia z drutu) są przyspawane do cienkich blaszek, które zostają zwinięte wraz z całym pakietem. K o n d e n s a to ry z d ie le k tr y k ie m z f o l ii mają dielektryk w postaci folii z tworzywa sztucznego, np. polipropy lenu, poliestru lub poliwęglanu. Okładziny są wykona ne z folii aluminiowej. W przypadku kondensatorów z folii metalizowanej (kondensatory MK) okładziny są napylane na folię w próżni. W ten sposób można przy ■tej samej pojemności uzyskać mniejsze wymiary kon densatora. Kondensatory z dielektrykiem z folii charakteryzują się bardzo dobrą stałością pojemności oraz dużą rezy stancją izolacji. ■ Kondensatory MK naprawiają się same. Jeśli nastą pi przebicie dielektryka, w m iejscu p rze b icia p o wstaje wyładowanie lukowe i cienka warstwa m eta liczna wyparpwuje. Powstaje strefa pozbaw iona me talu, dzięki czemu nie dochodzi do zwarcia okładzin 1trwałego uszkodzenia kondensatora. Kondensatory tego typu nadają się szczególnie do montażu na płytkach z obwodam i drukowanym i. Kondensatory fo lio w e ta n talo w e mają anodę w y konaną z szorstkiej folii tantalowej, która wraz z folią katody i porowatą przekładką jest zwinięta w ciasny zwój (rys. 2a). Zwój zostaje nasycony elektrolitem. Wskutek utleniania towarzyszącego form owaniu na anodzie tw orzy się w a rstw a p ię c io tle n k u ta n talu Ta20 5, służąca jako dielektryk.
Kondensatory elektrolityczne mają dielektryk w pos taci cienkiej warstwy tlenku. Dzięki temu można pro dukować niewielkie kondensatory o dużych pojemnoś ciach. Kondensatory elektrolityczne aluminiowe zawiera ją zwój z dwóch taśm aluminiowych z przekładką pa pierową (rys. 3). Papier jest przesycony elektrolitem. Producenci japońscy stosują nasiąkliwy papier zro biony z włókien bambusowych. Wskutek tego uzysku je się lepsze własności elektryczne. Takie kondensato rynazywane są ko n d en sa to ram i bam busow ym i.
szkło
MnOz
spiek tantalowy nasycony elektrolitem
Rys. 2. Budowa kondensatorów tantalowych
przekładka papierowa nasycona elektrolitem
/
\
I},;, f fi.T. + + * |
m-i taśma aluminiowa aioksydowana
taśma .
' aluminiowa
Rys. 3. Budowa kondensatora elektrolitycznego
3.2 Obwody prądu state0„
86 W kondensatorach elektrolitycznych alum iniowych o stałym elektrolicie biegun ujem ny jest wykonany z warstwy tkaniny szklanej wypełnionej dwutlenkiem manganu, pełniącym rolę półprzewodnikowego elek trolitu stałego. Do obydwu elektrod doprowadza się napięcie stale w celu formowania. Na anodzie tworzy się wtedy cienka warstewka tlenku aluminium, służą ca jako dielektryk. W przypadku kondensatorów nie spolaryzowanych form uje się obydwie taśmy alumi niowe. Potrzeba na to nieco więcej miejsca. Konden sator spolaryzowany można przyłączać do napięcia stałego tylko zgodnie z podaną biegunowością.
K o n d e n s a t o r y elektrolityczne aluminiowe do montażu powierzchniowego (rys. 2 ze strony poprzedniej) są kon densatorami zwijanymi o elektrolicie płynnym. Ich elektrody są wykonane z silnie bruzdkovyej folii aluminiowej. Tantalowe kondensatory do montażu pow ierzchniow ego mają anodę w kształcie prostopadłościanu w yko naną ze spiekanego tantalu, przy czym ziarenka tantalowe pokryte są cienką warstewką pięciotlenku tantalu Ta2Os (rys. 3 ze strony poprzedniej). W skutek tego anoda jest otoczona elektrycznie uform owaną war stewką dielektryka.
Wielowarstwowe ceram iczne kon densatory do montażu pow ierzchniow ego są elem entam i o bar dzo zwartej budowie. Mają one dielektryk z folii ce ramicznej, na której naniesione są elektrody metodą sitodruku (rys. 4 ze strony p op rzedn iej). Dzięki spiekaniu ceram ika nabiera bardzo d o b rych w ła sności.
Kondensatory obrotow e składają się zwykle z dwóch pakietów płytek metalowych: pakietu nieruchom ego j pakietu obrotowego. Pojemność kondensatora jest największa, gdy płytki pakietu obrotow ego są całko wicie wsunięte (przez obracanie) pom iędzy płytki pakietu nieruchom ego. D ielektrykiem je st zwykle powietrze, więc współczynnik stratności je st maty. Kondensatory obrotowe są używane np. w urządze niach radiowych i telewizyjnych do strojenia obw o dów rezonansowych.
Kondensatory do m ontażu p o w ierzch n io w eg o (SMD) są elementami o bardzo m ałych rozmiarach, które m ontuje się bezpośrednio na powierzchni pły-
iii! »
:
kondensatory z warstwą podwójną
........
kondensatory elektrolityczne
ogniwa . galwaniczne
|
Kondensatory nastawiaine
Kondensatory tantalowe spiekowe mają anodę wy konaną ze spiekanego proszku tantalowego (rys. 2b ze strony poprzedniej). W skutek utleniania podczas form ow ania na jej powierzchni pow staje pięciotle nek m anganu. Katodę kondensatora tantalow ego spiekowego o płynnym elektrolicie tworzy kwas siar kowy albo roztwór chlorku litu. W kondensatorach 0 stałym elektrolicie anoda je st nasycona roztw o rem azotanu m anganu, który rozkłada się przy na g rz e w a n iu , tw o rz ą c d w u tle n e k m a n g a n u M n 0 2 1osiada jako elektrolit stały wewnątrz porów i na po wierzchni anody.
Kondensatory mikowe posiadają warstwę dielek tryczną w ykonaną z miki. Płytki z m iki są pokryte dobrze p rzylegającą w arstw ą przew odzącą. Kon densatory m ikowe stosuje się w układach nadajni ków i układach pom iarowych, ponieważ m ają bar dzo maty współczynnik strat.
■
Wśród kondensatorów nastawialnych rozróżniam y kondensatory obrotowe i kondensatory dostrojcze (trymery).
Spolaryzowane kondensatory elektrolityczne ule gają zniszczeniu, jeśli zostaną przyłączone nie zgodnie z oznaczoną biegunowością.
Kondensatory ceramiczne mają jako dielektryk ma sę ceramiczną. Wytwarza się je jako kondensatory rurkowe lub pastylkowe.
87
nhwody prądu stałego
tek z obwodami drukowanym i. Połączenia te w ykonuje się w automatach m ontażowych. Takie kondensatory adają się szczególnie przy wysokich częstotliwościach, ponieważ mają bardzo małe wym iary oraz bardzo krótkie końcówki montażowe (rys. 2 ze strony poprzedniej).
W napięciu stałym może występować składowa napię cia przemiennego. Nie może ona jednak przekraczać pewnej wartości, zależnej od napięcia znamionowego kondensatora. Jeżeli kondensator spolaryzowany zo stanie przyłączony do napięcia stałego odwrotnie do oznaczonej biegunowości, warstwa tlenku na anodzie się rozkłada, co wreszcie prowadzi do zwarcia okła dzin. Wydzieli się przy tym tak dużo ciepła, że konden sator zostanie zniszczony. To samo stanie się, gdy na łożona składowa przemienna będzie zbyt duża.
Tantalowe kondensatory elektrolityczne stosuje się jako kondensatory sprzęgające oraz jako kon densatory w układach filtrów.
r, o
-
rodzaj budowy
Rys. 1. Z ak re sy p o jem nośc i różnych elem en tó w m agazy n u ją cych en e rg ię
węgiel aktywny
war stwa pod vójna elektrolit organiczny ^
3
Kondensatory obrotowe różnicowe mają dw a pakie ty płytek nieruchomych, pom iędzy którym i znajduje się pakiet obrotowy. Działają one ja k nastaw iaine pojemnościowe dzielniki napięcia.
wyprowadzenlo| katoda -
R ys. 3. B u dow a ko n d en sato ra tan ta lo w e g o do m o ntażu po w ierzc h n io w e g o ......................- .......................wyprowadzenia — — •—
...
...
elektrody
/
J i ii
R ys. 4 . B u d o w a k o n d e n s a t o r a w ie lo w a r s t w o w e g o , cera m ic z n e g o d o m ontażu pow ierzchniow ego
Kondensatory dostrojcze (trymery) służą do je d norazowego nastawienia pojem ności i są stosowa ne w aparaturze radiowej, telewizyjnej i pomiarowej do dokładnego dostrajania obwodów, Trymery stużą do jednorazowego nastawiania pojemności. Trymery płytkowe składają się z dwóch płytek ce ramicznych jako dielektryka, na które napylone są okładziny ze srebra. Nastawianie pojem ności pole ga na obracaniu płytek za pośrednictwem o d p o wiedniej śrubki. Powierzchnia, na której okładziny się pokrywają, zmniejsza się wtedy albo zwiększa.
Trymery rurkowe mają często postać rurki cera micznej z n a ło żo n ą tu le jk ą z m osiąd zu . D rugą okładziną jest śrubka wkręcana do wnętrza rurki. W trymerach dociskowych zmienia się odstęp po między dwiema okrągłym i płytkami metalowymi.
^
•'
cząsteczka węgla aktywnego (jako oddzielny maiy kondensator}
R ys. 2 . TW orzenie w arstw y pod w ójnej
zagęszczenie ładunków
węgiel aktywny
rozładowanie
węgiel aktywny
Rys. 3. Ł a d o w a n ie I rozład o w an ie kon densatora
3.2 Obwody prądu staM
88 K o n d e n sa to ry z w a rstw ą p o d w ó jn ą (do m agazynow ania e n e rg ii) elektroda węgiel aktywny
.górna część : obudowy
Wnbec tego napięcia na kondensatorach muszą być dwrotnie proporcjonalne do pojem ności, tak aby kondensatory m ogły przyjąć jednakow e ładunki.
kubek z aluminium!
koszulka
przy połączeniu szeregowym odw rotność pojem ności zastępczej jest równa sum ie odw rotności pojemności kondensatorów składowych.
termokurczliwa zwój blachy ' aluminiowej
Łączenie rów noległe
Podczas ładowania kondensatora z warstwą podw ójną następuje, wskutek zjawisk zachodzących w elektrl licie, zagęszczanie ładunków w warstwie (rys. 3 ze s tro n y p o p rze d n ie j). Każda cząsteczka węgla zachowj je się przy tym jak oddzielny m ały kondensator. I Zjawiska elektrochem iczne pow odują także występowanie wewnętrznej rezystancji. W ynosi ona od 100 (I w małych kondensatorach do kilku m fi w dużych. W ytrzymałość napięciowa kondensatora z warstwą pif dwójną wynosi około 3 V. Przy długotrwałym przekroczeniu tego napięcia warstwa podwójna zostaje znls| czona, a elektrolit ulega rozkładowi. Dlatego też napięcie znam ionowe takiego kondensatora wynosi tyll| 2,5 V. Kondensatory z warstwą podw ójną o napięciu znam ionowym równym 5,5 V są złożone z dwóch kol densatorów połączonych szeregowo. Kondensatory z warstwą podwójną mają, podobnie jak kondensatoif elektrolityczne, oznaczoną biegunow ość. Dostępne są dwa rodzaje kondensatorów z warstwą podwójni ko n d en sa to ry m asow e dla m niejszych poje m n o ści i ko n d en sa to ry zwijane dla większych pojem nośij W tym drugim przypadku drobiny węgla aktywnego są zmieszane ze środkiem wiążącym i nanoszone lif blachę aluminiową, która następnie zostaje zwinięta (rys. 1).
Na kondensatorach połączonych równolegle wystę puje takie samo napięcie (rys. 1). Ładunek całkowity jest równy sumie ładunków obydwu kondensatorów, czyli O ~ Or H- 0 2 • A ponieważ pojem ności są p ro p o rcjo n aln e do ła dunków, więc
Przy szeregowym połączeniu dwóch kondensatorów
=>
U = U-i + u 2 -1 = ± + l C Cl c2
O c
O c, + ".
i
O c2 ■ Ppoo
wyprowadzenie^
II
dolna część obudowy
Przy połączeniu równoległym ładunek, a więc także p o je m n o ś ć zastępcza, są większe niż jednego z kon densatorów uktadu.
00
uszczelnienie gumcw z warstwa weola ¡I aktywnego
Elektrody kondensatora z warstwą podwójną są zbu Rys. 1. Budowa kondensatorów z warstwą podwójną J dowane z węgla aktywnego uzyskiwanego w procesie wytlewania1 w łókien fenolowych. Elektrody z węgla aktywnego m ająbardzo dużą powierzchnię czynną, około 2000 cm 2 na gram masy węglowej. Jeżeli nasyci się w elektrolitem organicznym, na granicy między elektrodą i elektrolitem wystąpią dodatnie i ujemne ładunki elef tryczne. Powstaje bardzo cienka warstwa podwójna pełniąca rolę dielektryka (rys. 2 ze s tro n y poprzednlejjj Ma ona grubość zbliżoną do średnicy cząsteczki. A ponieważ dla kondensatora z warstwą podwójną taki| słuszna jest zależność C ~ S/d, je g o pojem ność jest znacznie większa niż dow olnego innego kondensatora!
O = Cr J- C2 . Przy równoległym połączeniu dwóch kondensatorów i Przy połączeniu równoległym pojem ność zastępi cza jest równa sumie pojem ności składowych.
j O “ O 1 -ł- O 2
I
C
=
C i
+
Co
| = * C - l / = C j -U + C2 -U \ Pojemności zastępcze m ieszanych po łą cze ń kon densatorów otrzymuje się, obliczając pojem ności za stępcze poszczególnych gałęzi, w których elementy są połączone szeregowo albo równolegle.
C C i,C 2
- pojem nośćzastępcza - pojem ności składowe
3.2.4 Cewka w obwodzie prądu stałego Indukcyjność cew ki 0= LI
3.2.3.2 Łączenie szeregowe I równoległe kondensatorów Łączenie sze re g o w e Przy szeregowym połączeniu kondensatorów na każdym z nich występuje napięcie cząstkowe i jest oą| mniejsze niż w przypadku połączenia pojedynczego kondensatora do pełnego napięcia. Przy połączeniu szeregowym pojem ność zastęp cza je s t zaw sze m niejsza niż p o je m n o ść n a j mniejszego kondensatora.
Cewka indukcyjna jest typowym elementem indukcyjnościowym. Idealne elementy indukcyjnościow e gromadzą energię prądu elektrycznego w postaci pola magnetycznego. Ich oddziaływ anie przejawia się w obwodach prądu zm iennego oraz w stanach nieustalonych w ystę p u ją cych w o b w o d a c h e le k trycznych (prądu zm iennego i stałego). Podstawową zależnością opisującą funkcjonowa! nie elementu z cewką indukcyjną je st równanie . charakterystyczne, któ re w iąże m ag n e ty c z n y , strumień skojarzony W z natężeniem przeptywa: hcego przez element prądu.
Ładunki w kondensatorach połączonych szeregowo są jednakowe. Suma napięć na kondensatorach jest równa napięciu całkowitem u (rys. 2) U = UA + U 2 .
89
0
Kondensatory z w arstw ą pod w ó jn ą, przez niektó rych producentów nazywane „ultrakondensatoram i" lub „sup e rko n de n sa to ra m i", są sp o kre w n io n e za rów no z kondensatoram i elektrolitycznym i, ja k też z ogniwami galwanicznymi. Ich pojemności, od 0,1 F do 1500 F, mieszczą się pom iędzy pojem nościam i tych dwóch rodzajów elem entów (rys. 1 ze s tro n y po p rze d n ie j). Dlatego nazywane są także konden satoram i do m ag a zyn o w a n ia en e rg ii i m og ą być używane np. do zasilania układów elektronicznych podczas krótkotrwałych przerw w dopływ ie prądu.
g 2 obwody prądu stałego
Rys. 2. Rozktad napięć na kondensatorach połączonych szeregowo 48
1 w ytie w a nie , p ó lk o k s o w a n le - p ro c e s n is k o te m p e ra tu ro w e g o (5 0 0 -6 0 0 °C ) ro zkła d u w ę g la , d re w n o i tw o rzyw , o g rze w a n ych b e z dostępu j p ow ietrza • ?
W - strum ień magnetyczny skojarzony z cewką >1' = N 0
L I N
- indukcyjność własna cewki - prąd płynący przez cewkę - liczba zwojów w cewce - strum ień m agnetyczny wytworzony przez cewkę
odstawowym parametrem elementu indukcyjnościow ego jest w spółczynnik proporcjonalności L, zwany ndukcyjnością w łasną (w skrócie indukcyjnością). Jednostką indukcyjności jest henr (H), będący iloczynem ma 1sei
-
3.2 Obwody prądu stą|s^i
90
Rys. 1. C h arakterystyka o b c iążen ia ź ró d ła n ap ięcio w eg o
Jeśli źródło napięcia obciążym y rezystorem,, popły nie prąd, a napięcie na zaciskach zmaleje (rys. 1). To znaczy, że część siły elektrom otorycznej została zużyta wewnątrz źródła. Każde źródło napięcia ma rezystancję wewnętrzną f l w, na której przy obciąże niu w ystępuje w ew nętrzny spadek napięcia. Przy badaniu w łaściwości źródła napięcia pod obciąże niem m ożna sobie w yobrazić rezystor wewnętrzny jako rezystor połączony szeregowo z bezrezystancyjnym źródłem siły e lektrom otorycznej. Ten sp o sób przedstawienia (rys. 2) nazywamy schematem zastępczym rzeczywistego źródła napięcia.
g 2 Obwody prądu stałego___________
U = Ef - Rw -1 wynika
91
Rys. 1. D o p aso w an ie n ap ięcio w e
R ys. 2. D o p aso w an ie p rądo w e
Przy dopasow aniu napięciowym:
Przy dopasow aniu prądowym :
Robc
Robc ^ Rw
Przy dopasowaniu mocy: - napięcie na zaciskach - siła elektrom otoryczna Rw ■I - spadek napięcia na rezystancji Rw ■ l k- prąd zwarciowy Rw - rezystancja wewnętrzna
Robc ~~ Rw
U
Przy obciążeniu źródła napięcia rezystancja całkowita obwodu składa się z szeregowego połączenia rez| stora odbiornika i rezystancji wewnętrznej źródła. Napięcie na zaciskach źródła jest mniejsze od siły eleklsŁ m otorycznej o wartość spadku napięcia na rezystancji wewnętrznej. |
Stan jałowy i stan zwarcia źródła napięcia
-
D o p a s o w a n ie napięciowe odbiornika do źródta na pięcia pozwala na uzyskanie możliwie dużego napię cia. Punkt pracy musi wtedy znajdować się w strefie stanu jałowego źródta. O d b iorniki pow inny w tedy otrzymywać, n ie z a le ż n ie od p rą d u o b c ią ż e n ia , w przybliżeniu jednakow e napięcie (rys. 1). Przy do pasowaniu napięcia spadek napięcia na rezystancji . wewnętrznej musi być możliwie mały, a przez to na pięcie na obciążeniu jest w przybliżeniu równe na pięciu stanu jałowego. Z zależności
Rzeczywiste ź ró d ło n a p ię cia je s t szeregow ym połączeniem źródła sity elektrom otorycznej i re zystancji wewnętrznej.
Napięcie na zaciskach źród ła napięcia zm niej sza się wraz ze wzrostem natężenia prądu ob, ciążenia.
ż
Źródło napięcia pow o d uje prze p ływ prądu w o d biorniku, wywołuje spadek napięcia na odbiorniku, ; zalern oddaje mu pewną moc. Rezystancje od b io r n ik a można tak d o b ra ć w stosunku do rezy s tan cji wewnętrznej, żeby napięcie było możliwie buże i niezależne od prądu obciążenia. M ówi się wtedy o dopasowaniu napięciowym źródła i od b io rn ik a . Rezystancję odbiornika w stosunku do re zystancji wewnętrznej m ożna dobrać i w taki spo sób, żeby natężenie prądu było niezależne od rezy stancji odbiornika. W tedy będzie to dopasow anie p rą d o w e . Wreszcie rezystancję odbiornika m ożna dobrać tak, żeby m oc oddaw ana była jak najwięk, sza. Wtedy mówimy o dopasowaniu mocy.
e,
Sita elektromotoryczna i napięcie na zaciskach
Spadek napięcia na rezystancji wewnętrznej jest : niepożądany, ale nie da się go uniknąć.
... J u
D op asow an ie
3.2.5 Obliczanie parametrów obwodów prądu stałego z jednym i kilkoma źródłami _ napięcia ■ I
Przy braku obciążenia źródła napięcia nie ma prze pływu prądu. Na zaciskach źródła występuje cale napięcie wytwarzane przez źródło. To napięcie U0, powstające wewnątrz źródła, nazywamy silą elektro m otoryczną. Można ją zm ierzyć na zaciskach przy braku obciążenia (przy biegu jałowym ).
-
i¡1
W stanie jałow ym do zacisków źródła napięcia nie jest przyłączony odbiornik. Prąd nie płynie, więc na rez| storze wewnętrznym nie ma spadku napięcia. W obec tego napięcie stanu jałowego jest równe sile elekra motorycznej. Napięcie w stanie jałowym m ożna zm ierzyć np. elektronicznym miernikiem napięcia o duź| rezystancji wewnętrznej. .I
Przy zwarciu źródła napięcia jego zaciski są bezpośrednio połączone. Rezystancja obciążenia jest yvi|j równa zeru. Cała sita elektrom otoryczna-odkłada się na rezystancji wewnętrznej źródła. Wiele źródeł r j| pięcia ma bardzo matą rezystancję wewnętrzną. Dlatego też prąd zwarcia może być bardzo duży. J
R
p
ma*
■=
4 • Rw
tzn. im mniejszy jest stosunek ■— ■, tym większe na pięcie U. abc R , Przy dopasowaniu napięciowym rezystancja od: blornika jest duża w porównaniu z rezystancją we wnętrzną źródła. Dopasowanie napięciowe występuje np. przy przy łączeniu urządzeń AGD do sieci 230 V. Dopasowanie prądowe odb io rn ika do źródła na pięcia pozwala na uzyskanie m ożliwie dużego natę żenia prądu (rys. 2). Praca musi się wtedy odbywać w warunkach zbliżonych do zw arcia źródła napię cia. Natężenie prądu jest w tedy prawie niezależne od rezystancji odbiornika. Spadek napięcia na rezystancji wew nętrznej musi yć w takim przypadku możliwie duży, żeby zmiany
w
Robc Rw p ' max E1 u, Us h Iz AU A/
l2 - h / <
-
R - AU
rezystancja obciążenia rezystancja wewnętrzna m oc maksymalna napięcie stanu jałowego napięcie przy 1. obciążeniu napięcie przy 2. obciążeniu natężenie prądu przy 1. obciążeniu natężenie prądu przy 2. obciążeniu różnica napięć różnica prądów
3.2 Obwody prądu stajajj
92 re zy s ta n c ji o d b io rn ik a p o w o d o w a ły je d y n ie n ie znaczne zm iany natężenia prądu. Przekształcając zależność
z warcie
.
' .
.
■
jeśli połączy się w szereg źródła napięcia o róż nych prądach zn a m ionow ych, źród ła o m n ie j szym prądzie znamionowym m ogą być w czasie pracy przeciążone, a nawet zniszczone.
P tniix
t "
otrzymamy
n obc Rw +
a
§■'
^
h A
. D
1
tzn. im m niejszy jest stosunek wartość prądu zbliża się do
w
, tym bardziej
Łączenie równoległe
V
2
3
4
Robc _
w
Rw
R^ ' n w
Rys. 1. Dopasowanie mocy {Rohc - rezystancja odblornll
czyli prąd jest mniej zależny od Robc. Przy dopasowaniu prądowym rezystancja odbior nika jest znacznie m niejsza od rezystancji w e wnętrznej źródła.
Dopasowanie mocy odbiornika do źródła napięcia umożliwia odbieranie największej m ocy (rys. 1).
nm
e
—
1 = >
można łączyć tylko kowych napięciach.
RwE= E, + E.
Rys. 2. Szeregowe połączenie źródeł napięciowych ¡i
Przy d o pasow aniu m ocy sp ra w n o ść w ynosi tylko 50%. Dlatego dopasowanie m ocy stosuje się jedynie przy nieznacznych wartościach mocy, np. przy dopa sowaniu głośnika do wzmacniacza, wejścia odbiorni ka telew izyjnego do anteny czy wzm acniaczy aku stycznych do mikrofonów.
£ = £ , + £2 +
E £ , , £ 2,... R1 Rw\,Rw 2 i —
...
ź r ó d ła
o
Rw = Rwt + R W2 + J
- siła elektrom otoryczna - siły elektrom otoryczne poszczególnych źródeł - zastępcza rezystancja wewnętó| -re z y s ta n c je wewnętrzne poszczególnych źródeł
Przy dopasowaniu m ocy napięcie na zaciskach wynosi tylko połowę napięcia stanu jałowego. Wyznaczenie rezystancji wewnętrznej
wyznaczanie napięcia stanu jałowego R1
Rz
je d n a
Równoległe łączenie źródeł stosuje się wtedy, gdy natężenie prądu i m oc pojedynczego źródła nie są wystarczające.
Rw2
* M oc oddaw ana przez źród ło n apięcia je st naj większa, gdy rezystancja od b io rn ika rów na jest rezystancji wewnętrznej źródła.
Przy łączeniu rów noległym źródeł napięcia sum a ryczny prąd jest równy sumie prądów poszczegól nych źródeł (rys. 1). Równoległe połączenie źródeł ' pozwala na odbiór większego prądu. Całkowita rezy stancja wewnętrzna układu je st m niejsza od naj mniejszej z rezystancji w ew nętrznej połą czo nych źródeł. Jeśli połączy się równolegle źródła o różnych napięciach, wewnątrz układu połączeń popłyną prą dy wyrównawcze od źródła o wyższym napięciu do źródła o niższym napięciu. R ó w n o le g le
Ponieważ przy dopasow aniu prądow ym natężenie prądu jest w przybliżeniu ciągle takie same, nazywa się je także w ymuszeniem prądu. W ymuszenie prą du stosuje się, gdy prąd pow inien być niezależny od rezystancji odbiornika, np. w gazowanych lam pach wyładowczych.
93
nhwody prądu stałego
Źródła łączy się szeregowo, aby uzyskać większe napięcie znamionowe.
i .
dopasowanie mocy
U = E, - R w • I ,
3.2
wyznaczanie rezystancji zastępczej
Rys. 2. Wyznaczanie parametrów rzeczywistego źródła napięciowego
Przy obliczaniu skomplikowanych obwodów, zawierających źródła, rezystory stale i zmienne, stosuje się - jako obwody zastępcze - zastępcze źródło napięcia albo zastępcze źródło prądu. Napięcie stanu jałowego, a tym samym siłę elektromotoryczną źródła rzeczywistego £,, otrzymuje się przez po miar albo obliczenie napięcia na zaciskach źródła (rys. 2). Rezystancję wewnętrzną R „ otrzyma się zakłada jąc, że źródło siły elektrom otorycznej zostaje zwarte i oblicza się rezystancję zastępczą układu widzianą od strony zacisków odbiornika.
3.2.6 Stany nieustalone w obwodach prądu stałego Stanem nieustalonym nazywana jest odpow iedź układu elektrycznego (wyrażona przebiegiem prądów lub spadków napięć w funkcji czasu) na dokonaną w nim komutację. Pod pojęciem komutacji rozumiemy włą czenie lub wyłączenie źródła napięcia zasilającego, zmianę struktury obw odu lub wartości jego elementów. Stany nieustalone występują w obw odach prądu stałego i prądu przemiennego, zawierających przynajmniej Jeden element grom adzący energię, tzn. cewkę indukcyjną lub kondensator. Energia pola m agnetycznego zgrom adzona w cewce indukcyjnej wyraża się zależnością
■Z charakterystyki U = f ( /) rzeczywistego źródła napięcia wynika, że stosunek dowolnej różnicy napięć odpow iadającej jej różnicy prądów jest taki sam, ja k stosunek napięcia stanu jałow ego do prądu zwarcia, Można więc wyznaczyć rezystancję wewnętrzną przez pom iary napięć i prądów dla dwóch dowolnych oj ciążeń. Łączenie szeregowe Przy łączeniu źródeł napięcia w szereg pozostają w m ocy prawa połączenia szeregowego (rys. 2).
9dzie L oznacza indukcyjność, natomiast iL{t) - czasowe zmiany natężenia prądu płynącego przez cewkę in dukcyjną.
3.2 Obwody prądu
94
■j o n
hw ody
prądu stałego
Energia pola elektrycznego zgrom adzona w kondensatorze wyraża się zależnością C[uc (f)2] Wa(t) = .....‘ gc u J, gdzie C oznacza pojem ność, natom iast uc (t) - czasowe zm iany spadku napięcia na elemencie pojemni ściowym. ' i Warunek ciągłości zm iany tych energii oznacza, że zmiany przebiegów iL(t) oraz uc (f) m uszą zachodzi : w sposób ciągły w czasie. & Analiza stanów nieustalonych w rozbudowanych obwodach RC, RL a szczególnie RLC wym aga stosowani równań różniczkowych lub rachunku operatorowego. f W przypadku prostych obwodów, zawierających tylko jeden element indukcyjnośclow y lub pojemnościowi w których w ystępują źródła napięć lub prądów stałych, przebiegi przejściowe natężeń prądów lub spadkśf napięć na poszczególnych elementach obw odu są funkcjam i wykładniczym i o postaci ogólnej 1 /(/) = A + B e ' ,
• .i
gdzie wartości stałych A i B zn a jd u je się z wartości początkowych funkcji f (0+) oraz z jej wartości końcowi (asymptotycznej) f ( i^ « i) . W tym celu należy rozwiązać prosty układ równań A
=
f
(co)
oraz B =
f { 0 +) - A .
1 I
Najprostszym i przypadkam i wystąpienia stanów nieustalonych to włączenie szeregowo połączonych el| m entów RC i RL do źródła napięcia stałego lub ich odłączenie od źródła . I
I
W łączenie i wyłączenie kondensatora
Włączanie i w yłączanie cew ki in d u k c y jn e j
G dy podłączym y kondensator do źródła napięcia stałego, popłynie krótkotrwały prąd ładowania. Po naładowaniu kondensatora prąd przestaje płynąć. Naładowany kondensator przerywa przepływ prądj stałego. Jeśli kondensator ładujem y przez szeregowy rezystor, napięcie na kondensatorze wzrasta najpie$ szybko, a potem coraz wolniej, aż do osiągnięcia wartości końcowej (rys. 1 na następnej stronie). Podczajj rozładowania napięcie na kondensatorze maleje najpierw szybko, a potem coraz wolniej, aż do osiągnięcia wartości zerowej. Prąd ładowania i rozładowania rośnie skokowo do wartości-ograniczonej szeregowo pol| czonym rezystorem i potem maleje początkowo szybko, a potem coraz wolniej, aż do wartości zerowej, i
Przebiegi czasowe przy ładowaniu i rozładowaniu kondensatorów nazywamy przebiegami wy kładniczymi. Opisują je równania:
ładowanie kondensatora:
gdzie: Uo
uc = U0 ( 1 - e - " 7), /c = / o - e - " 7, rozładowanie kondensatora: U a ■e
¡C — la ' S
t/T
Stała czasowa jest to czas, po którym napięcie przy ładowaniu osiągnie 63,2 % wartości końco wej, a przy rozładowaniu 36,8 % wartości począt: kowej. Po upływie czasu rów nego 5 T proces ła dowania i rozładowania jest prawie zakończony.
la
UC 'c t T C R
-
napięcie źródła lub naładowanego kondensator| początkowa wartość prądu | napięcie na kondensatorze zm ienne w czasie .] prąd ładowania lub rozładowania kondensatory czas stała czasowa, T = R C pojem ność rezystancja
Przy załączaniu o b w o d u z ce w ką in d u k c y jn ą prąd w cewce, w wyniku działania samoindukcji, narasta powoli do wartości ustalonej. Wartość ustalońa natężenia prądu jest ograniczona przez rezystancję obwodu i napięcie źródła zasila nia (rys. 2). W stanie nieustalonym chwilowa war tość prądu narasta według funkcji wykładniczej. Po dobnie zmienia się prąd przy wyłączaniu obw odu, gdy zastosuje się diodę zwrotną D1 (rys. 1). Stała czasowa r określa czas dojścia do w artości ustalonej prądu przy założeniu, że w artość chw ilo wa prądu narasta liniowo. Po czasie t = t, przy załą czaniu, chwilowa w artość prądu płynącego przez cewkę jest równa 63,8 % wartości ustalonej, a przy wyłączaniu 36,2 % wartości prądu początkow ego (przed wyłączeniem). Przyjmuje się, że prąd w ukła dzie na rys. 1 ustala się po czasie f = 5 t. Stała czasowa w yd łu ża się, g d y in d u k c y jn o ś ć cewki rośnie i rezystancja obw odu zmniejsza się. Napięcie na cewce Indukcyjnej, w m om encie załą czenia obwodu, jest równe napięciu źródła zasilania (fys. 2), a później zmienia się tak, jak zmienia się prąd w obwodzie. Zgodnie z regułą Lenza, w momencie wyłączenia w cewce indukuje się impuls napięcia.
95
3.2 Obwody prądu stą y j
96
1 A/ u‘- = - L a7
uL ■
*.
¡o
A/
H = H = Vs/A = tTJ Q V/a s - A/2 • A l
At
'
L r = R
przy załączeniu
,-//t
z 1
B N l>0
hr s
Id Ai At L Al
- napięcie indukowane - liczba przewodzących prętów - szerokość strefy działania pola m agnetycznego - indukcja magnetyczna - liczba zwojów - przenjkalność m agnetyczna próżni - przenikalność względna rdzenia - powierzchnia przekroju rdzenia - droga strum ienia m agnetycznego - przyrost prądu - przyrost czasu - indukcyjność cewki - stała cewki
inny sposób zapisu funkcji
r L R i U0 t
-
’ exp
(~ th Ę
stała czasowa indukcyjność rezystancja obwodu chwilowa wartość prądu napięcie źródła czas
Innym źródłem napięć przem iennych są elektro n ic z n e generatory sygnałów. Przy pom ocy genera torów elektronicznych m ożemy wytworzyć przebieg nrzemienny o dowolnym charakterze, np. przebieg sinusoidalny, tró jką tn y i prostokątny. G eneratory elektroniczne przebiegów sinusoidalnych to zazwy czaj układy wzm acniaczy elektronicznych pracują cych z dodatnim sprzężeniem zwrotnym. Generatory Innych przebiegów wykorzystują przeważnie proces ładowania i rozładowania kondensatorów prądem o stałej wartości. Wartości, m ocy sygnałów przem ien nych generow anych w u kładach e le ktro n iczn ych mieszczą się w zakresie od kilku miliwatów do setek kilowatów (nadajniki radiowe i telewizyjne).
3.3.2 Podstawowe zjawiska, wielkości i parametry obwodów prądu przemiennego i . .. Okres T i częstotliwość f
j?>4Vti»irpft1>=' n ¡it
97
wstalego napięcia poprzez pierścienie ślizgowe, nie wprowadzające jak komutator w prądnicy prądu sta łego prostowania napięcia.
-I
L = N2 A uL
ą ę nhwody prądu przemiennego
..
3. Pewien rezystor węglowy został oznaczony paskami koloru - kolejno: czerwonego, czarnego, pomarańczowo, go I srebrnego. Jaką wartością rezystancji charakteryzuje się ten rezystor?
W przypadku napięcia przemiennego wartość napię cia i jego kierunek zmieniają się okresowo (powta rzalnie). Jedna pełna oscylacja (powtórzenie) nazy wana jest okresem. Czas, jaki na to jest potrzebny, również nosi nazwę okresu T (rys. 2). Liczbę okre sów w ciągu jednej sekundy nazywamy częstotliwo ścią1f. Jednostką częstotliwości jest herc (Hz).
4. Jakimi właściwościami charakteryzują się termistory i warystory? 5. Podaj zależności pozwalające określić rezystancje zastępcze kilku, szeregowo oraz równolegle połączonycij rezystorów. h, 6. Określ podstawową właściwość kondensatora. 7. Wymień i scharakteryzuj główne rodzaje kondensatorów. J 8. Podaj zależności pozwalające określić pojemności zastępcze kilku, szeregowo oraz równolegle połączonychj kondensatorów. ffl 9. W jakiej postaci gromadzona jest energia w kondensatorach oraz w cewkach indukcyjnych? ij 10. Jakiego niebezpiecznego efektu można się spodziewać przy szeregowym łączeniu źródeł napięcia o różnycli prądach znamionowych? |l 11. Określ właściwości szeregowego oraz równoległego połączenia źródeł napięcia.
3.3 Obwody prądu przemiennego 3.3.1 Wytwarzanie napięcia przemiennego Podstawowym źródłem napięcia przemiennego jest prądnica prądu przemiennego.
ij
Prądnica prądu przemiennego w swym działaniu (rys. 1 na następnej stronie) wykorzystuje zjawisko Indukcji elektromagnetycznej. W stałym polu magnetycznym magnesów trwałych porusza się ramka. W swoim ruchll obrotowym poszczególne pręty (zwoje) ramki zmieniają położenie względem linii sil pola magnetycznego, p
Każda wielkość przem ienna osiąga swoją w artość maksymalną (największą) nazywaną amplitudą, np. Umoraz wartość minimalną (najmniejszą) - U m (rys. 2). Odległość pomiędzy wartością maksymalną i m ini malną nazywa się wartością międzyszczytową albo zakresem drgań. W zapisie amerykańskim jest ozna czana jako uPp2.
I T
Długość fali Po zamknięciu obwodu źródło napięcia wywiera silę na nośniki ładunku, np. elektrony. To oddziaływanie roz przestrzenia się w przewodach z bardzo dużą prędko ścią. Przy napięciu przemiennym sita działa dwukrotnie w ciągu każdego okresu, za każdym razem w przeciw nym kierunku. Wskutek tego w dostatecznie długim Przewodzie tworzą się miejsca z nadmiarem i niedobo rem elektronów. Odległość pomiędzy dwoma zagęsz czeniami nazywamy długością fali. W czasie je d n e go okresu T fala przem ieszcza się 0 długość fali A, a jej szybkość rozchodzenia się w y nosi | tac. traquan!ia = czę sto ść cng. Poak-ta-Peak ~ o d szczytu d o szczytu
Hz
m
- częstotliwość - okres
1 kiloherc 1 m egaherc 1 gigaherc
[A]
= 1 kHz = 1000 Hz = 1MHz = 1000 kHz = 1 GHz = 1000 MHz = 1 000 000 kHz
m/s 1/s '
A - długość fali c - prędkość fali i - częstotliwość
98
3.3 Obwody prądu przemiennego
c = X T ^ X = c -T ■
c
: f
99
Chwilowa wartość mocy cieplnej prądu przemiennego '
wynosi
D ługość fali je st większa przy większej p rędkości rozchodzenia się oraz m niejsza przy większej czę stotliwości. Można przyjąć, że szybkość rozchodze nia się w przewodzie dwużylowym wynosi około 80% szybkości światła c0 (300 000 km/s), tj. około 240 000 km /s. S tosunek m iędzy p rę d ko ścią rozchodzenia się fali i prędkością światła nazywamy w s p ó łc z y n n i kiem skróce n ia .
3.3.2.1 Przebiegi sinusoidalne
p - u ■i = R ■i 2.
wirowanie
'd=r i > przebieg sinusoidalny
ro-i—J
Rys. 1. Tworzenie linii sinusoidalnej z wirującego wskazu
P rzebieg s in u s o id a ln y i w skaż W skazem nazywamy wektor wirujący dookoła swego punktu początkowego w kierunku przeciwnym d o kie runku ruchu wskazówek zegara. Podczas wirowania wskazu ze stalą prędkością nieustannie zmienia się odległość końca strzałki od osi poziomej (osi czasu). Jeśli przedstawim y na wykresie tę odległość w za leżności od kąta o b ro tu , o trzym a m y linię sin u so idalną (rys. 1).
Liczba obrotów w je dnostce czasu (c z ę s to tliw o ś ć o b rotow a) wskazu jest taka sama, jak częstotliwość odpow iadającej mu w ielkości sinusoidalnej. W m ia rę obracania się wskazu ciągle wzrasta zakreślony przez niego kąt. W skazowi można zatem przypisać prędkość kątow ą zależną od częstotliw ości o b ro tów. Jednostką prędkości kątowej jest radian (rad). Prędkość kątowa wskazu podaw ana jest jako czę stotliwość kątowa co.
Gdy wykreślimy zależność kwadratu natężenia prątju i 2 od czasu, to linia ta ma częstotliwość dwa razy większą od częstotliwości prądu i przebiega caiko' wicie w prze d zia le w a rto ś c i d o d a tn ic h (ry s . 3). ¿rodnia wartość krzywej / 2 wynosi i 2!2. Zastępując tę wartość średnią kwadratu prądu przem iennego / przez kw a d ra t p rą d u sta łe g o / o ta kim sam ym działaniu cieplnym , m am y
Rys. 1 . Przebieg sinusoidalny z przesunięciem fazowym
I 2 = i z/2.
W
2 - it- f
M
- częstotliwość - okres
C z ę s to tliw o ś ć kątow a co, p u lsa cja
P rzesunięcie fazow e
3.3 Obwody prądu przemiennego
: i = HZ
pierwiastek kwadratowy z tej w artości jest w łaśnie wartością skuteczną prądu przemiennego.
co ■t « co
- kąt obrotu - ozęstotliwość.kątoWl
u
^
I
hu
—
Wartość skuteczną wielkości o dow olnym kształcie można obliczyć w następujący sposób: dia wszystkich przedziałów czasu w granicach jednego okresu należy . obliczyć kwadraty wartości, dodać je z uwzględnie niem czasu trwania i wyciągnąć pierwiastek.
f
U
^
1
Rys. 2 . Przebieg sinusoidalny z początkowym przesunięciem fazowym cp0
W przypadku w ielkości przem iennych sym etrycz nych łatwiejsze je st obliczanie przy użyciu w sp ó ł czynnika am plitudy (w spółczynnika kształtu) (tab. 1 na następnej stron ie ).
=0
Rys. 2. Przebieg sinusoidalny bez przesunięcia fazowego
Wartość skuteczną prądu przem iennego podaje się jako wartość natężenia prądu stałego, który , ma takie samo działanie cieplne ja k prąd prze mienny. To samo odnosi się do napięcia.
^
M
3
Jeżeli dwie w ielkości sinusoidalne o jednakow ych częstotliwościach przechodzą przez zero w tym samym kierunku w jednakow ym punkcie osi kątów, mówi się, że mają jednakow ą fazę albo są w fazie1 albo też, że nie są przesunięte w fazie (rys. 2). Unie sinusoidalne można zastąpić wskazami, a wtedy na wykresie wskazowym kąt m iędzy wskazam równy rp = 0. Kąt cp między wskazami odpow iada przesunięciu fazowemu. Nazywa się on kątem przesunię cia fazow ego. t Jeżeli dwie wielkości sinusoidalne o jednakowych częstotliwościach nie przechodzą przez zero w tym samym punkcie osi kątów, mówi się, że są przesunięte w fazie albo mają przesunięcie fazowe (rys. 1 na następne| stronie). Kąt przesunięcia fazowego jest to kąt pomiędzy punktami przejścia przez zero dwóch wielkości sinu soidalnych o jednakowej częstotliwości.
Wartość maksymalna wielkości sinusoidalnej jest (w spółczynnik a m p litu d y ) razy w ię k s z a niż wartość skuteczna. Parametry syg n a łó w prze m ie n n ych Do oznaczania w artości skutecznych używane są we wzorach duże litery, np. U dla skutecznej warto ści napięcia. Duże litery bez indeksów oznaczają wartości skuteczne wielkości przem iennych. W razie potrzeby można oznaczać wartość skuteczną rów-
W artość sku te czna
[H i
I Rys-3. Wartość skuteczna prądu sinusoidalnego
Wartości skuteczne przy napięciu sinusoidalnym : JUL
hk :
Często wykres wielkości sinusoidalnej nie zaczyna się w początkowym punkcie układu współrzędnych. Kąl pom iędzy punktem przejścia przez zero wielkości sinusoidalnej i punktem początkowym układu wspólrzęć nych nazywa się p o czą tko w ym p rze su n ię cie m fa zo w ym cp0 (rys. 2 na następnej stronie).
u -a
'V 2
LU = U
Urn
"V2 Wartości skuteczne przy kształcie niesinusoidalnym: U=
U%r h + Um2 ' t2 + ...
Wartość skuteczną natężenia prądu przem iennego wyraża się podając taką wartość natężenia prądu stałago, który pow oduje takie samo działanie cieplne (takie samo nagrzewanie).
Um
1 g r. p h a s is -- stan
U
/, I ak, U, Usk
- skuteczna w artość natężenia prądu lub napięcia I m, Um, Um1, Um2... - maksym alne wartości natężenia prądu lub napięcia t i , t2 - przedziały czasu T - okres Fc - w spółczynnik am plitudy
{ 3.3 Obwody prądu przemienneoj
100 nież indeksem sk, np. Usk. Spotyka się także ozna czenie U-, np. U- = 230 V. W tej książce będziemy takie oznaczenia stosować tylko wyjątkowo. Wartość sygnału przemiennego w pewnym m om en cie nazywamy wartością chwilową. Jeśli we wzorze chce się podkreślić zależność wielkości od czasu, dla wartości chwilowych używa się małych liter, np. u dla napięcia. Można też dodać (f), np. u(t) (u jako funkcja t lub u w funkcji i).
Jeżeli znana jest wartość m aksym alna wielkości si nusoidalnej, to m ożna obliczyć wartość chwilową dla dow olnego momentu. Za punkt odniesienia przyjmu je się zwykle m om ent przejścia przez zero (tpo = 0).
Kształt sygnału
Współczynnik
]
Wartość skuteczny
sinusoidalny {2 = 1 ,41
U=
{2
trójkątny, piloksztattny {3 = 1,73
„
Um
u = w
■ i 1
prostokątny
In n T
Jfj- - -
1
...
10
zależnie od współczynnika wypełnienia
u =tJu,2
W przypadku Im p u ls u je d n o k ie ru n k o w e g o (unipolarnego) podczas trwania Impulsu nie w y stępuje zmiana kierunku. Nazywa się go krótko Im p u ls e m .
R ys. 1. D o d aw an ie dw óch n ap ięć sinusoidalnych
W przypadku impulsu dw ukierunkow ego (b ip o larnego), podczas trwania Impulsu występuje przy najmniej jedna zmiana kierunku. W spó łczynnik w y p e łn ie n ia p rz e b ie g u im p u ls o
wego jest to stosunek czasu trw ania im pulsu do okresu powtarzania impulsów.
Ważnym parametrem Impulsu jest stromość zbo cza. Podaje on, jak szybko odbywa się narastanie. Ujemna stromość oznacza zbocze opadające.
3.3.2.Z Przebiegi niesinusoidalne Kształty napięcia przemiennego
Rys. 1. O s c y lo g ra m y p rze b ie g ó w czas o w yc h napięć p rzem ien n ych
Dodając lub odejm ując dwie wielkości sinusoidalne o jednakow ej częstotliwości, np. dwa napięcia sinusdt idalne, otrzymuje się nową wielkość sinusoidalną o takiej samej częstotliwości (rys. 1 na następnej stronie), Przy pom nożeniu dw óch w ielkości sinusoidalnych o jednakow ej częstotliwości otrzymuje się w ielkość sinik' soldalną o podw ójnej częstotliwości. W wyniku dodawania dwóch napięć sinusoidalnych o różnych częstotliwościach powstaje przebieg nieslnusd; idalny. Odwrotnie, każdy niesinusoidalny przebieg okresowy (przemienny) można rozłożyć na składowe sinik soidalne (rys. 2 na następnej stronie). Np. napięcie prostokątne składa się z wielu sinusoidalnych sktadoj wych, a mianowicie składowej podstawowej {pierwsza harmoniczna, harmoniczna podstawowa) o częstotli wości równej częstotliwości napięcia prostokątnego oraz wyższych harm onicznych. Wyższe harmoniczni mają częstotliwości równe całkowitym wielokrotnościom częstotliwości składowej podstawowej i coraz mniej) sze amplitudy. Trzecia harm oniczna ma np. częstotliwość trzy razy większą niż harmoniczna podstawowa. 2 Metoda matematyczna rozkładania okresowych przebiegów niesinusoidalnych na składowe sinusoidalni! nazywa się analizą Fouriera1. Niesinusoidalne, okresowe wielkości przemienne składają się z szeregu wię® kości sinusoidalnych o różnych częstotliwościach. jjj
1Je an B e p liste F o urier (1 7 68 -1 83 0 ) - la n c u s k i m a tem atyk i fizyk
impulsy jeżeli jakaś w ielkość, szcze g ó ln ie n a p ię cie a lb o nrąd, pojawia się tylko na krótki czas, a potem na stępuje przerwa, to nazywam y ją im pulsem *. G dy impulsy występują okresowo, czyli w jednakow ych odstępach- przebieg nazywam y przebiegiem im pulsow ym (tab. 1 na następnej stronie),
W odniesieniu do Impulsów stosuje się różne poję cia (rys. 3). Czas narastania tr 2 nazywany jest też według normy IEC 469 czasem pierw szego przej. ścia. Czas opadania f , 3 nazywany jest też czasem ostatniego przejścia.
Generatory w elektrowni wytwarzają, wskutek ru chu obrotow ego wirników, napięcie sinusoidalne. O dpow iadający mu prąd jest prądem sinusoidal nym. Napięcie przem ienne w sieci zasilającej jest napięciem sinusoidalnym .
Przebieg w czasie, a więc kształt napięcia przemien n e g o , m o ż n a z b a d a ć za p o m o c ą o s c y lo s k o p u . Kształty regularne mają np. napięcie prostokątne, na pięcie piloksztaltne i napięcie sinusoidalne (rys. 1). Często występują też form y nieregularne w granicach jednego okresu.
101
i f/ Ł H 1-
W artość m aksym alną w ielkości sinusoidalnych na zywa się również amplitudą. Jeśli chcem y specjal nie podkreślić przem ienny charakter wielkości, m oż na d o d ać o d p o w ie d n i znak, np. u ~ d la napięcia przęm iennego. Takie oznaczenie też będziem y sto sować wyjątkowo.
Tab. 1. W s p ó łczyn n ik am p litu d y i w artoś ci sku teczno syg n ałó w o kres ow yc h
o -1 Obwody prądu przemiennego
Impulsy dwukierunkowe składają się z wielu drgań sinusoidalnych. W przypadku im pulsu jednokierun kowego składow a podstaw ow a ma czę sto tliw o ść 0 Hz. Inaczej m ów iąc, im p u lsy je d n o k ie ru n k o w e składają się z wartości stałej z nałożonym i drgania mi sinusoidalnymi. Im większa jest stromość zboczy, tym szybciej musi impuls narastać (ub opadać. Jednak im szybsze ma być narastanie impulsu, tym więcej drgań składowych musi on zawierać. Przy przesyłaniu im pulsu, np. przez przewody, występuje wobec tego znaczna licz ba częstotliwości, tak zwane pasmo częstotliwości. Im większa ma być strom ość zboczy przesyłane go impulsu, tym szersze jest niezbędne pasm o . częstotliwości. Impulsy używane są np. przy przesyłaniu sygnatów w technice komputerowej albo do włączania tyrystorów. Są ważną częścią sygnału telewizyjnego, która zapewnia synchronizację między kamerami i obrazem Impulsy są wytwarzane przede wszystkim w układach tac. im puisos - u de rze nie; 2 ang. to rise = w z ra s ta ć ;:1a ng . fo te ll -- sp a d a ć
przerzutniki oraz elementy progowe.
3.3 Obwody prądu przemienne j
102
~ -
chwilowa w artość napięcia maksym alna wartość napięcia początkow y kąt przesunięcia fazy (w rad) początkowy kąt przesunięcia fazy (w stopniach) częstotliwość pulsacja czas w spółczynnik w ypełnienia czas trwania im pulsu okres przebiegu im pulsow ego czas trwania przerwy częstotliwość powtarzania im pulsów
Moc bierna, m oc po zorna
;
M oc ch w ilo w a ' \ W obwodach prądu przem iennego energia dostarczana do odbiornika jest w kolejnych przedziałach czasi różna. Ponieważ napięcie i prąd zmieniają w czasie swą wartość bezwzględną i znak, moc chwilowa definiowari| jako iloczyn napięcia i prądu (p = u -/) również zmienia się w czasie zarówno co do wartości bezwzględnej, i do znaku. %
Moc chwilowa, gdy odbiornik pobiera energię ze źródła zasilania, jest dodatnia, a kiedy oddaje energię do żrói dla, jest ujemna (rys. 1 na n a stępnej stron ie ). f Jeżeli odbiornik składa się w yłącznie z elem entów rezystancyjnych, energia nie może się w nich gromadz| i m oc jest zawsze dodatnia (rys. 2 na n a stęp n e j stro n ie ). i Moc chwilowa zm ienia się z częstotliwością dwa razy większą, niż częstotliwość napięcia źródła zasilania M aksym alna wartość jest równa .
Moc bierna jest potrzebna do wytworzenia w cewce pola m agnetycznego. Podczas w ytw arzania pola magnetycznego, w czasie jednego okresu, przebiegu napięcia zasilania, taka sama ilość energii jest przez d ław ik p o b ie ra n a i o d d a w a n a d o ź ró d ła . W tym przypadku przez część okresu cewka induk cyjna jest źródłem energii w obwodzie. M oc bierna óscyluje zatem p om iędzy odb io rn ikie m i źródłem zasilania.
Rys. 1. Przebiegi mocy chwilowej z przesunięciem fazowym prądu i napięcia
W reaktancji obw odu w ystępuje wyłącznie m oc bierna. Idealna cewka indukcyjna pobiera ze żródta napięcia zasilania wyłącznie m oc bierną (rys. 3). W tym przy padku w każdym pólokresie przebiegu napięcia zasi lania moc jest pobierana i oddawana do źródła. Pola powierzchni pomiędzy dodatnią i ujemną falą m ocy chwilowej a osią czasu są takie same. Rzeczywista cewka indukcyjna pobiera oprócz m ocy biernej także moc czynną. Rys. 2. Przebiegi mocy chwilowe] bez przesunięcia fazowego prądu i napięcia Moc pozorna jest iloczynem skutecznych wartości napięcia i prądu odbiornika. M oc pozorna przy różnym od zera kącie fazowym obw odu jest za wsze większa od m ocy czynnej i biernej.
M oc czynna Moc czynna w obwodach prądu przemiennego defi niowana jest ja ko średnia wartość m ocy chwilowej w określonym okresie czasu. Przy przebiegach sinuso idalnych, m oc średnia za okres zwana m ocą czynną, jest równa iloczynowi wartości skutecznych napięcia i prądu oraz cosinusa kąta przesunięcia fazowego m iędzy napięciem i prądem zwanym w sp ó łczyn n i kiem m ocy (cos q>)
Na w ykre sach p rz e b ie g u m o cy ch w ilo w e j.(ry s . 1 i rys. 2 na następnej stronie) energia dostarczona do
103
• schemat zastępczy c e w k i in d u k c y jn e j składa się z rezystora i reaktancji indukcyjnej. E lem ent rezystancyjny pobiera m oc czynną, e le m e n t reaktancyjny m oc b ie rn ą indukcyjną. M oc czynna (m oc strat) powoduje nagrzewanie się cewki.
3.3.2.3 Moce obwodów prądu przemiennego
P = U ■I ■co sip.
n nhwody prądu przemiennego
obwodu w czasie t o d p o w ia d a p o lu p o w ie rzch n i ograniczonemu przebiegiem krzywej p i osią odcię tych w czasie t. Jeżeli te powierzchnie zastąpić po lem prostokąta, to wysokość tego prostokąta będzie równa wartość mocy czynnej. Odbiorniki o charakte rze rezystancyjnym pobierają wyłącznie m oc czynną.
II. -
II U Um ■'
Tp = tt + tp
g
U -f2 -h {2 [S] = V - A = VA [P] = V • A = W Dla odbiornika rezystancyjnego: P = U -I U I UmIm P -
wartość skuteczna napięcia wartość skuteczna prądu am plituda napięcia am plituda prądu m oc czynna
S U I
S = U -l
moc pozorna - skuteczna wartość napięcia - skuteczna wartość prądu -
Schemat zastępczy ko n d en sa to ra rzeczyw isteg o składa się z równolegle połączonego rezystora i reakancji pojem nościow ej (idealnego kondensatora), rey niskich częstotliwościach rezystancja rezystora iest bardzo duża.
Rys. 3. Zmiany napięcia prądu I mocy chwilowej w Idealnej cewce
3,3 Obwody prądu przemlenneg|
104 Kondensator, pod ob n ie ja k cew ka indukcyjna, p o biera m oc bierną. M oc bierna pojem nościow a jest tutaj potrzebna do wytworzenia pola .elektrycznego. Podobnie jak w cewce indukcyjnej, podczas wytwa rzania pola elektrycznego w kondensatorze przez część pótokresu napięcia zasilania energia jest po bierana i o d d aw an a do źród ła . K o n d e n sa to r jest przez część okresu źródłem energii w obwodzie. Ze względu na bardzo mate straty m ocy przyjmuje się, że przy niskich częstotliw ościach kondensator p o biera wyłącznie m oc bierną pojemnościową.
Reaktancja p o jem n o ścio w a ko n d en s ato ra
Tab. 1. Moce prądu przemiennego
Oznaczenie Jednostka' P W 1 S V-A j var i Oc var ; Ol
W s p ó łc z y n n ik m ocy W spółczynnik m ocy to stosunek m ocy czynnej do m ocy pozornej. Dla przebiegów sinusoidalnych określa się go jako cos q>. W spółczynnik m ocy określa, jaka część m ocy pozornej wykorzystana jest w postaci m ocy czynnej. Moc po zorna, a przy takim samym napięciu także natężenie prądu, przy takiej samej m ocy czynnej odbiornika są tym mniejsze, im jest większy współczynnik m ocy obwodu.
P - U ■I ■cos tp
O = S • sin cp
Q = U ■I ■sin cp
cos cp =
sin ip - |
cos rp=*\j 1 - sin* cp
sin
Q
s ■V As
V A
- reaktancja pojem nościowa - pulsacja obwodu - pojem ność kondensatora
V,^J
Moc pozorna odbiornika rezystancyjnego jest równa m ocy czynnej, a idealnego odbiornika o charakterze! indukcyjnym lub pojem nościowym - m ocy biernej tego odbiornika. I
P = S • cos r/i
Xc co C
[Xc]
Jeżeli kondensator jest dołączony do źródta na pięcia przemiennego, to jego okładki są na prze mian ładowane dodatnim i ujemnym ładunkiem.
Trójkąt m ocy (rys. 1) można wyznaczyć przyjmując szeregowy schem at zastępczy obw odu, składający się z rezystora i reaktancji. O dpow iednie m oce są proporcjonalne do kwadratu napięcia na danym ele m encie. Trójkąt m ocy jest zatem od p ow ie dn ikie m w ykresu w e kto ro w e g o napięć. M oc bierna O w yprzedza w cew ce in d u kcyjn e j m oc czynną o kąt 90°,' a w kondensatorze opóźnia się o kąt 90°. Suma geom etryczna P i O to m oc pozorna S. Jednostką mocy po zornej jest voltamper (V - A), a jednostką m ocy biernej var (var) (tab. 1),
S - U ■I
co • C
Rys. 1. Trójkąt mocy
Wielkość Moc czynna Moc pozorna Moc bierna pojemnościowa Moc bierna indukcyjna
S = ^ P Z + Q2
3.3 Kondensator w obwodzie prąciu przemiennego
jeżeli kondensator dołączy się do źródła napięcia stałego przez układ przekształtnika, to przez o d p o w i e d n i e wysterowanie przekształtnika uzyskuje się z m i a n ę polaryzacji napięcia dołączonego do zaci sków ko n d e n sa to ra . K o n d e n s a to r je s t z a s ila n y w tym przypadku napięciem przemiennym (niesinu s o i d a l n y m ) . Okładki kondensatora będą ładowane n a przemian dodatnim i ujemnym ładunkiem. W ob w o d z i e będzie plynąt prąd ładow ania i rozładow a n ia , a zatem uogólniając - prąd przemienny.
Jeżeli do szeregowego obwodu składającego się z cewki indukcyjnej i rezystora, np. żarówki, dołą czy się odpow iednio watomierz, woltomierz i am peromierz, to wskazanie watomierza będzie mniej sze niż iloczyn wskazań woltomierza i amperomie rza. Watomierz mierzy wyłącznie m oc czynną. T ró jką t m ocy
t
kondensator
cewka;
105
n o nhwody prądu przemiennego
S P O U /
-
m oc pozorna m oc czynna m oc bierna skuteczna wartość napięcia skuteczna wartość prądu kąt przesunięcia fazowego pomiędzy prądem i napięciem cos cp - w spółczynnik m ocy
Jeżeli przekształtnik jest przełączany z odpow iednio dużą częstotliwością, amperomierz połączony sze regowo z kondensatorem wskaże natężenie prądu płynącego w obwodzie. Jeżeli połączoną szeregowo z kondensatorem ża rówkę dołączy się do źródła napięcia przemiennego •(sinusoidalnego) i odpow iednio zwiększy napięcie zasilające, to jasność świecenia żarówki będzie taka sama, jak w wypadku dołączenia jej bezpośrednio do źródia zasilania.
Rys. 1. Zależność reaktancji kondensatora od często tliwości I pojemności
Zmniejszając pojem ność kondensatora, zm niejsza się także jasność świecenia żarówki. Kondensator w obwodzie prądu przem iennego zachowuje się jak rezystor. Jego wartość zmniejsza się wraz ze zwięk szaniem się czę sto tliw o ści n apięcia za sila ją ce g o ¡pojemności kondensatora (rys. 1). Do wytworzenia pola elektrycznego w kondensato rze potrzebna jest energia. Energię tę dostarcza źró dło napięcia z a sila ją ce g o . P odczas z a n iku p o la w kondensatorze (podczas przeładowania) taka sa ma energia jak podczas ładow ania jest oddaw ana do źródła za sila n ia . W a rtość śre d n ia tej e n e rg ii w jednym okresie fali napięcia zasilającego jest rów na zero. Energia krążąca pomiędzy kondensatorem i źródłem napięcia zasilającego, przypadająca na je den okres fali napięcia zasilającego, nazywa się m o cą bierną p o jem nościow ą. Idealny kondensator po biera wyłącznie moc bierną. Dlatego w obwodzie prą du przemiennego kondensator stanowi reaktancję Pojemnościową Xc. Reaktancja pojem nościow a jest tym większa, im mniejsza jest częstotliwość fali napięcia źródta zasilania i mniejsza pojem ność kondensatora.
'
3.3 Obwody prądu przem iennej!
106 • !i : |j
Kąt p rze su n ię cia fa zo w e go Kondensator zasilany ze źródła napięcia przem iennego jest w ciągu jednego okresu fali napięcia zasilające.1' go cyklicznie przeładowywany. W artość chwilowa prądu jest w tym w ypadku proporcjonalna do szybkoścj zmian napięcia ■ .,!
.£,.Xvt i..' *
.
3 obwody prądu przemiennego___________________________________________________________
107'
Ma karkasie cewki nawija się uzwojenie. Karkas izoluje gaiwanicz. yzwojenie od rdzenia magnetycznego. Często jest wykonany tworzywa sztucznego. Karkasy cewek są selekcjonowane, w celu zmniejszen,a pojemności własnej uzwojenia. Uzwojenie wykonane jest z przewodów miedzianych, np. w posta ci drutu nawojowego w emalii (DNE), drutu nawojowego w je d wabiu (DNEJ) lub we włóknie szklanym.
Jeżeli napięcie zasilające ma przebieg sinusoidalny, to szybkość zmian tego napięcia jest największa, gdy je g o wartość chwilowa jest bliska zero (rys. 2 na p o p rze d n ie j stron ie ), a najmniejsza, równa zero, gdy jeg0 chwilowa wartość jest największa i równa się am plitudzie przebiegu. W tym przypadku p rze b ie g prądu p|y..‘ • nącego przez kondensator wyprzedza p rze b ie g na p ię cia na jego zaciskach o kąt 90°. W idealnym kondensatorze przebieg prądu wyprzedza przebieg napięcia o kąt 90°.
|
3.3.4 Cewka w obwodzie prądu przemiennego 3.3.4.1 Budowa cewek I Ich właściwości Cewka in d u k c y jn a składa się z ka rka su (korpusu cewki), uzw o je n ia i rdzenia.
j
Rdzeń c e w ki w urządzeniach energetycznych i energoelektronicznych jest wykonany z magnetycznych blach żelaznych, a w radiotechnice najczęściej z m iękkich m agnetycznie ferrytów. Z punktu widzenia zastosowania wyróżnia się różne rodzaje cewek (tab. 1).
i
Cewki odchylające w lam pach obrazowych m onitorów nawija się na rdzeniach pierścieniowych (toroidainych). ;
Rys. 2. Dławiki wysokiej częstotliwości mikroukład (chip)
Warlakaml nazywa się cewki indukcyjne lub zespoły cewek o zmiennej indukcyjności. Zmiany indukcyjności można dokonać np. przez mechaniczne wsuwanie i wysuwanie rdzenia w karkas cewki. W tym przypadku uzwojenie jest najczęściej jednowarstwowe. Dławiki w ysokiej czę sto tliw o ści mają przy niewielkich wymiarach indukcyjności od 0,1 H do 56 mH (rys. 1). W,tym wykonaniu rdzeń ferrytowy I uzwojenia są zalane w żywicy epoksydowej. Dławiki wysokiej częstotliwości (rys. 2), wykonane w postaci kostki, to elementy stosowane do budow y pły tek obwodów drukowanych wykonanych w technice SM D 1.
Tab. 1 . Kształt rdzeni i karkasów cewek Kształt rdzeni i karkasów cewek
Uzwojenia w arstw ow e wykonuje się np. w dławikach dla zakresu niskich częstotliwości, cewkach obw odów wejściowych i oscyla torów urządzeń nadawczo-odbiorczych dla fal krótkich i ultrakrót kich, cewkach o bw odów pośredniej częstotliw ości i filtrów pa smowych dla zakresu UKF, transformatorach sprzęgających I in nych małych transform atorach. . Uzwojenie w arstw ow e je st tak nawijane, że zwoje ułożone są obok siebie. Przy takim nawinię ciu uzyskuje się relatyw nie dużą w artość po je m n o ści w łasnej cewki. Jeżeli wartość szczytowa napięcia na warstwie jest więk sza od 25 V, należy pom iędzy poszczególnym i warstwami uzwo jenia umieścić izolację. Jeżeli do wykonania uzwojenia stosuje się drut nawojowy w jedwabiu (DNEJ) lub drut w izolacji z włókna szklanego, to ze względu na izolację dopuszczalna szczytowa wartość napięcia p om iędzy w arstw am i m oże być w iększa niż 200 V.
Zastosowanie
Kształt rdzeni i karkasów cewek
Zastosowanie
)
3,3.4.2 Reaktancja indukcyjna cewk karkas cewki
rdzeń typu E
Rdzenie typu E (rdzenie płaszczowe) np. dławiki, transformatory
Reaktancja in d u kcyjn a
rdzeń wkręcany
dostrojczy
V ] : rdzeń kubkowy
karkas cewki
Dławiki o dużej dobroci stosowane w obwodach rezonansowych do ok. 40 MHz, cewki głośników o bardzo matych zniekształceniach do częstotliwości 60 Hz, transformatory
f—
l i j j p
ii
cn a
‘
M' ' '.'C 1
; fe-'
rdzeń rurkowy
I
rdzeń prętowy
korpus cewki z rdzeniem
■1 Dostrajanie induk- j cyjności dławików, ] rdzenia do waria- j ków i cewek i‘ wielkiej s częstotliwości 0 dthj żej dobroci, maiyctij wymiarach i szero-^ kim zakresie prze*.^ strajania 1
Jeżeli cewkę indukcyjną z rdzeniem stalowym, połączoną szeregowo z amperomierzem prądu przemienne go, dołączy się do źródła napięcia stałego przez przekształtnik, to sterując przekształtnik z coraz większą częstotliwością, uzyskamy coraz mniejsze natężenie prądu w obwodzie. Przekształtnik zmienia polaryzację napięcia na zaciskach cewki indukcyjnej. W tym przypadku cewka jest zasilana napięciem przemiennym. W wyniku zjawiska sam oindukcji natężenie prądu w cewce narasta i opa da powoli. Jeżeli dostatecznie szybko będzie zmieniana polaryzacja napięcia, prąd w cewce nigdy nie osią gnie ustalonej wartości końcowej. Prąd w cewce będzie się zm niejszał i będzie tym mniejszy, im wyższa bę dzie częstotliwość przełączania przekształtnika. Jeżeli cewka indukcyjna jest zasilana napięciem przemiennym, to siła elektromotoryczną samoindukcji prze ciwdziała zmianom prądu. ■'
l
'u.
Jeżeli połączoną szeregowo z cewką indukcyjną żarówkę dołączy się do źródła napięcia przem iennego (sinusoidalnego) i odpow iednio zwiększy napięcie zasilające, to jasność świecenia żarówki będzie taka sa ma jak w przypadku dołączenia jej bezpośrednio do źródła zasilania. f SMD (ang. S urface M o u n te d D e vice s ) - urzą dza nia d o m o n ta żu p o w ie rzch n io w e g o
3.3 Obwody prądu przemiennego
108 Jeżeli wym ieni się cewkę indukcyjną na inną o więk szej indukcyjności, żarówka będzie świeciła słabiej (mniejsza jasność). Cewka indukcyjna ma w obw o dzie prądu przem iennego znacznie większy w pływ na w artość prądu niż w o b w o d zie prądu stałego. Jest on tym większy, im większa jest częstotliwość przebiegu napięcia zasilania i im większa jest indukcyjność cewki (rys. 1). W pływ cew ki in d u kcyjn e j na w a rto ść prądu prze m iennego określa się przy pom ocy reaktancji induk c yjn e j XL. R eaktancja in d u k c y jn a o kre śla relacje między skutecznym i wartościam i napięcia występu jącego na cewce indukcyjnej i pow stałego prądu przepływającego przez cewkę. Reaktancja indukcyjna jest tym większa, im więk sza jest częstotliwość przebiegu napięcia zasila nia i indukcyjność cewki. Do wytworzenia pola magnetycznego że źródła napię cia zasilania do cewki musi być dostarczona energia. Podczas rozm agnesow ania (zanik poła) taka sama energia jest oddawana z cewki do źródła zasilania. Wartość średnia tej energii w jednym okresie napięcia zasilającego jest równa zero. Energia krążąca pomię dzy cewką indukcyjną i źródłem napięcia zasilającego, przypadająca na jeden okres przebiegu napięcia zasi lającego, nazywa się m ocą bierną indukcyjną. P rze su n ię cie fazow e D ołączając cew kę in d u kcyjn ą do źródła napięcia przemiennego, wytwarza się zmienne pole m agne tyczne. W tym przypadku napięcie na cew ce jest proporcjonalne do prędkości zmian prądu w cewce. Przy sinusoidalnym napięciu zasilającym szybkość zmian prądu cewki jest największa wtedy, gdy chw i lowa w artość prądu jest rów na zero i równa zero, gdy w artość prądu jest największa (rys. 2).
? nhwody pr^du przemiennego
109
1 4 '-^ J ¿4- I . W U I W XL = w L
XL a> L
PU - -
1
Vs
V - A = Q
Układy cewek n łe sp rzę żo n ych m ag n e tyczn ie Obwody zawierające cewki indukcyjne, których pola magnetyczne są względem siebie rozdzielone, tzn. nie są magnetycznie sprzężone, oblicza się podobnie jak obwody z rezystorami.
- reaktancja indukcyjna - pułsacja obwodu - indukcyjność cewki
500
przy połączeniu s z e re g o w y m cew ek niesprzężonych m agnetycznie reaktancje indukcyjne dodają się. ponieważ indukcyjność cewki jest proporcjonal na cło jej reaktancji, zastępcza indukcyjność cewek połączonych szeregowo jest równa sumie indukcyjności poszczególnych cewek.
■: .. l /
400
-»
U
/ 1j
Rys. 1. Zależność reaktancji cewki Indukcyjnej od czę- | stotliwoścl I wartości Indukcyjności i w odbiorniku
)£ w źródle napięcia linia odbicia zwierciadlanego
L1 j
U
L2<
Rys. 1. Połączenie równolegle dwóch cewek nlesprzężonych magnetycznie
Przy połączeniu ró w n o le g ły m cewek niesprzężonych magnetycznie wypadkowa im pedancja, a tak że reaktancja indukcyjna, jest mniejsza od im pedancji i reaktancji cewek, z których zbudow any jest ob wód, Całkowity prąd w obwodzie jest równy sumie prądów płynących przez cewki (rys. 1). Reaktancje indukcyjne są odwrotnie proporcjonalne do natęże nia przepływającego przez nie prądu. W ynika z te go, że odwrotność zastępczej indukcyjności obw o du jest równa sumie odw rotności indukcyjności po szczególnych cewek.
300
Jeżeli cewka indukcyjna jest źródłem napięcia, wtedy siła elektrom otoryczna
/t
Połączenie szeregowe cewek indukcyjnych niesprzężonych magnetycznie : i - i + i- z
Połączenie równolegle cewek indukcyjnych niesprzężonych magnetycznie: ogólnie
dla dwóch cewek
i-
1 + i-o
Przy połączeniu szeregow ym dw óch cew ek o indukcyjnościach i , i L2 sprzężonych m agnetycznie L - zastępcza indukcyjność obwodu wypadkowa indukcyjność L zależy od tego, jak stru L U L2 - indukcyjność poszczególnych cewek mienie magnetyczne skojarzone z tym i cewkami oddzialywują na siebie. W zależności od kierunku na winięcia uzwojenia obu cewek strumienie tych cewek m ogą dodaw ać się lub odejmować. Indukcyjność ta może być wyrażona zależnością L = L i + L2 ± 2M, przy czym M to wyrażona w henrach indukcyjność wzajemna obu elementów określona jako
, A/ e t- _ " L S T M
ma największą ujemną wartość chwilową, gdy prąd narasta w czasie najszybciej (rys. 2). W tym przypad ku wektor prądu I wyprzedza wektor siły elektromoto rycznej El . Kąt przesunięcia fazowego jest równy 90°.
,
Dla idealnej cewki in dukcyjnej zasilanej napię ciem przem iennym wektor tego napięcia wyprze dza wektor prądu o kąt 90°.
-{l 7 Q ,
wykres wskazowy.
Ai
W tym przypadku wektor prądu / opóźnia się o kąt 90° względem napięcia uL.
k
gdzie k (0 < k< 1 ) to w spółczynnik sprzężenia m agnetycznego m iędzy cewkami. W artość k= Q - gdy nie ma sprzężenia m agnetycznego, fc= 1 - gdy występuje całkowite sprzężenie.
Najczęściej cewka indukcyjna w obwodzie jest od biornikiem, a zatem napięcie ma zwrot przeciwny do prądu. Oznacza to, źe UL= _ e L =
=
L |ako źródło
L jako odbiornik j J<
'c
Rys. 2. Przebieg prądu i napięcia cewki indukcyjnej
y
3.3.5 Obliczanie parametrów obwodów prądu przemiennego z rezystorami, kondensatorami i cewkami (obwody RLC) Właściwości elementów biernych obw odów elektrycznych (rezystancyjnych, indukcyjnościow ych i pojemnociowych) można opisać, podając czasowe zależności między natężeniem prądu płynącego przez każdy element a panującym na nim spadkiem napięcia.
3.3 Obwody prądu przemiennegj
110 W n io ski z te g o o p is u : • i: '•
oddziaływanie elem entów rezystancyjnych przejawia się w taki sam sposób we wszystkich obwodach elektrycznych {prądu stałego i zm iennego), oddziaływ anie e lem entów in d u kcyjn o ścio w ych przejaw ia się w o b w o d ach prądu zm iehnego oraz* w stanach nieustalonych istniejących w obw odach elektrycznych. W obw odach prądu stałego przjl stałych wartościach prądu idealny elem ent indukcyjnościow y stanowi zwarcie, ' i< ¡ • oddziaływanie elem entów pojem nościow ych przejawia się w obw odach prądu zm iennego oraz w sta? nach nieustalonych w obw odach elektrycznych. W obw odach prądu stałego, w których napięcie nąj kondensatorze ma stałą wartość, idealny elem ent pojem nościow y oznacza rozwarcie. .3 «I Elementy, które pobierają wyłącznie m oc bierną, są elem entam i reaktancyjnym i. Przykładami takich ełemsiy* tów są kondensatory i cewki indukcyjne. Dwójniki RL i RC składają się z rezystora i reaktancji (pojemnoścloi wej lub indukcyjnej). Parametry takich dw ójników zależą od częstotliwości. jj
3.3.5.1 Obwody szeregowe RC i RL D w ó jn ik RC
3 3 Obwody prądu przemiennego
111
yy obwodzie RC w e kto r prądu w yprzedza w e kto r n a p ię c ia o kąt cp. Kąt przesunięcia fazowego cp jest tym większy, im mniejsze wartości mają rezystancja, pojemność i częstotliwość napięcia zasilającego. yy szeregowym obw odzie RC napięcie na zaci s k a c h tego obwodu opóźnia się względem prądu o kąt mniejszy niż 90°.
W szeregowym obw odzie RL napięcie na za ci skach tego obwodu wyprzedza prąd o kąt cp. Kąt przesunięcia fazowego jest tym większy, im wyższa jest częstotliwość, większa indukcyjność i mniejsza rezystancja.
Na wykresie wektorowym dwójnika składowe czyn ne i bierne są w zajem nie prostopadłe.
W szeregowym obwodzie RL napięcie na zacis kach tego obwodu wyprzedza prąd o kąt mniejszy niż 90°.
R = Z U UR
Uq Z R Xq
/ cp
•
tan cp — ~pf
cos
2 n - 10 kHz -4 ,7 nF
Z = / f l 2 + X2o = ^(5,6 k£2)2 +(3,39 kQ)2 = 6,55 k Q
Xc = Z ■sin ip
napięcie zasilania napięcie na rezystancji napięcie na kondensatorze im pedancja : rezystancja reaktancja pojem nościowa natężenie prądu kąt fazowy obwodu
U -\j
u 2r +
u\
II
1 P itagoras (ok. 5 7 2 -4 9 7 p.n .e.) - g ro c k i m a te m a tyk i Jilozof; 2 o d tac. Im p o d lre = p rze szkad zać, za w ad za ć, h a m o w a ć
a» • C
U = \j U2r + U2o
Dla szeregowego dw ójnika RL ; 3,39 kQ
O)
Do obliczenia prądu płynącego w obwodzie koniecz na jest znajomość napięcia zasilającego i impedancji obwodu. Kąt cp na wykresie wektorow ym jest miarą przesunięcia fazow ego p om iędzy prądem i napię ciem . M ożna go w yzn a czyć z tró jką ta na p ię ć lub z trójkąta impedancji (rys. 1).
1
R = Z • cos cp /=
—
z
=
10 V
Z
R1 + XZL
II
Dla szeregowego dwójnika RC:
tan (p = -
I = ■
Rozwiązanie:
(O
I=!
(U ).
• Dodając geom etrycznie składow ą czynną i bierną r im pedancji (R, Xc), otrzym uje się im pedancję2 o b wodu (Z).
U c = V U2 - U 2r = 7 (25 V)2 -(1 2 V)2 = 21,93 V
Przykład 2: Rezystor 5,6 kQ i ko n d e n s a to r o p o je m n o ś c i 4,7 nF połączone szeregowo są zasilane z sinu soidalnego źródła napięcia o wartości 10 V i czę stotliwości 10 kHz. Obliczyć Z, /, UR, Uc .
Dodając geom etrycznie składow ą czynną i bierną napięcia (UR, Uc), otrzym uje się napięcie zasilania
Podstawiając odpowiednio spadki napięć na rezystan cji, reaktancji i impedancji obwodu {R • I, Xc • / , Z ■I), można narysować trójkąt im pedancji, który jest p o dobny do trójkąta napięć.
Rozwiązanie:
Szeregowy d w ó jn ik RL W szeregowym obw odzie składającym się z rezy stancji i idealnej indukcyjności napięcie na cewce wyprzedza prąd i n a p ię c ie na re z y s ta n c ji o 90° (rys. 1)- Trójkąt im pedancji jest w tym wypadku rów noważny trójkątowi napięć. Zarówno składowe na pięcia, jak i składowe im pedancji są dodaw ane geo metrycznie. Kąt przesunięcia fazow ego m oże być , wyznaczony z jednego z tych trójkątów.
W dwójniku składającym się z szeregowo połączone go rezystora i idealnego kondensatora, zasilanym na pięciem przemiennym, wektor napięcia na kondensa torze opóźnia się względem wektora prądu o kąt 90° (rys. 1). Napięcie na rezystancji jest w fazie z prądem.
Poszczególne w ektory m ożna przesuwać rów nole gle, np. tak, aby koniec w ektora Uc znalazł się przy s trz a łc e w e k to ra U R. W ykre s w e k to ro w y n a p ię ć przekształca się w ten sposób w trójkąt prostokątny, którego boki stanowią napięcia U, UR, Uc ■ Do tego trójkąta stosuje się tw ie rd z e n ie P ita g o ra s a 1.
P rzykła d 1: ’ Szeregow y dw ójnik RC jest zasilany napięciem sinu so id a lnym o w a rto ści 25 V. Na rezystancji jest napięcie 12 V. Jaką wartość ma napięcie na kondensatorze?
XL = Z • sin cp
_ 1 ko
6,55 k£2 - 1’5 3 m A
/
. - prąd zasilania - napięcie zasilania Z -im p e d a n c ja cp - kąt fazowy obwodu U R - napięcie na rezystancji < R -re z y s ta n c ja UL - napięcie na cewce indukcyjnej. XL - reaktancja indukcyjna U
U„ = f l . / = l l5 3 m A -5 ,6 k Q = 8 ,5 7 V
u c = Xc - i = 1,53 m A - 3 ,3 9 kQ== 5,19 V
ir 3.3 Obwody prądu
1 12
3.3.5.2 Obwody równoległe RC i RL Równoległy dwójnik RC W równoległym obwodzie składającym się z rezysto ra i idealnego kondensatora prąd płynący przez kon d e n sa to r w yp rze d za n a p ię cie na je g o zaciska ch o 90° (rys. 1). Prąd płynący przez rezystor jest w fa zie z napięciem. C ałkowity prąd jest sumą geom e tryczną prądów składowych.
Przykład 1: W szeregowym obw odzie RL reaktąncja induk-> cyjna XL = 6,24 kQ. Prąd opóźnia się .względemnapięcia o kąt 82°. Jaką wartość ma rezystancja? Rozwiązanie: tg
6,24 kQ • = 877 Q tg 82°
=a _!
=>
tg
Zastępując w obw odzie rów noległym boki trójkąta prądów o d p o w ie d n im i susceptancjam i, otrzym uje się trójkąt adm itancji (rys. 1). i
W obwodzie rów noległym RC wypadkow y prąd wy przedza napięcie na zaciskach tego obw odu o kąt mniejszy niż 90°.
U
Rys.
1 . W ykresy w skazo w e ró w n o leg łe g o po łączen ia rezystancji I pojem ności
Dla rów noległego dwójnika RC: P = Pr + Pc
U = Z- I - -
I = \jp R
+ PC
R -X c
2,95 mA tg r/> -■
10 V 5,6 kQ ,
tg cp ■
R_ x L-
Straty w kondensatorze Okładki kondensatora po przyłożeniu napięcia prze miennego są okresowo przeładowywane. Oznacza to, że dipole elektryczne utw orzone przez ładunki elektryczne w strukturze d ielektryka obracają się. Okresowa zm iana o rien ta cji d ip o li p o w o d u je na grzewanie się dielektryka. Również prąd przem ien ny p rze ła d o w u ją cy k o n d e n s a to r, p rz e p ły w a ją c y m iędzy je g o o k ła d k a m i, p o w o d u je d o d a tk o w e podgrzewanie dielektryka. O ba te zjawiska są przy czyną tego, że część energii pobieranej ze źródła zasilania je st tracona. Za te straty w d ie le ktryku odpow iada b a rd zo m ata s k ła d o w a c a łk o w ite g o prądu kondensatora. S kładow a ta je st szczególnie istotna w przypadku kondensatorów e le ktro litycz nych. '
3,39 kQ Y = \Jg z + B2c
10 V 3,39 k£2
tró jk ą t a d m ita n c ji
tró jk ą t p rą d ó w
Rozwiązanie:
lc ~ X c
albo
3.3.S.3 Straty w kondensatorze
Kąt przesunięcia fazowego ip w rów noległym obw o dzie RC m ożna w yznaczyć z tró jką ta p rądów lub trójkąta admitancji.
1 2it ■ 10 k H z - 4,7 nF
Trójkątowi prądów odpow iada trójkąt admitancji. Kąt fazowy obwodu cp jest tym większy, im mniejsze są częstotliwość i indukcyjność cewki oraz im większa jest rezystancja obwodu.
tg
W obw odzie równoległym , dodając geom etrycz nie odpow iednie susceptancje, otrzym uje się admitancję obw odu.
1
Kąt przesunięcia fazow ego w rów noległym o b wodzie RC jest tym większy, im większa jest rezy stancja, pojem ność i częstotliwość.
Kąt przesunięcia fazowego tp m ożna obliczyć z za leżności trygonom etrycznej
Admitancja Y, to odwrotność im pedancji Z. Skła dowa czynna admitancji nazywa się konduktancją (G), składowa bierna (B) nosi nazwę susceptancji.
Przykład 2: Rezystor 5,6 kQ i kondensator o pojemności 4,7 nF połączono rów nolegle i zasilono napięciem sinu soidalnym o wartości 10 V i częstotliwości 10 kHz. Obliczyć lR, lc, I.
113
o n nbwody prądu przemiennego
tg
W każdym kondensatorze pracującym w obw o dzie prądu przemiennego występują straty energii. Schemat za stę pczy rzeczyw isteg o ko n d en sa to ra składa się z równolegle połączonego idealnego kon densatora C i rezystancji strat Rr (rys. 1).
Dla rów noległego dwójnika RL: U = Z-I: 2 = Y = x/g 2 + S \
/ = V '2fl + P l R ■X, \IR 2+ X 2l
U / lR l[_ Z Y G Bl R XL
-
napięcie zasilania prąd zasilania prąd rezystora (prąd czynny) prąd dławika (prąd bierny indukcyjny) - im pedancja - admitancja - konduktancja - susceptancja indukcyjna - rezystancja - reaktancja indukcyjna
C ±
tró jk ą t p rą d ó w
tró jk ą t a d m ita n c ji
Rys. 1. S c h em at zastępc zy I w ykresy w skazo w e kon den satora z uw zględnieniem strat
1,79 mA G = Y ■cos ip
Bc = Y • sin tp Dobrej jakości kondensatory mają małe straty. Oznacza to, że wartość rezystancji strat fl„ je s t duża. , f
I - '¡ P r + Pc = V 0 -79 mA)3 + (2,95 mAji* = 3,-,45 mA
Przykład 3: W równoległym obwodzie RC prąd kondensatora jest równy 2,5 mA, prąd rezystora 1,5 mA. O bli czyć kąt fazowy tego obwodu. R ozw iązanie: lc t 9 'p - T R =
2,5 mA J ^ a
= ^ =59°
I U Z Y Ir
lc G Bc R Xc ę -
prąd zasilania napięcie zasilania im pedancja obwodu adm itancja obwodu prąd rezystancji prąd kondensatora konduktancja susceptancja pojem nościowa rezystancja reaktancja pojem nościowa kąt fazowy obwodu
j
j }
Jeżeli obwód przedstawiony na rys. 1 jest zasilany sinusoidalnym napięciem przemiennym, to prąd płynący | > przez rezystor Rp ma wartość lR, a przez kondensator - w artość /0. Prąd lR stanowi składową czynną, a prąd { i lc składową bierną całkowitego prądu / zasilającego układ. Prąd I można wyznaczyć z wykresu wektorowe*j go prądów. . ■: ; Wektor prądu lR jest w fazie z wektorem napięcia U. W ektor prądu /c wyprzedza wektor napięcia U i jednocześnie wektor prądu Ir o kąt 90°. Prąd / jest sumą geom etryczną wektorów lR i /c. Można go wyznaczyć geometrycznie lub obliczyć na podstawie twierdzenia Pitagorasa.
i f j | t i
Konduktancja i susceptancja obw odu są proporcjonalne do odpowiednich prądów. Zatem odpow iednio do wykresu wektorowego prądów można narysować podobny trójkąt admitancji (rys. 1).
I ■ j ;
114
3.3 Obwody prądu przemiennego
Konsekwencją tego, że w kondensatorze występują straty mocy, jest to, że przesunięcie fazowe pomiędzy prądem / i napięciem U jest m niejsze niż 90°. Przesunięcie to jest tym bliższe wartości 90°, im mniejsze & , straty m ocy w kondensatorze. I ’ 'f W spółczynnik strat kondensatora d, nazywany stratnością kondensatora, jest rów ny tangesowi kąta i Kąt ó stanowi dopełnienie do kąta 90° kąta cp przesunięcia fazowego obw odu (rys. V na poprzedniej stronie) -
115
j 0 nhwndy prądu przemiennego
d = tg 6
s
Jeżeli uwzględni się reaktancję pojem nościow ą i rezystancję schematu zastępczego, to stratność kondensa-', tora rzeczywistego m ożna obliczyć z zależności
d = tg Ö ■
Xa
« fl'
/ co CR ft
Współczynnik dobroci (dobroć kondensatora) O jest odw rotnością w spółczynnika strat (stratności). Do broć jest tym większa, im mniejsze są straty m ocy w kondensatorze.
Przykład 1: Jaką wartość ma rezystancja strat i kąt stratnośoii kondensatora o pojem ności 10 pF, jeżeli współ-f czynnik stratności przy częstotliwości 50 Hz jest! równy 1,5 • 10-"?
d = tg ó
X"
Współczynnik strat, zwany stratnością cewki, jest równy tangesowi kąta <5. Kąt 6 jest dopełnieniem kąta fazowego q> do kąta 90 ° (rys. 1 na p o p rz e d n ie j stronie). W spółczynnik dobroci (dobroć cewki) Q j e s t odwrotnością współczynnika strat (stratności).
Rr Rs XL
w C L
Dobroć ce w ki je s t tym w ię ksza , im s tra ty Są mniejsze.
-
w spółczynnik strat kąt stratności dobroć reaktancja pojem nościow a rów noległa rezystancja strat szeregowa rezystancja strat reaktancja indukcyjna częstotliwość napięcia zasilającego (częstotliwość pracy obwodu) - pojem ność kondensatora - indukcyjność cewki
3.3.5.S, Filtry RCi RL
1
co CR ft
Rr
1 ~2n!Cd' 1_________ :2 ,1 2 M Q 2 ji • 50 Hz • 10pF -1,5 '1 0 '4 1
;C d
tg <5 = c /= 1,5- 10-4 =
Filtry służą do tłumienia sygnałów, których częstotliwość należy do w ybranego zakresu. W yróżniam y cztery różne typy filtrów, pokazane w tab. 1. Tab, 1. Filtry
: 0 ,0086 °
Pasmo przenoszenia
Oznaczenie, symbol
3.3.5.4 Straty w>cewce
PP
ku-.
UĄ
i W każdej cew ce zasilanej napięciem przem ien•. nym występują straty mocy.
Q
Xc
Rr
Rozwiązanie:
Dla n is k ic h c z ę s to tliw o ś c i, np. 50 Hz, m ożna '. przyjąć, że rezystancja strat w schem acie zastęp czym k o n d e n s a to ra je s t n ie sko ń cze n ie duża. W tym przypadku bierze się pod uwagę tylko re aktancję pojem nościow ą i prąd bierny.
PT
[
dolnoprzepustowy
..........................._
Wyjaśnienie Filtr dolnoprzepustowy przepuszcza sygna ły o małej częstotliwości. Sygnały o wyższej częstotliwości nie pojawiają się na jego wyj ściu.
f — ■_
(
c:
Jeżeli cewkę indukcyjną z rdzeniem stalowym dołą czy się do zacisków źródła napięcia przem iennego, to z częstotliwością zmian tego napięcia zm ienia się kierunek położenia elem entarnych dom en m agne tycznych w rdzeniu i rdzeń jest przemagnesowany. Poniąw aż rdzeń je s t m ate ria łe m p rze w o d zą cym , zm ienne pole m agnetyczne indukuje w nim prądy wirowe. Oba zjawiska: przem agnesowywanie rdze nia i prądy w irow e są przyczyną nagrzew ania się rdzenia. Prąd płynący w uzwojeniu cewki powoduje nagrzewanie się uzwojenia. W każdej cewce induk cyjn e j je st zatem traco n a , w po staci cie p ła , m oc czynna.
d <5
coC
U
0 =
Na skutek powstających w cewce strat m ocy kąt przesunięcia fazowego ip pomiędzy prądem i na pięciem jest mniejszy niż 90°. Kąt ten zbliża się do wartości 90°, gdy straty mocy w cewce maleją.
tg ó = | « fia
|
Xc
tg ,5 = Xfl
Z wykresu w ektorowego prądów wynika, że d = tg <5 = Yc -
° = 5
o
schemacie zastępczym cewki indukcyjnej straty są przedstawiane w postaci rezystancji strat, wńra jest włączona szeregowo z idealną indukcyjścią £• (rys- 1 na poprzedniej stronie). Straty "°ooy w rzeczywistej cewce indukcyjnej są często ^ałe W tym przypadku rezystancja strat jest dużo mniejsza od reaktancji indukcyjnej cewki.
górne przep L isto w y
PT
PP
i
U z i
Filtr górnoprzepustowy tłumi sygnały o ma łej częstotliwości. Sygnały wysokiej często tliwości przenosi na wyjście. ,
Rys. 1. S c h em at zas tę p c z y cew ki z e stratam i I w ykres w s kazo w y nap ięć
U ,k Przykład 2: O bliczyć rezystancję strat cewki, jeżeli jej reakta n cja je s t rów na 2 k fi i w sp ó łczyn n ik dobroci 250.
Straty w żelazie to suma strat na histerezę i strat na prądy wirowe.
Rozwiązanie:
Straty w uzwojeniu to straty m ocy występująoe na rezystancji uzwojenia.
O
kUo
PT
ku?
PT
PT
PP
n
pasmowoprzepustowy
UA
PP
PP
pasmowozaporowy =>Rs = Ł =
«s ~ " s
O
250
i ■
= 8 fi PT - pasmo tłumione
PP - pasmo przepustowe
Pasmo przenoszenia wyznacza zakres czę stotliwości sygnałów, które mogą pojawić się na wyjściu. Pozostałe częstotliwości sygnałów będą tłumione.
Filtr pasm ow ozaporow y tłum i wszystkie sygnały częstotliwości wewnątrz wyznaczo nego pasma. Pozostałe częstotliwości sy gnałów pojawiają się na wyjściu.
116
3.3 Obwody prądu przemiennej
Filtry dolnoprzepustowe i górnoprzepustow e są zależnymi od częstotliwości sygnału dzielnikami na pięcia. Składają się one z szeregu połączeń rezysto rów z cew kam i indukcyjnym i lub kondensatoram i. Sinusoidalny sygnał przykładany jest na wejście te go szeregowego połączenia. W yjściowy sygnał na pięciow y m ierzony jest na rezystancji lub na, reaktancjach zależnie od wym aganej funkcji. Charakte rystyki częstotliw ościow e filtrów podaw ane są naj częściej w skali logarytmicznej.
W filtrze górnoprzepustowym kąt przesunięcia faL.wego dla niskich częstotliw ości ma w a rto ść dochodzącą do 90° i zmniejsza się ze wzrostem c zę s to tliw o ś c i d o 0 ° . C z ę s to tliw o ś ć
Filtry RC i RL dolnoprzepustowe 0,01
1001
■ —1 ,
Łf,
u 2
»
k 5
L
-t U \
Ola częstotliwości granicznej f g reaktancja obwodu ¡est równa rezystancji, a kąt przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem wejściowym i wyjściowym jest Dla częstotliwości granicznej: Dla częstotliwości granicznej fs napięcie na reaktancji x jest równe napięciu na rezystancji R (rys. 1). Ze wzgfędu na przesunięcie fazowe pom iędzy napię ciami sygnał wejściowy jest o V2 razy większe od napięć składowych. Napięcie wyjściowe filtru stano wi zatem 1/V2 (tj. około 0,0707 lub -3dB) napięcia wejściowego.
X = R U
1
■R--
f
_
1
0 ,8
}
0,6
~ 0, 7 ::
r
CzęstOUlWOSC graniczna
(¿2 0 ,4
Rozwiązanie:
U ,
U2 = j b => U, = V2 ■U2 = 1,41 ■2 = 2,82 V
0,2 0
0,01
io6|
10
0,1
Rys. 2. Charakterystyka częstotliwościowa filtru górno-|j przepustowego
fg C L
0 0, 01 0,1
1
10
100
0,01
0,1
10 10?,
1
f
f
ę '
rn
—
¿GPfi
■DP-
60°
0°
_L
),01 0,1 f t
1 10 —^
ZL
100 0,01 0,1
1 f ra
10 10ÖJ -
—
R2 1 kQ -C U D —
io kR n1]
C2 X " 10nFT
lg = 2 • it -R ■C = 2 • it ■4,7 kQ ■27 nF = 1254 hZ
~
u2 przed Up
u 1 p rz e d u2
2 - X ' L
reaktancja rezystancja napięcie wyjściowe napięcie wejściowe częstotliwość graniczna pojem ność indukcyjność
C1 100nF
9 0° |
-
Rozwiązanie:
0,2
Filtry rozpatrywane jako dzielnik napięć, zbudow ane z e le m e n tó w re ż y s ta n c y jn y c h i re a k ta n c y jn y c h , op ró cz o d d zia ływ a nia na a m p litu d ę sygnału w y j ściowego w pływają też na kąt przesunięcia fazowe go pom iędzy sygnałem wyjściowym i wejściowym .
J-----------
i- iU i, f n / 4 i *
’DP"
0 ,7 0,4
Kąt przesunięcia fazowego
nhlirm/r** nTOCtnllivA/nor*'
X R U2 u,
Przykład 2: Jaką wartość ma częstotliwość graniczna filtru gór; noprzepustowego RC, jeżeli R = 4,7 k£2, C = 27 nF?
i 0,8 I”
Przyjmując,'że reaktancja kondensatora, względnie reaktancja dławika, je st rów na rezystancji, m ożna
~
Rys. 3. Charakterystyki amplitudowe i fazowe filtrów dolnoj przepustowych (DR) I górnoprzepustowych (GP)
Filtr RC pasmowoprzepustowy Jeżeli filtr RC (rys. 2) będzie dołączony do genera tora przebiegów sinusoidalnych o zmiennej często tliwości, to napięcie wyjściowe U2 będzie małe w za kresie niskich i wysokich częstotliwości, a w zakre sie średnich częstotliw ości będzie porów nyw alne z napięciem wejściowym U ,. Filtr górnoprzepustowy R1C1 tłumi niskie częstotliwości, a filtr dolnoprzepustowy R2C2 tłumi wysokie częstotliwości. W ten spo sób powstał filtr pasmowoprzepustowy.
1
2-n-R-C
*0 " Przykład 1: W filtrze górnoprzepustowym napięcie wyjściowe U2 jest równe 2 V. Jakie jest napięcie wejściowe, jeżeli filtr pracuje z częstotliwością graniczną fB?
1,0
W filtrze RC reaktancja p ojem nościow a jest na wejściu dzielnika napięcia i jej mała wartość dla niskich częstotliwości powoduje ich tłumienie.
W filtrze dolnoprzepustow ym kąt przesunięcia fa zowego dla niskich częstotliw ości jest bliski 0°. Kąt ten zwiększa się i wraz ze wzrostem częstotli wości osiąga wartość 90°.
10
równy 45°.
Filtry RC i RL górnoprzepustowe
Na rys. 3 przedstaw iono zbiorczo charakterystyki zmienności am plitudy i fazy dla obu rodzajów filtrów.
f __ _
Rys. 1. Charakterystyka częstotliwościowa filtru dolno-! przepustowego
U
W filtrze RL reaktancja cewki indukcyjnej stanowi element w yjściow y filtru I jej m ała wartość dla niskich czę sto tliw o ści stanow i zw arcie zacisków wyjściowych.
1
£
W układzie RL elementem wyjściowym filtru jest rezystancja. Reaktancja cewki indukcyjnej rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości.
W porównaniu z filtrem dolnoprzepustow ym w filtrze górnoprzepustow ym nastęjauje zam iana usytuow a nia i roli rezystancji i reaktancji (rys. 2).
o,1
graniczna
od pasma przepustowego do pasma zao r o w e g o nie odbywa się w sposób skokowy, tylko Pto p n io w o . Dlatego w prostych filtrach RC lub RL d e fin iu je się tzw. c z ę sto tliw o ś ć gra n iczn ą , przy któ rej reaktancja obwodu jest równa rezystancji. P rz e jś c ie
częstotli wość granic zna ,
\
Filtry dolnoprzepustow e um ożliw iają przejście bez tłum ienia sygnałom o częstotliwościach niższych niż c z ę s to tliw o ś ć gra n iczn a , p o d czas g d y w szystkie sygnały o częstotliwościach wyższych od częstotli wości granicznej są wytłum ione (rys. 1). W układzie RC reaktancja pojem nościowa, będą ca elem entem w yjścio w ym dzie ln ika napięcia, m aleje w fu n k c ji c z ę sto tliw o ści, sta n ow ią c dla wysokich częstotliwości zwarcie.
117
3 nhwndv prądu przemiennego
u2 U ,
Rys. 2. Filtr RC pasmowoprzepustowy
*;.>■'l j j j
, .¡'.JA!
-ihwody prądu przemiennego___________________ (Otliwość przebiegu, która występuje podczas lacyjnego przeładowania kondensatora nazywa
Filtr p a sm o w o p rze pu sto w y m a pasm o przeno szenia o szerokości 0 = fg/, - fg/.
^ c z ę s to tliw o ś c ią w ta s n ą o b w o d u -
1nF
F iltr RC p a sm o w o za p o ro w y Kiedy w układzie z rys. 1 zastosuje się kondensator m n ie js z e j pojemności C, i cewkę o mniejszej in d u k c y jn i0' L u częstotliw ość własna obw o d u bę
F iltr p a s m o w o z a p o ro w y RC (ry s . 1) s k ła d a się z rów nolegle p o łą czo nych e lem entów R1C1 oraz szeregowo połączonych elem entów R2C2.
dzie większa. Dla niskich częstotliwości wartość rezystancji Rz jest nieporównywalnie mniejsza niż reaktancja X konden satora C2. Przeciwnie, reaktancja kondensatora C1 dla n iskich c z ę s to tliw o ści je s t n ie p o ró w n yw a ln ie większa od rezystancji równolegle dołączonego rezy stora R1. Zatem dla niskich częstotliwości elementy R1 i C2 tworzą filtr dolnoprzepustowy. Dla wysokich częstotliwości elementy R1, C2 nie mają praktycznie wpływu na rozkład napięć w obwodzie. Dla tych czę stotliwości elementy C1 i R2 tworzą filtr górnoprzepustowy. W zakresie średnich częstotliwości napięcie wyjściowe zależy od stosunku rezystancji R, i Rz.
Uj. U,
■ 'ta Rys. 1. Filtr RC pasmowozaporowy
F iltr LC p a sm o w o za p o ro w y Filtr (rys. 2) ma strukturę podobną do układu przed stawionego na rys. 1 - tylko w miejsce rezystorów włączono cewki indukcyjne. W łaściwości zaporowe filtru LC są większe niż filtru RC, a zbocza charakte rystyki częstotliwościowej są bardziej strome. Filtr pasm ow ozaporow y tłum i określone pasm o częstotliwości.
Rys. 2. Filtr LC pasmowozaporowy R1 io o n
C 3
3.3.6 Obwody rezonansowe
- y S1|— \
D rgania i rezonans O bserwując w obwodzie przedstawionym na rys. 3 przebiegi napięcia i prądu w cewce tak, że punkt ze row y jest w środku skali, m ożna zauważyć, że po przełączeniu łącznika S1 na kondensatorze wystąpi zmienne napięcie o stałej częstotliwości i ustalonej am plitudzie1. Przez cewkę płynie prąd zmienny, któ ry opóźnia się w fazie względem napięcia. N a ła d o w a ny k o n d e n s a to r ro z ła d o w u je się przez u zw ojenie cew ki. W cew ce in d u kcyjn e j p o w staje zmieniające się w czasie pole magnetyczne. W ytwo rzone pole magnetyczne (reguła Lenza) powoduje podtrzymanie przepływu prądu w cewce indukcyjnej po rozładowaniu kondensatora. Kondensator przeła dowuje się. Po zakończeniu przeładowania konden satora cały proces powtarza się. Energia oscyluje po m iędzy kondensatorem i cewką indukcyjną (rys. 4). W układzie powstają drgania swobodne. Dlatego ta kie o b w o d y nazyw a się o b w o d a m i d rg a ją c y m i. 1 la c. a m p litu d o = o dch yle n ie
I8 k n d >
ci=h pi ( V ,
200pF
Rys. 3. Równolegle połączenie kondensatora i cewki indukcyjnej
©
C 1= b
4'7kQU
L1 -
Częstotliwość własna obw odu oscylacyjnego jest , jyn, większa, im mniejsze są pojem ność konden satora i indukcyjność cewki. Vy obwodach oscylacyjnych z kondensatoram i o du żych pojemnościach i cewkami o dużych indukcyjn o ś c ia c h p rze ła d o w a n ie k o n d e n s a to ra w ym a ga dłuższego czasu niż dla elem entów o m niejszych wartościach. Częstotliwość własna obwodu oscyla cyjnego jest tym mniejsza, im większe są indukcyj ność cewki i pojem ność kondensatora. Jeżeli generator przebiegu pro sto ką tn e go będzie sterował przez odpowiednio połączony kondensator i rezystancję, np. C = 1 nF i R = 4,7 k£2, obw ód oscylacyjny (rys. 1), to napięcie na zaciskach obw o du oscylacyjnego składającego się z równolegle po łączonych cewek i kondensatora będzie zm ieniać się sinusoidalnie i będzie mlalo malejącą amplitudę. W tym przypadku na rezystancji obw odu R = 4,7 kQ powstają krótkie im p u ls y s z p ilk o w e napięcia, które w krótkim czasie dostarczają energię do obw odu drgającego. W ten s p o s ó b w u k ła d z ie p o w s ta ją drgania swobodne. Straty energii w obw odzie po wodują zmniejszanie się am plitudy tych drgań. Jeżeli częstotliwość pracy generatora sterującego i częstotliwość drgań swobodnych będą takie same, to obwód drgający będzie w rezonansie1 z generato rem. Dlatego obw ody drgające nazywa się często obwodami re zo n a n so w y m i. C zęstotliw óść drgań własnych nazywa się czę sto tliw o ścią rezonansow ą.
Rys. 1. Obwód rezonansowy zasilany Impulsami prosto kątnymi
I
X ><
Rys. 2. Szeregowy obwód rezonansowy, wykresy wskazowe napięć i impedancji
Obwód drgający można w zbudzić do oscylacji, jeżeli częstotliwość im pulsów sterujących będzie równa częstotliwości rezonansowej. W tym przypadku im pulsy sterujące pojawiają się synchronicznie z przebie giem oscylacyjnym. Częstotliwość przebiegu sterującego jest równa częstotliwości drgań własnych ob wodu. Szeregowy o b w ó d o s c y la c y jn y
energia w potu elektrycznym magnetycznym eiektryoznym ma';Rys. 4. Przemiana energii w obwodzie rezonansowym \
W szeregowym obwodzie oscylacyjnym cewka indukcyjna i kondensator są połączone szeregowo. Straty energii w cewce i kondensatorze są reprezentowane przez rezystor R (rys. 2). Przez elementy obwodu pły nie ten sam prąd. Przebieg napięcia na rezystancji R jest w fazie z przebiegiem prądu. Przebieg napięcia na kondensatorze opóźnia się względem przebiegu prądu o kąt 90°, a przebieg napięcia na cewce wyprzedza przebieg prądu o kąt 90°. Oba napięcia, napięcie na kondensatorze i napięcie na cewce, są przesunięte względem siebie o kąt 180°. Zatem m ożna ich wartości odjąć od siebie. Geometryczna suma wszystkich na pięć tworzy napięcie wypadkowe. Wykres wskazowy napięć odpow iada wykresowi im pedancji (rys. 2). 1lac. resonare - w sp ó łd rg a n io
120
3.3 Obwody prądu przemiennej
P rzykład: W szeregowym obwodzie rezonansowym napię cie na cewce indukcyjnej jest równe U L = 16 V, napięcie na rezystancji U R = 2 V, a. napięcie na kondensatorze U c = 12 V. Jakie jest napięcie za silające (napięcie wypadkowe)?
li
Uc
/
/
<\ \
UL
____ U R częstotliwość rezonansowa f
U
= Vu2r +. \
u L ~ U
c ) z
=
4
f
_
22 + (16 - 12)2 V =
= ^ 0 V = 4,47 V
Rys. 1. Zmienność napięć w funkcji częstotliwości dla ¡1 szeregowego obwodu rezonansowego
Poszczególne napięcia w uktadzie z rys. 1, szcze g ólnie w po b liżu czę sto tliw o ści rezonansow ej, są w dużym stopniu zależne od częstotliwości. U = J U *„ +
(U L - U
t f
Napięcie na kondensatorze w rezonansie jest równe napięciu na cewce indukcyjnej. Prąd płynący przez obwód ma w tym wypadku największą wartość. Z = \ j R2 + (XL - Xc)z Napięcia na elementach L i C w szeregowym ob wodzie oscylacyjnym dla częstotliwości rezonan sowej są znacznie większe od napięcia wejściowe go z generatora sterującego (rezonans napięć).
■zwarcie w obwodzie, natomiast cewka rzeczyma małą rezystancję reprezentow aną przez stancję uzwojenia. Kiedy stosuje się schem at r8stepczy obwodu oscylacyjnego z równoległym re28 torem strat, to na każdym elemencie tego obwo'huSpanuje takie sam o n a p ię cie . Przebieg p rą d u indukcyjności opóźnia się w zględem przebiegu napięcia o kąt 90° (rys. 3), a przebieg prądu w kon densatorze wyprzedza przebieg napięcia o kąt 90°. O ba p rą d y s£ł w przeclwfazie. p rącj w rezystancji jest W fazie z napięciem zasilającym. n0*
U, UR Uc,UL
Rozwiązanie:
121
Dohwndy prądu przemiennego
Dla niskich częstotliwości na kondensatorze odkłada U napięcie z generatora sterującego, się cale napięcie z generatora sterującego. Dla wy napięcie zasilania sokich częstotliwości napięcie na kondensatorze jest napięcie na rezystancji UR praktycznie równe zero, a cale napięcie zasilania od napięcia na reaktancjach UL, U c kłada się na cewce indukcyjnej. Największa wartość Z im pedancja napięcia na kondensatorze wystąpi dla częstotliwo R rezystancja ści przebiegów nieco mniejszej od częstotliwości re reaktancje XL,X c zonansowej obwodu. Największa w artość n a p ię c ia kąt przesunięcia fazowego
, K|ecjy obwód oscylacyjny L C dołączy się do zaci• sków generatora sterującego i będzie się mierzyło poszczególne prądy dla różnych częstotliwości, to okaże się, że zależą one w dużym sto p niu od ■częstotliwości, szczególnie w pobliżu częstotli• wości rezonansowej. Dla częstotliwości poniżej częstotliwości rezonanso wej dominującym jest prąd cewki indukcyjnej, powyżej prąd kondensatora. Dla częstotliw ości poniżej częstotliwości rezo n a n so w e j ró w n o le g ły o b w ó d oscylacyjny ma charakter rezystancyjno-indukcyjny, a powyżej rezystancyjno-pojemnościowy (rys. 4).
R ó w n o le g ły o b w ó d o s c y la cyjn y Straty w równoległym obwodzie rezonansowym m ogą być reprezentowane przez rezystor o malej wartości*,; R, włączony szeregowo z cewką indukcyjną lub rezystor o dużej wartości rezystancji Rr , w łączony równole gło do obwodu rezonansowego (rys. 2 na n a stęp n e j stro n ie ). Dla niskich częstotliwości idealną cewką sta-,I.
Lr i
A«
Rys. 2. Schematy zastępcze równoległego obwodu rezonansowego
. W rezonansie prądy cewki indukcyjnej i konden satora są sobie równe. W rezonansie prąd całkowity obw odu jest określony tylko przez rezystancję rów noległą strat i napięcie zasilania. Im pedancja obw odu rezonansowego dla niskich i wysokich częstotliwości jest mała. W rezo nansie rów noległym o b w ó d o s c y la c y jn y ma n a j większą impedancję równą rezystancji strat. Impedancja rów noległego obw odu oscylacyjne go jest dla częstotliw ości rezonansowej rów na równoległej rezystancji strat obwodu.
03 I
Rys. 3. Wykresy wskazowe prądów i admitancjl równole głego obwodu rezonansowego I ^
P
n
+
d c - k ) 2
q> = arctg
/ Im pedancja szeregowego obwodu rezonansowego dla częstotliwości rezonansowej jest równa rezystan-i cji strat tego obw odu. *
Rys. 1. Zmienność impedancji szeregowego obwodu rezonansowego w funkcji częstotliwości
k k, lc Y G Bb Bc V
-
7 = V g 2 + (S l - B c )2
B i- B ę
G
prąd całkowity zasilania prąd czynny prądy bierne adm itancja obw odu konduktancja obwodu susceptancje kąt przesunięcia fazowego
częstotliwość rezonansowa fr
i
Rys. 4. Impedancja 2 równoległego obwodu rezonanso wego w funkcji częstotliwości
122
3.3 Obwody prądu przemienną
, ch amplituda oscylacji na krzywej rezonansowej wartości 70,7% (1 /V 2 ) wartości maksymalnej.
P rzykła d 1: Rów noległy obw ód oscylacyjny ma rezystancję Rr = 100 k£2 i reaktancję XL = Xc = 500 £2 i jest zasilany z generatora sinusoidalnego napięciem o wartości skutecznej 10 V. Jaki jest prąd całko wity i prądy składowe dla częstotliwości rezonan sowej?
spada d o
szersze pasmo przenoszenia B obwodu oscy. cyjnego dla takiej sam ej częstotliw ości rezo nansowej, tym mniejsza jest dobroć obwodu.
R ozw iązanie:
i = JŁ = 10 v Rr
1 0 0 kQ
u 0 k
10 V 500Q
Xc =
h
-
0,1 m A Rys. 1. Równoległy obwód rezonansowy z szeregową' rezystancją strat
: 20 m A
Zr = Ra
Jeżeli straty w o b w o d zie o s c yla cyjn ym rosną, i krzywe rezonansowe są bardziej płaskie niż w wyi padku mniejszych strat.
R -C Lr — Xęr i R<śXc
Gdy
C z ę s to tliw o ś ć rezonansow a
° =i
P rz y k ła d :
W szeregowym i rów noległym obwodzie oscyla cyjnym z małymi stratami energii w rezonansie reaktancje indukcyjna i pojemnościowa są równe.
mr -L
o)r ■C
2 ■n y L Ć P rzykład 2: Kondensator o pojem ności 15 nF jest połączony szeregowo z dławikiem indukcyjnym o pojem no ści 100 mH. O bliczyć częstotliw ość rezonanso wą. R ozw iązanie: 1
Funkcje zmienności prądu wypadkow ego w ob w o dzie oscylacyjnym równoległym I napięcia wypadko wego w obwodzie oscylacyjnym szeregowym mają nodobny kształt (rys. 1). Krzywe te nazywa się krzyL m( re zonan sow ym i. Kiedy straty w obwodzie oscy lacyjnym rosną pod w pływ em w zrostu rezystancji uzwojenia cewki lub pod wpływem zmniejszania się rezystancji rów noległej w obw odzie rów noległym , krzywe rezonansowe mają podobny, plaski przebieg.
W rezonansie:
20 m A
Prądy w elementach obwodu oscylacyjnego (rys. 1) są w rezonansie znacznie większe niż prąd całkow i ty obw odu (rezonans prądów ).
fr'-
123
j 3 nhwndv prądu przemiennego
13 kHz
Z Ra L R C Xu-,XCrw fr -
2 ■n
H
e
L2
im pedancja rezonansowa równoległa rezystancja strat Indukcyjność dławika rezystancja uzwojenia dławika ■ pojem ność kondensatora reaktancja rezonansowa pulsacja rezonansów częstotliwość własna rezonansowa obwojj
2 -n - ^ L C = 2 - jt- ^ 1 0 m H - 1 5 n F
W rów no le g łym ob w o d zie oscyla cyjn ym z cewką o większych stratach w rezonansie prąd cewki jest trochę większy niż prąd kondensatora (rys. 2). Dla tego w tym przypadku częstotliw ość rezonansowa obwodu jest trochę mniejsza. Częstotliwość rezonansowa rów noległego obw odu o scyla cyjn e g o je st zatem p o zastosow aniu cewki o większych stratach trochę mniejsza niż częstotli wość rezonansowa obw odu bezstratnego.
R, bardzo male
H, bardzo duże
Krzywa rezonansowa szeregowego obwodu oscy lacyjnego ma dla częstotliwości 470 kHz maksiW szeregowym obwodzie:
, mum. i Dla częstotliwości 467 kHz I 473 kHz wartości na krzywej stanowią 70,7% w artości m aksym alnej. Jaką dobroć ma ten obwód?
£
fl,
Rozwiązanie:
Q= ł
470 kHz 473 k H z - 4 6 7 kHz
5« Xr
= 78,3 Q fr
i Dobroć obwodu zależy od rezystancji strat. Do broć szeregowego obwodu rezonansowego jest : tym większa, Im większy jest stosunek reaktancji , cewki lub reaktancji kondensatora do rezystancji uzwojenia cewki.
t a
W równoległym obwodzie:
r a
n
n
Zr Rs
Rr B
-
dobroć obwodu ■ własna częstotliwość rezonansowa obwodu reaktancja rezonansowa rezystancja uzwojenia cewki rów noległa rezystancja strat pasm o przenoszenia
i
t. Opisz podstawowe właściwości i parametry prądu przemiennego. 2. Zdefiniuj pojęcia mocy czynnej, biernej I pozornej w obwodzie prądu przemiennego oraz podaj jednostki tych mocy. 3. Określ zachowanie kondensatora w obwodzie prądu przemiennego. Rys. 2. Rodzaje obwodów oscylacyjnych
O bwody oscylacyjne w rezonansie mają charakter rezystancyjny i dlatego pomiędzy wypadkowym napll ciem 'I wypadkowym prądem nie ma przesunięcia fazowego.
4. Określ zachowanie cewki w obwodzie prądu przemiennego. 5. Wyjaśnij pojęcie reaktancji Indukcyjnej. 6. Jak zachowują się elementy bierne w obwodach prądu stałego i przemiennego? 7. Podaj przyczynę strat energii w kondensatorze i cewce pracujących w obwodzie prądu przemiennego. B. Co to znaczy „dolnoprzepustowość" I „górnoprzepustowość" filtrów RC i RL?
Pasm o p rze n o sze n ia i d o b ro ć o b w o d u W ielkością umożliwiającą porównanie obw odów oscylacyjnych (rys. 1 na na stęp n e j stro n ie ) o tej same) częstotliwości rezonansowej jest pasm o przenoszenia. Pasmo przenoszenla-jęst różnicą częstotliwości, pref
3, Podaj warunek oscylacji obwodu rezonansowego. 10. Jakie pasmo przenoszenia ma obwód rezonansowy o dobroci Q = 100 i częstotliwości fr = 1 WIHz?
124
3.3 Obwody prądu przemienn
H p^Mindytrójfazowe
125
prądu przemiennego
3.4 Obwody trójfazowe wolenia fazowe generatora wytwarzającego prąd izeniienny można połączyć na dwa sposoby. Jeżer wvprowadzi się początki uzwojeń i zewrze się końto powstaje symetryczny układ połączeń, zwa nym połączeniem w gwiazdę - Y (rys. 1).
3.4.1 Wytwarzanie napięcia trójfazowego Generator trójfazowy sktada się ze stojana, na któ rym umieszczono Irzy identyczne uzwojenia przesu nięte geom etrycznie w przestrzeni o 120°, i jeden w irnik z jedną, lub w ielom a param i bie g u nó w m a gnetycznych w ytw orzonych przez m agnesy trwale lub elektrom agnesy (rys. 1).
Jeżeli połączy się odpow iednio początek uzwojenia lu c e rn następnego uzwojenia, to powstanie po łączenie zwane połączeniem w trójkąt - A (rys. 1). Należy tu wyjaśnić, że w generatorach z uzwojenia mi połączonymi w trójkąt nie ma m ożliwości w ypro wadzenia linii czteroprzewodowej.
W skutek obracającego się w irnika w polu m agne tycznym w każdym z uzwojeń stojana, zgodnie ze zjawiskiem indukcji elektrom agnetycznej, powstaje zmienne w czasie napięcie. Ponieważ trzy uzwojenia przesunięte śą w przestrzeni stojana względem sie bie o 120°, in d u k o w a n e n a p ię cia są prze su n ię te w fazie też o kąt 120°. Generatory trójfazowe wirują ce z wielkim i prędkościam i mają jedną parę biegu nów (rys. 1), natomiast generatory o maiych prędko ściach wirowania mają więcej par, zazwyczaj osiem.
>W urządzeniach i m aszynach trójfazow ych, np. w silnikach trójfazowych, m ożna uzyskać o d p o wiednie połączenie (Y lub A), przełączając mostki : na tabliczce przyłączeniowej (rys. 2).
połączenie gwiazdy
połączenie trójkąta
3.4.2.1 Uktad gwiazdy
System napięć trójfazow ych składa się z trzech źródet napięcia przem iennego, które są skojarzone ze sobą w jednej maszynie elektrycznej i pom iędzy którym i w ystępuje przesunięcie fazowe 120°. Takie s k o ja rz e n ie ź ró d e ł u m o ż liw ia p rze s ia n ie e n e rg ii elektrycznej czterem a liniami, po jednej dla każdej z faż i jednej wspólnej neutralnej, zerowej (rys. 2). W przypadku braku skojarzenia źródeł każdą z faz należałoby przesyłać osobną parą przewodów.
Prąd
Przy połączeniu w gwiazdę każda faza tworzy nieza leżny układ zasilania. Między fazami nie ma przeplywu prądu. Natężenie prądu w u zw ojeniach fa zo wych źródła zasilania jest takie samo jak w przewo dzie fazowym linii zasilającej odbiornik. Jeżeli do li nii trójfazowej dołączy się odbiornik składający się z identycznych rezystorów połączonych w gwiazdę, to w przewodach linii popłyną trzy takie same, co do wartości, przesunięte w fazie prądy (rys. 3).
Jeżeli do czteroprzewodowej linii podłączym y dwie identyczne maszyny elektryczne, to zgodnie z regu łą Lenza n a p ę d z a ją c je d n ą m aszyn ę , w d ru g ie j uzyskamy wirujące pole magnetyczne i maszyna ta zacznie także wirować. W irujące pole m agnetyczne w drugiej maszynie jest wzbudzane przez prądy pły nące w o b w o d ach , a w o b e c sko ja rze n ia faz tych maszyn prąd ten nazywa się prądem trójfazowym.
Po uwzględnieniu odpowiednich wartości chwilowych tych prądów okaże się, że wypadkow y prąd, będą cy sumą prądów fazowych, jest równy zero. Dlatego dla o d b io rn ik ó w s y m e try c z n y c h p o łą c z o n y c h w gwiazdę przewód neutralny nie je st potrzebny. Dokładniej niż na podstawie czasowych przebiegów prądów w linii zasilającej, można wyjaśnić to z w y kresu wskazowego prądów (rys. 4).
Czteroprzewodową linię przesyłową tworzą trzy przewody fazowe i jeden przewód neutralny (ze rowy). Przewód neutralny jest uziemiony i w prak tyce ma względem ziemi potencjał bliski zera.
Napięcia W połączeniu gwiazdy stosowanie przewodu neu tralnego nie zawsze jest konieczne. Jeżeli przewód neutralny jest w ykorzystyw any, to na każdej fazie odbiornika, niezależnie od wartości rezystancji, za wsze jest napięcie fazowe. Jeżeli układ połączeń nie ma przewodu neutralnego, to napięcie fazowe na poszczególnych fazach odb io rn ika jest równe na pięciom fazowym linii zasilającej tylko wtedy, kiedy odbiornik i linia zasilające są symetryczne. Napięcie międzyfazowo można obliczyć z wykresu w skazo wego (rys. 1 na następnej stronie).
Napięcia pom iędzy przewodam i fazowymi i prze wodem neutralnym nazywają się napięciami fa zowymi i na wykresie wskazowym pokazane są jako gwiazda napięć fazowych. Napięcia m iędzy p o szcze gó ln ym i przew odam i fazowymi nazywają się napięciami międzyfazowymi (liniowym i) i na wykresie wskazowym re prezentowane są przez trójkąt napięć liniowych (rys. 3). T. [
J
Rys. 2. Tabliczka skrzynki zaciskowej
.
126
3.4 Obwody trójfazowe prądu przemień^'
zm
W układzie połączeń w gwiazdę napięcie międzyfazowe jest >/3 razy większe od napięcia fazowego.
, -k o n a p ię c iu fazowym 2 3 0 V wym aga do pracy w S? dzie trójkąta sieci o napięciu m iędzyfazow ym n V a d la u k,a d u g w ia z d y s ie c i o n a p ię c iu
Przykład: Silnik trójfazowy połączony w gwiazdę jest zasi lany z sieci 3x380 V. Jakie jest napięcie fazowe?
i^ ę d z y fa z o w y m 4 0 0 V.
PrzV rozruchu m etodą g w ia zd a - tró jk ą t siln ik o n a p ię c ia c h fazowych np. 4 0 0 V zostaje przyłą czony do sieci 4 0 0 V w połączeniu w gwiazdę. W tym p rz y p a d k u u z w o je n ia fa z o w e s iln ik a w chwili połączenia zasilane są je d yn ie na p ię ciem 2 3 0 V. Początkowy prąd rozruchowy zmie; nia gię do jednej trzeciej prądu znam ionowego. Po rozruchu następuje przełączenie z gw iazdy w trójkąt celem optymalnego wykorzystania zna mionowych param etrów silnika, przede wszyst
Rozwiązanie: 380 V
U,=
219,39 V
3A.2.2 Układ trójkąta
127
r h ,.,nriy trójfazowe prądu prźemiennego
Sn V x y Rys. 1. Wykres wskazowy mocy z uwzględnieniem kompen sacji ( rp , - przed kompensacją, po kompensacji)
kim mocy. Napięcia W układzie połączeń w trójkąt, inaczej niż w połą czeniu w gwiazdę, każda faza odbiornika jest zasila na napięciem przewodowym .
3,4.3 Układy kompensacji mocy biernej
Prąd W układach sym etrycznych kąt przesunięcia fazo wego m iędzy trzema prądam i w przewodach linii za silającej jest równy 120°.
Pośród wielu o d b io rn ikó w energii e lektrycznej są urządzenia, których współczynnik mocy cos rp daleki jest od wartości 1. W takim przypadku pobiera ny jest prąd bierny obciążający sieć i zwiększający spadki napięcia w linii zasilającej.
W ynika z tego, że prąd w linii (prąd przewodowy) jest trzy razy większy od prądu płynącego w fazie odbiornika (rys. 2).
1Najczęściej używanymi urządzeniami wym agają; cymi kompensacji m ocy biernej są asynchronicz n e silniki prądu przem iennego, fluorescencyjne ■lampy oświetleniowe, urządzenia grzewcze o du; tych indukcyjnościach.
3.4.2.3 Zastośowanie układu gwiazdy i trójkąta Początkowy prąd rozruchowy asynchronicznych sil ników trójfazowych jest okoto 6 do 8 razy większy od prądu znam ionow ego. W celu uniknięcia dużych uderzeń p rą d ó w rozru ch o w ych stosuje się o d p o wiednie m etody rozruchowe, np. poprzez przełącz nik 0 - A - A.
U = U, I i, U Uf
-
I = V3 ■/,
prąd przewodowy (linii zasilającej) prąd fazowy odbiornika napięcie międzyfazowe w linii zasilającej napięcie fazowe odbiornika
Tab. 1. Połączenia silnika o znanym napięciu fazowym umożliwiające jego pracę w określonej sieci Napięcia fazowe silnika
40ov .• 230V
J
Napięcia sieci trójfazowej 690V
400V
A
A A
230V
A
j
300V --------------------------r-qj "
"
-«i
W silnikach indukcyjnych współczynnik m ocy zależy od obciążenia. Przy biegu ja ło w ym w sp ó łczyn n ik mocy osiąga wartość jedynie 0,1 do 0,3 i w miarę wzrostu obciążenia cos
Tab. 1 pokazuje możliwości pracy silnika o podanym napięciu fazowym, w sieciach trójfazowych o podanych napięciach międzyfazowych. ' Silnik o napięciu fazowym 400 V wym aga do pracy w układzie trójkąta sieci o napięciu międzyfazowym 4(30% a dla uktadu gwiazdy sieci o napięciu międzyfazowym 690 V.
• indywidualną (lokalną), rys. 2, • grupową, rys. 3, • centralną, rys. 4.
a) K o m p e n s a c ja ró w n o le g ła
b ) K o m p e n s a c ja s z e re g o w i
Rys. 2. Kompensacja Indywidualna odbiorników elektrycznych
s tóaN-,M■ggSMfa”? V .dWSBIM1 *. »:■■ i '' " I r . „.-Hr.»-«!.lliWii..l- u
Widok kompensatora grupowego
cos
COSłfi
A
0,40 0,67 0 ,67 | 0.40
230 V 5 0 Hz C “ 5,3F 4 % 450 V -
cos
Schemat ideowy
Rys. 3. Kompensacja grupowa odbiorników elektrycznych
—
f
—
*- — r
V i i ti t Rys. 4. Kompensacja centralna odbiorników elektrycznych
128
3.4 Obwody trójfazowe prądu przemienni
129
^ ^ e le k t r o n ic z n e
W kom pensacji indyw idualnej, stosow anej do kom pensacji w je d n ym urządzeniu, układ kom pensuyt umieszczony jest jak najbliżej urządzenia. Na rys. 2 na poprzedniej stronie pokazano poglądow y schemat dywidualnej kom pensacji równoległej, stosowanej przy silnikach asynchronicznych, i szeregową kompan, cję stosowaną przy świetlówkach. Rys. .3 na poprzedniej stronie pokazuje schemat stabilizatora i tabliczkę znamionową lampy fluorescencyjnej S
1
1. Opisz budowę generatora trójfazowego napięcia przemiennego. 2. Opisz czteroprzewodową linię przesyłową. 3. Jak nazywane są napięcia pomiędzy przewodami fazowymi i przewodem neutralnym? 4. Jak nazywa się napięcia pomiędzy przewodami fazowymi? 5. Opisz układ trójkąta. 6. Opisz układ gwiazdy.
■i 7. Wyjaśnij, dlaczego w przypadku odbiornika symetrycznego, połączonego w gwiazdę, nie jest potrzebny prjjj wód neutralny?
8. Podaj przykład zastosowań połączeń gwiazdy i trójkąta. 9. Na zakończenie rozdziału o podstawach elektrotechniki podaj opis elemeritów biernych w obwodach prątjl przemiennego - dla przypomnienia:
if
- w przypadku połączenia szeregowego elementów R, L, C:
Impedancja
Z
rezystancja
R
reaktancja
X
Układ elektroniczny jest określoną strukturą fizyczną służącą przetwarzaniu sygnałów i strumieni energii, modnie z pewnym założonym algorytm em (planem funkcjonalnym). Podstawowym budulcem układów elektronicznych są elementy elektroniczne. Elemen ty elektroniczne m ogą być zarów no e le m e n ta m i pasywnymi (tzn. elementami rozpraszającymi i manazynującymi energię), jak również ele m e n ta m i ak tywnymi (tzn. wytwarzającymi, wzm acniającym i lub dostarczającymi energię). W układach elektronicznych typow ym i elementami p a s y w n y m i są rezystory, kondensatory i cewki in dukcyjne, natomiast typowym i elementami aktywny mi są źródła napięcia i prądu, fotodiody, tranzystory, (¡Itry aktywne itp. Przykład prostego układu elektro nicznego złożonego zarówno z elem entów pasyw nych, jak I a ktyw n ych p rz e d s ta w io n o na ry s . 1 . Stosowane sym bole graficzne w ybranych elem en tów elektronicznych zestawiono w tab. 1 .
Z =yJR2 + X 2
V = arcig ~
Symbol graficzny elementu
Nazwa elementu
-d m
Potencjometr o styku ślizgowym
-c m y
konduktancja
G
susceptancja ■
ß
Rys.l. Przykład układu elektronicznego. Elementami pasywnymi są: rezystory R1, R2, Rc. Elementami aktywnymi są: tranzystor T i źródło napięcia zasilania U Cc
Tab. 1. Symbole graficzne elementów elektronicznych 1
-w przypadku połączenia równoległego elementów R, L, C:
admltancja
Ucc
y = \je i + b 2
(p =
. B arctg ™
<$>
Rezystor
. Symbol graficzny elementu
4
Indukcyjność
Rezystor PTC
3 G E l[ _L c=m
Kondensator stały
Dioda o zmennej pojemności (waraktor)
1według PN-EN 60617
Kondensator nastawny
Lampa
Bezpiecznik topikowy
+L ■ ~r
Nazwa elementu
Kondensator biegunowy
è i
Transformator
Element piezoelektryczny Uziemienie ochronne
Ekwipotencjalność
Cewka, uzwojenie, dławik
i
130
4.1 Podstawowe pojęcia z zakresu budow y układów elektronicznyc|
Symbol graficzny elementu
Nazwa elementu
Symbol graficzny elementu
Wtyk gniazdo - złącze
- o
Tranzystor NPN
B -K
Zestyk zwierny G
Zestyk przelączny przerwowy
4
Tranzystor połowy '1 złączowy z kanałem | typu N
- s
K (____D G
. K |____D
|}~ ^
G
!* -* •
3
s
kanał P
kanał N
Zestyk rozwlerny o
o
Idealne źródło napięcia
Nazwa elem entJ
kanał P
j£
°
Tranzystory IGFET typu wzbogaconego® z kanałem typu P i !j| Tranzystory unipolarrj| IGFET z kanałem zubażanym typu P 1 | j l
kanał N
Fototranzystor NPN
Idealne źródło prądu
4 { podstawowe pojęcia z zakresu budow y układów elektronicznych
131
ul dv elektroniczne budowane są z d y s k re tn y c h , s c a lo n y c h i h yb ry d o w y c h elem entów elektronicznych, i mentem dyskretnym jest każdy elementarny, dający się w yodrębnić fizycznie przyrząd elektroniczny. Elent scalony jest układem elektronicznym zbudow anym z niedających się w yodrębnić elem entów elektro^zn ych, wytworzonych w materiale o strukturze jednorodnej. Elementy elektroniczne złożone z wewnętrzn! zespóionych elementów dyskretnych i scalonych noszą nazwę elementów hybrydowych. Do elementów H^kretnych zaliczane są np. rezystory, kondensatory, diody, tranzystory. Elementami scalonym i są np. cyf we układy logiczne, wzmacniacze operacyjne, układy m ikroprocesorowe. Elementami hybrydowym i są pp przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe, m odem y radiowe itp. Układy elektroniczne klasyfikowane są na wiele różnych sposobów. Kryterium podziału może być nie tylko rodzaj zastosowanych elementów, ale także postać i sposób przetwarzania informacji w tych układach (np. • układy analogowe i cyfrowe, układy kombinacyjne i sekwencyjne, układy stato- i zmiennoprogramowe). . Każdy element elektroniczny ma swój własny sym bol graficzny. Sym bole graficzne służą do budow y s ch e matów ideow ych u kła d ó w e le k tro n ic z n y c h . O bok sym bolu graficznego um ieszczane jest zwykle kata logowe oznaczenie elementu. Powszechnie przyjęto, że elementy na schemacie elektronicznym oznaczane są pierwszymi literami nazwy danego elementu i kolejnym numerem na schemacie ideowym, np. dla rezy storów będą to sym bole R1, R2 ,..., dla kondensatorów C1, C2 dla tranzystorów: T1, T2,„. itd. O bok sym bolu nazwy i kolejnego numeru elementu umieszczane są również podstawowe inform acje umożliwiające przeprowadzenie prawidłowej analizy układu oraz je g o realizacji fizycznej. Do inform acji tych zaliczyć można typ elementu, wartości i tolerancje jego charakterystycznych parametrów, a także w ym agania technologicz ne (np. minimalną szerokość ścieżek łączących te elem enty na płytce drukowanej).
4.1.2 Elementy bierne i czynne układów elektronicznych
c
v Akumulator lub bateria
*
Dioda półprzewodnikowa
EZf1
J32 B1
Sprzęgacz optyczny '| (transoptor)
Tranzystor jednozlączowy z bazą] typu N ,'t
Fotorezystor Fotodioda - > i Dioda lawinowa jednokierunkowa, dioda Zenera
T
Ogniwo fotoelektrycznij
Czwórnlklem (elementem) biernym (pasywnym) nazy, wamy taki czwórnik, w którym odprowadzona energia elektryczna jest mniejsza niż energia doprowadzona.
Tyrystor triodowy blokujący wstecznie z bramką typu P
Dioda elektrolumine scencyjna
Tyrystor diodowy obukierunkowy symetryczny
Każdy elem ent ele ktro n iczn y m ożna przedstaw ić tv postaci cz w ó rn ik a (rys. 1). C zwóm ik je s t ukła dem elektrycznym o dowolnej strukturze wewnętrz nej, posiadającym cztery zaciski uporządkow ane w dwie pary. Zaciski wyprowadzone są na zewnątrz i nazywane bram am i: w e jścio w ą i w yjścio w ą . Każ da brama stuży d o d o p ro w adzenia lu b o d p ro w a dzenia energii do lub z czwórnika. W analizie zagad nień energetycznych czw órnika istotne są związki między energią ele ktryczn ą d ostarczaną i e n ergią elektryczną o d p ro w a d z a n ą z czw órnika. B ila n s energii elektrycznej dostarczonej i odprowadzonej ' z czwórnika może być dodatni, ujemny lub zerowy.
iii
Wynika z tego, że energia elektryczna pobrana z ze wnątrz przez ten element jest energią dodatnią. Typo wym elementem biernym jest rezystor (rys. 2 ).
U i ■l t • t
Ei Ez Eo AE
U h Ui Uz f
■ U i- lo - t
energia doprow adzona do czwórnika energia odprowadzona z czwórnika energia rozproszona w czwórniku różnica pom iędzy energią odprow adza ną i doprowadzaną do czwórnika różnica p om iędzy prądem w yjściow ym a wejściowym prąd wejściowy prąd wyjściowy napięcie wejściowe napięcie wyjściowe czas 2 .....f ------w" r \
Mostek diodowy Tyrystor triodowy dwuukierunkowy (symetryczny) - triak
B -K
Tranzystor PNP
5^:
Dioda obukierunkowajj symetryczna (diak) __________________Jl
/
i
u,
/o
/1
R
U2
--------------Rys. 2, Rezystor (element bierny) w układzie czwórnika
132
4.1 Podstawowe pojęcia z zakresu budow y układów elektronii ktraniczna
Czwórnikiem (elementem) czynnym (aktywnym) nazywamy taki czwórnik, w którym energia elek tryczna odprow adzona jest większa niż energia doprowadzona.
o-
-~ 0 ' t
Ms> > 1 . U1
Warunek ten spełniony jest prawie zawsze w zakre sie m a ły c h i ś re d n ic h c z ę s to tliw o ś c i, p o n ie w a ż zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystorów spełnia warunek p s»1 , a współczynnik wzmocnienia napięciowego jest zwykle > 1. Dopro wadzenie energii do wyjścia czwórnika wym aga jej pobrania z wewnętrznego źródła energii. W przykładzie jak na rys. 1 energia ta jest doprowadzana ze źródła napięciowego o sile elektromotorycznej równej U0. Ze źródła pobierana jest również dodatkowa energia Ea = k ' U2, która nie je st przekazywana do bram y wyjściowej, ale bezpow rotnie tracona w źródle w postaci energii cieplnej.
Rys. 1. Tranzystor (element aktywny) w układzie ■ 7 8 czwórnika E i = U 1 ■ li ■ t
£2 “
¡2
U 2 ' ¡2 ' t
~ fi ’ /i
E ^ P ^ - E ,
-
energia doprowadzona do czwórnm energia odprowadzona z czwórnikąf prąd wejściowy prąd wyjściowy napięcie wejściowe napięcie wyjściowe różnica pom iędzy energią odprawi dzaną i doprowadzaną do czwórnil?| - zw arciow y w spółczynnik wzmocnij nia prądowego - czas
E, Ez 11 ¡z U, U2 AE P
t Jeśli param etry opisujące element bierny lub aktyw ny są niezm ienne w funkcji czasu, to elem ent taki nazywamy stacjonarnym, w przeciwnym przypadku m am y do czynienia z elementem niestacjonarnym iub parametrycznym. Dla przykładu, typowym ele m entem stacjonarnym je s t w yso ko sta biln e źród ło napięcia odniesienia, typow ym elem entem niesta-
cjonarnym jest elektrolityczny kondensator spolaiyt zowany. Jeśli przynajmniej jeden z elementów czwór»1 riika jest elementem nieliniowym, to czwórnik taki rial zywamy nieliniowym. Do grupy tej należy większośi): elementów półprzewodnikowych. Typowym elemetf. tern liniowym jest rezystor.
4.1.3 Układy analogowe, binarne i cyfrowe Układy analogowe przeznaczone są do przetwarzania sygnałów ciągłych. Sygnałem ciągłym jest sygnti; m ożliwy do opisu w postaci funkcji ciągłej lub funkcji przedziałami ciągłej. Typowymi przykładami sygnalóit ciągłych są: wielkości mechaniczne, takie jak np. przemieszczenie liniowe i kątowe, prędkość i przyśpiesz^ nie; wielkości term odynam iczne, takie jak np. temperatura, ciśnienie; wielkości elektryczne, takie jak napięcie; i natężenie prądu. Ściślej rzecz biorąc, elektroniczne układy analogowe przeznaczone są do przetwarzatĄ ciągłych sygnałów elektrycznych. Zatem aby można było przetwarzać sygnały wielkości nieelektrycznych, kój nieczne jest ich przetworzenie do postaci elektrycznej w odpow iednich przetwornikach. Układy analogowe są często klasyfikowane ze względu na przeznaczenie. W związku z tym wyst? pują między innymi: •
•
a c n i a c z e a ku styczne - przeznaczone do wzm acniania sygnałów audiofonicznych, ! * k) c|y generacyjne - przeznaczone do generowania przebiegów zmiennych (rys. 1 ), ; ' Urrsdla napięcia odniesienia - przeznaczone do zastosowania w przyrządach pomiarowych, | eldady przetwarzania napięcia i prądu - przeznaczone do wytwarzania i przetwarzania napięć
133
prą-
dów, układy regulatorów napięcia - przeznaczone do układów regulacji i stabilizacji napięć, a n a l o g o w e przełączniki sygnałów - przeznaczone do przełączania sygnałów analogowych, układy mikserów analogowych - przeznaczone do mieszania sygnałów analogowych, I * układy zasilające - przeznaczone do zasilania prądem stałym innych układów.
Wynika z tego, że energia elektryczna pobrana z ze wnątrz przez ten element jest energią ujemną. Typo wym elementem czynnym jest układ tranzystora (rys. 1). Tranzystor zwiększa energię elektryczną na bramie wyjściowej czwórnika, o ile spełniony jest warunek P
^ podstawowe pojęcia ż zakresu budow y układów elektronicznych
wzmacniacze operacyjne - przeznaczone do wykonywania operacji arytmetycznych na sygnałach ¡(dfl dawanie, odejmowanie, mnożenie, całkowanie itd.). Wśród tych wzmacniaczy istotną grupę stano# precyzyjne wzmacniacze przeznaczone do celów pomiarowych zwane wzmacniaczami instrumentalnyrrf filtry aktywne - przeznaczone do wykonywania operacji na widmie sygnału wejściowego (filtry pasmoWj przepustowe, filtry grzebieniowe itd.), ^
,
V*.
Istotną wadą układów analogowych jest ich wrażli wość na zakłócenia zewnętrzne. Najczęściej zakłó cenia zewnętrzne zniekształcają sygnały analogowe w sposób addytywny (sumując się z sygnałem). O d dzielenie zakłóceń od sygnału użytecznego wym aga zastosowania dodatkow ych układów filtrujących. Mimo to pełne oddzielenie zakłóceń od sygnału nie test całkowicie możliwe. Z tego powodu coraz czę ściej stosowane są układy przetwarzania i przesyła nia sygnałów an a lo go w ych m etodam i cyfrow ym i. Metody te bowiem zapewniają większą od p orn o ść na zakłócenia. Aby możliwe byto zastosowanie me tod cyfrowych przetwarzania sygnałów analogowych, konieczne jest ich przekształcenie (konwersja) do postaci cyfro w e j. O p e ra c ja ta je s t d o k o n y w a n a w przetwornikach analogowo-cyfrowych. Operacja odwrotna, tzn. przetworzenie sygnału z postaci cy frowej do p o staci a n a lo g o w e j, d o k o n y w a n a je s t w przetwornikach cyfrowo-analogowych. Uklady cyfrowe, nazywane również układami dys kretnymi, operują wyłącznie na sygnałach dyskret nych, tzn. przyjm u ją cych ty lk o i w yłą czn ie ściśle określone w artości. Układy o p e ru ją c e na d w óch wartościach nazywamy dwuwartościowymi lub bi narnymi. Układy binarne mają szerokie pole zasto sowań w technice cyfrowej, m ikroprocesorowej, ste rowaniu procesów itp. Uktady binarne m ają wyróż niono dwie wartości, którym, zależnie od kontekstu, przyporządkowywane są wartości logiczne: prawda Rys. 2. Komparator. Schemat konwersji ciągłego sygnału I fałsz, cyfry: 0 i 1 , poziom y: wysoki i niski, cechy: analogowego do postaci dwuwartośclowego biały i czarny iub stany: w łączony i wyłączony. Przy sygnatu cyfrowego kładowo , w opisie binarnym temperatura może być wysoka lub niska, styki przekaźnika m ogą być za mknięte lub otwarte, poziom płynu może być za duży lub za mały. Cechą charakterystyczną sygnałów binar nych jest brak stanów nieustalonych pomiędzy stanem logicznym 0 i stanem logicznym 1. Sygnały analogowe (ciągle) mogą być przekształcone w sygnały binarne. Elementarnym układem umożliwiającym konwersję sygnału z postaci ciągłej do binarnej (nieciągłej) jest komparator (rys. 2). Na wartościach binarnych wykonywane są operacje arytmetyczne. Zbiór aksjomatów, regut i twierdzeń zde finiowanych dla wielkości dwuwartościowych nosi nazwę logiki binarnej, logiki dwuwartościowej lub logiki boolowskiej (rozdz. 4.3).
134
4
4.1 Podstawowe pojęcia z zakresu budow y układów elektronii
^ p o d stawowe pojęcia z zakresu budow y układów elektronicznych
.1.4 Układy kombinacyjne ł sekwencyjne
Układ kombinacyjny
Rys. 1. Schemat blokowy układu kombinacyjnego: x - wejścia, y - wyjścia układu
. Układ sekwencyjny charakteryzuje się tym, że in form acja wyjściow a zależy zarówno od bieżącej 1 informacji wejściowej, jak i od poprzednich infor■ m acji wyjściowych. Zbiór wartości jakie występują na wyjściu układu na zywamy także stanem wyjść układu. Zatem, w od różnieniu od układu kom binacyjnego, dla tych sa m ych w e jść ukła d se kw encyjny m oże generow ać różne sygnały wyjściowe zależne od jego stanu. Aby
*
0 0 0
C o o' 0
o:
o o o o o
•1 :: 1T
1
■&
, sygnali wyjściowi
sygnały wejściowe B
Y—■' o 0
o ..........
1
o ........
..1 ~ o 0
1
o
.. . . . . . .
-r~
o .........
0 o o 0
o 0
o ......
1 1
0
1 T "
o 0
1 1
1 1
o •T"-' 0
1
c
l
D
„
u k ła d d e k o d e ra
----- ►
podobnie jak d la układów ko m b in a cyjn ych , prze kształcenie informacji wejściowej w wyjściową odby wa się według pewnego porządku, który może być zapisany w postaci analitycznej, tabelarycznej lub al gorytmicznej. Je śli zm iany w yjść lu b sta n ów w e wnętrznych układu sekw encyjnego następują syn chronicznie z pewnym taktem, to taki uktad nazywa my synchronicznym układem sekwencyjnym. synchronizacji polega na w prow adzeniu wewnętrznego układu taktow ania zm ieniającego 1 stany wyjścia w ściśle określonych chwilach czaso wych, a więc s y n c h ro n ic z n ie z p e w n ym taktem . Okres taktowania jest tak dobierany, aby byt dłuż szy od najdłuższego czasu propagacji sygnału od wejścia do wyjścia układu, tzn. tak, aby w czasie ¡aktu m ogły za n ikn ą ć w s z e ik ie g o ro d z a ju efe kty związane z hazardem . W adą s y n c h ro n iz a c ji je st zwiększenie stopnia złożoności układu.
IP 3 H 5 G u k ła d k o m b in a c y jn y
dekoder
T e c h n ik a
Układy sekwencyjne są stosowane do budowy ukła dów liczących (rys. 2), układów stało i zmiennoprogramowych, w układach sterowania czasowo-sekwencyjnego (rys. 3) itp.
1
Y
Rys. 1. Schemat blokowy układu sekwencyjnego: x - wejścia, y - wyjścia układu
H © >=^
re je s tr b in a rn y u k ła d s e k w e n c y jn y
s u m a to r
Rys. 2. Schemat blokowy układu sekwencyjnego (licznika Impulsów)
p rze jścia
d ziałanie
kroki -T 3
(sian y w łą cze n ia silnika)
silnik g o to w y d o n o rm a ln e j pra cy
S1 silnik w łą czo ny
- T1 slln ik.w u kład zie „g w ia z d a ”-;
S2
cza s o czekiw an ia t-
-3 s-
T2
4.1.5 Układy o stałym programie oraz układy programowalne
A *
oraz y = f(A),
Układy sekwencyjne nie muszą posiadać wejść ze wnętrznych. Jeśli układ se kw encyjny nie posiada wejść zewnętrznych, to układ taki nazywamy ukła dem autonomicznym. Przykładem układu autono micznego może być licznik czasu stosowany w ze garkach elektronicznych.
Rys. 2. Tablica prawdy układu kombinacyjnego dekodera kodu binarnego
B
y = f(x,A )
i gdzie: A jest sianem wewnętrznym układu. Pierwszy {opis dotyczy tzw. autom atu M ealy'go, d ru g i tzw. automatu Moore’a.
układ ko m b in a cyjn y
A
Układ sekwencyjny
Stan wyjścia układu sekwencyjnego m oże być opi sany za pomocą dwóch równoważnych funkcji: :E
Układ ko m binacyjny charakteryzuje się tym , że : inform acja w yjściow a zależy w yłącznie od infor; macji wejściowej.
A lg o ry tm y p rze k s z ta łca n ia in fo rm a cji w e jścio w e j w wyjściową są realizowane fizycznie w cyfrowych układach elektronicznych. Czas realizacji takiego algorytm u je st zależny od stopnia je g o złożoności i od dynam icznych w łaściwości elem entów zastoso wanych w takich układach. Parametry dynam iczne tych elementów, takie ja k skończone czasy przełą czania stanów , są ź ró d łe m w ystę p o w a n ia n ie ko rzystnego zjawiska zwanego hazardem. Zjawisko to po le g a na krótkotrw ałym generow aniu fałszyw ych sygnałów wyjściow ych (tzn. niezgodnych z tablicą prawdy) przez układ kom binacyjny, szczególnie w chw ilach n astępujących bezpośrednio po zm ianie stanu któregokolwiek z wejść. Efekt hazardu może być w yelim inow any przez odpow iednie zaprojekto wanie układu kom binacyjnego.
informacje wyjściowe m ogły być p oda wane na wejście układu, muszą być wcześniej zapa miętane. Mówimy zatem, że układy sekwencyjne są układami z pamięcią. O gólny schemat blokow y ta kiego układu podano na rys. 1.
o o p rz e d n ie
Istota p rzetw arzania cyfro w e g o polega na przekształceniu cyfrowej inform acji wejściowej x w cyfrową j j l mację wyjściową y. Informacji wejściowej i wyjściowej można przyporządkować pewne wartpści. Przetwaf nie cyfrowe nie wiąże się zatem ze zmianą struktury informacji (cyfrowa), ale ze zmianą jej wartości. Przgti/i rzanie cyfrowe odbywa się w układach cyfrowych. Ze względu na sposób przetwarzania informacji w J l układach m ożliwe jest wyróżnienie dwóch rozłącznych klas ukła d ó w : ko m b in a cyjn ych i sekwencyjnych C
Ogólny schemat blokowy takiego układu podano na rys. 1. Przekształcenie informacji wejściowej w wyj ściową odbyw a się w edług pewnego algorytm u, któ ry może być przedstawiony w postaci analitycznej lub tabelarycznej. Ten drugi sposób jest stosowany zwłaszcza w przypadkach występowania niewielkiej liczby wejść i wyjść. Tablica umożliwiająca odw zoro wanie w ejść cyfrow ych w w yjścia cyfrow e nosi na zwę tablicy prawdy (rys. 2). Układy kombinacyjne są stosow ane do b u d ow y koderów i dekoderów (rys. 3), multiplekserów i demultiplekserów, ukła dów sumujących, komparatorów cyfrowych itp.
___________________________^
/« “ “
L
Rys. 3. Schemat blokowy układu kombinacyjnego dekodera kodu binarnego
S3 - siln ik - . wyłączony-
— | S-1 silnik- w u k ła d z ie tr ó jk ą t* -
^ q1
S - z a pa m ię tan e N - n ie p a m ię la n e D - o p ó źnian e
Rys. 3. Schemat działania sterowania czasowo-sekwencyjnego
II Układy sekwencyjne umożliwiają realizację układów programowalnych, tzn. takich układów, w których sekwencje stanów wewnętrznych i stany wyjść są kontrolowane przez precyzyjnie zdefiniowany algorytm zwany programem. Jeśli możliwe jest swobodne dokonyw anie zmian tego programu, to układ taki nazy wamy układem programowalnym. W przeciwnym przypadku m ów im y o układach stałoprogramowych (tab. 1 na następnej stronie).
136
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektronloj^
137
, prïiprTBWodnikowe ełementy i układy elektroniczne
Rozróżnienie układów o stałym program ie i układów program ow alnych ma obecnie w ym iar history021 w tym sensie, że w iększość obecnie realizowanych układów jest układami programowalnym i. Każdy ukr^i program ow alny może być układem stałoprogram owym , jeśli jego program nie będzie zmieniany.
owadzeniu (domieszkowaniu) atom ów pierwiastków trójwartościowych, np. indu lub pięciowartościooyfn wpr t onu_zarówno krzem, jak i german stają się dobrym i przewodnikami prądu elektrycznego, y/ych, nP*
Przypadkowa zm iana lub zamazahie fragm entu lub całości program u, spowodow ana np. przez zakfŚ cenią, może doprow adzić do nieprawidłowej lub niekontrolowanej pracy układu.
tvwność właściwa dom ieszkowanego krzemu lub germanu, określająca ich zdolności przewodzeelektrycznego, jest znacznie wyższa niż dla izolatorów (materiałów nie przewodzących) i z n a cz-.; i I® niższa niż dla metali (przewodników). Z tego powodu materiały te nazywamy półprzewodnikami, tzn. teriatami o pośrednich właściwościach przewodzących.
Zaletą układów stałoprogram owych jest to, że ich program może być zakodow any w sposób trudny '{$§ zamazania. W Dlatego układy stałoprogram owe mają szczególne znaczenie w zastosowaniach przem ysłowych o p i f wyższonych w ym aganiach na bezpieczeństwo procesu. Układy takie stosowane są np. w układach ś tl rowania ruchem ulicznym, w układach zabezpieczeń układów sterowania dźw igów osobowych, czy ukfli dach podstawowego systemu w ejść-w yjść komputerów. ------- ----------------------------------------- -— .— __—.—--------------------------------------------- _____-----------------------------Tab. 1. Klasyfikacja układów o stałym programie I programowalnych '■IW Realizacja Uktad staloprogramowy
Układ programowalny
Przykłady
v |j
stały program
układ stykowo-przekaźnikowy, pamięć stała typu M
program wymienny'
wymienna pamięć typu EPROM lub EEPROM
program wymienny
zewnętrzny nośnik programu (nośnik magnetyczni moduł wymienny pamięci nieulotnej) j
swobodnie programowalny
pamięć programu jednostki sterującej
Ą
’
równiki programowalne wypierają stopniowo układy stałoprogramowe. Istotną zaletą sterowników jest ich styczność aplikacyjna i eksploatacyjna, polegająca na szybkim i łatwym procesie przygotowania program! sterującego dla różnorodnych zastosowań oraz łatwości wprowadzania zmian w istniejącym już programie! Dzięki rozwiniętym możliwościom komunikacyjnym sterowników PLC możliwe jest ich programowanie zaró#‘ no w trybie zdalnym, jak i lokalnym. Sterowniki programowalne m ogą być również wykorzystywane do zdalnej go śledzenia (monitorowania) i diagnozowania stanu procesu. [l“łaVi>.V.^ f r - i im » a W ir ) ł\
- i.
_
'
_
.
1. N a ja k ie d w ie g ru p y d z ie lim y e le m e n ty e le k tro n ic z n e ? 2 . Z ja k ic h e le m e n tó w e le k tr o n ic z n y c h b u d o w a n e s ą u k ta d y e le k tro n ic z n e ?
•i
L-11Ł '.'l .1 Ul ^-.IkTgri
Model pasmowy atom u Elektrony krążą w atomie po ściśle określonych toach z w a n y c h p o w ło ka m i lub o rb ita m i (powłoki: K, [ M N, O, P i Q). Energia krążą ce g o ele ktro n u związana jest z powloką, po której on krąży. Ogólnie im p o w lo k ą jest bardziej oddalona od jądra atomu, tym energia elektronu jest większa. W każdej pow ło ce (rys- 1) wyróżniamy ponadto podpow loki (stany energetyczne) zwane pasmam i (s, p, d, f). Każda p o w lo k ą może być obsadzona przez ściśle określo ną i ograniczoną liczbę elektronów. Jeśli w powłoce krąży maksymalna liczba elektronów, to mówimy, że p o w lo k ą jest całkowicie obsadzona.
poziomy energetyczne atomu
3d 3p M 3s 2 p L' ‘¿s 1s K
i CD C 03
Rys. 1. Energetyczny m odel pasm owy atom u d a la statego
Miarą energii elektronu jest e le k tro n o w o lt [eV], Jeden elektronowolt odpowiada energii 1,602 -10' 19 J. Właściwości elektryczne ciała stałego są zdetermino wane przez konfigurację pasm energetycznych, w tym w szczególności przez położenie pasma w alencyjne go (podstawowego)1, pasm a p rz e w o d z e n ia oraz odstępu energetycznego pom iędzy nimi (rys. 2 ). ■Różnica pomiędzy pasmami walencyjnym i prze wodzenia polega na tym, że w paśmie walencyj, nym elektrony są zw iązane z p o szcze gó ln ym i atomami, podczas gdy w paśmie przewodzenia elektrony m ogą sw o b o d nie przem ieszczać się . pomiędzy atomami ciata stałego.
model pasmowy
metal
półprzewodnik
BW pasmo |]9 I m przewodzenia B B
>
j 0 < AW < 3 e V W
j i
pasmo walencyjne
:
i pasmo i walencyjne
.Rys. 2. Energetyczne m odele pasm ow e metali ł półprzew odników
3 . P o d a j c h a ra k te ry s ty k ę e le m e n tu (c z w ó rn ik a ) b ie r n e g o I c z y n n e g o .
Przewodnictwo e le ktryczn e m etali
5 . J a k ie d w ie w a rto ś c i c h a ra k te ry z u ją d z ia ła n ie u k ła d ó w b in a rn y c h ? P o d a j p r z y k ła d y w a rto ś c i b in a rn y c h .
Cechą charakterystyczną metali jest zjawisko zachodzenia na siebie pasm: walencyjnego i przewodzenia (rys. 2). W związku z tym w metalach występuje względna swoboda przemieszczania się elektronów pomię dzy obu pasmami. Dzięki temu koncentracja sw obodnych elektronów w paśmie przewodzenia może być znaczna. Im większa jest koncentracja sw obodnych elektronów w paśmie przewodzenia i ich ruchliwość, tym lepsze są właściwości przewodnictwa elektrycznego ciała stałego.
6 . S c h a ra k te ry z u j d z ia ła n ie u k ła d ó w k o m b in a c y jn e g o I s e k w e n c y jn e g o . 7. P o d a j k la s y fik a c ję u k ła d ó w p ro g ra m o w a ln y c h .
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektroniczne 4.2.1 Półprzewodniki Podstawowymi materiałami stosowanymi do budow y ele m e n tó w p ó łp rze w o d n iko w ych są krystaliczne poi stacie krzemu i germanu. O bydwa pierwiastki są czterowartościowe i w stanie chemicznie czystym wykazuje znikomą przewodność elektryczną. Przewodność ta może jednak ulec istotnej zmianie przez wprowadzeni® do ich struktury krystalicznej nawet niewielkiej liczby atom ów innych pierwiastków. Okazuje się, że po sztucz-; 1 a ng . P LC - P ro gram m ab le L o g ic C o n iro llo r
Ze wzrostem temperatury rośnie energia i ruchliwość elektronów w paśmie przewodzenia do tego stopnia, że coraz bardziej są praw dopodobne zderzenia elektronów sw obodnych z atomami siatki krystalicznej ciała. Zjawisko to wpływa na ograniczenie ruchliwości elektronów. W miarę wzrostu temperatury metali zmniejsza się sw oboda poruszania się ich elektronów pozostających w paśmie przewodnictwa, a zatem pogarszają się ich właściwości przewodnictwa elektrycznego. Rezy stancja właściwa metali rośnie ze wzrostem temperatury. 1tao. valons = silny, m o cn y
138
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elekti :
P rze w o d n ictw o e le k tryczn e p ó łp rz e w o d n ik ó w Charakterystyczną cechą m ateriałów półprzew odni kowych jest wyraźny odstęp energetyczny A W po między pasmami walencyjnym i przewodzenia (rys. 2 na p o p rz e d n ie j s tro n ie ). Szerokość tego odstępu dla półprzew odników nie przekracza wartości 3 eV ł jest zależna od rodzaju m ateriału półprzewodnika. Dla krzemu wartość AW=1 wynosi 1,2 eV, dla arsen ku galu AW - 1,43 eV.
d la u p ro s z c z e n ia a to m y p rz e d s ta w io n o w je d n e j p ła szczyźn ie
u p ro s z c z o n y schemat' s ie c i elektronow ej
e le k tro n y ~ w a le n c y jn e m j w l
W m ateriałach nieprzewodzących (izolatorach) o d stęp energetyczny jest jeszcze większy niż dla ar senku galu. W półprzewodnikach występuje odstęp energetycz ny pomiędzy pasmami: walencyjnym i przewodzenia.
Rys. 1. Schemat wiązań chemicznych w krzemie
W czystych materiałach półprzew odnikow ych pasmo walencyjne jest w pełni obsadzone przez elektronlr Liczba elektronów sw obodnych w paśmie przewodzenia w półprzewodnikach zmniejsza się ze spadkleli temperatury. W temperaturze zera bezwzględnego (0 K) elektrony swobodne w ogóle nie występują w n$. śmie przewodzenia. Półprzewodnik staje się izolatorem. Do najważniejszych m ateriałów półprzewodnikowych należą krzem, german i arsenek galu. Krzem m a w p f wloce zewnętrznej (powłoce M) cztery elektrony walencyjne. Oznacza to cechę czterowartościowości chll mlcznej. Każdy elektron walencyjny każdego atomu okrąża jądro własnego atomu i jądro jednego z atomójf sąsiednich (rys. 1). Zatem atom y krzemu są wzajemnie związane więzami sil elektronowych wynikający* z istnienia wspólnych par elektronów walencyjnych. BI Niewielka, wręcz śladowa domieszka materiałów obcych w sposób istotny może zmienić właściwości i tryczne półprzewodnika. W związku z tym stawiane są szczególnie ostre wymagania dotyczące czystości nrn terialów półprzew odnikowych. Z punktu widzenia technologicznego niedopuszczalne są zanieczyszczeni 0 koncentracji przekraczającej obecność więcej niż jednego atomu obcego na 109 atomów półprzewodnika!} Zjaw isko przew odnictw a sam oistnego p ó łp rze w o d n ikó w W półprzewodnikach m ogą zaistnieć warunki do mi gracji elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia lub odwrotnie. Przeniesienie elektronu z pasma walencyjnego do pasm a przewodzenia w y maga dostarczenia energii (cieplnej, świetlnej, elek trom agnetycznej). Powrót elektronu z pasm a prze wodzenia do pasma walencyjnego wiąże się ze zja wiskiem odwrotnym , tzn. z emisją energii przez atom w postaci prom ieniow ania elektrom agnetycznego, fali świetlnej lub ciepła. Elektrony przeniesione do pasma przewodzenia stają się elektronami sw obod Rys. 2, Ilustracja zjawiska powstawania par ladunkdA •, n ym i (ry s . 2 ). P o m ię d zy p a sm a m i w a le n c y jn y m elektrycznych (elektron-dziura) 1przewodzenia nie występują żadne pośrednie stany energetyczne. Zatem elektron walencyjny może przebywać wyłącznie w paśmie walencyjnym lub stać sl|; elektronem sw obodnym w paśmie przewodzenia. W związku z tym odstęp energetyczny pomiędzy obu [ ’ smarni nazywany jest pasmem zabronionym . Minimalna ilość energii potrzebna do przeniesienia elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodzi nia nosi nazwę e n e rg ii a ktyw a cji. Jeśli porcja energii dostarczona z zewnątrz do elektronu walencyjnego, jest zbyt mata, to nie jest on w stanie pokonać bariery energetycznej wynikającej z istnienia warstwy zabroj nionej i powraca on do pasma walencyjnego, oddając zaabsorbowaną energię w postaci promieniowania elektrom agnetycznego lub fali świetlnej (rys. 2). Zjawisko migracji elektronów z pasma podstawowego Wi,
,
139
p^ e w o d n ik o w e elementy i uktady elektroniczne
• no! do pasma przewodzenia następuje samoistnie już w temperaturze otoczenia (20°C). Z m igracją lancy n®"ne j0Sl oczywiście zjawisko zrywania więzi wewnątrzkrystalicznych materiału półprzewodnikowego, tązwląza ^ ¡dnienia wspólnych par elektronów walencyjnych. elektron walencyjny, który staje się elektronem swobodnym , niezależnie od przyczyn wywołujących ^ anę pozostawia w paśmie w alencyjnym obszar zwany d ziu rą lub defekte m e le ktro n o w ym . Z zasady l?Zn11 ania ładunku wynika, że obszar ten powinien wykazywać ładunek dodatni. W obec tego proces mi° elektronów walencyjnych może być interpretow any jako proces generacji par nośników ładunków ^w ro n -d z iu ra ). W łaściwości elektryczne półprzew odników (prze w o d n ictw o e le ktryczn e ) zależą od kont cii nośników ładunków w postaci par d z iu ra -e le k tro n . Intensywność procesu generacji par elektronfdziura zależy od rodzaju materiału, półprzewodnika oraz tem peratury otoczenia. ; przeWOdnictwo półprzew odników wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. i 7 leżność przewodnictwa elektrycznego półprzewodników od temperatury jest wykorzystywana w praktyce do hdowy przyrządów półprzewodnikowych zwanych te rm isto ra m i. Termistory są wykorzystywane np. do poiaru iub stabilizacji temperatury. Termistor jest elementem, którego rezystancja jest jednoznaczną funkcją temperatury. Zatem można dokonywać pomiaru temperatury przez pomiar rezystancji termistora przebywają■ ceg0 w tej temperaturze przy znajomości jego charakterystyki (zależności rezystancji od temperatury). > f przewodnictwo samoistne półprzew odników wynika z procesu generacji par dziura-elektron. i< półprzewodniki o przewodnictwie samoistnym nazywamy półprzew odnikam i typu I 1. Półprzewodniki typu fi | wykorzystywane są np. w konstrukcji fotodiod typu PIN. W fotodiodach PIN występuje efekt przewodnictwa I samoistnego stym ulowanego przez energię świetlną dostarczoną do warstwy półprzewodnika typu I. Ten ? efekt nazywany jest również wewnętrznym efektem fotoeiektrycznym i wykorzystywany jest w konstrukcji fo? torezystorów. Fotorezystor jest elementem półprzewodnikow ym , którego rezystancja zależy od strumienia ■i świetlnego padającego na warstwę półprzewodnika typu I. W przypadku gdy elektron z pasma przewodzenia zostanie przeniesiony do pasma walencyjnego, to nastą pi zjawisko odwrotne do procesu generacji, a m ianowicie zjawisko zaniku pary nośników elektron-dziura. W wyniku tego zjawiska następuje odbudow a więzi w sieci krystalicznej półprzewodnika. Proces zaniku pary nośników ładunku i odbudow y sieci krystalicznej półprzew odnika nazywa się re k o m b in a c ją 2. Spolaryzow/anie półprzewodnika sam oistnego przez przyłożenie napięcia z zewnętrznego źródła napięcia ’ ' wywołuje przepływ prądu elektrycznego w w yniku przepływu ładunków ujemnych (elektronów) w kierun1 ku potencjału dodatniego źródła i ładunków dodatnich (dziur) w kierunku potencjału ujemnego.
4.2,1,2 Właściwości półprzewodników typu P i N Domieszkowanie p ó łp rz e w o d n ik ó w Liczbę nośników ładunku elektrycznego w m ateriałach półprzew odnikow ych m ożna znacznie zwiększyć przez wprowadzenie obcych atom ów do sieci krystalicznej półprzewodnika. Proces taki nazywany jest do mieszkowaniem. Wskutek domieszkowania ulega zaburzeniu regularna struktura krystaliczna półprzew odni ka, zaś miejsce zaburzenia nazywane jest defektem sieci krystalicznej. Półprzewodniki typ u N
;
Jeśli w sieć krystaliczną półprzewodnika czterowarościowego, jakim jest krzem (Si), zostaną wprowadzone do mieszki w postaci atomów pięciowartościowego antymonu (Sb), to z każdym z nich będą m ogły być związane tylko cztery elektrony walencyjne (rys. 1 na n a stępnej s tron ie ). Piąty elektron walencyjny antymonu jest sła bo związany z jądrem własnego atomu. Wystarczy zatem doprowadzenie niewielkiej porcji energii zewnętrz nej, np. w postaci ciepła, aby elektron ten został przeniesiony do pasma przewodzenia. W zbudzony elektron jest elektronem swobodnym m ogącym sw obodnie poruszać się w siatce krystalicznej krzemu. W wyniku przejścia elektronu do warstwy przewodzenia w siatce krystalicznej krzemu pozostaje dodatnio naładowany nieruchliwy jon antymonu. ' nng. ¡ntrinsic - w ła ściw y, p ra w dziw y;
2 la c. ro co m b in a re = !qczyć p o n o w n ie .
140
4.2 Półprzewodnikowe elementy I układy el ^ k tr a n ic j
Na zewnątrz półprzew odnik wykazuje obojętne w ła ściw ości elektryczne, poniew aż nie została w nim zachwiana rów nowaga pom iędzy ładunkam i ujem nymi i dodatnim i.
, pAiprzewodnikowe elementy i uktady elektroniczne
Jeśli w sieć krystaliczną półprzew odnika czterowarościowego, jakim jest krzem (Si), zostaną wprowadzott domieszki w postaci atom ów trójw artościow ego indu (In), to wszystkie trzy elektrony pasma walencyjnego atomu indu zostaną związane przez sąsiednie atom y krzemu, a w siatce krystalicznej powstaną nieobsadz# ne obszary o ładunku dodatnim (dziury). Tak powstałe dziury m ogą być wypełniane przez elektrony wale! cyjne z sąsiednich atomów. Wiąże się to jednak z tworzeniem następnych dziur w siatce krystalicznej krz|' mu. W ten sposób dziura „w ędruje" przez strukturę krystaliczną półprzewodnika (rys. 1). 1
ika typu N. W w yniku tych przeciw staw nych esów w warstwach obu półprzew odników leżąpf°h w bezpośredniej bliskości złącza PN zachodzi cyC s rekombinacji. W wyniku tego procesu swoPrD, elektrony są absorbow ane przez nieobsaH°one powłoki walencyjne. W ystępuje efekt zaniku * | ¡stotnego zm niejszenia koncentracji elektrońw swobodnych. W rezultacie w warstwie graniczn i (złącze PN) zanikają praktycznie ruchom e nośni ki ładunków elektrycznych. Po o d płynięciu ła d u n ków ujemnych z półprzewodnika typu N w kierunku nólprzewodnika typu P wytwarza się w nim ładunek dodatni, natomiast w strefie granicznej półprzew od nika typu P ładunek ujemny. Złącze PN ulega zatem samoistnemu spo la ryzo w a n iu w w yniku zjaw iska dyfuzji nośników ładunku, a wytworzona różnica po tencjałów nosi nazwę napięcia zaporow ego złącza PN (rys- 1)- Napi?cie ,0 stwarza jednocześnie natu ralną zaporę do dalszego napływu nośników ładun ków w rejon w arstw y granicznej złącza. W arstw a graniczna staje się zatem warstwą zaporową.
Na zewnątrz półprzew odnik w ykazuje obojętne w łaściwości elektryczne, ponieważ nie została w nim zaf chwiana rów nowaga pom iędzy ładunkam i ujem nym i dodatnim i. ,«
W obszarze złącza PN półprzewodników o różnym typie przewodnictwa powstaje warstwa zaporowa.
Obce. atom y wzbogacające liczbę elektronów sw o bodnych półprzew odnika nazywane są dom ieszka mi donorowymi1. W tym przypadku nośnikami prądu są sw obodne elektrony, a taki półprzew odnik nazy wa się półprzewodnikiem typu N (rys. 1). Nośnikami ładunku elektrycznego w półprzew od nikach typu N są elektrony sw obodne.
k rz e m o p rz e w o d n ic tw ie ty p u N e le k tr o n s w o b o d n y
n ie r u c h o m y jo n o ła d u n k u d o d a tn im
k rz e m o p rze w od n ictw ie ^® ty p u P '* -e le k tro n .
d z iu r a
n ie ru c h o m y jor! o ła d u n k u u je m n y m
Rys. 1. Ilustracja defektu struktury krystalicznej krzerjjm
Półprzewodniki typu P
||
Obce atomy absorbujące elektrony swobodne półprzewodnika nazywane są domieszkami akceptorowymi!) W tym przypadku zjawisko przewodzenia prądu polega głównie na przemieszczaniu się dziur, a taki pólprzfi wodnik nosi nazwę półprzew odnika typu P (rys. 1). Nośnikami ładunku elektrycznego w półprzew odnikach typu P są dziury. Półprzewodniki słabo dom ieszkowane oznaczane się sym bolam i N~ i P~, zaś półprzewodniki silnie domiesz kowane oznaczane są sym bolam i N + i P +. W istocie w półprzewodnikach zachodzi zarówno proces prze«'* w odnictw a sam oistnego, jak i niesam oistnego. Nośniki ładunku elektrycznego występujące w przewadze (a więc elektrony w półprzew odnikach typu N i dziury w półprzewodnikach typu P) noszą nazwę nośnikóifi większościowych. W odróżnieniu elektrony w półprzewodnikach typu P i dziury w półprzewodnikach typu N noszą nazwę nośników mniejszościowych. i«; Przewodnictwo niesamoistne (wywołane przez proces domieszkowania) wzrasta ze wzrostem koncentraó11Ł domieszek. Nie jest ono zależne o d ‘temperatury. :j| Elementy półprzew odnikow e budow ane są z warstw m ateriałów półprzewodnikowych o przewodnictwie ty! puN , P il. j '$ W elementach unipolarnych prąd przepływa wyłącznie przez warstwę półprzewodnika o jednym typ S l przewodnictwa. W elementach bipolarnych prąd przepływa przez co najmniej dwie warstwy p ó lp r z * wodnika o różnych typach przewodności. J j.
4.2.1.3 Wtaściwośbi złąpza PN Złącze PN
‘
Ztącze PN powstaje w obszarze fizycznego styku dwóch obszarów półprzewodnika o przewodnictwie typO. P i przewodnictwie typu N. W miejscu styku elektrony swobodne z półprzewodnika typu N przenikają (dyfunduf ją) do strefy półprzew odnika typu P i odwrotnie, dziury z półprzewodnika typu P dyfundują w głąb pólprze11 tac. d o n a re = d a w a ć;
2 lac. a c c ip a re = p rzyjm o w a ć
141
Pojemność warstwy zaporowej Warstwa zaporowa niemal całkowicie jest pozbaw io na nośników ładunków elektrycznych. Z tego pow o du wykazuje w łaściw ości elektryczne zbliżone do izolatorów. Warstwa zaporowa (izolacyjna) oddziela dwa dobrze przewodzące obszary półprzew odniko we (P i N). Powstaje zatem przestrzenna struktura o cechach u p odabniających ją do kondensatora. Pojemność kondensatora w ytworzonego samoistnie w złączu PN nazywamy pojem nością warstwy zapo rowej. Szerokość w a rstw y z a p o ro w e j m oże być zmieniana przez przyłożenie zewnętrznego napięcia polaryzującego złącze w kierunku zaporowym . Im większe jest to napięcie, tym szersza strefa warstwy zapo rowej, a zatem mniejsza pojem ność złącza. W łaściwość tę wykorzystuje się do budow y tzw. dostrojczych dlód pojemnościowych o pojem ości sterowanej napięciem. Szerokość warstwy zaporowej i pojem ność złącza PN jest funkcją przyłożonego napięcia polaryzującego s złącze w kierunku zaporowym.
Kierunek przewodzenia złącza PN Złącze PN wykazuje kierunkowe (asymetryczne) właściwości przewodzenia prądu elektrycznego. Właściwości te są zależne od sposobu zewnętrznego spolaryzowania złącza. Jeśli złącze zostanie spolaryzowane w kierun ku zaporowym (rys. 2 ), to następuje odpływ swobodnych elektronów z półprzewodnika typu N w kierunku bie guna dodatniego zewnętrznego źródła napięcia i jednocześnie odpływ dziur z półprzewodnika typu P do bie guna ujemnego tego żródta. W wyniku takiej migracji nośników ładunku poszerza się strefa zaporowa złącza izolująca obszary przewodzące N i R W rzeczywistości pod wpływem przyłożonego napięcia Ufl w kierunku za porowym płynie pewien niewielki prąd /fl zwany prądem wstecznym1. Ze wzlędu na izolacyjne właściwości warstwy zaporowej rezystancja złącza PN spolaryzowanego w kierunku zaporowym jest znaczna. 5ang, re w rs e = w sto cz
142
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy e le k tro n ie ^
Polaryzacja złącza PN w kierunku zaporowym wywołuje znaczny wzrost rezystancji złącza. Jeśli złącze PN zostanie spolaryzowane w kierunku przewodzenia (rys. 2 na poprzedniej stronie), t o . w pływem w ytw o rzon e g o pola elektrycznego następuje jedn o czesn y przepływ sw o b o d nych elektron^ z półprzewodnika typu N I dziur z półprzewodnika typu P w kierunku warstwy zaporowej. W wyniku ten* procesu szerokość warstwy zaporowej się zmniejsza, a sama warstwa zaczyna się napełniać nośnikami i dunku. Rezystancja złącza PN zaczyna spadać. Pod wpływem przyłożonego napięcia UF w kierunku n J wodzenia płynie zatem prąd lF, zwany prądem przewodzenia1. 7 4 Polaryzacja złącza PN w kierunku przewodzenia wywołuje spadek rezystancji złącza.
4.2.2 Diody półprzewodnikowe Dioda jest elementem półprzewodnikowym zawierającym złącze PN. Dioda wyposażona jest w dwie dy: anodę i katodę. Anoda diody jest elektrodą połączoną bezpośrednio z warstwą P półprzewodnika, zal1 katoda jest elektrodą połączoną z warstwą N. Kierunek strzałki na oznaczeniu schem atowym diody w r .:-^ je kierunek przepływu prądu w stanie przewodzenia diody. w Charakterystyka prądow o-napięciowa
i.
Elektryczne właściwości statyczne d io d y opisuje jej charakterystyka prądow o-napięciow a, tzn. zależność* prądu płynącego przez diodę w funkcji napięcia przyłożonego pom iędzy jej elektrody (rys. 1 ). Charaktery, styka ta wykazuje silną asymetrię zależną od kierunku polaryzacji diody. Cechą charakterystyczną jest to, żp jeśli złącze PN diody zostanie spolaryzowane w kierunku przewodzenia, to do pewnej wartości tego naptęt* cia (zwanego napięciem progowym) dioda wykazuje słabe właściwości przewodzące. Zjawisko to wyniki1 z faktu, że dla umożliwienia przepływu prądu konieczne jest pokonanie sam oistnego napięcia zaporowego złącza. Wartość tego napięcia dla diod wykonanych z krzemu wynosi około 0,7 V. Po przekroczeniu napięcia progowego prąd diody szybko narasta. Wzrost ten jest na tyle szybki, że dla wygody projektanta w danych katalogowych charakterystyki diod w kierunku przewodzenia podawane są najczęściej w postaci charaktery styk pótlogarytm icznych (rys. 1 na następnej stronie). » Zbyt wielki prąd przewodzenia może prowadzić do uszkodzenia diody. Uszkodzenie dio d y spolaryzo w anej w k ie ru n k u p rz e w o d z e n ia m oże n a s tą p ić w wyniku przegrzania jej struktury. Może to nastąpić wówczas, gdy m oc wydzielana w złączu PN diody przy przepływ ie prądu jest znaczna, a m ożliw ość rozpraszania m ocy cieplnej w ydzielanej w diodzie ograniczona. W wyniku nierównowagi procesów ge neracji i rozp ra sza n ia m ocy w d io d zie rośn ie jej tem peratura, któ ra w szcze g ó ln ych przyp a d ka ch może przekroczyć dopuszczalne wartości granicz ne. Dla uniknięcia tego efektu stosowane są m etody ograniczania wartości prądu przewodzenia diody. Typowym sp o so be m o g ra niczenia prądu prze. wodzenia diody jest zastosowanie rezystora sze; regowo połączonego z diodą. W przypadku polaryzacji wstecznej przez diodę pły nie jedynie niewielki prąd wsteczny /n, zwany rów nież prądem zaporowym. Przepływ prądu wstecz1 a ng . lo rw a rd -- w p rzó d
: półprzew o d n iko w e elementy i układy elektroniczne
143
wynika ze zjawiska przewodnictwa samoistnene£/°ozdz. 4 2 .1 . 1 ) zachodzącego w złączu PN dio9° 2 atem natężenie prądu wstecznego jest zależne
1 od tem peratur złącza. ‘ prąd wsteczny diody przy stałym napięciu zaporo wym rośnie w funkcji tem peratury jej złącza. Wartość prądu wstecznego jest również funkcją w y miarów geometrycznych złącza PN. Im większa jest oowierzchnia złącza, tym większy jest prąd wstecz ny dla tego samego napięcia zaporow ego i w tej sa mej temperaturze. parametry techniczne parametry techniczne przyrządów pólprzewodniko' wych dzielą się na dwie klasy: parametrów granicz nych i parametów znamionowych, parametry graniczne o kre śla ją zb ió r d o p u s z c z a l nych wartości param etrów eksploatacyjnych zapew niających długotrwałą i bezawaryjną pracę elementu ‘ «określonych warunkach zewnętrznych.
Rys. 1. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody w kierunku przewodzenia: ó)- temperatura złącza1
znamionowe określają statystyczne wartości podstawowych cech przyrządów półprzew odniko wych w tak zwanym punkcie pracy. Punkt pracy jest zdefiniowany przez aktualne param etry elektryczne (prąd, napięcie), a także środowiskowe (temperatura, ciśnienie, strum ień pola m agnetycznego, elektryczne Param etry
go itp.). Parametry znamionowe bardzo często przedstawiane są w postaci graficznej w postaci tzw. charakterystyk. Charakterystyki z jednej strony są syntetycznym źródłem inform acji technicznej, a z drugiej są wygodnym narzędziem pracy projektanta układów elektronicznych. Parametry graniczne Do najważniejszych parametrów granicznych diod należą m aksym alne wartości dopuszczalne: prądu prze wodzenia /Fmax, napięcia przewodzenia UFmm, całkowitej m ocy traconej Plo!, napięcia wstecznego temperatury złącza PN ó) max. Nieznaczne, chwilowe przekroczenie wartości param etrów granicznych nie jest . zalecane, ale jest dopuszczalne. Parametry znamionowe Jeśli pomiędzy zaciski diody zostanie przyłożone napięcie, to w ywoła ono przepływ prądu o wartości wyni kającej z jej charakterystyki prądow o-napięciow ej (rys. 1 na następnej stronie). Charakterystyka ta jest jed noznaczna, tzn. przy znajomości prądu płynącego przez diodę m ożna wyznaczyć z niej spadek napięcia na diodzie. Kształt charakterystyki prądow o-napięciow ej zależy także od temperatury złącza diody. Z tego po wodu punkt pracy diody nie może być zdefiniowany tylko przez podanie jednego parametru. Najczęściej punkt pracy diody definiowany jest przez trzy param etry o charakterze statycznym: wartości znamionowe prądu i napięcia w punkcie pracy oraz wartość znamionową tem peratury ztącza. Statyczne parametry znamionowe są istotne w warunkach pracy diody w układach prądu stałego. Zastosowa, nie diod w układach prądu przemiennego wym aga zdefiniowania dodatkowo dynamicznych parametrów zna mionowych, takich jak pojemność warstwy zaporowej, czas przełączania oraz rezystancja dynamiczna. Parametry graniczne i znamionowe diod są określone przez: rodzaj stosowanego półprzewodnika, sposób i materia! dom ieszkow ania, konstrukcję m echaniczną d io d y i te ch no lo g ię jej w ytw arzania (tab. 1 na następnej stronie).
ang. ju nctio n — zIćjczg
ii.wW W W I
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektronie'^
144
1
Tab. 1. Diody krzemowe I diody Schottky'ego Parametr
W łaściwości
ii
Diody krzemowe
Diody .Schottky’ego
j l
bardzo wysokie (do 4000 V)
niskie (do 70 V)
m '§
M aksym alna dopuszczalna temperatura złącza
wysoka (do 190°C)
wysoka (do 190°C)
M aksym alna dopuszczalna m oc strat ■
wysoka
wysoka
O dporność na krótkotrwale przeciążenia prądowe
bardzo wysoka
bardzo wysoka
Napięcie progowe
ok. 0,7 V
O k.
Prąd wsteczny
bardzo maty
bardzo mały
Napięcie zaporowe
. f,|| . .1 M
...................
0,4 V
-ii
d io d a S c h o ttk y ’e g o
/ 1 /Jj / I im
h
—
Ł/fl
100 V 75 50 25 W w yniku przekroczenia przez napięcie wsteczne UR dopuszczalnej wartości granicznej następuje zja 0,3 0,4 0,7 V J wisko elektrycznego przebicia złącza PN. Zjawisko to c h a ra k te ry z u je s ię s iln y m w z ro s te m p rą d u In U t — %, ''G e K. wstecznego d io d y w obszarze przebicia. Napięcie __ 1 1 d io d a wsteczne d io d y tw orzy pole elektryczne w złączu Sl / S c h o ttk y ’e g o PN o natężeniu proporcjonalnym do wielkości tego napięcia. Pole to w ywołuje sity oddziaływania elek trosta tyczn e g o na zw iązane elektrony w alencyjne Rys. 1. Charakterystyki prądowo-napięciowe różnych J atomów. Pod w pływem tych sit i po przekroczeniu rodzajów diod określonej wartości natężenia tego pola następuje samoistne wyrywanie elektronów z pasma w alencyj nego i ich przeskok do pasma przewodzenia. Uwolnione elektrony stają się swobodnym i nośnikami tadunktj elektrycznego. Opisane wyżej zjawisko nosi nazwę e fe ktu Z en e ra 1. »
/
\
i
4
' - ii
* Sw obodne elektrony ulegają przyspieszeniu pod wpływem działania sil pola elektrostatycznego wytworzoj nego przez przyłożone napięcie wsteczne. Elektrony te zderzają się z elektronami powłoki walencyjnej !t| nych atom ów półprzewodnika. Energia sw obodnych elektronów rozpędzonych w działającym polu elękj trycznym może być na tyle duża, że wystarcza do pokonania pasma zabronionego przez elektrony waleif cyjne tych atomów. Zwiększa to lawinowo liczbę elektronów swobodnych, a sam efekt nosi nazwę efektu la Ą w in o w e g o 2. Efekt Zenera i efekt lawinowy w ywołują gw ałtow ny wzrost prądu wstecznego diody. ' Zjaw isko o d kryto w 1934 r. przez fizyka a m e rykańskiego C. Zenera; s a ng. avalanche
¡Vf.:"
Sawina
- ‘"f'
.
Zenera jest wykorzystywany w praktyce do budow y półprzewodnikowych wzorców i stabilizatorów nala (diod Zenera). W zakresie występowania efektu Zenera napięcie wsteczne diody w szerokim zakresie 4ów wstecznych diody podlega bardzo niewielkim zmianom. Zatem rezystancja dynamiczna diody Zeneo b s z a rz e przebicia jest niewielka, a napięcie przebicia względnie stale. Podobnie jak dla diod spolaryra yj.ą w kierunku przewodzenia, konieczne jest ograniczenie m aksym alnego prądu wstecznego (prądu Zenera) diody przynajmniej do poziomu dopuszczalnych wartości granicznych.
przegrzan‘e kłącza W wvrtiku przepływu prądu przez złącze PN występują straty m ocy elektrycznej, które zamieniane są w cię ło Przy niedostatecznym odprowadzeniu tego ciepła dochodzi do wzrostu temperatury złącza. Przekro czenie granicznej dopuszczalnej temperatury złącza wywołuje zniszczenie termiczne struktury półprzewod nika W celu zwiększenia intensywności chłodzenia złącza PN stosowane są specjalne użebrowane kon strukcje mechaniczne zwane rad ia to ra m i.
znaczenia
, .j
I
t
145
. i*
1
Diody znalazły szerokie zastosow anie w układach prostowników napięcia oraz w elektronicznych ukła dach przełączających. Typowe wartości rezystancji d io d w kierunku przew odzenia są rzędu pojedyńczych £2 i w kierunku zaporowym osiągają wartości rzędu GQ. P rze b icie e le ktryczn e
........
42 pólprzewociriikowe elemen‘ y • uk,acfy elektroniczne
Diody ogólnego przeznaczenia Tab. 1. Podstawowe typy konstrukcyjne diod Diody ogólnego p rze zn a cze n ia p ro d u k o w a n e są T y p d io d y W ła ś c iw o ś c i Z a s a d a k o n s tr u k c ji technologią planarno-epitaksjalną1. Technologia ta - m a ła p oje m n o ść polega na. wytworzeniu u porządkow anej struktury złącza, m a ły p rąd złącza PN składającego się z w arstw p rze w o d zą w steczny, m ała rezy D io d a SO, —N cych, p ó lp rz e w o d z ą c y c h i iz o la c y jn y c h na p o stancja d ynam iczna p la n a rn o w k ierunku p rzew o- V epitaksjalna : wierzchni podłożowej (substracie) przy wykorzysta dzenia, krótki czas niu technik domieszkowania, trawienia fotolitograficz przełączania nego, napylania próżniow ego, dyfuzji, w zrostu e p i bardzo m a ła p oje m - , D io d a taksjalnego itp. Na silnie domieszkowanej nisko rezyn ość złącza, _ o strzo w a d o b re w ła ściw o ści w ystancyjnej warstwie N+ półprzewodnika wytwarzana ostrze / \ . so ko często tliw o ścio m e ta io w e P Gs jest technologią epitaksjalną bardzo cienka, wysoko w i,? we, niew ielkie w a rto p o d ło ści g raniczne p rą du rezystancyjna, sła b o d o m ie szko w a n a w arstw a N. żo w a w k ierunku prze w o . W warstwie tej, w w yniku procesu traw ien ia i d o dzenia mieszkowania, wytwarzana jest wyspa materiału pólprzewodzącego o przew odnictw ie typu P. Tak w ytw orzona struktura przewodząca jest pasywowana powierzchniowd przez wytworzenie cienkiej izolacyjnej warstwy powierzchniowej w postaci dwutlenku krzemu. Po wytrawieniu odpow iednich otw orów w warstwie dwutlenku krzemu naparowywana zostaje ostatecznie elektroda metaliczna (anoda) półprzewodnika (tab. 1 ).
j Technologię planarno-epitaksjalną
stosuje się do wytwarzania diod ogólnego stosowania, diod pojem no- : ! śclowych, diod Schottky'ego, fotodiod PIN, diod wysokoczęstotliwościow ych i przełączających.
Diody do zastosow ań w ukła d a ch w y s o k ie j c z ę s to tliw o ś c i Diody przeznaczone do pracy w zakresie częstotliwości rzędu GHz powinny charakteryzować się minimalną pojemnością złącza PN oraz posiadać nośniki ładunków o dużej ruchliwości. W ograniczonym zakresie do wytwarzania takich diod stosowana jest technologia planarno-epitaksjalna. Znacznie lepsze właściwości w y soko częstotliwościowe posiadają ostrzowe diody germanowe, diody Schottky’ego i diody PIN. Diody ostrzowe W germanowej diodzie ostrzowej (tab. 1) złącze PN zostaje uformowane w obszarze styku półprzewodnika germanowego typu N i ostrza metalowego. Pojem ność tak utworzonego złącza jest znikoma ze względu na jego mikroskopijne wymiary. Z drugiej strony niewielka powierzchnia styku ostrza i półprzewodnika wprowa dza istotne ograniczenie na wartość graniczną m aksym alnego prądu przewodzenia. Również dopuszczalne napięcie wsteczne diod ostrzowych jest relatywnie niskie. Niska pojemność diod ostrzowych umożliwia ich zastosowanie w układach wysokiej częstotliwości oraz w szybkich układach przełączających. hc. planar -- pow ierzchnia, w arstw a, gr. e p l = pon ad , gr. Iaxis ~ p arzqriok
146
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektronię^'
D io d y m ocy Do konstrukcji diod wykorzystywanych do przełącza nia większych m ocy stosowane są diody krzemowe o dużej powierzchni złącza PN (rys. 1). Materiał pół przewodnikowy ma kształt pastylki m ocowanej zwy.kle warstwą N do obudow y m etalowej dobrze prze wodzącej ciepło. O budowa ta może być mocowana dodatkow o na zewnętrznym użebrowanym radiato rze. Pozwala to na uzyskanie niskiej, a więc korzyst nej, wartości współczynnika wyrażającego stosunek przyrostu tem peratury złącza do wartości przyrostu m ocy traconej w diodzie i wywołującej ten przyrost temperatury. W artość prądu przewodzenia diod mo cy można jeszcze bardziej zwiększyć przez zastoso wanie w ym uszonego chłodzenia zewnętrznego, np. przy użyciu wentylatora. Zastosowanie wym uszonego chłodzenia zewnętrzne go pozw ala na zwiększenie prądu pracy d io d y do wartości przekraczającej nawet trzykrotnie wartość jej prądu znam io n o w e g o . D opuszczalne te m p e ra tu ry graniczne diod krzemowych zawierają się w granicach 140-190°C. Wartości napięć progowych krzemowych diod mocy wahają się w granicach 0,8-1,0 V. Dostęp ne są diody krzemowe o znam ionowych napięciach wstecznych do 4 kV i znam ionowych prądów prze wodzenia do wartości 4 kA. O b u do w y d io d i ich o zn a kow an ie Do konstrukcji obudów diod stosowane są tworzywa sztuczne, szkto oraz metale (tab. 1 ).
p a s ty lk a krz e m o w a s z kliw o
4 2 półprzewodnikowe elementy i układy elektroniczne 'ewielka zmiana napięcia polaryzującego wywołuje n r a r lt i /n r a H i i 7 a rto rfl znaczne zmiany prądu wstecznego (prądu Zenera /z). zwyczajowo wartości napięcia i prądu Zenera poda w katalogach przyrządów półprzew odniko wane są wych jako wartości dodatnie. Typowym obszarem pracy diody Zenera jest zakres
przebicia złącza PN.
147
-U z
lica miedzianki obudow a
Rys. 1. Poglądowy rysunek konstrukcyjny krzemowej i| diody mocy Tab. 1. Przykłady wykonań obudów i oznaczenia dlotjifl półprzewodnikowych R ysu n e k o b u d o w y o d p o w ia d a ją c y w y m ia ro w o p rz y b liż o n e j w ie lk o ś c i rze czyw iste j d io d y
K a to d a d io d y je st wsfói z y w a n a p rze z barwnaft obw ódkę. • | P o z o s ta łe b arw ne o z n a k o w a n ia d iod y ze| c z y n a ją się bezpośredni n io p o ozna kow an iu m to d y . 'Ą
ka to d a
ka to d a
O zna ko w an ie
-------
K a to d a d io d y jest wy-;J ró ż n io n a p u n kte m lub,® w y p u k ło ś c ią n a obudój w ie, , S* W w ię k s z o ś c i d iod w o b u d o w ie metalowej! ka to d a je s t połączona'* e le k try c z n ie z o b u d o -p w ą . J e śli je s t inaczej, *jj to na o b u d o w ie d iod y'j z n a jd u je się sym b o l tj d io d y w s k a z u ją c y Jgd4] n o z n a c z n ie położeniami k a to d y.
O typie zastosowanej obudow y decyduje m oc zna m ionowa i przeznaczenie diody. Katoda diody zwy [¿¿¡¿ii kle jest oznaczana w charakterystyczny sposób na obudow ie diody (tab. 1). Spotykane są również ze społy diod występujących w jednej obudowie. Typo wym przykładem są prostow nicze m ostki diodow e Graetza zawierające cztery diody. Do celów przełą czania lub zabezpieczeń przepięciowych układów zespoły diod m ontowane są również w obudow y liczące nawet do kilkunastu elementów.
4.2.2.2 Diody Zenera i Schottky’ego D iody Zenera Diody Zenera są wytwarzane z silnie domieszkowanego materiału półprzewodnikowego. Silne domieszkowania pozwala z jednej strony na uzyskanie niewielkich wartości napięcia przebicia tych diod (napięcia Zenera Uzi, z drugiej zaś pozwala na uzyskanie względnie niskiej rezystancji dynamicznej w zakresie przebicia lawinowe go. W kierunku przewodzenia diody Zenera mają właściwości zbliżone do diod uniwersalnych. Diody Zenera są polaryzowane w kierunku zaporowym . W wyniku wzrostu napięcia spolaryzowanej zaporowo diody Zenera wzrasta w niewielkim stopniu jej prąd wsteczny, aż do momentu wystąpienia zjawiska Zenera i zjawiska przebicia lawinowego złącza PN. Wówczas
0
- r r
—
>*
: 1
O T> . -
40
/
/
/
fi
VB Ł
iT o 8 - ,
n apięcia Z enera je st ściśle zw iązana ze stopniem dom ieszkowania m ateriału półprzew odni kowego diody. Im bardziej silne jest dom ieszkow a ne materiału półprzewodnika, tym niższe jest napię te przebicia lawinowego złącza PN. Produkowane są obecnie diody o szerokim zakresie (2 ,7 -2 0 0 V) napi?b Zenera. W zakresie niskich w artości napięć Zenera (charakterystyki diod V2 do V4 na rys. 1) za gięcie charakterystyki w obszarze przejściowym jest mniej ostre, a nachylenie charakterystyki w obszarze przebicia jest mniejsze niż w przypadku diod o wyż szym napięciu Zenera (V 5-V 8 na rys. 1). Jeśli po trzebne są niższe napięcia niż 2,7 V, to uzyskuje się je przez połączenie je d n e j (0,7 V) lu b szeregow o dwóch diod krzem owych (1,4 V) spolaryzow anych w kierunku przewodzenia.
6
12 V 10
80 V7
120
/O
W a rto ś ć
V CO' O.
6
160
rM
O) N
VE
\
\/4 V 3 V 2
\ V
|
V1
200 mA 240
Rys. 1. Rodzina charakterystyk roboczych diod Zenera
P rzykład: Temperatura diody Zenera o napięciu roboczym Uz = 4,7 V wzrosła o 40 K. W spółczynnik tem pe raturow y napięcia Zenera w ynosi dla tej d io d y a z= -0 ,2 • 10~3 1/K. O ile i w jakim kierunku zm ie niło się napięcie robocze? R ozw iązanie:
Zjawisko Zenera dom inuje w zakresie niskich napięć A Uz = o -z ■A i ? • Uz = przebicia złącza PN (do wartości nie przekraczającej 5,5 V). Wartość napięcia Zenera jest zależna nie tylko = (-0,2 ■ 10 "3 1/K) • 40 K • 4,7V = - 37,6 mV od stopnia domieszkowania materiału diody, ale rów nież od temperatury złącza. Zależność tę charaktery Zatem n a p ię cie rob o cze d io d y z m n ie js z y s ię zuje w sp ó łczyn n ik te m p e ra tu ro w y z m ia n y n a p ię o 37,6 mV. cia Zenera az. Jośli wartość tego współczynnika jest ujemna, to oznacza, że napięcie Zenera maleje wraz ze wzrostem temperatury. W łaściwość taką wykazują silnie dom ieszkowane diody o niskim napięciu Zenera (Uz < 5,5 V). Oznacza to, że wraz ze wzrostem tem peratury ich charakterystyki prądow o-napięciow e prze suwają się w stronę osi prądu. W diodach tych dom inuje efekt przebicia Zenera. Diody o napięciu przebicia złącza nie przekraczającym w artości 5,5 V mają ujemny w spółczynnik tem pe raturowy zmiany napięcia Zenera. Diody Zenera słabo domieszkowane (o napięciu powyżej 5,5 V) mają dodatni współczynnik temperaturowy napięcia Zenera. Dla tej grupy diod w obszarze przebicia złącza przeważa efekt lawinowy. Ze wzrostem tem peratury wzrasta zatem napięcie przebicia. Jak łatwo zauważyć, d io d y Zenera o napięciu zbliżonym do 5,5 V charakteryzują się zerową wartością w spółczynnika tem peraturowego zmiany napięcia Zenera. Oznacza-to, że napięcie to nie zależy od temperatury złącza. Efekt ten jest wykorzystyw any do budow y stabilnych temperaturowo źródeł napięcia odniesienia. Parametry d io d Zenera Do podstawowych param etrów granicznych diod Zenera należą: m aksym alny dopuszczalny prąd Zenera kom i dopuszczalna m oc diody Ptot. Przy stałej wartości maksym alnej dopuszczalnej m ocy diod wartość do puszczalnego prądu m aksym alnego diody będzie w relacji odwrotnie proporcjonalnej do wartości napięcia Zenera. Im większe jest to napięcie, tym niższa jest wartość m aksym alna dopuszczalnego prądu. Zależność tę można zobrazować w postaci hiperboli wpisanej w charakterystykę prądowo-napięciową diody (rys. 1 ). Hiperbola ta zakreśla obszar charakterystyki prądowo-napięciowej, którego przekroczenie grozi uszkodzę-
148
2 półprzewodnikowe elementy i układy elektroniczne
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elekt
niem term icznym diody. N ajprostszym sposobem ograniczenia m ocy rozpraszanej przez diodę Zenera jest ograniczenie w artości roboczego prądu Ze-
m e ta lic z n e j. M ig r a c ja e le k t r o n ó w w y w o ł a n a je s t //n ic a e n e rg ii e le k t r o n ó w w a r s tw y p ó łp r z e w o d n ik a ■ s i a l u . W y s o k o e n e r g e t y c z n e e le k t r o n y s w o b o d n e
Uz
nera lzTypowym sposobem ograniczenia w artości prą du Zenera jest'zastosow anie rezystora szerego wo połączonego z diodą. O prócz param etrów g ra n iczn ych i w sp ó łczyn n ika tem peraturow ego zm iany napięcia Zenera istotnymi parametrami diod Zenera są: rezystancja statycz na i dynamiczna (rys. 1 ). R ezystancja statyczna d io d y Rz je s t wyznaczana z prawa O hma jako stosunek wartości napięcia na zaciskach diody do wartości prądu płynącego przez diodę. W obszarze napięć w stecznych, o d le g łych od napięcia Zenera, prąd płynący przez diodę jest relatywnie bardzo mały, zatem jej rezystancja sta tyczna jest stosunkowo duża. Rezystancja ta zaczyna maleć w obszarze napięcia przebicia złącza PN, po nieważ zaczyna płynąć coraz to większy prąd przy stosunkowo niewielkiej zmianie napięcia na diodzie. Rezystancja statyczna diody Zenera nie jest stała i zależy od wyboru punktu pracy. Rezystancja dynam iczna rz d io d y jest definiowana jako stosunek przyrostu napięcia na diodzie do przy rostu prądu, który jest wywołany przez ten przyrost napięcia. Podobnie jak rezystancja statyczna, rezy stancja dynam iczna nie jest stała. Jej wartość zm ie nia się w zakresie pojedynczych £2 w obszarze prze bicia do setek MQ w pozostałym obszarze. Rezy stancja dynam iczna diod Zenera w danych katalo gowych podawana jest zwykle dla określonej w arto ści prądu Zenera, np. 5 mA.
149
p u n k t p ra c y
a
i
Rys. 1. Ilustracja sposobu wyznaczania rezystanc|f^| statycznej Rz I dynamicznej diody Zenera rz '¡)fj
Rz ~ T z
rz
té h , A lz
Rz Uz, lz
- rezystancja statyczna - wartości napięcia i prądu w punkcie pracy w zakresie przebicia złącza rz - rezystancja dynamiczna w punkcie praf AUZfA/z - wartości przyrostów napięcia Ą i prądu w otoczeniu punktu pracy
, 1óiprzewodnika m igrują w głąb m etalu, zubażając P „gentrację elektronów w obszarze pólprzew odnik i wzbogacając koncentrację elektronów sw obodh w metalu. W ten sposób tworzy się w obszarze tacza obszar o różnicy potencjałów. Jeśli złącze zo stanie spolaryzowane w kie run ku za p o ro w ym , to znaczy potencja! dodatni zewnętrznego żródla napię c i a zostanie dołączony do półprzew odnika typu N, a potencjał ujemny zostanie dołączony do warstwy metalu, to w ytw o rzo n e p o le e le k try c z n e b ę d zie Rys. 1. Poglądowy schemat konstrukcyjny planarnej sprzyjało zubożeniu koncentracji elektronów w złą diody Schottky’ego czu, ponieważ elektrony swobodne z półprzew odni ka będą odpływały w kierunku bieguna dodatniego. Przy zmianie polaryzacji potencjałów zewnętrznego źró dła zasilania (rys. 2 na poprzedniej stronie), w ysokoenergetyczne elektrony warstw y półprzew odnika wskutek oddziaływania sil wytworzonego pola elektrycznego zapełnią ponownie zubożony obszar złącza, stwarzając warunki do dobrego przew odzenia prądu. W tym przypadku złącze zostanie spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Czas przejścia ze stanu zaporowego do stanu przewodzenia złącza (czas przełą czania) jest rzędu 100 ps. i Diody S c h o ttk y ’e g o c h a r a k te r y z u ją s ię b a r d z o k r ó tk im c z a s e m p r z e łą c z a n ia . W y s o k o e n e rg e ty c z n e e le k t r o n y p ó ł p r z e w o d n ik a n a z y w a n e s ą r ó w n ie ż g o r ą c y m i n o ś n ik a m i ła d u n k u . S t ą d czasami z łą c z e m e t a l- p ó l p r z e w o d n i k n o s i n a z w ę
m e tal
w a rs tw a z a p o ro w a
krzem ’-if o p rz e w o d n ic tw ie typu||
symboli
diody z gorącymi nośnikami ładunku.
Diody Sohottky’ego produkowane są przy wykorzystaniu technologii planam o-epitaksjalnej (rozdz. 4.2.2.1). Na rys. 1 przedstawiono poglądow y schemat konstrukcyjny takiej diody. Anodę stanowi warstwa metalicz na. Na złączu półprzewodnika typu N i metalu tworzy się warstwa zaporowa. Warstwa N łączy się z katodą za pośrednictwem silnie domieszkowanej warstwy pólprzewodzącej typu N +. Typowe napięcie progowe złą cza wynosi 0,4 V. Diody Schottky’ego mają niższe napięcie progow e w porównaniu z diodam i ze złączem PN.
graficznej
Rys. 2. Idea konstrukcji diody Schottky’ego
Do niewątpliwych wad diod Schottky'ego, w porów naniu z diodam i krzem owym i ze złączem PN, należą znacznie większe wartości prądów wstecznych oraz stosunkowo niskie (do 100 V), maksymalnie dopusz czalne napięcia wsteczne.
Zastosowania diod Zenera Diody Zenera znajdują najczęściej zastosowanie jako źródła napięcia odniesienia w układach stabilizatorów napięcia. Układy stabilizacji napięcia służą do zasilania innych układów napięciem stałym o wartości niezalet nej od chwilowego poboru prądu przez te układy. Układ stabilizatora napięcia ma zatem właściwości zbliżoto do idealnego żródla napięcia. Istotnymi parametrami diod Zenera stosowanymi w stabilizatorach napięcia są: rezystancja dynamiczna rz i temperaturowy w spółczynnik zmiany napięcia Zenera
He względu na bardzo krótki czas przełączania diody Schottky'ego stosowane są w układach wysokiej . częstotliwości, w układach szybkich zabezpieczeń przepięciowych i do budow y szybkich układów lo g ic z -: nyoh. Ze względu na niską wartość napięcia progow ego w kierunku przewodzenia, a w ięc z uwagi na mniejsze straty mocy, diody te są stosowane w niskonapięciowych układach prostownikowych.
4.2.2,3 Lasery półprzewodnikowe Weę konstrukcji lasera 1 przedstawiono na rys.
Diody Schottky’ego Złącze typu PN wytwarzane jest sam oistnie na granicy obszarów tego samego półprzewodnika, jakkolwiek różniących się typem przewodnictwa. Ziącze takie wykazuje asymetryczne właściwości przewodzenia prądj elektrycznego zależne od kierunku.polaryzacji złącza (rozdz. 4.2.2). Cecha ta określana jest jako zdolność prostowania prądu. W łaściwości prostownicze nie są wyłączną dom eną złącz PN. Podobne właściwości of krył Schottky, badając złącze typu m etał-półprzew odnik o przewodnictwie typu N (rys. 2). Ziącze to wytwa rzane jest samoistnie w wyniku zjawiska m igracji elektronów sw obodnych z półprzewodnika typu N do war-
1
na następnej stronie.
Laser jest urządzeniem, które w wyniku wprowadzenia (wpom powania) energii generowanej przez pompę energii wywołuje zjawisko emisji strumienia promieniowania świetlnego w materiale aktywnym lasera. Charakterystycznymi właściwościam i tego prom ieniowania są: monochromatyczność, stata polaryza cja, stata faza i zbieżność optyczna. anS-.Llght A m p lM ca tion b y S llm u la le d E m isslo n o l R adiatlon = w z m o cn ie n ie s tru m ie n ia św ia tła przez s tym u lo w a n ą e m isję p ro m ie n io w a n ia
-j 50
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektron)0^ | ’
Tab. 1. P ó łp rzew o d n iko w e dio d y lasero w e
"^1
Rodzaj diody
Standardowa
Malej m ocy
Długość fali
630-670 nm
770-840 nm
790-840 nm
M oc maksymalna
< 7 mW
< 2 00 mW
0,5 -5 0 W
Zastosowanie
czytniki kodów kreskowych, skanery, drukarki laserowe, napędy DVD, przyrządy pomiarowe
napędy CD, drukarki laserowe, układy transm isji danych, technika pomiarowa, techniki medyczne, obróbka materiałów
techniki medyczne, ij| obróbka materiałów . (cięcie, spawanie), 1 pom py energii dla 1 laserów bardzo dużej! m ocy
.r.......
' Dużej m ocy
3
^ 3
............ ......
M onochrom atyczność oznacza, że em itowana jest fala świetlna o ściśle określonej długości, a zatem w id m o te g o p ro m ie n io w a n ia zaw iera ty lk o je d e n c h a ra kte rystyczn y prążek. S tała p o la ryza cja p ro m ie niow an ia oznacza, że fala św ie tln a ma ściśle o k re ś lo n ą p ła s z c z y z n ę p o la ry z a c ji, a zatem je s t precyzyjnie zorientow ana przestrzennie. Stała faza oznacza, że em itowane fale świetlne nie m ają prze sunięcia fazow ego. Z bie żn o ść o p tyczna to cecha silnej kierunkow ości em itow anego prom ieniowania. Jeśli prom ieniow anie ma cechy: m onochrom atyczności, stałej płaszczyzny polaryzacji i stałej fazy, to nazywam y je prom ieniow aniem spójnym lub kohe rentnym 1.
i
ośrodek optyczny o właściw o ściach odb i jających promioniowanie
~ 1 -----------materiał aktywny
pronf lassras
—-....... -------
warstwa półprzewodnika typu P+
fl -C Z >
( ‘
Laser półprzewodnikowy (dioda laserowa) jest w naj prom ień / | warslwa zaporowa prostszym przypadku półprzewodnikową diodą lumilaserowy warstwa nescencyjną, wykonaną z warstwy arsenku galu o prze półprzewodnika wodnictwie typu N i warstwy typu P domieszkowanej typu N aluminium (rys. 2). Dioda półprzew odnikow a pom Rys. 2. Idea konstrukcji półprzewodnikowej powana jest elektrycznie. Uruchom ienie pom py w y diody laserowej maga spolaryzowania diody w kierunku przewodze nia. W w yniku takiego spolaryzowania zaczyna płynąć prąd przewodzenia, który wprow adza energię do warstwy zaporowej. W warstwie zaporowej część energii zostaje zamieniona na ciepło, a część zostaje wyprom ieniowania w postaci fali elektrom agnetycznej. Częstotliwość emitowanej fali elektromagnetycznej mię ści się w zakresie częstotliwości charakterystycznych dla światła widzialnego lub bliskiej podczerwieni IR:. Częstotliwość ta jest częstotliw ością charakterystyczną zależną od zastosow anego materiału aktywnego (osnow y) lasera (tab. 1 ). W przypadku dio d y laserowej pokazanej na rys. 2 powstające prom ieniowanie laserowe emitowane jesl w płaszczyźnie warstwy zaporowej. W ygenerowany promień świetlny ulega częściowemu odbiciu na wypolero wanych I pokrytych materialem refleksyjnym powierzchniach (zwierciadłach) półprzewodnika prostopadłych do ' tac. c o h a e re n s = sp ó jn y ;
3 a ng . Infra R e d = p o d cze rw ie ń
151
półprzewodnikowe elementy i układy elektroniczne inku emitowanego promieniowania. W rezultacie
prom ień lasera
1,18skiwany jest efekt wzmocnienia optycznego stru-
anoda
UZ' nia laserowego. Jedno ze zwierciadeł jest optyczn!18 ¿¡przepuszczalne. Promień świetlny opuszcza la501 przez niewielki otwór wykonany w tym zwierciadle.
stos rezonatorów optycznych obszar emisji prom ieniowania laserowego stos rezonatorów optycznych warstwa podłożo wa z arsenku ga lu
Strumień świetlny em itowany przez diodę lasero wą wzrasta w przybliżeniu liniowo w funkcji prądu przewodzenia diody.
katoda
Laser VCSEL Właściwości w zm ocnienia optyczne g o pro m ie n io wania laserowego wykorzystano w konstrukcji lase ra typu VCSEL 1 (rys. 1). Laser VCSEL jest skonstru owany w taki sposób, że zarówno nad, jak i pod po wierzchnią złącza emitującego prom ieniowanie usy tuowano cały stos rezonatorów optycznych. Lasery VCSEL są stosow ane do budow y n a dajni ków światłowodowych układów transm isji danych cyfrowych o p rę d k o ś c ia c h d o c h o d z ą c y c h do
Rys. 1. ilustracja konstrukcji lasera typu VCSEL
3 Gbit/s. W porównaniu z Innym i laseram i, lasery pólprze, wodnikowe wym agają zasilania stosunkow o niewiel Rys. 2. Oznakowanie ostrzegawcze produktów wykorzys kimi wartościami prądu. Również spraw ność lase tujących lasery rów półprzewodnikowych jest stosunkow o wysoka I wynosi ok. 20 %. Znaczna Ilość ciepła wydzielanego w złączu diody laserowej ogranicza ciągłą m oc pro mieniowania diody do poziomu kilkuset mW. Osiągnięcie wyższych m ocy jest możliwe przez odpow iednie chłodzenie diod lub przez emisję krótkich w ysokoenergetycznych im pulsów świetlnych (praca im pulsow a). Tryb pracy im pulsowej pozwala na osiągnięcie m ocy im pulsow ej rzędu kilkudziesięciu watów (tab. 1 na poprzedniej stron ie ).
rezonatory optyczne
Laser jest źródłem prom ieniowania spójnego. Głównym zadaniem rezonatora optycznego jest ufor mowanie zbieżnej wiązki prom ieniowania laserowe go o niewielkiej średnicy.
■■
Strumień świetlny diody laserowej może być tatwo m odulowany z częstotliwościami m odulacji w paśmie GHz. Pozwala to na zastosowanie diod laserowych w szybkich układach transm isji danych, odtwarza czach płyt kom paktowych, w systemach alarm owych I zabezpieczających, niwelatorach, wskaźnikach świetlnych, aparatach cyfrowych, generatorach efektów wizualnych, noktowizorach, aparaturze m edycz nej, urządzeniach do obróbki term icznej materiałów. Promieniowanie laserowe może być niebezpieczne dla człowieka. Może spow odow ać uszkodzenie wzro ku lub poparzenia skóry. Dlatego szczególnie ważne jest stosowanie się do przepisów bezpiecznego po sługiwania się laserami, które są zawarte w odpow iednich zaleceniach Unii Europejskiej i w norm ach kra jowych.
Źródła promieniowania są podzielone na pięć klas: I, II, lila, IIIb i IV. Kryterium podziału jest wartość m ak symalna m ocy em itow anego prom ieniowania. Każde urządzenie laserowe pow inno być oznakowane specjalnym żółtym trójkątnym znakiem ostrzegawczym oraz tabliczką znam ionow ą podającą klasę pro mieniowania (rys. 2). Dodatkowo urządzenia laserowe muszą być w yposażone w odpow iednią instrukcję opisującą sposób bezpiecznego posługiwania się laserem.
Przyrządy I urządzenia laserowe klasy I (np. wskaźniki laserowe są całkowicie bezpieczne).
' Qng. Vertical C avity S urface E m itting L a se r = la ser o e m isji p io n o w e j p rze z o tw ó r
przewodnikowe elementy i układy elektroniczne
153
¿nzystor bipolarny jest rezystorem o zm iennej ¿ystancji zależnej od wartości prądu bazy.
iiauzystor bipolarny jest przyrządem półprzewodni kowym zbudowanym z trzech kolejno ułożonych warstw półprzewodnika o różnych typach przewod nictwa (rys. 1). Na granicy styku poszczegółnycli cza PN. półprzewodników tworzą się samoistne złą warstw
2 iiiatetn w « odpowiednio spolaryzowanym • . . (rys. .
na
C p r z e d n ie j stro n ie ) tranzystorze bipolarnym prąd
w w yp y p ro ro w w aa id z e n ie em itera
' £ p |ywa przez obszary zarówno typu N, jak i ob^ary typu
r
wyprowadzę
fe n zysto r bipolarny typu NPN przewodzi wówŁ S| gdy baza i kolektor są spolaryzowane doidatnio względem emitera.
■ kolektc
i n io t
Rys. . ^ . ^ t yzlUW
1- Konstrukcja tranzystora planarnegTty
w warstwie kolektora1.
Właściwości tranzystorów bipolarnych W tranzystorach bipolarnych warstwy emitera i koora są silnie domieszkowane. Warstwy te przezie one są słabo domieszkowaną, cienką warstwą ° 9lHn?ŚC' kl,ku nm- ^ przypadku gdy w trany orze NPN złącze baza-emiter zostanie spoistyT- runku Przewodzenia, a złącze baza-kor r w kierunku zaporowym, to w tranzystorze po7 el6ktryczny. Prąd ten będzie płynął z ba■e”1 a' ponieważ warstwa bazy jest wyjątkoa' t0 swobodne elektrony z warstwy bazy warot S S,ę także d0 dodatnio spolaryzowanej kń«, i h k° '6ktora; Koncentracja dodatnich nośni3 u . (dziur) w bazie jest stosunkowo niewrM.,-,3’ p®.niewa^ warstwa bazy jest słabo domieszna niewielka część elektronów emitowaW 7 arsiwls emitera ułega procesowi rekombiaioii! W j.aZle' nałom'ast zdecydowana większość w V przechocizi przez cienką warstwę bazy k° le!
1- Budowa I symbole graficzne tranzysto Vn Typ tranzystora
Ryj__I_I , M odel warstwowy tranzystora
1 p^d elektronowy płynący w tranzystorze NPN dzieli | 8lęna prąd bazy i prąd kolektora (rys, 1). Jeśli prąd Sbazy nie płynie, to nie piynie również prąd kolektora. '¿Żalem sterowanie prądu kolektora wym aga dostarliczenia pewnej mocy wynikającej z przepływu prądu łbazy i spadku napięcia na złączu baza-em iter
Rys. 1 . Schemat rozpływu prądów w tranzystorze typu NPN
U CE
|U DE
^ i E f/e
f'Sterowanie tran zysto rów b ip o la rn ych w ym aga (dostarczenia m ocy sterowania.
w a rs tw y z a p o ro w e
.......... ------------- ---------------- ' przez spolaryzowane w kierunku zapo- l , rowym ziącze koiektor-baza będa przenikały ladun- i Rys. Z. Zasilanie I polaryzacja tranzyst t , Z r u nZVSt7 Ze bipblarr,y ™ niewielka zmiana prą1 7“ '. ■ nrnrł_. wywołuje znaczne zmiany prądu kolektora, co może być interpretowane jako zjawu widziana 7 , od Pr^du strony bazy. wyprowadzeń W związku kolektor-emiter. z przepływem prądu bazy zmienia się również rezystc
f.1fi —i ______
iiśtosunek przyrostu prądu kolektora do przyrostu ljŁ rgdu bazy n a z y w a n y je s t w s p ó łc z y n n ik ie m ¡.fomocnienia prądowego i oznaczany symbolem ( l ly Y a r t o ś ć tego współczynnika podawana jest dla Pokreślonej wartości napięcia kolektor-emiter.
if W tranzystorach b ip o la rn y c h w y s tę p u je rów nież ' prąd wsteczny /CB0 (prąd wsteczny złącza kolektor' -baza przy otw artym em iterze). Ten niepożądany prąd występuje w w yn ik u za ch o d ze n ia zja w iska tworzenia się par elektron-dziura i nosi nazwę prą, du zerowego k o le k to ra . Ponieważ intensyw ność tworzenia par dziura-elektron jest funkcją tempera: tury, to także w a rto ść prądu zerow ego ko le kto ra • jest zależna od te m p e ra tu ry złącza. Prąd zerow y kolektora tworzy wraz z częścią prądu emitera prąd kolektora /c (rys. 1 ). Charakterystyki tra n zy s to ró w b ip o la rn y c h W celu ułatwienia jednoznacznego porów nyw ania ^ parametrów tranzystorów ujednolicono ich oznacze nia i nazewnictwo charakterystycznych napięć i prą dów tranzystorów b ip o la rn ych (ry s . 2). N apięcia oznaczane są przez zastosowanie odpow iednich re guł indeksowania. Na przykład napięcie UBZ oznacza różnicę potencjałów bazy i emitera. W rzeczywistych układach napięcie to może przyjmować wartości za równo dodatnie, jak i ujemne.
Rys. 2. Kierunki i oznaczenie prądów i napięć w tranzystorze typu NPN
0,7 mA 0,6
U ce - 5 V ''1 — 0 L
0,5 | 0,4
/ Ib
° '3
h
02
-A l B ----
0,1
J
0. or re *
Rys. 3. Charakterystyka wejściowa tranzystora NPN
Oznaczenia:-UBE = -0 ,7 V, - UBB = 0,7 V, UBB = 0,7 V są równoważne i wskazują na wyższy potencjał emi tera względem bazy.
4.2 —
154 C h a ra kte rystyka w e jś cio w a tra n zysto ra
'w
Możliwe jest przedstawienie tranzystora w postaci czwórnika, w którym obwód baza-em iter będzie o ^ l f dem wejściowym (sterującym), a obwód kolektor-em iter będzie obwodem wyjściowym (sterowanym) r j l rakterystyką wejściową tranzystora będzie zależność prądu sterującego (prądu bazy) od napięcia w e k ll wego (napięcia baza-em iter). Typową charakterystykę wejściową tranzystora bipolarnego typu NPN p JS stawiono na rys. 3 na p o p rze d n ie j stron ie . W Charakterystyka wejściowa tranzystora przedstawia zależność prądu wejściowego od napięcia wejśS wego, a w ięc jest to charakterystyka /B (Um ). Miarą dynamicznej rezystancji wejściowej tranzystora jest nachylenie charakterystyki wejściowej. RezystS cję dynamiczną wyznacza się ze stosunku przyrostu napięcia AL/BE do przyrostu prądu bazy A/g. Im b a rd ji stroma jest charakterystyka wejściowa, tym mniejsza jest dynamiczna rezystancja wejściowa. |P P unkt p ra cy tra n z y s to ra
ś
Punkt pracy tranzystora definiowany jest przez wybór określonej wartości napięcia wejściowego UBE. Zg§ nie z charakterystyką wejściową, wybranej wartości napięcia UBE odpow iada określona wartość prądu ijj| /8. Wystawiając w punkcie pracy styczną do charakterystyki wejściowej, m ożemy wyznaczyć rezystancję j l namiczną w punkcie pracy, zwaną rezysta n cją w e jścio w ą tran zysto ra
V-1 ' ■■-
półprzewodnikowe elem eniy ' uk,ady elektroniczne
Półprzewodnikowe elementy i układy elektron!®; _ ----
rBE= AL/BE/A/g.
rriPĄtJ j ..-A.nag
Wartość rezystancji wejściowej tranzystora jest zależna od punktu pracy i waha się w granicach ocl kilkuset Q do pojedynczych k£2.
155
unek wartości /C//B określany jest jako w ie lko S,° ’ alowy w spółczynnik w zm ocnienia prądow ego I J a c z a n y symbolem B. w yjściow ej ch a ra kte rystyki p rądow ej, nachylenie ; s to s u n e k wartości A /c / A / B, określany jest jai więc i ' m atosygnatow y w s p ó łc z y n n ik w z m o c n ie n ia J a d o w e g o lu b ja ko z w a rc io w y w s p ó łc z y n n ik 3J^nocnienia prądow ego I oznaczany sym bolem fi. .
Wielkosygnalowy w spółczynnik w zm ocnienia prą dowego 0 jest istotny w analizie układów elektro nicznych w zm a cniających s y g n a ły za w ie rające składową stalą. M a to s y g n a lo w y w s p ó łc z y n n ik wzmocnienia prądowego fi jest Istotny w analizie Okładów w zm a cn ia ją cy c h s y g n a ły za w ie ra ją ce składowe zmienne. iZe względów praktycznych tranzystory są dzielone na grupy lub klasy w zależności od w artości w yj ściowego zwarciowego w spółczynnika w zm ocnie nia prądowego. Grupa A lub I oznacza tranzystory o najmniejszej w artości tego w spółczynnika, grupa B lub ! II oznacza tranzystory z pośrednią wartością w spółczynnika [i. Tranzystory o największej wartości wspót, czynnika wzmocnienia prądowego zaliczane są do grupy C lub III.
C h arakterystyka w y jś c io w a tra n zysto ra Charakterystyką wyjściow ą tranzystora jest charakterystyka opisująca zależność pom iędzy wielkościami wyjściowym i tranzystora, a więc prądem kolektora /c I napięciem kolektor-em iter Uce (rys. 1 ). Kształt I po^ łożenie charakterystyki wyjściowej tranzystora są zależne od prądu wejściowego l B I napięcia wejściowegj UBe. *•> Charakterystyka wyjściowa tranzystora przedstawia zależność prądu wyjściowego od napięcia wyjśćl wego, a więc jest to charakterystyka / c (Dce). .Jl
Przykład: ¡Tranzystor typu NPN ma charakterystykę wzm ocnienia prądowego jak na rys. 1. Dla punktu pracy zdefi| nlowanego przez wartości: /c = 60 mA, UCB = 5 V wyznaczyć: |a) wielkosygnalowy w spółczynnik wzm ocnienia prądow ego B, i b) malosygnalowy współczynnik wzm ocnienia prądowego //. ji | Rozwiązanie: •
■ ■
i a) z rys. 1 dla lc = 60 mA m ożna odczytać w artość lB = 0,25 mA.Stąd wielkosygnalow y współczynnik i wzmocnienia prądowego B = lcHB; B = 6 0 m A /0 ,2 5 mA = 240, Na podstaw ie ch a ra kte rystyk w yjścio w ych m ożna określić d y n a m ic z n ą re zysta n cję w y jś c io w ą tra n zystora, definiowaną jako stosunek przyrostu napię cia w yjściow ego do przyrostu prądu w yjściow ego tranzystora w punkcie pracy
rCB — W
ce / ^ I c -
C h a ra kte rystyka w zm o cnien ia p rą d o w e g o tran zysto ra Z ależność prądu w y jś cio w e g o tran zysto ra (prądu kolektora) od prądu wejściowego tranzystora (prądu bazy) w w arunkach stałego napięcia w yjściow ego (kolektor-em iter) definiow ana je st ja ko charaktery styka w zm ocnienia p rądow ego tranzystora (rys. 1 na n astępnej s tron ie ).
i b) z rys. 1 dla /c = 60 mA można odczytać, że wartości przyrostu prądu wejściowego AlB = 0,1 mA odpoj wiada przyrost prądu wyjściow ego A/0 = 20 mA. Stąd m atosygnalowy w spółczynnik wzm ocnienia prąi dowego p = A/c /A /B; fi = 20 m A/0,1 mA = 200.
Charakterystyka ste ro w a n ia n a p ię cio w eg o tranzystora Zależność prądu w yjścio w e g o tranzystora (prądu kolektora /c) od napięcia w ejściow ego tranzystora (napięcia baza-em iter bazy UBE) w warunkach stałe go napięcia wyjściowego (kolektor-em iter Uce) defi niowana jest jako charakterystyka sterow ania napię ciowego tran zysto ra (rys. 2 ). Stosunek wartości A/C/AUBE nazywany jest transkonduktancją tranzystora i oznaczany sym bolem g m. Wartość tego w spółczynnika w temperaturze pokolowej m ożna w yzn a czyć w s p o s ó b u p ro s z c z o n y 2zależności
2
mA
101 5
2 10°
: 5V — wartość średnia ■— odchylenie war tości dla 25"C 25°CX
5 100“C__
10 -
1,0
Rys. 2. Rodzina charakterystyk sterowania napięcio wego tranzystora NPN
156
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektronie
9m = /c /2 6 mV.
-V
Efekt p rz e w o d n ic tw a sa m o istn e g o m a w p ły w na charakterystyki tranzystora. Ze w zględu na w pływ temperatury na przewodność sam oistną podawane są charakterystyki tranzystorów wyznaczane w róż nych tem peraturach pracy (rys. 2 na poprzedniej stronie).
\ \ \
■"Hi I ■ -u
o b s z a r ch a ra k te ry s ty k ro b o c z y c h tra n z y s to ra
Parametry graniczne Parametry graniczne wyznaczają na charakterystyce wyjściowej obszar dopuszczalnej pracy tranzystora (rys. 1). Do' p o d sta w o w ych para m e tró w g ra n icz nych tranzystora należą: ca łko w ita m oc strat Plol, prąd kolektora /0l napięcie kolektor-em iter UCE, na pięcie wsteczne złącza baza-em iter UBE i tem pera tura złącza Oj. Całkowita m oc strat tranzystora jest sumą m ocy strat w złączu baza-em iter wynikających z przepływu prą du bazy Iq i mocy strat w złączach emiter-baza i baza-kolektor wynikających z przepływu prądu kolekto ra /c . Parametry graniczne tranzystora podawane są dla określonej tem peratury złącz struktury półprze wodnika. Zastosowanie dodatkowych środków tech nicznych ułatwiających rozpraszanie wydzielanej m o cy cieplnej w tranzystorze, takich jak np.: radiatorów m ontowanych na obudowach tranzystorów lub wen tylatorów umożliwiających wprowadzenie wym uszo nego chłodzenia pozwala na zmniejszenie temperatu ry złącz półprzewodnika, a zatem na zwiększenie do puszczalnej m ocy strat w tranzystorze, przekraczają cej nawet nominalne wartości graniczne. Ważne jest w tym przypadku zachowanie w arunku nieprzekraczania tem peratury granicznej złącza 0/ ponad d o puszczalną wartość graniczną. Przekroczenie wartości granicznych param etrów tranzystora grozi je g o uszkodzeniem lub degra dacją je g o parametrów. Możliwe jest naniesienie na charakterystykę w yjścio wą tranzystora krzywej w postaci tzw. hiperboli m o cy strat (rys. 1). Hiperbola mocy strat jest zbiorem wszystkich punktów charakterystyki wyjściowej tran zystora, dla których sp e łn io n y je st w arunek stałej mocy, tzn. takich, dla których zachodzi /c 1 Uc
ii
i
1 _ L _ _ *Sgf UCE ~
2 półprzew odnikow e elementy i układy elektroniczne >obszaru pracy jest zależne od różnicy temperazłącz tranzystora i otoczenia. Ogólnie, im mniej’ ' loct ta różnica, tym mniejszy jest dopuszczalny : sza lesl obszar pracy.
157
: I b ' Ube + lc ' Uce p(o(
• lc ' U r
_ całkowita m oc strat tranzystora
parametry statyczne /0j /c - graniczne wartości prądów bazy metry statyczne tranzystora odnoszą się do jego i kolektora tranzystora Iściwości wykazywanych w w arunkach przew oUBE, UCe - graniczne wartości napięć baza-em iter i ^e nia przez tra n z y s to r p rą d u s ta łe g o , a zatem i kolektor-em iter tranzystora i f w a r u n k a c h u sta lo ne g o i n ie zm ien n e g o pu n ktu 1 c„ pla tego samego typu tranzystora, produkow anego przez tego samego wytwórcę i należącego do tej ' samej grupy selekcyjnej, rozrzut param etrów statycznych i dynam icznych jest dość znaczny. Z tego powodu ;j p0Cjawane są parametry o wartościach przeciętnych (średnia statystyczna) i ewentualnie histogram y tych !' param etrów .
Rys. 1. Obszar pracy tranzystora NPN
I yyartości parametrów statycznych są podawane dla ściśle zdefiniowanego punktu pracy tranzystora ste rtow anego prądem stałym. U
CE—U BE + U c
I q + /c + /E as 0 M przy Iq = const
przy Uc e = const
rBE:
AUb
r CE
A /n
: ^ CE A/c
przy UCe = const A/ę A/g U CE
U be UcB lc Ib Ie
03E AUBE A/q r CE
AU ce A/c B
9m
A^o 9m * AC/n,
■ napięcie kolektor-em iter napięcie baza-em iter ■ napięcie kolektor-baza prąd kolektora (składowa stała) • prąd bazy (składowa stała) prąd emitera (składowa stała) dynamiczna rezystancja wejściowa';! tranzystora przyrost napięcia baza-em iter '<Ę przyrost prądu bazy i||| dynamiczna rezystancja wyjściowa ¡| tranzystora .W przyrost napięcia kolektor-emiter ,'JS przyrost prądu kolektora . -m wielkosygnalowy współczynnik .31 wzm ocnienia prądowego m ałosygnałowy w spółczynnik wzmo,j| nienia prądowego (zwarciowy wspójjlj czynnik wzm ocnienia prądowego) :ii|| transkonduktancja tranzystora
■const.
Przy konstrukcji hiperboli m ocy przyjm uje się najczęściej, że cała m oc tracona w tranzystorze wynika z prze-, pływu prądu kolektora, a zatem dla uproszczenia pom ija się względnie niewielką m oc traconą wskutek p r* pływu prądu bazy. Jeśli dodatkow o poza hiperbolą m ocy na charakterystykę wyjściową tranzystora zostań? naniesione maksym alne dopuszczalne wartości: prądu kolektora Icmm i napięcia kolektor-em iter Ucemm^ zostanie określony obszar zwany obszarem pracy tranzystora.
' yy wyniku występowania zjawiska przewodnictwa samoistnego w złączach PN tranzystora występuje przepływ prądów zwanych prądami zerowymi. Wartości prądów zerowych są zależne od temperatury złącz. Z punktu widzenia zastosowań tranzystorów prądy zerowe są prądami niepożądanymi. W tranzystorach bipolarnych wy różnia się: zerowy prąd kolektora ICbq i zerowy prąd emitera /eB0 (prąd wsteczny złącza baza-em iter przy otwartym kolektorze). Na charakterystyce wyjściowej tranzystora (rys. 1 na poprzedniej stronie) wyróżnić można charakterystyczny punkt przegięcia charakterystyki, w którym dalszym przyrostom napięcia kolektor-emiter odpowiada już bardzo niewielki wzrost prądu kolektora, przy tym samym prądzie bazy. [Wartość napięcia kolektor-em iter odpow iadająca punktowi przegięcia określana jest jako napięcie nasy cenia1 i oznaczana sym bolem UCEsat. W artość m aksym alna napięcia ko le kto r-e m ite r tranzystora przy | odłączonej bazie (lB = 0) jest oznaczana sym bolem U0E0.
Parametry dynam iczne Parametry dynamiczne tranzystora odnoszą się do jego właściwości wykazywanych w warunkach przewodze nia przez tranzystor prądu przemiennego lub przy pracy impulsowej (w zastosowaniach cyfrowych). Do pod stawowych parametrów dynamicznych tranzystora zaliczane są: zwarciowy współczynnik wzmocnienia prą dowego, pojemności złączowe, czasy przełączania, częstotliwość graniczna oraz parametry czwórnikowe. ¡ Wartości parametrów dynam icznych są podawane dla ściśle zdefiniowanego punktu pracy tranzystora ! w warunkach sterowania prądem przemiennym. Częstotliwość graniczna fT definiowana jest jako częstotliwość wejściowego sygnału sterującego, przy której wartość zwarciowego współczynnika wzm ocnienia prądowego /! osiąga wartość równą 1 . Parametrami czwórnikowymi tranzystora są parametry typu l i 2 wyznaczane dla sterujących sygnałów niskoczęstotliwościowych (tab. 1 na następnej stronie) i parametry typu y wyznaczane dla sygnałów wysokoczęstotliwościowych. Parametry czwórnikowe h i y są wzajemnie równoważne w tym sensie, że parametry ty pu h mogą być przekształcone w parametry typu y i odwrotnie. Parametry h I y wyznaczane są w otoczeniu punktu pracy tranzystora dla niewielkich zmian prądów i napięć. Mają one istotne znaczenie w konstrukcji I analizie układów wzm acniających budowanych z wykorzystaniem tranzystorów. Dla przykładu parametr /i2i reprezentuje współczynnik wzmocnienia prądowego wyznaczony dla prądu przem iennego przy zwartym ob wodzie kolektor-em iter (zwarciowy współczynnik wzmocnienia prądowego), a parametr h22 reprezentuje wartość odwrotności dynamicznej rezystancji wyjściowej wyznaczonej przy braku sygnału sterującego (skła dowej przemiennej). ąrig, satiinuo ~ nasycać; fac. hybrid = mieszany
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektronie^
158
2
Tab. 1. Parametry czwórnikowe tranzystora w konfiguracji wspólnego emitera
iU cE = 5 V
s jh 10
10 '
,.m
S c h e m a t c z w ó rn ik o w y tra n z y s to ra
5
k
-frf2 o
----
2 10°
'k
U BE
J
=
= =
J /k te ■ " 22o
10 -'
____________
'1 0 ‘1 2
Definicja
Parametr
5
10°
2
5mA10'
Rys. 1. Współczynniki korekcyjne parametrów czwórnlkowych tranzystora H„/ Ponieważ tranzystor ma trzy elektrody (zaciski), to w m odelu czwórnikowym jeden z tych zacisków należy je d n o c z e ś n ie do o b w o d u w e jścio w e g o i wyjściowego. Zależnie od tego, który z zacisków tranzystora jest zaciskiem wspólnym , to m ówimy o konfiguracji ze wspólnym emiterem , wspól nym kolektorem lub wspólną bazą. Jeżeli tranzystor pracuje w konfiguracji w spólnego emitera, to parametry czwórnikowe mają w indeksie dodatkową literę e. Parametry czwórnikowe możliwe są do wyznaczenia z charakterystyk tranzystora. Dla przykładu z charakterystyki wyjściowej dla stałej war tości napięcia L/0E, można wyznaczyć współczynnik /?11QZ zależności:
Zwarciowa im pedancja wejściowa Rozwarciowy współczynnik oddziaływania wstecznego
Warunki 1 wyznaczenia! parametru1#
AU be A /r
U ce = consią rt |
AU be AU
ce
Zwarciowy współczynnik wzm ocnienia prądowego
Alę A/r
Rozwarciowa adm itancja wyjściowa
A/ę AUcc
I b = oonst '1 |
Uoe-=
c o n s ti
4.2
półprzewodnikowe élementy i układy elektroniczne
fototranzystory w fototranzystorach półprzewodnikow ych wykorzy s ta n y jest zewnętrzny efekt fotoelektryczny poleaiacy na dostarczeniu e lektronom w a le n cyjn ym ¡omów energii w ystarczającej do ich uwolnienia, awlęc do przejścia do pasma przewodzenia. Energię t„ (w postaci promieniowania świetlnego lub elektro magnetycznego) dostarcza się bezpośrednio w ob szar złącza baza-kolektor fototranzystora przez spe cjalnie ukształtowany światłowód. W wyniku oświe- nenia złącza powstaje prąd fotoelektryczny lp, które g o wartość jest w przybliżeniu pro p o rcjo n aln a do s tru m ie n ia św ie tln e g o £ v (rys. 1). Prąd fo to ele ktryczny oddziałuje na prąd ko le kto ra w p o d o b n y sposób, jak prąd bazy w tranzystorze konw encjo nalnym. Prąd kolektora fototranzystora jest w przybliżeniu liniową funkcją strumienia świetlnego oświetlają cego powierzchnię jego złącza baza-kolektor.
159
50
- 3 OC 0 lx
mA
20 10(30 lx
10 5
<
b e z w yp ro * w a d z e n ia ze w n ę trz n e g o b a zy
I!I
300 lx
100 lx- 0,5 s
I 3O l X
0,2
0,1
5 UCE
10
V
z w y p ro w a d z e n ie m ze w n ę trz n y m b a zy
1£
*■“
Rys. 1. Charakterystyka wyjściowa oraz symbole graficzne fototranzystorów
Fototranzystory charakteryzują się znacznie większym współczynnikiem czułości w porównaniu do fotodiod ze względu na występujący efekt tranzystorow ego wzm ocnienia prądu fotoelektrycznego. W zasadzie foto tranzystory nie wym agają wyprow adzenia na zewnątrz elektrody związanej z bazą (rysi 1). W ynika to z fak tu, że fototranzystory sterowane są prom ieniowaniem elektrom agnetycznym , a nie prądem czy polem elek trycznym. Niektóre fototranzystory są wykonywane również w wersji z wyprow adzeniem bazy. W tym przy padku wyprowadzenie bazy służy do ustalenia punktu pracy fototranzystora. Ze względu na znaczną pojem ność złącza baza-kolektor fototranzystory są stosowane w zakresie częstotli wości do 250 kHz. Typowymi zastosowaniami fotrotranzystorów są układy zabezpieczeń fotoptycznych, a także uktady optycz nego rozdzielenia galwanicznego sygnałów (układy optizolacji sygnałów).
h ’ = h ■He l- H, h lie =
AU
be
/ / B.
h W artości param etrów czw órnlkow ych zależą od wyboru punktu pracy tranzystora.
h'
parametr czwórnikowy w nominalnym i punkcie pracy parametr czwórnikow y w rzeczywistymi punkcie pracy prądowy współczynnik korekcyjny d la l rzeczywistej wartości prądu kolektorami
4.2.3.2 Tranzystory unipolarne Podstawowe w ła ś c iw o ś c i
Przykład: Wyznaczyć rzeczywistą wartość zwarciowej rezystancji wejściowej h ’110 tranzystora w jego rzeczywistyinj punkcie pracy określonym przez napięcie kolektor-em iter l / 0E = 5 V i prąd kolektora lc = 0,5 mA. Znaril jest wartość parametru h n 0 = 4,5 k£2 w nominalnym punkcie pracy tranzystora określonym przez napl^ cie kolektor-em iter U0E = 5V i prąd kolektora /c = 2 mA.
W tranzystorach unipolarnych, w odróżnieniu od tranzystorów bipolarnych, prąd obciążenia (prąd wyjściowy) przepływa wyłącznie przez materiał półprzewodnikowy o tym samym typie przewodnictwa. Wartość tego prądu jest zależna między innymi od wartości rezystancji warstwy półprzewodnika, przez który ten prąd przepływa. Warstwa półprzewodnika, przez który przepływa prąd obciążenia w tranzystorze unipolarnym , nosi nazwę d re n b ra m k a ż ró d lo kanału. Rezystancja kanału jest sterow ana natęże D G S niem pola elektrycznego otaczającego kanał. W wyni 0V ku oddziaływania pola elektrycznego kanał może się .zawężać lub rozszerzać, zmieniając swoją rezystancję (rys. 2). Efekt ten nazywany jest również efektem po towym, a tranzystor, w którym ten efekt jest wykorzy stywany, nazywamy tranzystorem polowym FET*.
Rozw iązanie: Ponieważ wartości napięć kolektor-em iter są identyczne w punktach pracy: nominalnym i rzeczywistyrtl| to w artość współczynnika korekcyjnego H Ugu = 1. Z rys. 1 dla wartości /c = 0,5 mA m ożem y odczytą| wartość współczynnika korekcyjnego H 11o/ = 3,2. Stąd
Prąd obciążenia przepływa w kanale pom iędzy dw o ma elektrodami um ieszczonym i na je g o końcach, a mianowicie pomiędzy źródłem (oznaczanym sym-
Jeśli punkt pracy tranzystora różni się od punktu pra cy, dla którego zdefiniowano wartości parametrów ty pu h, to możliwe jest skorygowanie tych parametrów przez przemnożenie ich wartości przez współczynniki korekcyjne Hoh w zględnie Hm , odczytane z o d p o wiednich wykresów korekcyjnych (rys. 1 ).
h' 110 = h U0 ■H nel • H Um, = 4,5 kQ - 3 ,2 - 1 = 1 4 ,4 kQ.
Hb,
H„„
lc napięciowy w spółczynnik korekcyjny ,! dla rzeczywistej wartości napięcia L/ceI
kanał
an0- r/o W E lfect Trans/stor -- tra nzysto r z efe ktom p o to w ym
w a rs tw a Iz o lu ją c a
s u b s tra t (B) (p o d ło że )
Rys. 2. Ilustracja sposobu sterowania prądu drenu lD tranzystora unipolarnego FET przez zmiany napięcia bramka-żródlo Uas
160
t.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektronicy
bólem S 1 i d renem (oznaczanym sym b o le m D2). S ze ro ko ść k a n a łu 'tra n z y s to ra m o d u lo w a n a je s t przez pole elektryczne w ytworzone przez spolaryzo wanie elektrody źródła względem elektrody zwanej bramką, oznaczaną sym bolem G3.
ź ró d ło (S) b ra m k a (G) d re n (D)
i W tranzystorach unipolarnych z efektem potowym : rezystancja kanału sterowana jest polem elektrycz nym skierowanym poprzecznie do jego osi.
Produkowane są tranzystory potowe z kanatem typu N I kanałem typu R Kanały te tworzone są przez od pow iednie dom ieszkow anie w ybranego fragm entu materiału półprzew odnikow ego. Pozostała, nie d o m ieszkowana część półprzewodnika (rys. 1 ) stano wi warstwę podłożow ą, zwaną podłożem lub substratem'1. W tra n z y s to ra c h z efe ktem p o ło w ym p o d ło że musi być połączone ze źródem po to, aby w trak cie sterowania zapewnić m ożliwość wym iany ła dunków elektrycznych pom iędzy kanałem ¡ pod łożem.
Rys. 1. Idea konstrukcyjna N-kanałowego tranzystora* IG-FET Idea
p rz y k ła d realizacji ź ró d ło (S)
b ra m ka(G )
\
Rys. 2. Idea konstrukcyjna N-kanalowego tranzystora!! PN-FET
6 mA 5
J
2 3 u D!
V / / -3 V -2
Tab. 1. Tranzystory potowe Typ
Tranzystor połowy z kanałem typu P
izolowaną bramką (IG) Z
Tranzystory po lo w e z kanatem zubażanym są ■tranzystorami norm alnie załączonymi, natom iast tranzystory z kanatem w zbogacanym są tranzy storami normalnie wyłączonymi.
d re n
b ra m k a
W symbolu graficznym unipolarnego tranzystora po towego bramka jest zlokalizowana naprzeciw źródła (tab. 1). Rodzaj przewodnictwa kanału jest sym boli zowany przez skierowanie strzałki związanej z kana łom na zewnątrz, jeśli kanał ma właściwości przewod nictwa typu P i do wewnątrz, jeśli kanał ma właściwo ści przewodnictwa typu N. Kanat zubażany symboli zowany jest przez linię ciągłą, natomiast kanał wzbo gacany symbolizowany jest przez linię przerywaną.
ź ró d ło
d re n
a
n o rm a ln ie w y łą c z o n y tra n z y s to r p o ło w y z izo lo w a n ą b ra m k ą i w zbogacanym k a n a łe m ty p u P
Charakterystykę N-kanałowego (ranzystora złączone go podano na rys. 3 na poprzedniej stronie.
Tranzystor połowy z kanałem typu N
b ra m k a
ź ró d ło
a
n o rm a ln ie w łą c z o n y tra n z y s to r p o ło w y z izo lo w a n ą b ra m ką i zu b a ż a n y m k a n a łe m ty p u N
Złączowy (PN) ź ró d ło
tra n z y s to r J F E T z k a n a łe m ty p u P
IG FE T - tra n z y s to r z k a n a łe m z u b a ż a n y m d re n
b ra m k a
ź ró d ło
tra n z y s to r JFE T z ka n a łe m ty p u N
JF E T - tra n z y s to r p o ło w y z łą c z o w y d re n
W symbolu graficznym tranzystora unipolarnego złą czowego typu JFET sposób oznaczania rodzaju prze wodnictwa jest analogiczny do stosowanego w sym: bolach tranzystorów bipolarnych (rys. 1 ). •.Tranzystory polowe są klasyfikowane ze względu na rodzaj Izolacji pom iędzy bram ką i kanałem. Wyróżnia się tranzystory polowe złączowe i tran zystory polowe z izolowaną bramką.
-1
Zależnie od wartości rezystancji kanału tranzystora w w arunkach braku sterowania (a więc przy zwar Rys. 3. Charakterystyki N-kanałowego tranzystora typu JFET5 tych elektrodach bram ki i źródła) wyróżnia się dwa typy tranzystorów polowych: z kanatem w zbogaca nym I z kanatem zubażanym. Jeśli w takim stanie kanał ma w łaściw ości przewodzące, to tranzystor nazywa się tranzystorem normalnie załączonym W tranzystorem z kanałem zubażanym. Jeśli w stanie braku wysterowania tranzystor wykazuje właściwości izolujące, to tranzystor taki nosi nazwę tranzystora normalnie wyłączonego lub tranzystora z kanałem wzbogacanym.
1 a n g . so u rce = źró d ło ; 2 a ng . drain = d re n, o d p ły w ; 3 a ng . g a le = b ra m ka; 4 łac. su b stra tum -- p o d ło ż e ; 5 a ng . J u n c lio n F ie ld E ile c t T ra n sistor = z łą czo w y tra n zysto r z e fe kte m p o to w ym
zystory unipolarne typu złączowego (JFET) w tranzystorach u n ip o la rn y c h ty p u złą c z o w e g o tFET bramka jest w ykonana z m ateriału pólprzednika o przeciwnym typie przewodnictwa w stok u do.typu przewodnictwa kanału (rys. 2 na po5 ecinlej stronie). Jeśli zatem kanał jest wykonany półprzewodnika typu R to bram ka jest wykonana 1 [patenalu typu N i odwrotnie, jeśli kanał ma przewódnictw° typu N, to bram ka ma przewodnictwo tyII R pomiędzy bramką i kanałem tworzy się sam o istne złącze PN, które ma w łaściw ości izolacyjne w p rz y p a d k u jego wstecznej polaryzacji.
161
b ra m k a
"tŻT5
Ił
W tranzystorach polowych z Izolowaną bram ką p o m iędzy kanałem i bram ką (rys. 1 ) wytwarza się Izo lującą w arstw ę dw utlenku krzem u (S i0 2). Bramkę wykonuje się technologią naparowania próżniow e go cienkiej w arstw y m etalicznej be zp ośre d n io na warstwę izolacyjną.
s u b s tra t (B) (p o d ło że )
półprzewodnikowe elementy i układy elektroniczne
O
Bram ka w u n ip o la rn y c h tra n zysto ra ch p o lo w ych pełni rolę elektrody sterującej. Bramka jest izolowa na od kanału i pozostałych elektrod warstwą izola cyjną lub spolaryzowanym zaporowo półprzew odni kowym złączem typu PN. W związku z tym pom ię dzy bram ką a kanałem nie przepływa prąd sterują cy. Sterowanie rezystancji kanału przez bram kę ma zatem charakter sterowania potencjałowego (po towego) i nie w ym aga przepływu prądu bramki.
kanał
■
Tranzystory unipolarne charakteryzują się małym po Rys. 1. Oznaczenia napięć i prądów stosowane ziomem szumów. Niski poziom szumów wynika z fak w tranzystorach polowych tu, żb sterowanie tranzystora potowego polega na ste rowaniu koncentracją nośników ładunków w kanale. W związku z tym nie zachodzi zjawisko rekombinacji, jak w przypadku tranzystorów bipolarnych. Istotną wadą tranzystorów unipolarnych jest stosunkowo znaczna pojem ność występująca pomiędzy bramką i kanałem. Przeładowanie tej pojemności wymaga czasu, co Istotnie ograni cza górną częstotliwość graniczną przenoszonego pasma. W zasadzie tranzystory te nie są stosowane w ukła dach przełączających, w których wymaga się czasów przełączeń poniżej 100 ns. Tranzystory p o lo w e z izo lo w a n ą b ram ką (IG-FET) W tranzystorach typu IG-FET pomiędzy bramką a kanałem wytworzona jest specjalna warstwa izolacyjna. Ze Względu na rodzaj warstwy Izolacyjnej i podłoża wyróżnia się tranzystory typu WIOSFET1 1tranzystory M1SFET2.
l °ng. Motał O xide S e m ic o n d u c to r FET; anQ. Motał Insu la tor S e m ic o n d u c to r FET
162 W obu typach tranzystorów warstwa izolacyjna wyko nana jest z dwutlenku krzemu (S i0 2), natomiast ma teriałem podłożowym w tranzystorach MOSFET jest krzem, a w tranzystorach MISFET - arsenek galu. Warstwa izolacyjna w tranzystorach polowych z izo lowaną bram ką całkow icie izoluje elektrycznie ob w ody prądu sterowania i prądu obciążenia. Dzięki temu rezystancja wejściowa tranzystorów jest bar dzo duża (rzędu 1018 £2), a prąd upływu bardzo ma ły (rzędu 10_15 A). Ze względu na fakt, że warstwa izolująca jest grubsza od warstwy zaporowej złącza PN, mniejsza jest pojem ność bram ka-kanał, wyższa jest częstotliwość graniczna i większe jest napięcie przebicia izolacji w stosunku do tranzystorów złą czowych unipolarnych typu JFET. W tranzystorach polow ych z izolowaną bram ką obwody sterujący i sterowany są wzajem nie od izolowane elektrycznie. Tranzystory MOSFET i MISFET są wrażliwe na uszko dzenia wynikające z przyłożenia zbyt dużego napię cia sterującego UGS. Uszkodzenia spowodowane są przebiciem warstwy izolującej bramkę od kanału. Ze w zględu na bardzo wysoką rezystancję wejściową tran zysto ra naw et s to su n ko w o nie w ie lki ła d u n ek elektrostatyczny w prow adzony na bram kę może zaindukować napięcie o wartości przekraczającej do puszczalną wartość graniczną. Z tego powodu elek trod y tranzystorów p o lo w ych pow inny być zwarte w czasie ich przechowywania i transportu.
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektronicy
iu to w ą ic a
s ie c io w y p r z e w Ä , • z ia ją c y Ji
p u lp it iz o la c y jn y p ły tk a d ru k o w a n a /
2 0 0 kQ
\ fir l /
p rz e w ó d
za cisk
Rys. 1. Aranżacja stanowiska pracy do montażu tranzystorów polowych
42 półprzewodnikowe elementy i układy elektroniczne
163
H napięcie maksymalne pomiędzy bramką i kanałem jest ograniczane do poziomu ok. ± 1 0 V. Wprowadzediod zabezpieczających zwiększa pojemność pomiędzy bramką i kanałem. W rezultacie obniżeniu ulega n!frna częstotliwość graniczna tranzystora. Obniżeniu ulega również rezystancja wejściowa tranzystora ze j-du na bocznikujące działanie zastosowanych diod zabezpieczających. Ponieważ rezystancja diod jest acznie niższa od rezystancji bram ka-źródlo tranzystora, rezystancja wejściowa tranzystora ma niemal iden tyczną wartość jak spolaryzowanej zaporowo diody zabezpieczającej. jeżeli bramka tranzystora polowego ze zubażanym kanałem typu N zostanie spolaryzowana dodatnio wzglę dem źródła, to na skutek wytworzonego pola elektrycznego zostaną stworzone warunki do migracji sw obod nych elektronów'z materiału podłożow ego do kanału. Kanał zostanie zatem wzbogacony o ładunki prądu elektrycznego. Jeżeli bramka tranzystora polowego ze zubażanym kanałem typu N zostanie spolaryzowana uismnie względem źródła, to nastąpi zjawisko odwrotne, tzn. migracji sw obodnych elektronów z kanału do materiału podłożowego. W tym przypadku kanał zostanie zubożony w ładunki elektryczne. W obu przypad kach ulegnie zmianie rezystancja kanału; będzie ona malała przy wzbogacaniu kanału i rosła przy jego zuba żaniu. Jeśli kanał zostanie spolaryzowany w taki sposób, że napięcie Um będzie dodatnie i stale, to popłynie prąd drenu l0 o wartości odwrotnie proporcjonalnej do rezystancji kanaiu. Zatem m ożliwe jest sterowanie prą du drenu /D przez zmianę napięcia bram ka-źródlo UGS (rys. 3 na poprzedniej stronie). W analogiczny spo, s6b działa tranzystor połowy ze zubażanym kanałem typu R W przeciwieństwie do swojego odpowiednika z kanałem typu N wymaga on sterowania przeciwnie spolaryzowanym napięciem, tzn. ujemną wartością na pięcia bramka-żródto UGS. Sterowanie prądem wyjściowym tranzystora polowego z izolowaną bramką polega na wytworzeniu odpowied
niego pola elektrycznego pomiędzy bramką i podłożem. Polaryzacja tego napięcia może być zarówno dodatnia, b ra m k a 2
.jaki ujem na. Zatem w układach wzmacniających prądu przemiennego możliwe jest wyeliminowanie kondensato
rów sprzęgających, eliminujących składową stalą sygnału pomiędzy kolejnymi stopniami wzmacniającymi. i Tranzystory polowe z izolowaną bramką i kanałem zubażanym m ogą być sterowane w zakresie zarówno dodatnich, jak i ujemnych napięć sterujących Uas-
Rys. 2. Dwubramkowy tranzystor połowy IG-FET z zabezpieczeniami nadnaplęciowymi bramek
W czasie transportu i magazynowania elektrody tranzystorów polow ych z izolowaną bram ką po winny być zwarte ze sobą.
Podczas wlutowywania tranzystorów z izolowaną bram ką lub układów scalonych zawierających ta kie tra n zysto ry należy p rze strze g ać sz c z e g ó l nych ś ro d k ó w o s tro żn o ści, któ re z a p o b ie g a ją p rz e b ic iu e le k try c z n e m u w a rs tw y iz o lu ją c e j bram kę (rys. 1). Ze względu na upływ ność lu townica nie powinna być zasilana bezpośrednio z sieci, le cz o d se p a ro w a n a g a lw a n iczn ie , np. przez transform ator separujący. Może być rów nież stosowana lutownica zasilana ze źródła na pię cia s ta łe g o . S ku te czn ym zab e zpiecze n ie m jest rów nież wyrów nanie potencjałów m ontaży sty, pulpitu oraz uziemionego stanowiska pracy.
Punkt pracy normalnie włączonego tranzystora polowego z izolowaną bramką i zubażanym kanałem, jak również tranzystora polow ego złączowego może być ustalony przez spolaryzowanie bram ki względem źró dła przez zastosowanie odpow iedniego rezystora. Rezystor ten włączany jest szeregowo w obwód źródła, analogicznie jak rezystor emiterowy w tranzystorach bipolarnych. Wprzypadku tranzystorów polowych z izolowaną bramką, norm alnie wyłączonych z kanałem wzbogacanym punkt pracy ustalany jest zwykle za pom ocą rezystorowego dzielnika napięcia, a więc również w podobny sposób, jak dla tranzystorów bipolarnych. W tym przypadku jednak dzielnik napięcia jest praktycznie nieobciążony ze względu na bardzo dużą rezystancję wejściową tranzystora. Dwubramkowy tra n zy s to r p ołow y z izo lo w a n ą bramką Dwubramkowe tranzystory polowe z izolowaną bram ką DG FET1 zawierają dwie niezależne i izolowane względem siebie bramki (rys. 2 na poprzedniej stro nie) sterujące przepływem prądu drenu we wspólnym kanale. Zatem każda bramka może niezależnie ste rować wartością prądu kanału. Tranzystory tego typu znajdują za sto sow an ia w u kła d a ch m o d u la to ró w Irnieszaczy częstotliwości. Para komplementarna FET
Nowoczesne tranzystory polowe z izolowaną bramką są wyposażane w zintegrowane układy zabezpieczenia nadnapięciowego bramki w postaci odpowiednio spolaryzowanych diod Zenera włączanych pomiędzy bram kę i kanat (rys. 2). Niezależnie od kierunku polaryzacji bramki i kanału jedna z diod zabezpieczających spola ryzowana jest zawsze w kierunku przewodzenia, a druga w kierunku zaporowym. Dzięki takiemu połączeniu
Para kom plem entarna 2 FET złożona je st z d w óch szeregowo połączonych tranzystorów o różnych tysng, Dual Gafo F ie ld E ffe ct T ransistor; 'ac. c om plom ontum = u zup olnion ie
164
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektroi
■Hwodnikowe elementy i układy elektroniczne
pach kanałów sterow anych ze w spólnego źródła napięcia. Pary kom plem entarne stosowane są wszystkim w konstrukcji cyfrowych, energooszczędnych układów scalonych (technika CMOS). W typow ych warunkach sterowania w stanie przewodzenia znajduje się tylko jeden tranzystor pary. 2af !i-ł prąd płynący przez szeregowo połączone kanały obu tranzystorów jest znikomy. Szybka zmiana połaryzn^ bram ek obu tranzystorów na przeciw ną p ow oduje przejście tranzystora dotychczas nie przewodząca^ w stan przewodzenia I zatkanie tranzystora dotychczas przew odzącego. W rezultacie rezystancja hm r obu tranzystorów pozostanie wysoka. ■ ' . . C W obu przypadkach przez tranzystory płynie m inimalny prąd drenu. W tranzystorach pary komplemeń‘1 nej straty m ocy są wydzielane praktycznie tylko w fazie przejściowej, tzn. w fazie przechodzenia ze s zablokowania do stanu przewodzenia i odwrotnie. Parametry tranzystorów FET Podstaw owym i param etram i tranzystorów FET są: nachylenie charakterystyki sterowania nazywane tra n s k o n d u k ta n c ją tr a n z y s to r a i o z n a c z a n e sym bolem gm, dynamiczna rezystancja wyjściowa rDS, maksymalne napięcie dren-źródło UDS, mak symalne napięcie bram ka-żródto UGS, całkowita moc strat tranzystora P,Of
Dla UDo = const: 9m —
9m
-
A/d
_
U gs
-
Transkonduktancja g m jest tym większa, im większy jest przyrost prądu drenu przy tej samej zmianie na pięcia sterującego (napięcia bram ka-żródto). Zatem w sp ó łczyn n ik ten będzie tym większy, im krótszy jest kanał i większy jest jego przekrój. Tranzystory unipolarne mocy Tranzystory unipolarne polowe przeznaczone do prze łączania znacznych m ocy nazywane są tranzystorami mocy. Przełączanie znacznych m ocy wymaga odpo wiedniej konstrukcji tranzystora zapewniającej małą rezystancję kanału w stanie przewodzenia i dobre wa runki odprowadzenia wydzielanej m ocy cieplnej. Sto sowane są dwa typy konstrukcyjne tranzystorów mocy: VMOSFET (rys. 1) i TMOSFET (rys. 2).
1 r DS =
transkonduktancja tranzystora przyrost prądu drenu .» napięcie bram ka-żródto przyrost napięcia bramka-żródló'i§
_
Uos
AC/qs
’• I napięcie d re n-źródlo ' I li przyrost napięcia dren-żródto
źródło
b ra m k a
i l f e
l l
p
d o m ie szko w a ł s u b slra t
^
' o przewodni:^ c tw le N ’ł" ; - d r e n jl
'A Rys. 1. Schemat konstrukcyjny tranzystora polowego» typu VMOSFET
e le k tro d a $ j m e ta lo w a źródlłfi
b ra m k a , k rz e m p o lik ry s ta lic z n y
1 ang. ve rtic a l - p io n o w y
/
.
Rys. 1. Obudowy tranzystorów potowych mocy typu VMOSFET i TMOSFET
s y m b o l g ra fic z n y
sc h e m a t z a s tę p c z y
Rys. 2. Symbole graficzne tranzystorów bipolarnych z Izolowaną bramką typu IGBT
: jjijskis zera, sląd nawet istotna zmiana tem peratury struktury tranzystorów nie w ywołuje znaczącej zmiany : wartości prądów płynących przez każdy tranzystor z osobna. i Inaczej jest w przypadku tranzystorów bipolarnych, w których proporcje rozdziału wartości prądów pomię•dzy równolegle połączone tranzystory zależą od temperatury. Ze wzrostem temperatury rezystancja kolekLtor-emiter maleje, a zatem prąd kolektora i m oc wydzielana na tranzystorze rosną. i!
, Si 0 1
íüí
1
Tranzystory m ocy MOSFET z izoiowaną bramką mają, w zależności od konstrukcji i obudowy, możliwości przewodzenia prądów drenu do 250 A przy napięciu zaporowym do 1 kV. Czasy przełączania tych tranzysto rów są stosunkowo znaczne (rzędu 0,1 gs). Tranzystory te znajdują zastosowanie w układach projektow a nych do zastosowań w paśmie częstotliwości nie przekraczającym 50 kHz.
L ź ró d ło
D
-S io , h silnie
t
'■yy celu zwiększenia sum arycznego prądu przewo: dzenia często tranzystory m ocy z izolowaną bramką ■|a02One są równolegle nawet w obrębie tej samej ( ‘o b u d o w y (rys. 1). W sp ó łczyn n iki te m p e ra tu ro w e zmiany rezystancji kanałów są w tych tranzystorach
g
Jeśli współczynniki temperaturowe zmiany rezystancji kolektor-emiter połączonych równolegle tranzystorów r różnią się, to rozpływ prądów w tych tranzystorach podlega również zmianom. W niekorzystnych warunkach i może doprowadzić to do niesymetrycznego obciążenia poszczególnych tranzystorów do tego stopnia, że może spowodować ich zniszczenie termiczne.
źródło
kanał
W tranzystorach VMOSFET bramka i kanał mają cha rakterystyczny kształt zbliżony do litery V, a kierunek przepływu prądu elektronowego od źródła do drenu jest pionowy1. W tranzystorach TMOSFET kierunki przepływu prą du elektronowego od źródła do drenu tworzą kształt litery T. Źródło w tych tranzystorach jest wykonane z warstwy metalicznej tworzącej z warstwą P zapo rowe złącze m etai-pótprzew odnik (rozdz. 4.2.2.2).
—const: •
dynamiczna rezystancja wyjściow
Y'¿2s
Al
L /q s
AUGS
AUgs Transkonduktancję gm oraz dynam iczną rezystancję wyjściową m ożna wyznaczyć z charakterystyk tran zystora unipolarnego (rys. 1 na poprzedniej stro nie). Oba param etry są istotne zwłaszcza dla pro jektantów układów wzm acniaczy z tym i tranzystora mi.
Dla
• złącze bram ka-żródlo nie jest spolaryzowane '- 0 V), to tranzystor VMOSFET nie przewodzi, ito ' Plącze półprzew odnikow e PN istniejące p °n . -. źródłem ¿,A riio m i rlrA npm jest ifist samoistnie sa m n is tn ifi spolarys n o la rv drenem Pu""pe w kierunku zaporowym. Jeśli napięcie UQS ■- wartości dodatnie, to elektrony warstwy N ■ koncentrują się w je g o obszarach krańcoco wywołuje efekt zawężania się kanału. Przy ’ ¿fmwednim ukształtowaniu warstw kanału, bram.' i ś c i ł a możliwe jest uzyskanie w takiej konstruk!■znacznych zmian prądu kanału przy stosunkow o lewielkich zmianach napięcia sterującego bram ka• źródło. Dzięki temu nachylenie charakterystyki ste'■¡owania tranzystora może być znaczne.
165
s u b s tra l o p rz e w o d n ic tw ie ty p u N
d re n
Rys. 2. Schemat konstrukcyjny tranzystora polowego ,| typu TMOSFET
an9- insulated G ato B ip o la r Transistor
166
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy
Tab. 1. Szkice i oznaczenia typowych obudów tranzystorów O budow y tran zysto rów (ich kszta łt i' w ym iary) są unorm ow ane, ja kko lw ie k ko le jn o ść w yprow adzeń elektrod tranzystorów (bazy, emitera i kolektora lub bramki, żródta i drenu) może być zupełnie dowolna. Kolejność wyprowadzeń jest jednak identyczna dla danego typu tranzystora i jest niezależna od je g o producenta. Szkice najczęściej spotykanych o b u dów przedstawiono w tab. 1 .
Obudowa z opisem wyprowadzeń
tranzystora jest stanem , w którym tra n z y s to r ch a ra k te ry z u je się d u ż ą im p e d a n c ją Liściową. W stanie tym tranzystor przewodzi znikov p rąd, a o samym tranzystorze m ówim y również, ła z n a jd u je się w stanie zatkan ia lub odcięcia. W przypadku tran zysto rów b ip o la rn y c h stan taki Mtatak długo, jak długo nie-płynie prąd bazy, a np. w przypadku tranzystorów unipolarnych polow ych ie wzbogacanym kanałem typu N i izolowaną bramta tak długo, jak długo napięcie bram ka-żródto nie przekroczy określonej wartości progowej. Ponieważ prąd płynący w stanie odcięcia tranzystora jest prą dem o bardzo m alej w artości, to m oc w ydzielana wtym stanie jest również znikoma. Im pedancja w yj ściowa tranzystora jest na tyle duża, że tranzystor można w tym stanie porównać do rozwartego klu cza elektromechanicznego (rys. 1 ). etan o d c ię c ia
W celu popraw y w arunków odprow adzania ciepła w obudowach tranzystorów średniej i dużej m ocy sto suje się konstrukcyjne elementy metalowe w postaci wkładki metalicznej (TO-220) lub wykonuje się cale obudow y z metalu o dobrych właściwościach prze wodnictwa cieplnego (TO-3). Obudowy te są zaopa trzone w otwory umożliwiające mechaniczny montaż radiatorów zewnętrznych. Należy zwrócić uwagę na to, że w tym przypadku kolektor lub dren tranzystora jest połączony galwanicznie z jego obudową. W konstrukcjach układów elektronicznych, w któ rych w ystępują różne potencjały kolektorów lub drenów, dla uniknięcia potencjalnych zwarć, nie m ogą być zastosow ane połączone elektrycznie wspólne radiatory zewnętrzne.
Tab. 2. Oznaczenia tranzystorów - 1 . litera: materiał półprzewodnika%s - 2. litera: symbol przeznaczenia -3. litera: zastosowanie Przykład: BCY58 1. litera: m ateriał półprzew odnika
O znaczenia ty p ó w tra n zysto ró w Oznaczenia typów tranzystorów składają się z dwóch lub trzech wielkich liter i symbolu liczbowego (tab. 2 ). Symbole literowe oznaczają materiał półprzewodnika oraz zakres zastosowań tranzystora. Symbole cyfro we oznaczają numer typu tranzystora. Czasami spo tykane są oznaczenia tranzystorów zgodne z norma mi amerykańskimi JEDEC, zaczynające się od sym boli 2N lub japońskich zaczynających się od symboli SC. Wówczas bardziej szczegółowe dane dotyczące typu zastosow anego półprzew odnika i obszaru za stosowań tranzystora m ogą być zidentyfikowane na podstawie danych katalogowych.
kres liniowej pracy tranzystora wykorzystywa• lest w układach wzm acniających w zakresach •{W),cfl j wielkich częstotliwości, natom iast obsza£ odcięcia i nasycenia wykorzystywane są w ukladach przełączających, zwanych rów nież im pulsojwymii
W tranzystorach m ocy kolektor lub dren typowo połączony jest z je g o metalową obudową.
A: german, B: krzem, C: materiały lll-V wartościowe, np. arsenek galu, , R: materiały polikrystaliczne, np. do produkcji magnetorazyslorffij
2 . litera: przeznaczenie C: tranzystor m.cz., D: tranzystor mocy m.cz. F: tranzystor w.cz,, S: tranzystor Impulsowy U: tranzystor mocy, impulsowy 3. litera, np. X, Y lub Z, oznaczenie obszaru zastosowaófj (przemysłowy, profesjonalny) Przykład: BC 107: tranzystor krzemowy m.cz. ASY 27: tranzystor germanowy Impulsowy do zastosował)! ______ przemysłowych (profesjonalnych) _
4.2.3.4 Tranzystor jako łącznik elektroniczny Zależnie od stopnia wysterowania obwodu wejściowego tranzystora możliwa jest jego praca w obszarach: ob cięcia, pracy liniowej i nasycenia (rozdz. 4.2.3.2).
167
: półprzew o d n iko w e elementy i układy elektroniczne
+Ub = 1 2 V
Ub ~ UcEsat Rc
obciążenie 12 V 50 mA V1
+ U %R
6V
B, h
MW
l
. k -Ic ^m!n
C . BC107 E
, (ć/j —ć/BEsaf) ‘ ^min ______ k ‘ / ę_____
U be
0V Ub - napięcie zasilania U, - napięcie wejściowe UcEsat - napięcie nasycenia kolektor-emiter Ubesai - napięcie nasycenia baza - emiter /.j - prąd bazy
/0
- prąd kolektora - rezystancjaszeregowabazy - rezystancja obciążenia - współczynnik przesterowania (2... 5) 0min - minimalna wartość współczynnika wzmocnienia prądowego Ry fl0 k
Rys. 1. Tranzystor jako tącznłk
Stan przewodzenia tranzystora jest stanem, w któ rym tranzystor jest nasycony I charakteryzuje się małą rezystancją wyjściową. W stanie tym tranzystor przewodzi znaczny prąd, a o sam ym tranzystorze 20 V 30 mówimy także, że znajduje się w stanie nasycenia UcE U/,= U oe=12V ; (rys. 2). W stanie nasycenia dynamiczne w zm ocnie nie tranzystora je st niale. O znacza to, że np. dla Rys, 2. Charakterystyka wyjściowa I prosta obciążenia tranzystora bipólarnego istotny wzrost prądu bazy wywołuje jedynie znikom y w zrost prądu kolektora. W przypadku tranzystorów bipolarnych stan taki jest osiągany w warunkach pracy tranzystora sterowanego znacznym prądem bazy, a np. w przypadku tranzystorów unipolarnych polowych ze wzbogacanym kanałem typu N i izolowaną bram ką wtedy, gdy napięcie bram ka-żródlo przekroczy wyraźnie określoną wartość pro gową. W stanie nasycenia, m imo znacznej wartości przewodzonego prądu, spadek napięcia na tranzystorze - jest niewielki. Wartość napięcia kolektor-em iter UCEsa nasyconego tranzystora bipolarnego ma wartość okoto 0.1 V. Stąd również m oc wydzielana w tym stanie jest niewielka. Im pedancja wyjściowa tranzystora jest na tyle mata, że tran zysto r m ożna w tym stanie p o ró w n a ć do zw artego klucza e le ktro m e ch an iczn e g o . Wodróżnieniu od stanu aktywnego, w którym tranzystor jest źródłem prądowym sterowanym napięciem t/BE, w stanie nasycenia, tranzystor jest źródłem napięciowym o sile elektrom otorycznej równej UCesoi- Tranzystor bipolarny znajduje się w stanie nasycenia gdy spełniony jest warunek: () ■lB 3= /c . | W tranzystorach stan obcięcia jest analogiczny do stanu rozwarcia, a stan nasycenia do stanu zwarcia ! klucza elektromechanicznego. Stąd tranzystor pracujący wyłącznie w stanach odcięcia i nasycenia nazywany jest tranzystorem przełącza łbym , kluczującym lub łącznikiem elektronicznym . Łączniki elektroniczne stosow ane są zwłaszcza w technice cyfrowej, np. do realizacji logicznych układów cyfrowych, układów m ikroprocesorowych, pamięci Półprzewodnikowych oraz m echatronicznych układach wykonawczych.
168
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektronie®
Przykład: Tranzystor bipolarny NPN oznaczam y sym bolem BC107 wykorzystany jest do włączania I wyłączania® rówki, przez którą przepływa prąd 50 mA. Nominalna wartość napięcia zasilania układu sterowania żar! ki wynosi 12 V (rys. 1 na poprzedniej stronie). Charakterystyka wyjściowa tranzystora jest podana na 2 na poprzedniej stronie. W yznaczyć m oc strat w układzie przełączającym w stanie przewodzenia ,1 rezystancja rezystora ograniczającego prąd bazy tranzystora Rv = 6,8 kQ, napięcie baza-em iter w st®§ przewodzenia UBe = 0,77 V i m inimalna wartość w spółczynnika wzm ocnienia wielkosygnalowego trarf stora Bm|n = 200 . R ozw iązanie: Do włączenia tranzystora konieczny jest pewien m inim alny prąd bazy /Bmin. Wartość tego prądu wyznaczyć, jeśli znana jest nom inalna wartość prądu obciążenia i wartość m inimalna w spółczynnikam i tycznego wzm ocnienia prądowego. ™ W naszym przykładzie 50 mA " 200
«250 ¡jA.
Nanosząc graficznie na charakterystykę wyjściową tranzystora (rys. 2 na poprzedniej stronie) prdśjs obciążenia, można wyznaczyć napięcie kolektor-em iter tranzystora w stanie przewodzenia. Prosta obef żenią jest prostą, która przecina oś prądu kolektora w punkcie nom inalnego prądu obciążenia, a oś h| pięć kolektor-em iter w punkcie nom inalnego napięcia zasilania układu przełączającego. Punktami t/jjf są w naszym przykładzie odpow iednio punkty: [50 mA, 0 V] i [0 mA, 12 V]. Napięcie kolektor-emiter wyz(il czone z Wykresu wynosi - 0,2 V. Stąd moc strat w tranzystorze, jeśli pominiemy prąd zerowy kolektor-ba' będzie w przybliżeniu równa
P|3C107 =
50 mA ■0,2 V + 0,25 mA ■0,77 V - 10,2 mW,
a m oc oddaw ana do obciążenia P0 = 50 m A ■ (12 - 0,2 V) » 590 mW. M oc sterowania będzie w przybliżeniu równa m ocy traconej w złączu baza-em iter i m ocy traconej w re?|j storze bazy. Stąd Si !0 Ps = 0,25 mA • 0,77 V + (0,25 mA )2 • 6,8 kiż - 0,617 mW. ■«8 Zatem wzm ocnienie m ocy w układzie wynosi kP =
590 mW/0,617 mW
=
956.
W celu pew nego wprow adzenia tranzystora w obszar pracy z nasyceniem, zmniejszenia napięcia kolei to r-e m ite r w stanie przewodzenia i uniknięcia m ożliwości pracy w zakresie liniowym w praktycznych utógl dach wprow adza się pewien w spółczynnik korekcyjny (zwany współczynnikiem przesterowania prądifj bazy), przez który m nożona jest w artość obliczeniowa m inim alnego prądu bazy. W artość tego wspÓ| czynnika waha się w granicach od 2 do 5. '
4.2.3.5 Tranzystor jako wzmacniacz niskich częstotliwości t W zmacniacze tranzystorowe niskich częstotliwości stosowane są w urządzeniach audiofonicznych. WyRł| rzystywane są również w odbiornikach radiowych i telewizyjnych, odtwarzaczach płyt kompaktowych, prt|i nośnych odtwarzaczach dźwiękowych, telefonach kom órkow ych, dom ofonach, parkom etrach, dżwiga?|; osobow ych, przyrządach pom iarowych itp. li
l
169
półprzewodnikowe elementy i układy elektroniczne
cniacze te są przeznaczone do wzm acniania i W***1 sygnalów przem iennych w zakresie pasm a ' ^pstotliwości do 100 kHz. Schem at prostego tran■ torowego w zm acniacza niskich czę sto tliw o ści ^odstaw iono na rys. 1. W zm acniacz ten składa " P-0 z dwóch tzw. stopni wzmacniających. W pierwm stopniu, zwanym przedw zm acniaczem , nalepuje wzmocnienie napięciowe sygnału wejścio; s yy drugim stopniu, zwanym stopniem końco;i * jj, następuje wzmocnienie m ocy sygnału i dopa li, ju a n ie rezystancji wyjściowej wzm acniacza do rejystancji obciążenia. Projektowanie napięciowego stopnia wzmacniająceoo powinno być poprzedzone właściwym doborem punktu pracy tranzystora T1. W odróżnieniu od za stosowań przełączających punkt pracy tranzystora ¡¡obierany jest w obszarze jego pracy liniowej. Dla uzyskania możliwie szerokiego zakresu zm ian na pięcia wyjściowego i jednocześnie niskiego pozio mu zniekształceń nieliniowych punkt pracy A tranzy stora (rys. 2 ) dobierany jest tak, aby napięcie kolek tora było w przybliżeniu równe połowie napięcia za silania Ub.
V1: BC107 V2: BC140 z ra d ia to r e m
R1 10o k f l
dopasowanie
f~
iU^I
Rys. 1. Schemat prostego, dwustopniowego wzmac niacza tranzystorowego niskich częstotliwości
ipunkt pracy tra n zysto ra n a p ię c io w e g o sto p n ia wzmacniającego p o w in ie n b yć d o b ra n y w taki sposób, aby napięcie wyjściowe tego stopnia mia ło składową stalą o wartości w przybliżeniu równej połowie napięcia zasilania stopnia. Właściwy punkt p ra cy m oże b yć d o b ra n y przez zmianę rezystancji rezystora nastawnego R2 (rys. 1). ł Dla tak dobranego rezystora zm ianom napięcia w ej Rys. 2. Ilustracja obszaru pracy wzmacniacza niskich ściowego AU, w g ra n ic a c h ± 0 ,0 3 V o d p o w ia d a częstotliwości z tranzystorem typu BC107 ¡«zmiana napięcia w y jś c io w e g o AU2 w g ra n ic a c h ±2,7 V. Gdyby nom inalny punkt pracy Uce = 4,5 V został dobrany np. na poziom ie 7,0 V, to wówczas napię cie wyjściowe wzmacniacza uległoby ograniczeniu wynikającem u z faktu, że napięcie wyjściowe nie może ■być wyższe niż nominalne napięcie zasilania (Uh = 9,0 V). W wyniku ograniczenia sygnału pojawiają się zniekształcenia sygnału wyjściowego, zwane zniekształceniam i nieliniowymi. Zniekształcenia te m ogą po wstać również wówczas, gdy punkt pracy wzmacniacza przesunie się poza obszar wyznaczony przez punk«ty A, i A 2 na prostej obciążenia wpisanej w charakterystykę wyjściow ą tranzystora (rys. 2). Prosta obciążenia «jest prostą przechodzącą przez dw a charakterystyczne punkty położone na charakterystyce wyjściowej tranzystora (rys. 2 ). Jeden z punktów jest położony na osi UCE, drugi na osi /c . Odcięta punktu przecięcia ; przez prostą obciążenia osi Uce jest równa nominalnem u napięciu zasilania Ub. Rzędna punktu przecięcia przez prostą obciążenia osi lc jest równa teoretycznej wartości prądu maksymalnego, który może popłynąć przez obciążenie w warunkach gdy UCE = 0 (rys. 1 i rys. 2). Obszary pracy wykraczające poza te punkty le żą zbyt blisko punktu przegięcia charakterystyki (punkt A ,) lub zbyt blisko nieliniowej części charakterystyki wejściowej tranzystora (punkt A 2) • « Wzmacniany sygnał (napięcie wejściowe) doprowadzany jest do bazy tranzystora T 1 przez kondensator CT. Sprzężenie pojemnościowe umożliwia wyelim inowanie wpływu składowej stałej sygnału sterującego na po łożenie punktu pracy tranzystora T1. Jednocześnie w ywołuje to efekt ograniczenia dolnej częstotliwości gra nicznej wzm acniacza w ynikający z dużej im p ed a n cji sprzężenia p o je m n o ścio w e g o w zakresie niskiej C2?stotliwośoi.
Î'-ÎM 170
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektron^j? f
Pasmo przenoszenia wzmacniaczy niskich częstotliwości z pojemnościowym sprzężeniem międzyston S8i wym ma ograniczoną dolną częstotliwość graniczną. . wa|j Zmiana napięcia w ejściowego AU, wywołuje zmiany napięcia wyjściowego AU2. Jednocześnie następy 7 wersja faz pom iędzy napięciem sterującym i wyjściowym . Oznacza to, że wzrostowi napięcia sterującej9,* warzyszy zmniejszenie napięcia w yjściowego i odwrotnie. ' T. W jednostopniow ym , tranzystorow ym przedwzm acniaczu napięciowym następuje przesunięcie fazdiJB o 180° sygnału w yjściowego względem sygnału wejściowego.
^ p^przewodnikowe elementy i układy elektroniczne trzna warstwa p ółprzew odnika o p rzew od n i e t y p u P nazywana jest bramką. Spotykane są n 'eż tyrystory, w których bram ka jest wykonana Materiału półprzewodnikowego typu N. w wtokszości jednoklerukow ych tyrystorów triodowvch blokujących wstecznie, bram ka jest w ykona l i z materiału półprzew odnika o przewodnictw ie typuR
Dla prawidłowej pracy przedwzm acniacza w zakresie liniowym konieczne jest spolaryzowanie napięci stałym zarówno wejścia (napięcie U BE0 = 0,6 V), jak i wyjścia wzmacniacza (napięcie UCEo = 4,5 V), Napisu? Ubeo jest stabilizowane dodatkow o przez ujemne prądowe sprzężenie zwrotne w układzie złożonym z rsź stora R5 i kondensatora C3. Wzrost prądu emitera tranzystora T1, wywołany np. wzrostem temperatury o r czenia, powoduje wzrost napięcia emitera UE, a za* tern prowadzi do autom atycznego zm niejszenia na Przykład: pięcia UBE0, które w rezultacie zmniejsza prąd emite Określić w spółczynnik wzm ocnienia napięciowi ra do w artości nom inalnej. Kondensator C3 filtruje go pierw szego stopnia wzm acniającego przoS tętnienia i w yso ko czę stotliw o śoio w e składow e sy stawionego na rys. 1 na poprzedniej stronie. | g n a łu ’ s p rz ę ż e n ia . K o n d e n s a to r C2, s ta n o w ią c y Rozw iązanie: sprzężenie m iędzystopniowe, pozwala na w yelim ino wanie składowej stałej napięcia w yjściowego stopnia Z rysunku 2 na poprzedniej stronie moz ,-,c g | pierwszego. do odczytania zm iany w artości międzyszczyifll w ych napięcia w ejściowego AU, = 0,06 V i Drugi stopień w zm acniacza (rys. 1 na poprzedniej pięcia wyjściowego AU2 = 5,4 V. Stąd wspólczy$| stronie) p ra cu je w układzie w sp ó ln e g o kolektora. nik wzm ocnienia napięciowego wynosi ''' Układ ten charakteryzuje się dużą im pedancją w ej ■Vil ściową i niską im pedancją wyjściową. Zatem niewiel &U2 5,4 V kie zmiany impedancji wejściowej nie będą wywoływa 90. k„ = AU, 0,06 V ły isto tn ych zm ian rezysta n cji o b cią że n ia sto p n ia pierwszego. W tym sensie oba stopnie są odseparo wane impedancyjnle. Niewielka rezystancja wyjściowa stopnia wyjściowego umożliwia uzyskanie stanu dopa sowania energetycznego źródła sygnału i odbiornika. Dopasowanie energetyczne polegające na dostarczeniu maksymalnej m ocy ze źródła do odbiornika iij$i stępuje wówczas, gdy im pedancje źródła i odbiornika sygnału są identyczne. "M
struktura tyrystora złożona jest z trzech szeregowo p o łą czo nych s a m o istn ych złą cz typu pfj Jeśli zatem z o s ta n ie p rz y ło ż o n e n a p ię c ie 0 dowolnej polaryzacji pom iędzy anodę i katodę, to ¡zawsze któreś ze złącz tyrystora będzie spolaryzo w a n e zaporowo (rys. 1 ) . Taka polaryzacja tyrystora, przy której tylko jedno złącze PN jest spolaryzowa ne w kierunku zaporowym, nazywane jest polaryza cją w kierunku blokowania. Polaryzacja, przy której ¡ dwa złącza są jednocześnie spolaryzowane w kie ł k u zaporowym, nosi nazwę polaryzacji w kie; ginku zaporowym.
171
k ie ru n e k p rz e w o d z e n ia
k ie ru n e k z a p o ro w y
Rys. 1. Polaryzacja tyrystora w kierunku przewodzenia l w kierunku zaporowym
W ew nętrzna
0,4 A 0,3
02 0,1 0
! o bszar przewodzo• nia tyrystora p rą d p o d trz y m y w a n ia p r z e w o d z e n ia ty ry s to r a l u
^¡G_ jt '
< E —o
o b sza r p ra cy zaporow o] tyrystora
-0,1 -800 -600 -400 -200
o b s z a r b lo ko w a n ia tyrystora
0 4 400 600 V 800 PrZy braku prądu bram ki tyrysto r wykazuje słabe U F— ’właściwości p rze w o d n ictw a za ró w n o w kie run ku Rys. 2. Charakterystyki typowego tyrystora o napięciu ’blokowania, jak i w kierunku zaporowym . Jeśli jedprzebicia równym 800 V !nak zostaną spełnione warunki do tego, aby po p ły nął prąd bramki lG, to w wyniku jego przepływu we wnętrzna warstwa typu P zapełni się nośnikami ła dunku, co z kolei wyw oła efekt zaniku w łaściw ości blokow ania przepływ u prądu anodow ego przez we wnętrzną warstwę zaporową. Jeśli tyrystor jest spolaryzowany napięciem zewnętrznym, to zacznie wykazy wać właściwości przew odzenia prądu, ale tylko w kierunku blokow ania. Tyrystor znajduje się wówczas w stanie, włączenia. JsPrzy przepływie prądu bramki tyrystor posiada właściwości zbliżone do diody półprzewodnikowej.
Zatem w przykładzie z rys. 1 przedstawionym na poprzedniej stronie pożądaną rezystancją wyjściową dru giego stopnia wzm acniającego jest rezystancja 50 Q.
4.2.4 Tyrystory J e d n okieru nko w y tyrysto r trio do w y b lo kujący wstecznie Tyrystory są półprzew odnikow ym i wieloztączowymi przyrządami elektronicznymi zbudowanymi z czterech warstw półprzewodnika o różnym typie przewodnic twa, np. PNPN (rys. 1),
ty ry s to r z b ra m u j z m ateriału o prze w od n ictw ,« , . . k a to d a
bramką« / '.-Iłf
V \ z łą c z a pôlprzGWOu d ru ko w e typu PNjjj
Nazwa tyrystor jest tworem sztucznym i pochodzi od złożenia wyrazów: thyratron - trloda i resisto r -re z y s to r. Jedna skrajna w arstw a p ó łp rze w o d n ika tyrysto ra o przewodnictwie typu P nazywana jest anodą, nato miast druga skrajna warstwa półprzewodnika tyrysto ra o przewodnictwie typu N nazywana jest katodą.
ty ry s to r z bramk(J§ z m a te ria łu '!•?. o p rz e w o d n ic tw o
I
-9 '
Rys. 1. Schemat konstrukcyjny tyrystora o rnaksymcl-j. nym prądzie przewodzenia 50 AI maksymalnym^ napięciu zaporowym 750 V
Odzyskanie blokujących właściwości wewnętrznego złącza PN nie jest możliwe jedynie po sprowadzeniu wartości prądu bramki do zera. Aby tyrystor odzyskał pełne w łaściwości blokujące, konieczne jest zm niej szenie wartości prądu płynącego przez tyrystor poniżej pewnej wartości, zwanej prądem podtrzymania przewodzenia (rys. 2 ). Jeśli tyrystor jest włączony w obwód napięcia przem iennego, to jego wyłączenie następuje automatycznie. Wynika ono stąd, że w układach prądu przem iennego zamieniana jest okresowo polaryzacja wzajemna ano dy i katody tyrystora. Jeśli zatem tyrystor był włączony, to zostanie wyłączony w m omencie, gdy wskutek malejącego napięcia na tyrystorze w fazie przechodzenia do odwrotnej polaryzacji popłynie przez niego prąd o wartości mniejszej niż prąd podtrzymania. ?W układach prądu przem iennego tyrystor wyłączany jest samoczynnie. Ponowne włączenie tyrystora w ym aga właściwej polaryzacji (kierunek blokowania) i wym uszenia przepływu Prądu bramki. W łaściwość ta jest wykorzystywana w układach precyzyjnego sterowania mocą, zwłaszcza w układach prądu przemiennego. Odzyskanie w łaściwości zaworowych przez tyrystor w ym aga czasu w yni kającego z konieczności usunięcia ładunku elektrycznego z wewnętrznej warstwy typu R Czas ten jest zateżny od konstrukcji tyrystora i waha się w granicach 5 -3 0 0 ps.
172
4.2 Półprzewodnikowe elementy l układy e le ktro ^
^
W fazie narastania napięcia blokowania przez tyry stor płynie prąd wsteczny oraz prąd ładujący pojem ność w ew nętrznego złącza PN. Prąd ten je st tym większy, im większa jest strom ość napięcia bloko wania. Przy pewnej granicznej prędkości narastania napięcia blokującego następuje sam oistne włącze nie się ty ry s to ra , w y n ik a ją c e z p a s o ż y tn ic z e g o wzbogacenia w ładunek elektryczny wewnętrznego złącza PN.
f '
’ ; 'j
u p jest sterowany napięciem dodatnim wzgłę^katody, drugi tyrystor z bramką typu N jest sterodem napięćiem ujemnym względem anody (rys. 1 ). struktury obu tyrystorów zostaną w odpow iedni ób zintegrowane, to m ożliw e jest sterowanie SP°du tyrystora jedną bramką (rys. 2), Taka struktup ó łp rz e w o d n ik o w a nosi nazwę s y m e try c z n e g o 18 Jsłora d w u k ie ru n k o w e g o lub tria k a (trio d e -’^ e n t trójzaciskowy + alternating current - prąd
Trlak jest przyrządem półprzew odnikow ym o sy metrycznych właściwościach sterowania przepły wu przemiennego prądu elektrycznego.
Dopuszczalna maksymalna stromość napięcia bloko wania tyrystorów waha się w granicach 50-1000 V/ps.
p0C(Stawowy uktad pracy triaka przedstaw iono na f i rvs. 3. Zewnętrzne ele ktro d y triaka nazywane są e anodami i oznaczane sym bolam i A1 i A2. Triak wlączany jest w wyniku przepływu prądu bramki. Kieru| przepływu prądu bramki jest wym uszany przez i polaryzację A2 względem A1. Prąd bramki jest ograniczany przez odpow iedni dobór rezystora w ukla-
Dla ty ry s to ró w z d e fin io w a n o ró w n ie ż g ra n ic z n e wartości strom ości prądów obciążenia. Jeśli o b cią żenie ma c h a ra k te r re zysta n cyjn y lu b p o je m n o ściowy, to zb y t duża strom o ść prądu ob cią że nia m oże d o p ro w a d z ić do zn is z c z e n ia ty ry s to ra na sku te k p rze cią że n ia te rm ic z n e g o je g o struktu ry. Dopuszczalne wartości prędkości narastania prądu o b c ią ż e n ia ty ry s to ró w w a h a ją się w g ra n ic a c h 100-1000 A/ps.
G
Rys. 1. Konstrukcja triaka i jego symbol graficzny
p rz y / Q
L 3
4
p rą d b ra m k i
. Im większa wartość prądu bramki, tym niższe na•Jl I pięcie załączenia triaka.
Tyrystory znajdują liczne zastosowania w układach prostujących i przełączających. Obecnie produkowani tyrystory charakteryzują się prądam i przewodzenia do 4,5 kA przy napięciach wstecznych do 8 kV. ¡f.
Tyrystory wyłączane prądem bramki GTO 1 są tyrystorami jednokierunkowymi o specjalnej konstrukcji (rys ■ Dzięki niej możliwe jest sterowanie prądem tyrystora przez wym uszenie zmiany kierunku przepływu prądu bramki. Jeśli w fazie załączenia tyrystora popłynie w obwodzie bramki prąd o kierunku przeciwnym do kie runku prądu głów nego tyrystora, to tyrystor zacznie wykazywać (rys. 2 ) właściwości nie wysterowanego, a więc zablokow anego tranzystora. . :,i Tyrystor GTO jest włączany im pulsem prądu bramki o polaryzacji dodatniej i wyłączany impulsem p rą || bram ki o polaryzacji ujemnej. j|| Obecnie produkowane tyrystory GTO charakteryzują się prądam i przewodzenia do 3 kA przy napięctaoH wstecznych do 5 kV i częstotliwości granicznej przełączania prądu rzędu 10 kHz. Tyrystory te znajdują za stosowania w przekształtnikach częstotliwości oraz w łącznikach prądu stałego.
4.2.5 Triaki
5 4 3
1m A
r-T T T ~ 1
Strom ość prądu obciążenia w tyrystorze spolaryzowanym w kierunku przewodzenia jest ograniczona.il
5 mA
p rą d b ra m k i p o w o d u je w łą c z e n ie tria k a n ie z a le ż n ie o d k ie ru n k u je g o p o la ry z a c ji
Iq
Rys. 2. Przyktad charakterystyki triaka
Triaki znajdują zastosowanie w układach bezstykojv.‘wych łączników prądu przem iennego, w układach sterowania mocą grzewczą, oświetleniem , prędkoi' ścią obrotową silników itp.
4.2.6 Diaki Trójwarstwowa dioda, zwana diakiem (diodę+alternating current), jest elementem półprzewodnikowym dwuzlączowym złożonym z trzech warstw o różnym typie przewodnictwa, np. PNP (rys. 4). Dwa ztącza PN struk,■tury diaka tworzą samoistne warstwy zaporowe zapo biegające przepływowi prądu elektrycznego pomiędzy elektrodami diaka. Przepływ prądu przez strukturę możliwy jest dopiero po osiągnięciu przez napięcie za silające odpow iednio wysokiej wartości, np. 25 V. W wyniku przebicia lawinowego następuje gwałtow ny wzrost prądu przepływ ającego przez diak, przy jednoczesnym spadku napięcia na zaciskach diaka.
Tyrystory jednokierunkowe wykazują asymetryczną charakterystykę sterowania, tzn, m ogą być przelączoijf w stan przewodzenia tylko i wyłącznie przy ściśle określonej polaryzacji napięcia anoda-katoda. .$
W strefie przebicia diak charakteryzuje się ujem ną wartością rezystancji dynamicznej.
W celu symetryzacji w łaściwości przełączających, szczególnie pożądanych w układach prądu przemienną; go, możliwe jest połączenie dw óch tyrystorów w układzie odwrotnie-równolegtym . Pierwszy tyrystor z brata;
Właściwość ta je s t w yk o rz y s ty w a n a do b u d o w y układów g e n eru ją cych Im pulsy p rądow e w u k ła dach wyzwalających tyrystorów i triaków (rys. 1 na następnej stronie). Ze względu na symetrię struktury
1 artg. G afe Tarn O ff T hyristor
A1
; przeimlenny).
Stromość napięcia blokowania w tyrystorze spo laryzowanym w kierunku przewodzenia jest ogra niczona.
J e d n o k ie ru n k o w y ty ry s to r w yłą cza n y p rądem b ra m ki (GTO)
173
półprzewodnikowe elementy i układy elektroniczne
3 mA
1 0 -1 -2 -3 30 -20 -10
0
10 20V30: U—
Rys. 4. Schemat konstrukcji, symbol graficzny I charakte rystyka diaka
11 I 174 4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektmni W I ' - ■ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- —— 11 • j j ! p ó łp rze w o d n iko w e j diak ma rów nież sym etryczną j j i charakterystykę elektryczną (rys. 4 na p o p rze d n ie j s tro n ie ). Z uw agi na charakterystyczny kształt tej i charakterystyki diak nazywany jest czasam i d io d ą dw ukierunkow ą. S ch e m a t p ro s te g o re g u la to ra m o cy w y d z ie la n e j w obciążeniu z zastosow aniem diaka V1 przedsta wiono na rys. 1. W układzie tym wykorzystano typo wy sposób sterowania m ocy przez sterowanie kątem zapłonu triaka V2. Kąt zapłonu jest kątem fazowym • pomiędzy fazą napięcia przem iennego zasilającego układ a fazą sterowania triaka. Istnieją zasadniczo dwa rodzaje sterowania kątem zapłonu: z o p ó źn ie niem kąta za p ton u i ze ste ro w a n ie m kąta w yłą cze nia (rys. 2). U kład s te ro w a n ia m o cy z o p ó źnien ie m kąta zaptonu Układ sterowania m ocy z opóźnieniem kąta zapłonu Rys. 2. Ilustracja zmian napięcia chwilowego z o sta nie p rz e d s ta w io n y na p o d s ta w ie sch e m a tu n a n r łh in r n ll/it układu z rys. 1 . Kondensator C1 jest ładowany przez rezystor R1 ze źródła napięcia przem iennego. Na pięcie na kondensatorze rośnie przy wzroście napięcia zasilającego. Szybkości narastania napięcia na k o li densatorze i napięcia zasilania są jednak różne i zależą od doboru wartości pojem ności kondensatora A i rezystancji rezystora R v jjj Im większy jest iloczyn obu wartości, tym mniejsza jest prędkość narastania napięcia na kondensatorze, a z |l tern i na diaku. W momencie kiedy napięcie na kondensatorze osiągnie napięcie przebicia diaka, następuje gwałtowne rozładowanie kondensatora C1 w obwodzie diaka i bram ki triaka. Przepływ znacznego prądi bramki powoduje załączenie triaka. Moment, w którym zostaje włączony triak (m om ent zapłonu) względem momentu przejścia napięcia zasilania przez wartość zerową, nazywa się kątem zapłonu. Kąt zapłonu m o || być zatem w układzie przedstawionym na rys. 1 sterowany odpow iednim doborem rezystancji Rv J| Układ s te ro w a n ia m o cy
z e
ste ro w a n ie m kąta w yłą cze n ia
W układzie sterowania m ocy ze sterowaniem kąta wyłączenia, w przeciwieństwie do układu sterowania mo| cy z opóźnieniem kąta zapłonu, obciążenie jest dołączane w m om encie przejścia napięcia zasiłającegpji przez zero (rys. 2b). W tym przypadku odbiornik jest wyłączany po osiągnięciu określonego czasu od mol « mentu jego załączenia - zwanego kątem w yłączenia. Ten sposób sterowania wykorzystywany jest w uklą| .. dach regulacji napięcia przem iennego, zwanych także tra n sfo rm a to ra m i e le ktro n iczn ym i. ||
4.2.7 Elementy optoelektroniczne Elementami optoelektronicznym i są przyrządy półprzewodnikowe przetwarzające energię promieniowani# elektrom agnetycznego w wielkości elektryczne. P odstaw ow e po ję cia te c h n ik i św ie tln e j Ś w iatło w id zia ln e jest szczególną formą promieniowania elektromagnetycznego o długościach falowych A l0j| .żących w zakresie 380-780 nm. Promieniowanie elektromagnetyczne o stałej częstotliwości (stałej długości fal, : lowej) leżące w paśmie światła widzialnego postrzegane jest przez oko ludzkie i interpretowane jako barwą! (rys. 1 na następnej stron ie ). Czułość oka ludzkiego na strumień świetlny jest zależna od jego barwy. Oko ludzkie jest najbardziej czułe na barwę żótto-zieloną światła.
175
półprzewodnikowe elementy i ciklaćly elektroni czne ludzkie nie reaguje zarówno na fale elektromaP1*0 ne o długościach A > 7 80 nm, zwane falam i ^dczerw onym i, jak i na fale elektrom agnetyczne ''długościach A <380 nm, zwane falam i u ltra fio le ta mi Dla promieniowania świetlnego, a więc promie^ a n i a elektromagnetycznego, w zakresie widzial nym stosowane są tzw. subiektywne jednostki miary. S tr u m ie ń św ie tln y <Ą,jest określany jako m oc pro mieniowania wysyłanego przez źródło światła przy uwzględnieniu w zg lę d n e j czu ło ści oka lu d zkie g o raz w spółczynnika sku te czno ści św ietlnej. J e d nostką strumienia świetlnego jest lum en1 [Im].
Natężenie o ś w ie tle n ia £ v je st sto su nkiem m ocy promieniowania (strumienia świetlnego) do pola p o wierzchni prostopadłej do padającego strum ienia, jednostką n a tę ż e n ia o ś w ie tle n ia je s t lu x 2 [lx j. Na przykład natężenie o św ietlenia m iejsca pracy powinno wynosić od 300 do 1000 lx. Dla porów na nia, słoneczne światło dzienne cechuje natężenie od 30 000 do 70 000 lx. Fotorezystory
4>v
=P ■K • su
S Im
[
Fotorezystory są przyrządami półprzew odnikowym i charakteryzującymi się zależnością rezystancji w e wnętrznej od natężenia oświetlenia. Fotorezystory wykonywane są z różnych materiałów półprzewodnikowych, np. z siarczku kadmu (CdS), siarczku oiowiu (PbS) oraz antym onku indu (InSb). Pod wpływem zewnętrznego prom ieniowania elek tromagnetycznego, na skutek w ystępow ania w e wnętrznego zjawiska fotoelektrycznego, w materiale półprzewodnikowym e le ktro n y w a le n c y jn e p rz e mieszczają się do pasm a przew odnictw a, p o d n o sząc koncentrację sw obodnych nośników ładunku elektrycznego w tym paśmie. W związku z tym rezy stancja półprzewodnika maleje.
fo l
Fotorezystory w ykorzystyw ane są w a u tom a tycz nych włącznikach oświetlenia, detektorach płom ie nia, układach, zabezpieczeń pomieszczeń, układach regulacji napięcia polaryzacji wyświetlaczy LCD itp.
: lx
- strum ień świetlny - m oc prom ieniowania - współczynnik skuteczności świetlnej (K = 683 Im/W) - czułość względna - natężenie oświetlenia - powierzchnia oświetlana
p o d c z e r w ie ń lu b ś w ia tło w id z ia ln e k o le k to r o p ty c z n y
w a rs tw a z a p o ro w a m e ta lo w e .w y p ro w a d z e n ie / anody P"
Rezystancja fotorezystora w stanie jego całkowitego zaciemnienia jest zwykle rzędu wielu MQ. Rezystan cja ta spada do poziom u kilkuset £2 w przypadku oświetlenia jego powierzchni słonecznym światłem dziennym.
nf
i
S iO j
symbol
.
anoda
J
37
N... _Nł
k a to d a m e ta lo w e w y p ro w a d z e n ie k a to d y
Rys. 2. Budowa krzemowej fotodiody planarnej
Fotodiody Fotodiody są przyrządami półprzew odnikow ym i z wyeksponow anym (podlegającym oświetleniu) złączem PN. Konstrukcję typowej fotodiody przedstawiono na rys. 2. Fotodiody w ykonane są zwykle w technologii fee. lumen = św ia iio ,.ź ró d ło św ia tła ;
2 íac. lu x - św ia tło , ja s n o ś ć
176
2 Półprzewodnikowe elementy i układy e le k tro n ik i
epitaksjalno-planamej z materiału krzemowego. Cha rakterystyczną cechą konstrukcyjną fo to d io d y jest asymetria warstwy zaporowej i jej fizyczne przemiesz czenie w kierunku materiału typu N, ze względu na zastosowania w złączu PN silnie domieszkowanego materiału typu P+. Jeśli prom ieniowanie elektrom a gnetyczne przeniknie do warstw y zaporowej przez cienką warstwę materiału P+, to skutkiem zachodze nia wewnętrznego zjawiska fotoelektrycznego nastę puje generacja par nośników prądu elektrycznego (elektron-dziura), a zatem wzrasta koncentracja no, śników ładunku elektrycznego i zdolność przewodze nia prądu. Efekt zmiany koncentracji ładunków zależy od rodzaju materiału półprzewodnika, długości fali promieniowania elektrom agnetycznego ł od natęże nia oświetlenia.
'
^ półprzewodnikowe elementy i układy elektroniczne
177
2 punktu widzenia zastosowań najważniejszymi parametrami fotoogniw są: w a rto ść napięcia U0 generowa-
stanie nieobciążonym (mierzonego na rozwartych zaciskach fotoogniwa) oraz w a rto ść prądu zwarTweąo /z (płynącego przy zwarciu zacisków fotoogniwa) (rys. 3 na poprzedniej stronie). Typowa wartość niecia U0 P ^ y natężeniu oświetlenia równym 1000 lx wynosi ok. 0,4 V dla fotoogniw krzemowych i ok. ¡¡3 V,dla ogniw selenowych. Wartość prądu zwarciowego lz jest proporcjonalna do oświetlanej powierzchni. yy wyniku oświetlenia powierzchni fotoogniw a generowane jest napięcie o wartości zależnej od rodzaju (naterialu fotoogniwa i wartości natężenia oświetlenia. •Niewielkie gabarytowo fotoogniw a znajdują zastosow anie w układach zasilania kalkulatorów kieszonko wych, zegarków, a także w przyrządach do pomiaru natężenia oświetlenia. Fotoogniwa o dużej powierzchni, zwane popularnie o g n iw a m i sło n e czn ym i, wykorzystywane są do zasila
W ewnętrzny efekt fotoelektryczny polega na gene racji par nośników ładunków prądu elektrycznego i pod wpływem prom ieniowania elektrom agnetycz5 nego. W zastosowaniach technicznych fotodiody są pola ryzowane w kierunku zaporowym (rys. 1). W w arun kach c a łk o w ite g o z a c ie m n ie n ia p rze z fo to d io d ę przepływa pewien niewielki prąd (prąd ciem ny) na skutek w ystępow ania zjawiska przew odnictw a sa m oistnego w złączu PN. Pod wpływem oświetlenia zaczyna p ły n ą ć p rą d fo to e le k try c z n y /,„ któ re g o wartość jest w przybliżeniu proporcjonalna do natę żenia oświetlenia £v (rys. 1 ). Prąd ciem ny fotodiod krzem owych jest rzędu poje d y n c z y c h pA, a c z ę s to tliw o ś ć g ra n ic z n a rzęd u 1 MHz. W zastow aniach w ym agających wyższych częstotliwości granicznych (do 500 MHz) stosowane są d io d y PIN. D iody te charakteryzują się je d n a k znacznie wyższymi prądami ciem nym i (o trzy rzędy wielkości) w stosunku do fo to dio d ze złączem PN (rys. 2). Fotodiody stosowane są w światłomierzach, miernikach natężenia oświetlenia, zaporach świetl nych, transoptorach, cyfrow ych św iatłow odow ych układach transmisji danych Itp. F otoogniw a
w y p ro w a d z e n ie anody \
tle n e k
A GnA^R
■
■
. • w y p ro w a d z e n ie k a to d y
Rys. 1. Schemat konstrukcji diody luminescencyjnej
Diody luminescencyjne polaryzowane są w kie‘.’rtinku przewodzenia. Głównymi materiałami półprzew odnikow ym i w yko rzystywanymi do produkcji diod lum lnescencyjnych są: arsenek galu (GaAs), fosforek galu (GaP) i arsenko-foslorek galu (GaAsP). Zależnie od zastoso wanego materiału półprzewodnikowego i materiału domieszkującego (Zn, O, N) generowane jest pro mieniowanie elektrom agnetyczne o charakterystyce Widmowej leżącej w zakresie podczerw ieni (GaAs) lub w zakresie widzialnym (GaAsP) (rys. 2). Wody luminescencyjne generujące światło w zakre sie widzialnym nazywane są diodam i LE D 1, nato miast diody emitujące światło w zakresie podczer wieni nazywane są diodam i IRED2.
50
1 mA
jf
sym bol
mA
^
/
; G a P (N )’
c l * r ? / S I c is ? / & 1 ** / tj/ g I ip / c / fV I /
-6
-4
-2
r ‘ ‘
oj J
Rys. 3. Charakterystyki elektryczne diod lumlnescencyjnych
|
D io d o s ~ d io d y e m itu ją ce św iatło; Diocles " d io d y om itujnce św iatło w zakresio
)
IM
P I
>
! an^ ł * ^ podczo™
G aA sP ^ :
- CM
Ze względu na matą w artość dopuszczalnej m ocy : wydzielanej w złączu oraz ze względu na małą war tość rezystancji statycznej d io d y lum inescencyjne wymagają zabezpieczenia przed przeciążeniem prą-
Rys. 2. Charakterystyki widmowe dla różnych materiałów diod lumlnescencyjnych
-
W złączu PN w wyniku zjawiska dwukierunkowej mi gracji nośników ładunków elektrycznych pow stają j samoistnie obszary spolaryzowane elektrycznie. W półprzewodniku typu P w pobliżu złącza tworzy się ob szar o polaryzacji ujemnej, a w półprzewodniku typu N - obszar o polaryzacji dodatniej. Pod wpływem pro mieniowania elektrom agnetycznego (świetlnego) padającego na złącze generowane są pary uwolnionych;, nośników ładunku: elektron-dziura. W wyniku działania lokalnego pola elektrostatycznego uwolnione elek trony przemieszczają się w kierunku spolaryzowanej dodatnio warstwy N, a uwolnione dziury w kierunku, spolaryzow anej ujem nie w arstw y P. Na skutek tego procesu narasta różnica potencjałów elektrycznych,; warstw P i N. Element półprzew odnikow y generujący na swoich zaciskach napięcie elektryczne pod wplyl wem oświetlenia strumieniem światła nazywamy fo to o g n iw e m p ó łp rze w o d n iko w ym .
.Diodą luminescencyjną jest jednozląozowy element , półprzewodnikowy zdolny do emisji promieniowania elektromagnetycznego (rys. 1). W wyniku spolary! zowania złącza PN diody w kierunku przewodzenia następuje przepływ elektronów w kierunku warstwy pi dziur w kierunku warstwy N. Na skutek zachodze nia w tych warstwach zjawiska rekombinacji uwalnia na jest energia, która w pewnej części wypromieniowywana jest w p o sta ci św iatła. P ro m ie n io w a n ie świetlne pow staje g łó w n ie w ob sza rze prze jścia zwarstwy zaporowej do bardzo cienkiej (ok. 1,5 pm) warstwy półprzewodnika typu P, przez którą przeni ka ono na powierzchnię.
w a rs tw a z a p o ro w a
p ro m ie n io w a n ie
Diody luminescencyjne i transoptory
178
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektron
^półprzew odnikow e elementy i uktady elektroniczne
dowym. Stosowane jest proste zabezpieczenie w postaci rezystancji szeregowej włączanej w obwód Prądy przewodzenia diody (podobnie jak dla diod konwencjonalnych, rozdz. 4.2.2). Napięcie progowe diod 1urriir«f' scencyjnych jest wyższe niż diod prostowniczych (rys. 3 na p o p rzedniej stronie) i wynosi od 1,35 V d o 2 ctf w zależności od typu zastosowanego materiału. Cechą charakterystyczną jest również niewielkie 1 ■ wsteczne tych diod (3-6 V). ; W przypadku stosowania diod luminescencyjn.ych zasilanych napięciem przemiennym należy stosową® : obok prądow ego także dodatkow e zabezpieczenie przed przekroczeniem dopuszczalnej rnaksymalriJS ; wartości napięcia wstecznego. W tym celu możliwe jest włączenie szeregowe dodatkowej diody prostoil niczej spolaryzowanej zgodnie z kierunkiem polaryzacji diody lum inescencyjnej lub zastosowanie d ru g i i diody lum ninescencyjnej połączonej z pierwszą w układzie rów noleglo-odw rotnym . c l Diody lum inescencyjne znajdują zastosowanie w technice oświetleniowej, w układach nadajników w światłą, wodowej technice transmisji danych, w transoptorach i układach zabezpieczeń bezdotykowych (barieradf świetlnych).
i -Rarisoptory są elementami sprzężenia optycznego odseparowanych galwanicznie o bw odów prądowych. Istotnym param etrem technicznym tran so p to ró w je s t w sp ó łczyn n ik przenoszenia prądu stałego C TR 1. Współczynnik ten jest równy stosunkowi prądów (rys. 3 na poprzedniej stronie) odpow iednio: w obwodzie odbiornika Iz i w obwodzie nadajnika /, transoptora. W spółczynnik ten przyjm uje wartości z przedziału od 0,002 (dla odbiorników fotodiodow ych) do 5000 (dla odbiorników fototranzystorowych). Transoptory z od biornikami fotodiodowym i stosowane są w szerszym zakresie częstotliwości (do ok. 10 MHz), podczas gdy transoptory z odbiornikam i fototranzystorowym i w zakresie częstotliwości do 1 MHz.
Wwyniku przepływu prądu przez element półprzew odnikow y wydzielają się straty mocy, które zamieniane s ą w ciepło. Przy niedostatecznym odprowadzeniu tego ciepła dochodzi do wzrostu tem peratury półprze wodnika. Przekroczenie granicznej dopuszczalnej tem peratury wyw ołuje zniszczenie term iczne struktury i półprzewodnika. W celu zwiększenia intensywności chłodzenia stosowane są specjalnie użebrowane kon strukcje chłodzące zwane radiatorami.
z ie ło n y c z e rw o n y
~ł*~
al
I Dopuszczalna tem peratura graniczna krzem owego złącza półprzewodnikow ego wynosi ok. 150°C, nato'I miast dopuszczalna temperatura graniczna ziącza germ anow ego wynosi 100°C.
Wskaźniki LED Dzięki odpow iedniem u zgrupowaniu i odpow iednie mu ukształtow aniu światłow odów możliwe jest w y korzystanie diod LED do wyświetlania symboli alfa numerycznych lub graficznych (rys. 2 ). Wskaźniki siedm iosegm entow e zasadniczo służą do w yśw ie tlania cyfr. Stosowane są w przyrządach p om iaro w y c h , s p rz ę c ie g o s p o d a rs tw a d o m o w e g o itp . Wskaźniki te umożliwiają również wyświetlanie nie których liter. Nie nadają się jednak do wyświetlania obrazów graficznych. Do tego ceiu służą wskaźniki m atryco w e , któ re m o g ą b yć s k ła d a n e w u kła d y 0 dowolnej powierzchni. Każda z diod LED stanowi wówczas elementarny piksel tak złożonego wyświe tlacza. Dla zapew nienia zbliżonego natężenia pro m ieniow ania poszczególnych diod w skaźniki LED zasilane są ze źródeł prądowych.
nia świetlnego. W roli nadajnika najczęściej stosowane są diody LED emitujące prom ieniowanie eiektroWagnetyczne w zakresie bliskiej podczerwieni. O dbiornikam i są fotodiody, fototranzystory lub fototyrystory. Solną cechą konstrukcyjną transoptorów jest oddzielenie galwaniczne obw odów nadajnika i odbiornika. Rezystancja między tymi obw odam i jest zwykle nie mniejsza niż 10 11 £2, a napięcie przebicia rzędu kilku kV. Dzięki temu transoptory znalazły również bardzo szerokie zastosowanie w układach elektronicznych wym a gających separacji galwanicznej, np. jako tzw. przekaźniki elektroniczne.
4.2.8, Chłodzenie elementów półprzewodnikowych
W ielobarwne diody LED Uzyskanie efektu sterowanej barwy światła możliwe jest w specjalnych konstrukcjach p ó łprzew odniko w ych , d w u z lą c z o w y c h d io d lu m in e s c e n c y jn y c h (rys. 1). Stopień domieszkowania obu złącz jest tak dobrany, że zależnie od sposobu polaryzacji diody możliwe jest uzyskanie barwy zielonej, czerwonej lub żółtej.
Ib, f. Radiatory, przykłady zastosowań, obliczanie rezystancji termicznej Rys. 1. Schemat konstrukcji wielobarwnej diody LED :|
u
Radiator
Rezystancja
Transoptory T ransoptor je s t elem entem złożonym z nadajnika 1 odbiornika prom ieniowania elektrom agnetycznego u m ie szczo n ych we w s p ó ln e j o b u d o w ie (rys. 3). Dzięki temu możliwe jest bezprzewodowe przesyla. nie informacji pom iędzy nadajnikiem i odbiornikiem : w postaci odpow iednio zm odulowanego prom ienio-
Rezystancja
R a d ia to r
R a d ia to r
term iczna R,hn
term iczn a R „,n
3 .2 K /W
2 .5 K /W
d la d łu g o ś c i 5 0 m m , 2 .3 K /W
d la d łu g o ś c i 5 0 m m , 1.5 K /W
4 ,3 K /W d la o b u d o w y TO -3
d ia d łu g o ś c i 1 00 m m
d la d łu g o ś c i 1 00 m m
11 K /W d la o b u d o w y T O -2 2 0 n p . d o tra n z y s to ró w B D 2 01 , B D 643, B D 6 44
4 5 K /W d la o b u d o w y T O -3 9
i iiI
w y ś w ie tla c z 7 -s G g m e n to w y
u
m a try c a w y ś w ie tla c z a 5x7
Rezystancja
term iczna Rtm
n p. d o tra n z y s to ró w A D 130, BU 108, B DY 12, 2 N 30 5 5
n p . d o tra n z y s to ró w B C 140, B C 1 41 , B C 3 4 5 , 2N 4406
Rys. 2. Układy wskaźników LED Do obliczania w y m a g a n e j re z y s ta n c ji te rm ic z n e j radiatora s to s u je s ię z a le ż n o ś ć
Pv
Dla zm niejszenia liczby wyprow adzeń w układach w s k a ź n ik o w y c h s to so w a n e są p o łą cze n ia ka to d wszystkich diod - układy ze wspólną katodą lub anod - uktady ze wspólną anodą.
179
R/m
A - f o - p ...
R/MV R lh P
Przykład:
~ .... *
-
m aksym alna tem pe ra tura złącza elem entu p ó łp rze w o dn iko w e go m aksym a ln a tem pe ra tura o toczenia m o c strat elem entu p ó łp rze w o dn iko w e go rezystancja term iczna radiatora (i'>i 1R „,w p od aje p ro d u ce n t elem entów półprze w o dn iko w ych ) -w e w n ę trz n a rezystancja term iczna elem entu p ó łp rze w o dn iko w e go - rezystancja term iczna o bu d o w a -ra d ia to r
“7
..............
i,Wtranzystorze BD 135 wydziela się m oc strat P, = 4W . Maksymalna temperatura otoczenia Ą, = 45 °C. , Maksymalna temperatura złącza jest równa Ą = 150 °C, wewnętrzna rezystancja termiczna = 10 K/W, I a rezystancja termiczna obudowa - radiator R(,,p = 3,5 K/W. Obliczyć rezystancję termiczną radiatora. Rozwiązanie: ,fiM S ~ p ~ - -RthW -Rthp = — I- Current Transfer Rat/o
C - 10 K /W - 3 , 5 K /W = 12,75 K /W
180 W łaściwość przewodności cieplnej radiatora określa je g o rezystancja term iczna R(Wł. Im m niejsza jest wartość tej rezystancji, tym lepsza jest przewodność cieplna radiatora. Jeśli np. rezystancja term iczna ma wartość R„m = 6 K/W, to oznacza, że dla w yw o łania przepływu m ocy cieplnej przez radiator o war tości 1 W konieczna jest różnica tem peratur radiato ra i otoczenia rów na 6 K. Rezystancja term iczna ra diatora zależy od jego konstrukcji, kształtu, rodzaju materiału, jakości i barwy powierzchni. Rezystancję term iczną pom iędzy radiatorem, a samym elem en tem półprzew odnikowym m ożna dodatkow o zm niej szyć przez zastosowanie specjalnych term oprzewodzących preparatów silikonowych. Maksymalną rezystancję termiczną radiatora wyzna czyć m ożna ze Wzoru p o danego w tab. 1 na po przedniej stronie. W przypadku niewystarczającej przewodności term icznej radiatorów do chłodzenia elementów półprzewodnikowych dużej m ocy stoso wane są również m etody i środki chłodzenia w ym u szonego (wentylatory i układy chłodzenia wodnego z wym uszonym obiegiem).
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektroni
7e w z g lę d u
5 ang. c h ip = w y c in e k , skra w e k, ptyłoczka ; 2 gr. m o n o lith = z je d n e g o ka m ie nia
PN,
P ó łprzew odnika o p r z e w o d n ic t w ie t y p u
P.
K o n d e n s a to r y w y t w a r z a n e s ą w p o s ta c i z ł ą c z
PN
lu b p r z y w y k o -
(zysłaniu tle n k u k r z e m u ja k o w a r s tw y iz o la to r a . K o n d e n s a to r y w y tw o r z o n e w p o s ta c i z łą c z s ą s p o la r y z o w a n e ws(ępnle l w y m a g a ją w s te c z n e j p o la r y z a c ji d la w ła ś c iw e j p ra c y . Z t e g o p o w o d u , o d g r y w a ją p o d o b n ą ro lę ja k spolaryzow ane k o n d e n s a t o r y d y s k r e tn e . In d u k c y jn o ś ć w y tw a r z a n a je s t w p o s ta c i o b w o d ó w o w ła ś c iw o ś c ia c h ,■ in d u k c y jn y c h .
i Technologia epitaksjalno-m onolityczna umożliwia wytwarzanie w jednym materiale półprzewodnikowym j z a ró w n o diod, tranzystorów, kondensatorów, rezystorów, dławików, jak również układów zawierających te j J;elementy. ,
b ) tle n k o w a w a rs tw a iz o la c y jn a
' Technologia epitaksjalno-m onolityczna pozwala na wytwarzanie układów scalonych o częstotliwościach /granicznych dochodzących d o 10 GHz. W technologii tej wykonywane są układy scalone przeznaczone do ¡ z a s to s o w a ń analogowych (np. wzmacniacze), jak I cyfrowych (np. m ikroprocesory).
c ) s iln e d o m ie s z k o w a n ie d y fu z y jn e ty p u N '(tra n zysto r)
ïïïSs d ) n a ło ż e n ie e p ita k s ja ln e j w a rs tw y ty p u N i iz o la c y jn e j p o w ło k i tle n k o w e j
. ]
Technologia w ytw arzania układów m onolitycznych ukła d ó w sca lo n ych je st zło żo n a (rys. 1). P olega ona na stopniow ym wytwarzaniu właściwej struktu ry ukła d u z za sto sow an ie m o p e ra cji: pasyw acji, traw ienia m etodą fotolitograficzną, d om ieszko wania dyfuzyjnego, metalizacji próżniowej i bonderyzacji.
n a s t o s o w a n ą t e c h n o lo g ię z a r ó w n o t r a n z y s t o r y b ip o la r n e , ja k i u n ip o la r n e w y tw a r z a n e s ą w p o -
podczas g d y d r u g ie z ł ą c z e p o z o s ta je w s t a n ie o t w a r t y m lu b z w a r ty m . R e z y s to r y w y tw a r z a n e s ą z o d c in k ó w
N
M
Scalone układy monolityczne
W materiale półprzewodnikowym układu scalone go w szystkie elem enty są izolowane wzajem nie oraz względęm w arstw y podłożow ej, np. przez w ytw o rzen ie izo lu ją cych złą cz typ u PN. N ato m iast p o łą cze nia e le ktryczn ie tych ele m e n tó w dokonyw ane są w końcow ej fazie wytwarzania układu scalonego przez naniesienie na materiał p ó łp rz e w o d n ik o w y o d p o w ie d n io u k s z ta łto w a nych przewodzących ścieżek metalicznych.
181
riobny s p o s ó b . D io d y w y tw a r z a n e s ą ja k o tra n z y s to r y , w k tó r y c h w y k o r z y s t y w a n e je s t ty lk o j e d n o z ł ą c z e
4.2.9 Układy scalone Technologia ę p ita k s ja ln o -p la n a rn a pozw ala na jednoczesne wytworzenie w jednym wycinku mate riału półprzew odnikow ego 1 wielu połączonych wza jem nie elem entów aktywnych i pasywnych (rys. 1 ). Układ tak w ytworzonych elem entów nazywa się mo nolitycznym układem scalonym 2. Technologia ta um ożliwia wytwarzanie wielu m ilionów przyrządów półprzew odnikow ych na płytkach o powierzchni li czącej zaledwie kilka m ilim etrów kwadratowych.
42 pólprzewodnikowe elementy i układy elektroniczne
kanały typu P \ r i N l J N...> ) ....J i l l ® P
• 'N V -
! 'V
e) w y iz o lo w a n ie d y fu z y jn e o b s z a ró w ty p u N
ife W T ip i
n
i
p
I»
vm
f) d o m ie s z k o w a n ia d y fu z y jn e ty p u P
u ii n a ! jT z r y iiJ p i j rezystor; kondeosatorsdloda« tranzystor ' “ ........ g ) d o m ie s z k o w a n ie d y fu z y jn e ty p u N
1
metalizacja 2 / 3\ 4
5
h ) m e ta liz a c ja p o łą c z e ń p ó ł m o n ta ż o w y c h
1 2
k o n d e n s a to r
3
d io d a
4 5
tr a n z y s to r
6 7
re z y s to r
i) w id o k z g ó r y
Rys. 1. Etapy wytwarzania bipolarnego monolit uktadu scalonego
i istotnym wyróżnikiem stosowanej technologii wytwarzania układów scalonych jest tzw. gęstość upakowa{ nla elementów (tranzystorów) na jednostkę powierzchni półprzewodnika. Ogólnie, gęstość upakowania jest ¡•większa dla elem entów unipolarnych niż dla bipolarnych. Zależnie od liczby elem entów w ytw orzonych fw jednej strukturze półprzew odnikow ej wyróżnia się układy scalone o malej, średniej, dużej, bardzo ) dużej i ultra dużej skali integracji (odpowiednio: SSI - Small Scale o f Integration, MSI - M iddle Scale of | integration, LSI - Large Scale o f Integration, VLSI - Very Large Scale o f Integration, ULSI - Ultra Large Scale ol Integration).
Scalone układy warstwowe ¡.Technologie warstwowe I stwowe.
grubo-
w y t w a r z a n ia u k ła d ó w s c a lo n y c h d z ie lą s ię n a t e c h n o lo g ie
i W technologii g ru b o w a rs tw o w e j (rys. 1 ) na warfstwę podłożową (substrat) nanoszone są elementy {. elektroniczne w postaci półpłynnych past przez od; powiędnie wykonane sito drukarskie. Warstwa pod; lożowa jest najczęściej wykonana z ceramiki alumi, nlowo-tlenkowej. Po nadrukowaniu wzoru elem en tów płytka podłożowa jest wypiekana w piecu w wy; sokiej temperaturze, w której zachodzą procesy me; lalizacji I u tw a rd ze n ia n a n ie s io n y c h e lem entów . : W technologii grubow arstw ow ej d o w ykonyw ania rezystorów stosowane są pasty zawierające miesza ninę granulek stopów metali i ich tlenków (np. stop srebro-pallad z tlenkiem palladu). Technologia ta umożliwia wykonywanie rezystorów w zakresie rezy stancji 1 0 Q -5 MQ (z precyzją dochodzącą do ±0,1%). Elektrody kondensatorów wytwarzane są z past za wierających srebro, natom iast Ich warstw y dielek tryczne wytwarzane są ze szkliwa.
I
cienkowar-
R
-c m s p o iw o
re z y s to r
e le k tr o d y z e s re b ra
êâ “ 1 c e ra m ik a p o d ło ż o w a A ł20 3 (s u b s tra t)
T c e ra m ik a
Rys. 1. Realizacja szeregowego połączenia elementów RC w technologii grubowarstwowej
re z y s to r
k o n d e n s a to r
c e w k a In d u k c y jn a
Przykłady form różnych elementów wykonywanych wtechnice grubowarstwowej pokazano na rys. 2 . ¡ Technologia g rubow arstw ow a w ykorzystyw ana {Jest głównie do produkcji drabinek rezystancyji nyoh lub drabinek typu RC.
Rys. 2. Przykłady struktury elementów wykonywanych w technologiach warstwowych
182 Układy w ykonane w te ch no lo g ii grubow arstw ow ej, w porównaniu z elementami wykonanymi w technolo gii monolitycznej, cechują się możliwościami rozpra szania w iększych mocy, um ożliwiają pracę w więk szym paśmie częstotliwości, mają wąskie tolerancje wartości nom inalnych, a także m niejszą wrażliwość parametrów na zmiany temperatury. Z drugiej strony technologia ta stosowana jest do wykonywania w y łącznie elementów biernych, a jej stopień upakowa nia jest o kilka rzędów wielkości mniejszy niż w tech nologii monolitycznej.
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektr
R -I N iC r
Ta20 5
183
. „gdawane na prostownik bezpośrednio z sieci du przemiennego, ale przez układ transforma ra Transform ator sp e łn ia dw ie isto tn e fu n k c je układzie zasilania. Z jednej strony umożliwia od dzielenie galwaniczne układu sieci energetycznej i układu zasilanego, z drugiej zaś dokonuje konwerÜnapięcia przemiennego w taki sposób, że dostosowuje jego amplitudę do rzeczywistych potrzeb za-
C 1---------•-------- l i -
Ta •'
42 półprzewodnikowe elementy I układy elektroniczne
Au
,. siłacza. / c e ra m ik a
W technologii cienkowarstwowej (rys. 1) na war Rys. 1. Realizacja szeregowego połączenia elementólM stwę podłożow ą (substrat) nanoszone są elementy RC w technologii cienkowarstwowej 'W elektroniczne m etodą napylania próżniowego przez odpow iednie maski. Warstwa podłożowa jest wykonywana z ceramiki alum iniowo-tlenkowej, szkła lub szal' ru. Na warstwę tę naniesiona jest próżniowo' warstwa tantalu stanowiąca warstwę podłożową dla rezystorów i kondensatorów. Rezystory wykonywane są ze stopu NiCr napylanego próżniowo na podłożową warstwę tantalu. Warstwy dielektryczne kondensatorów wytwarzane są z pięciotlenku tantalu. Połączenia elektryczna wykonywane są przez napylanie ścieżek m etalicznych z chrom u, niklu lub złota. W technologii cienkowarstwowej możliwe jest wytwarzanie rezystorów o wartościach do 1 MQ z tolerancją do ±0,5 % oraz kondensatorów o pojem nościach dochodzących do 600 pF/m m 2. ś Technologia cienkowarstwowa jest wykorzystywana do produkcji drabinek rezystancyjnych lub d ra b ln ll typu RC stosowanych w układach wysokiej częstotliwości. iM Technologia hybrydowa Układy scalone wykonywane są również w technologii hybrydowej1. Technologia ta polega na łączeniu; układów scalonych wykonywanych w technologiach warstwowych i monolitycznych. Tak więc np. na płytce; z elementami pasywnymi wykonanym i w technologii grubowarstwowej umieszczane są elementy aktywna; wykonane w technologii monolitycznej. W ten sposób możliwe jest wykorzystanie zalet obu technologii, ?
podatkowo w układzie zasilacza stosowane są inne układy, takie jak układ zabezpieczenia nadprądo«yego na wejściu, układ filtra tętnień, układ stabi' Hzacjł napięcia, układ zabezpieczenia nadprądowego na wyjściu, Układy zabezpieczenia nadprądowego pozwalają na odcięcie połączenia układu zasi lacza z siecią lub odbiornikiem energii w przypadku > przekroczenia dopuszczalnych granicznych wartości ! prądów spowodowanych np, przeciążeniem zasila cza lub jego zwarciem. Typowym elementem zabezpieczającym jest zwykle bezpiecznik topikow y lub wyłącznik nadprądow y. N a p ię cie w y p ro s to w a n e w układzie prostownika jest napięciem o niezerowej wartości średniej i dużej z a w a rto ści tę tn ie ń . Dla • zmniejszenia tętnień napięcia stosowane są o d p a lawlednie układy filtrów oraz układy stabilizacji napięć. , Układ stabilizatora napięcia pozwala na utrzymy¡ wanie stałej wartości napięcia wyjściow ego zasi; lacza niezależnie od wahań chw ilowych wartości i napięcia sieci zasilającej I wartości prądu obcią,; żenią zasilacza.
Rys. 2. Przebiegi prądów I napięć w układzie prostownika Jednofazowego jednopulsowego
Układy prostownikowe Technologia hybrydowa stosowana jest do wytwarzania układów specjalnych, takich jak np.: oscylatory, filtry ąk*. tywne, przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe oraz operacyjne wzmacniacze instrumentalne, j
4.2.1 o Układy prostownikowe Układy zasilania napięcia stałego W iększość urządzeń elektronicznych wym aga zasila nia napięciem stałym. Zasilanie takich urządzeń bez pośrednio z sieci energetycznej jest zatem niemożli we. Stąd w ynika potrzeba stosowania urządzeń po zwalających na przekształcenie przemiennego napię cia sieci energetycznej na napięcie stale. Urządzenia takie nazywane są urządzeniam i zasilającym i lub krótko zasilaczami. Podstawowym elementem układu zasilacza (rys. 2) jest układ prostow nika dokonujący przekształcenia prądu p rze m ie n n e go w prąd stały. W w ię kszo ści przypadków napięcie podlegające prostowaniu nie
b e z p le c z n ik n a d p rą d o w y s ie ć p rą d u p r z e m ie n nego
p rz e k s z ta łtn ik n a p ię c io w y p ro s to w n ik (tra n s fo rm a to r) u '
/
t é t t if t *
1 g r. h y b rid = m iesza ny
Załóżmy, że uzwojenie pierwotne transformatora zostało zasilone napięciem przemiennym o w a rto ści skutecz nej U, Napięcie zaindukowane w uzwojeniu wtórnym (o wartości skutecznej równej 10 V, rys. 1) po wyprosto waniu przez półprzewodnikową diodę prostującą V1 podawane jest na odbiornik (żarówkę Ż1). W rezultacie przez żarówkę popłynie prąd zmienny o kształcie jak na rys. 2 . Dioda V1 przewodzi prąd tylko przez połowę okresu przemiennego napięcia wtórnego, tzn. tylko wówczas, gdy jest spolaryzowana w kierunku przewodze nia. Z tego względu prostownik o schemacie jak na rys. 1 nazywany jest również prostownikiem jednopolówkowym. W przypadku zmiany polaryzacji napięcia przez diodę V1 popłynie tylko niewielki prąd wsteczny diody.
...feL....
; Układ prostownika jednofazowego (jednopulsowego) zawiera jedną lub kilka posobnie połączonych diod : prostowniczych. u k ia d w y g ła d z a n ia n a p ię c ia s ta b iliz a to r
T T T T
u
w y łą c z n ik n a d p rą d o w y
/>
obciązm
const.
Rys. 2. Schemat blokowy układu zasilacza prądu stalM I
Prostownikiem będziemy nazywać układ zamieniający napięcie przemienne na napięcie stale. Do podsta wowych elementów prostownika należą: transformator, prostownicze elementy półprzewodnikowe i konden satory wygładzające napięcie. Przykładowy układ prostownika przedstawiono na rys. 1.
Istotną wadą prostownika jednopulsow ego są silne pulsacje wyprostowanego napięcia. Zmniejszenie tych pulsacji, zwanych również tętnieniami, m ożliwe jest np. przez dołączenie kondensatora C1 (rys. 1) przy po mocy przełącznika S1. Kondensator C1 (rys. 2) jest ładow any prądem w okresie, gdy napięcie na katodzie diody V1 zaczyna przekraczać napięcie na kondensatorze i jest rozładowywany przez obciążenie (żarówkę ) wówczas, gdy napięcie na katodzie diody V1 jest mniejsze od napięcia na kondensatorze C1. Dzięki temu Mulenia napięcia na obciążeniu ulegają istotnem u zm niejszeniu i dodatkow o rośnie średnia wartość na
184
4.2 Półprzewodnikowe elem enty i układy elektronicy'
42 pólprz0WOC*ni'
pięcia na obciążeniu. Ze względu na pełnioną funkcję w układzie prostownika kondensator C1 nazywam, jest również kondensatorem wygładzającym. Skuteczność wygładzania tętnień jest funkcją zarówno ' jem ności tego kondensatora, jak i wartości prądu obciążenia.
185
u n a p ię c iu szczytowemu uzwojenia w tórnego transformatora. Bierze się ono stąd, że w stanie polaryzacji ^stecznej na katodzie diody jest utrzymywane napięcie dodatnie kondensatora wygładzającego C. Wartość Maksymalna tego napięcia może osiągnąć wartość równą w przybliżeniu wartości szczytowej napięcia pro stowanego.
Tętnienia napięcia w układzie prostownika jednopulsow ego zmniejszają się wraz ze wzrośtem pojemtjBj ści kondensatora wygładzającego i zmniejszaniem prądu obciążenia. • '
Pfostownik dwupulsowy z odczepem środkowym transformatora
prostownik dw upotów kow y z odczepem środkow ym transform atora stosow any je st w układach m alej W układzie prostownika jednopulsow ego prąd pobierany jest z uzwojeń transformatora tylko wówczas, gdy I średniej mocy. Prostownik ten w istocie jest złożeniem dw óch prostow ników jednopotów kowych. Istotną ładowany jest kondensator wygładzający. Średnia wartość tego prądu jest różna od zera (rys. 2: na p^.. [ za|etą tego prostow nika jest w przybliżeniu dw ukrotnie lepsze wykorzystanie m ocy transform atora oraz przedniej stronie). Z tego powodu rdzeń transformatora ulega silnemu namagnesowaniu, a zatem poteiji i z(linjejszenie tętnień napięcia w yjściow ego przy tym samym obciążeniu i tej samej pojem ności kondensacjalna m oc transformatora nie może być w pełni wykorzystania. Zmniejszenie tętnień w układzie prostował, : |ora wygładzającego. ka oraz lepsze w ykorzystanie m ocy transform atora m ożliwe jest w układzie prostownika dwupulsowego (tab. 1 ) lub sześciopulsowego w przypadku prądu przem iennego trójfazowego. P p rostow nik dwupulsowy z diodowym mostkiem Graetza Nazwa układu prostowniczego związana jest z liczbą impulsów prądowych generowanych w jednym okrdlfM' r, prostownik dwupulsowy z diodowym mostkiem Graetza stosowany jest w układach o m ocy do 2 kW. W prowejściowego napięcia przem iennego. * słowniku tym wykorzystywane są cztery diody prostownicze połączone w układzie Graetza. W prostowniku tym ■ w każdej chwili w stanie przewodzenia znajdują się tylko dwie diody. W związku z tym na obu diodach będąProstownik jednopulsowy . cych w stanie przewodzenia powstaje dodatkow y spadek napięcia w stosunku do układu prostownika jedProstownik jednopulsow y stosowany jest w zasadzie wyłącznie w układach malej mocy. Maksymalne napięii nopulsowego lub dw upulsow ego z odczepem środkow ym transformatora. W prostowniku dwupulsowym cie wsteczne, którym polaryzowana jest dioda prostownicza, w skrajnym przypadku jest równe podwojona ; |epszy jest jednak stopień wykorzystania m ocy transformatora (tab. 1 na poprzedniej stronie). s P rostow nik
trójfazowy z diodowym mostkiem Graetza
prostownik trójfazowy z diodowym mostkiem Graetza stosowany jest w układach o m ocy powyżej 2 kW. Istotjfr nymi zaletami tego układu prostowniczego są: niewielkie tętnienia napięcia wyjściowego, bardzo dobre wyko lę izystanie mocy znamionowej transformatora i niska średnia wartość prądu diody w układzie prostowniczym.
!
4.2.11 Układy stabilizacji napięć i prądów . Wartości napięcia i prądu wyjściowego uktadu zasilacza prądu stałego (rozdz. 4,2.10) są funkcją zmian na•i pięcia sieci zasilającej, wielkości obciążenia prądowego i tem peratury pracy. W przypadku, gdy układy zasi' łające powinny dostarczać prąd o stałym napięciu lub natężeniu, konieczne staje się zastosowanie odpo wiednich układów zwanych stabilizatorami, odpow iednio: napięcia i prądu.
'
Stabilizator napięcia utrzymuje stalą wartość napięcia na wyjściu układu zasilacza prądu stałego, niezależnie od wahań napięcia wejściowego stabilizatora i wahań prądu obciążenia.
r; f Stablizator prądu utrzymuje stalą wartość prądu na wyjściu układu zasilacza prądu stałego, niezależnie [od wahań napięcia wejściowego stabilizatora i wahań im pedancji obciążenia.
. Układ stabilizacji napięcia z zasobnikiem energii
Pt
C - p o je m n o ś ć k o n d e n s a to ra , /d - w a rto ś ć w y p r o s to w a n e g o p rą d u , l z - w a rto ś ć p rą d u d io d y , P,, - m o c p rą d u s ta łe g o , n o m in a ln a tra n s fo rm a to ra , R „ - re z y s ta n c )a o b c ią ż e n ia , T - o k re s s ie c i z a s ila ją c e j, U , - p rz e m ie n n e n a p ię c ie z a s ila ją c e , u di ty c z n y p tz e b ie g n a p ię c ia w y jś c io w e g o w p r z y p a d k u b ra k u o b c ią ż e n ia __
, Schemat ideowy układu stabilizacji napięcia z zasobnikiem energii p rze d s ta w io n y je s t na rys. 1 . / W układzie tym uzwojenie cewki normalnie zwarte00 przekaźnika K1 połączone jest równolegle z kon densatorem C 1 . Styki p rze ka źn ika K1 pozo sta ją , Warte tak długo, jak długo napięcie zasilania jego ; uzw°jeń nie przekroczy pewnej wartości granicznej. Wprzypadku, gdy styki przekaźnika K1 są zamknię6i kondensator C1 jest ładowany prądem przepiywaWcym przez dław ik L1. W w yniku przepływ u tego Pr0du wzrasta napięcie na kondensatorze C1. W mo
-ł, .a*. |r
O.
S U, U2 AU, A U2
AU,/U, A U2IU2
„
AU, • U2 A(^2 *
■napięciowy w spółczynnik stabilizągf - napięcie wejściowe stabilizatora J |f • napięcie wyjściowe stabilizatora | | | - zmiana napięcia wejściowego - zmiana napięcia wyjściowego
W miejsce przekaźnika stosowane są obecnie bezstykowe układy przełączników elektronicznych. Układ stabilizatora napięcia w układzie z zasob nikam i e n e rg ii p o b ie ra z uktadu w e jścio w e g o i grom adzi w polu elektrycznym i m agnetycznym tylko tyle energii, ile jest konieczne w aktualnych warunkach obciążenia.
Rys. 1. Schemat Ideowy uktadu stabilizacji napięcia« bez zasobnika energii aa
W związku z tym sprawność energetyczna stabilizatora, m ierzona jako iloczyn energii użytecznej (oddai||;: nej w obciążeniu) do energii dostarczonej do układu stabilizacji, jest wysoka. Typowa wartość częstotliwo!!; przełączania przełącznika elektronicznego leży poza pasmem słyszalnym, tzn. jest wyższa od 20 kHz. Układ s ta b iliz a c ji n a p ię cia z d io d ą Zenera Układ stabilizacji napięcia z diodą Zenera przedstawiono na rys. 1. W układzie tym wykorzystano charaW^f? rystyczny przebieg charakterystyki napięciow o-prądow ej diody Zenera spolaryzowanej w kierunku zapo||: wym (rozdz. 4.2.2.2). W zakresie przebicia lawinowego lub występowania zjawiska Zenera rezystancja dyn|i miczna diody jest niewielka, co oznacza, że znacznym zm ianom prądu płynącego przez diodę towarzyszą tylko nieznaczne zmiany napięcia na jej zaciskach. Układ stabilizacji jest tak dobrany, że napięcie wejściowi U, jest większe niż napięcie wyjściowe l/ 2. W wyniku różnicy napięć U ,-U s przez rezystor szeregow y^ przepływa prąd będący sumą prądu obciążenia la i prądu diody Zenera /z. Jeśli założymy, że rezystancja d|; namiczna diody Zenera jest w przybliżeniu równa zeru, to wzrostowi napięcia wejściowego U^ nie będzie tfc warzyszyt wzrost napięcia wyjściowego U2. Popłynie za to większy prąd diody /z, a zatem wzrośnie moc.wj: dzielana na rezystorze R1. W rzeczywistości rezystancja dynam iczna nie jest zerowa i występuje także nie: wielki wzrost napięcia U2■ > Uktad stabilizatora napięcia z diodą Zenera dostarcza do odbiornika tylko część energii, którą p o b lffl z układu wejściowego. .: J M : W związku z tym sprawność energetyczna nie jest wysoka, a zatem tego typu układy nie nadają się do s j|; sowania w układach o dużej mocy. Dla oceny właściwości stabilizacyjnych stosowany jest wskaźnik określiny mianem napięciowego w spółczynnika stabilizacji. Wyraża on stosunek relatywnych zmian napięcia W|| ściowego stabilizatora w odniesieniu do relatywnych zmian napięcia wyjściowego.
| Qnapięcia wywołuje z kolei spadek napięcia UBe tranzystora T 1 , prowadząc do wzrostu rezystancji szere| |e® ej tranzystora, a zatem przeciwdziała w zrostowi prądu emitera w ywołanego wzrostem napięcia U, i na1 ^.„puje ponowne obniżenie napięcia U2 do jego wartości nominalnej. W ten sposób następuje automatycz! na stabilizacja napięcia. Uktad stabilizacji n a p ię cia z reg u la to re m na p ię cia I yy układzie stabilizatora z tranzystorem szeregowym niemożliwe jest uzyskanie w ysokich wartości napięcioI weg° współczynnika stabilizacji. W celu podwyższenia tego współczynnika stosowane są układy stabilizacji | napięć z regulatorami napięcia (rys. 2); W układzie tym w roli regulatora występuje wzm acniacz operacyjny I sterujący tranzystorem szeregowym stabilizatora. W zm acniacz charakteryzuje się bardzo wysokim wspótIczytmiWem wzmocnienia różnicy napięć na je g o wejściach. Jedno z wejść wzm acniacza dołączone jest do Ifródla napięcia odniesienia zbudow anego na diodzie Zenera V2, podczas gdy drugie dołączone jest z dziel§ pika rezystorowego włączonego w obwód w yjściowy stabilizatora. Zmiany napięcia w yjściowego stabilizato| ja przenoszone są zatem na zm iany różnicowego napięcia wejściowego wzm acniacza operacyjnego. Najf pięcie to, po wzm ocnieniu we wzmacniaczu operacyjnym , steruje tranzystorem T1 w taki sposób, że zmniejfsza napięcie UBE tranzystora, jeśli napięcie wyjściowe stabilizatora U 2 rośnie i zwiększa napięcie UBE w przy§ padku przeciwnym. Cechą charakterystyczną stabilizatora z regulatorem napięcia jest to, że napięcie wyjfcściowe stabilizatora praktycznie zależy wyłącznie od napięcia odniesienia i stosunku rezystancji dzielnika refzystorowego. lUMad stabilizatora napięcia z regulatorem napięIcla pozwala na uzyskanie wysokiej wartości najpięciowego w spółczynnika stabilizacji, a także ¡umożliwia realizację stabilizatorów o nastawiafnym napięciu wyjściowym. ¡ Uktad stabilizacji prądu
U2 Uz f l, , R2
fli
Uz
1+*:
■napięcie wyjściowe stabilizatora ■napięcie odniesienia (Zenera) ■rezystancje dzielnika rezystorowego
¡Żądaniem układu stabilizatora prądu jest dostarcze nie do obciążenia prądu o wartości stałej, niezależ nej od wahań napięcia wejściowego, rezystancji ob ciążenia i temperatury otoczenia. »Układ stabilizatora prądu złożony z elementów dys kretnych przedstawiono na rys. 1 na następnej s tro jnie. W wyniku przepływu prądu obciążenia /„ na re zystorze R1 powstaje spadek napięcia proporcjonal ny do wartości tego prądu. Ponieważ napięcie Uz diody Zenera jest w zględnie stale i niezależne od prądu obciążenia, to z oczkowego prawa Kirchhoffa wynika, że ze wzrostem napięcia Um maleje napięcie sterujące UBE tranzystora T1. Spadek napięcia steru jącego tranzystora wywołuje wzrost jego rezystancji Wyjściowej, oo przeciw działa dalszem u w zrostow i prądu obciążenia. W ten sposób następuje automa tyczna stabilizacja prądu. Uktad stabilizatora reaguje analogicznie w przypadku chwilowego spadku prądu obciążenia.
U kład s ta b iliz a c ji na p ię cia z tra n zysto re m szeregow ym Istotną wadą uktadu stabilizacji napięcia z diodą Zenera jest ograniczona dopuszczalna wartość prądu Ze nera. W układach stabilizacji napięcia w ym agających większych m ocy stosowany jest układ stabilizacji z tranzystorem szeregowym (rys. 1 na n a stę p n e j stro n ie ). Tranzystor szeregowy T1 sterowany jest nafj| ciem U0E, będącym różnicą napięcia w yjściowego stabilizatora U2 i napięcia diody Zenera Uz. Wraz ze wtf| stem napięcia wejściow ego U, rośnie prąd obciążenia, który wywołuje chwilowy wzrost napięcia U2. Wzro»1
187
£ il
mencie, w którym wartość napięcia na kondensato rze osiągnie wartość wystarczającą do wzbudzenia cewki przekaźnika K1, następuje rozłączenie styków przekaźnika. O bwód w yjściow y zostaje gwałtownie odłączony od obwodu wejściowego. W wyniku zjawi ska samoindukcji na zaciskach dławika L1 powstaje sita elektrom otoryczna (napięcie sam oindukcji). Po rozłączeniu styków K1 energia przechowywana jest w polu elektrycznym kondensatora C 1 i polu magne tycznym dławika L1. Prąd dostarczany jest do odbior nika z kondensatora C 1. W wyniku przepływu tego prądu spada napięcie na kondensatorze i w momen cie, gdy spadnie poniżej pewnej wartości granicznej, zostanie załączony przekaźnik K1. Cykl ładowania kondensatora powtórzy się.
^[przew odnikow e elementy f układy elektroniczne
j.W układzie stabilizatora prądu napięcie wyjściowe jpależy od rezystancji obciążenia. Uktad stabilizato r a traci właściwości regulacyjne przy zbyt dużej rej.zystancji obciążenia. Stabilizator prądu jest odpori ny na zwarcia w obwodzie wyjściowym.
FU
U BE
V2 Z ^ U z
Rys. 1. Schemat Ideowy uktadu stablllzac|l napięcia z tranzystorem szeregowym
.^półprzew odnikow e elementy i układy elektroniczne
4.2 Półprzewodnikowe elementy I układy elekt
188
189
współczynnik tłumienia
Uktad ogranicznika prądowego ;
nólczynnlk w z m o c n ie n ia m oże p rz y jm o w a ć „gwnycb u kła d a ch w z m a c n ia ją c y c h w a rto ś c i Wnlejsze niż 1 . W tym przypadku m ów im y raczej stłumieniu niż o wzmacnianiu sygnałów.
to ś ć
przykład-' Napięcie wejściowe układu tłumika antenowego wynosi 1 mV, a napięcie wyjściowe wynosi 0,2 mV. jaka jest wartość tłum ienia sygnału antenow e
A — A\ -f A Pi P2 R u, U2 A u A 2 .. . G
-
+ ...
r2
<2
1
często wyrażamy w mierze logarytmicznej, zwanych decybelami. Wówczas war wzmocnienia ma wartość tłumienia ujemnego.
tłu m ie n ie
A = 20 ■log
A = 20 ■log £ u2
Współczynnik tłum ienia jest definiow any jako odwrotność współczynnika wzmocnienia.
w je d n o s tk a c h
A = 10 ■log
X
—
li CD
Układ o g ra n iczn ika p rą d o w e g o jest szczególnym przypadkiem realizacji u kładu stabilizatora prądu, którego celem jest niedopuszczenie do przekrocze nia określonej wartości prądu obciążenia. Schemat takiego ogranicznika, wbudow anego w układ stabili zatora napięcia, przedstawiono na rys. 1. Układ ten jest nieaktywny tak długo, jak długo napięcie na re zystorze R1 nie p rzekroczy ściśle określonej w ar tości napięcia. W przypadku, gdy wartość prądu ob ciążenia l0 przekroczy taką wartość, przy której dio dy V2 I V3 zostaną spolaryzowane w kierunku prze wodzenia, to wówczas każdy wzrost napięcia na re zystorze R1, wywołany wzrostem prądu obciążenia, będzie prowadził do zm niejszenia napięcia sterowa nia (JBE tranzystora T1, a zatem będzie przeciwdzia ła! zw iększaniu prądu o b cią że n ia la p oza pewną wartość graniczną.
współczynnik tiumienia w [dB] m oc wejściowa m oc wyjściowa rezystancja napięcie wejściowe napięcie wyjściowe tłumienia elementów składowych wzm ocnienie w [dB]
go?
Układ o g ra nicznika prądow ego jest stosow any w układach zabezpieczeń przeclwzwarciowych.
100% flo związanie:
W układach ograniczeń przeciwzwarciowych sto sow ane są rów nież sp e cja ln e u kła d y w yłą cza n ia tranzystora szeregowego w chwili detekcji zwarcia.
yt = 20 ■log
4.2,12 Układy wzmacniające
V| = T7
U kłady w zm acniające (w zm acniacze) stosow ane są, gdy konieczne jest wzmocnienie poziomu lub mocy sygnału. W analizie u kła d ó w wzm acniacze przedstawiane są jako aktywne układy czwórnikowe z dwom a zaciskami wejściowymi i dwoma za ciskami wyjściowymi (rys. 2 ).
W spółczynnik wzmocnienia Podstawowym parametrem charakteryzującym układ wzm acniający jest współczynnik wzmocnienia. W spółczynnik w zm ocnienia jest definiowany jako stosunek wartości wielkości wyjściowej do warto ści w lelkoścrwejściowej. Zależnie od przyjętej definicji wielkości wejściowych i wyjściow ych m am y do czynienia ze w spółczynni kami wzmocnienia napięciowego, prądowego lub wzmocnienia mocy. w-:-
U2
■20 ■log
1,0 [mV] 0,2 [mV]
14 dB
j 70% ik ^2mm
Układy tłumiące połączone szeregowo wprowadzają durnienie, wymierne w mierze decybelowej, równe su mie tłumień poszczególnych stopni układów.
£2
Aktyw ne układy czw órnikow e w ym agają zasilania zewnętrznego. Zasilanie zewnętrzne jest konieczne, p o n ie w a ż w u kła d a ch w zm a cn ia ją cych za ch o dzi wzm ocnienie m ocy elektrycznej, a zatem m usi być dostarczana m oc zewnętrzna.
J Ł
K, = va • i/,
P- = Pn + Pv
U,
•£2 pt
-.'¡a W
Si
s2
V = |?
^1
V, h h Vu U, u2 Pi p2 p_ Pa Pv D S, Ą V
- w spółczynnik wzm ocnienia prądowew - prąd wejściowy - prąd wyjściowy - współczynnik wzm ocnienia napięciowi - napięcie wejściowe - napięcie wyjściowe - współczynnik wzm ocnienia mocy ,;M - m oc wejściowa - m oc wyjściowa - pobrana m oc prądu stałego - oddana m oc prądu przemiennego | | - m oc strat - współczynnik tłumienia :|| - wielkość wejściowa - w ielkość wyjściowa - współczynnik wzm ocnienia
. Częstotliwościowa charakterystyka przenoszenia
= 3dB/
/ y — 1
szerokość pasma przenoszenia
lo lr la częstotliw ość 0 raniczna l,t
1
...i-
10
górna często liw ość graniczna ! 0
...........................................
100
1k
1
10kHz 100k
f Rys. 1. Charakterystyka częstotliwościowa przenoszenia wzmacniacza
‘ Charakterystyką przenoszenia wzmacniacza nazywa■ my zależność współczynnika wzm ocnienia od częR; 1 stotllwości sygnału wejściowego (rys. 1). Charaktery styka przenoszenia Idealnego wzmacniacza jest cha’■ rakterystyką o stałej i niezależnej od częstotliwości 1 wartości wzmocnienia w zakresie częstotliwości od .. 0-» Hz. W rzeczywistości charakterystyka taka nie jest charakterystyką płaską. Na rzeczywistej charak terystyce przenoszenia w yróżnić m ożna dw a cha rakterystyczne punkty, zwane dolną fd i górną fg Rys. 2. Schemat zastępczy wzmacniacza z wyodrębnioną : częstotliwością graniczną. Punkty te powstają na rezystancją wejściową przecięciu rzeczywistej charakterystyki przenosze, nta wzmacniacza i charakterystyki idealnej, ale o po ziomie wzmocnienia o 3 dB mniejszej w stosunku do maksymalnego wzmocnienia charakterystyki rzeczywistej. [pasmem przenoszenia B wzmacniacza jest różnica górnej i dolnej częstotliwości granicznej: B = fg- f r i.
'
Impedancja wejściowa i wyjściowa Jmpedancja wejściowa Zwo wzmacniacza jest jego impedancją widzianą od strony zacisków wejściowych (rys. 2). Napięcie na zaciskach wejściowych wzmacniacza po przyłączeniu źródła sygnału wejściowego jest zależne ™9 tyll<0 od wartości tego sygnału, ale także od impedancji wewnętrznej żródla sygnału R, i impedancji wejiowej wzmacniacza, im większy jest stosunek im pedancji wejściowej wzmacniacza do impedancji wyjścio8Jzródla sygnatu, tym większa część sygnału tego źródła pojawia się na zaciskach wejściowych wzmacniacza.
190
! Im pe d a n cja w e jś c io w a w zm a cniacza na p ię cia powinna być m ożliwie duża.
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektronicy
z a s tę p c z e ź r ó d ło n a p ię c ia
l>
W przyp a d ku pierw szym w a rto ść napięcia źródła w ynosi U2o= A vo' i-i u gdzie A vo jest m aksym alnym w zm o cnien ie m n a p ię cio w ym w zm a cniacza , a Uy jest m aksym alnym napięciem wejściowym .
( p
Zwy
w
o N
Im pedancja w yjściow a Zwy w zm acniacza jest jego im pedancją w idzianą od stron y zacisków w yjścio w y ch . S to s o w a n e są d w a s c h e m a ty z a s tę p c z e wzmacniaczy (rys. 1). Pierwszy ze źródłem napięcia i szeregową im pedancją wyjściową i drugi, w postaci źródła prądu i równoległej im pedancji wyjściowej.
z a s tę p c z e ź ró d ło
Rys. 1. Schemat zastępczy wzmacniacza z wyodrębnlbli rezystancją wyjściową jjg
",12.1 Wzmacniacze z tranzystorami bipolarnymi
podstawowe układy pracy wzmacniaczy tranzystorowych
Zniekształcenia w zm acnianego sygnału dzielim y na lin io w e i n ie lin io w e . id e a ln e n a p ię c ie w y jś c io w e (b e z z n ie k s z ta łc e ń )
rz e c z y w is te (zniekształconej n a p ię c ie w y jś c io w e
U11 + U12
W przypadku tranzystorów bipolarnych wykorzysty wana jest ich właściwość polegająca na tym, że zmia na napięcia baza-emiter UBE wywołuje zmianę prądu bazy Ib, co z kolei powoduje zmianę prądu kolektora /c. Zmiana prądu kolektora istotnie przewyższa zmia nę wartości p rą d u bazy.. M o że m y z a te m m ó w ić o wzmocnieniu prądowym w obwodzie tranzystora. Jeśli w obwodzie kolektora dołączony jest rezystor R0 (rys. 1 ), to zmiana prądu kolektora wywoła zmiany napięcia koiektor-em iter. Zm iany tego napięcia są zwykle istotnie większe od zmian napięcia w obw o dzie baza-emiter. Możemy zatem w tym przypadku mówić o wzmocnieniu napięciowym lub biorąc pod
u w a g ę ta k ż e e fe k t .w z m o c n ie n ia p rą d o w e g o , o wzmocnieniu m ocy w układzie tranzystora.
jTab.1. Podstśwowe układy pracy tranzystorów Rys. 2. Zniekształcenia liniowe sygnału
Układ
ze wspólnym emiterem
Schemat
ze wspólnym kolektorem
o + Uh
ze wspólną bazą
O -t-Ub
-CH' U h
p rą d o w a c h a r a k te ry s ty k a s te ro w a n ia tra n z y s to ra
Zniekształcenia liniowe wynikają z liniowych znie kształceń am plitudowych i fazowych w zm ocnio nego sygnału. Z nie kszta łce n ia n ie lin io w e Przyczyną tego rozaju zniekształceń je st nieliniow y p rz e b ie g c h a ra k te ry s ty k i w e jś c io w o -w y jś c io w e j w z m a cn ia cza . N ie lin io w o ś ć c h a ra k te ry s ty k i s ta tyczn e j je s t w ła ściw o ścią ko n stru kcyjn ą sam ego w zm acniacza. W przyp a d ku p ro ste g o w zm acnia cza tranzystorow ego o charakterystyce pokazanej na ry s . 3 sin u so id a ln y prąd bazy tran zysto ra po w zm o cnien iu ulega przekształceniu w niesinuso-
,j ipy prąd kolektora. Zniekształcenia nieliniow e p ow odują pojawienie się w w idm ie w zm ocnionego syalu składow ych czę s to tliw o ś c io w y c h , nie w y s tę p u ją c y c h w syg n a le w e jścio w ym . Jeśli na w ejście 9zmacniacza zostanie podany przebieg sinusoidalny o częstotliw ości f, to miarą zniekształceń nielinioWv0(! może być procentow a zaw artość składow ych częstotliw ościow ych o częstotliw ościach różnych od f Wsy9na,e w yjściowym . W spółczynnik w yrażający tę zawartość nazywa się w s p ó łc z y n n ik ie m z a w a rto ś c i Harmonicznych.
po budowy układów wzmacniających stosowane są zarówno tranzystory bipolarne, jak i unipolarne.
Z nie kszta łce n ia
Zniekształcenia liniowe związane są z zależnością wzm ocnienia od częstotliwości. Każdy sygnat w ej ściow y m oże być przedstaw iony w postaci sum y składowych sinusoidalnych o różnych częstotliw o ściach, am plitudach i fazach. Każda ze składowych będzie wzm acniana w różnym stopniu zależnym od kształtu ch a ra kte rystyki p rzenoszenia w zm a cnia cza. W szczególności am plitudy składow ych nisko i wysoko częstotliwościowych m ogą być wzmacniane w sto p n iu niższym niż skła d o w e o czę s to tliw o ś ciach pośrednich (rys. 2 ). W rezultacie sygnat wystę p u ją c y na w y jś c iu w z m a c n ia c z a zo s ta n ie z n ie kształcony.
191
1 półprzewodnikowe elementy i układy elektroniczne
Współczynnik zawartości harm onicznych wzm acniaczy akustycznych o dużej wierności odtwarzania (HiFi) nj8 przekracza wartości 1 %.
W przypadku drugim w artość prądu generatora w y nosi / = S0 - U\\ gdzie S0 jest m aksym alnym w zm oc nieniem prądow o-napięciow ym wzm acniacza, a Uy jest m aksym alnym napięciem wejściowym .
Z nie kszta łce n ia lin io w e w yn ika ją z n ie id e a lnie płaskiej częstotliwościowej charakterystyki prze noszenia wzmacniacza.
ą
Rys. 3. Zniekształcenia nieliniowe wywołane nieliniową? charakterystyką wzmacniacza
Współczynnik w zm o cnienia prądowego
duży (np. 300)
duży (np. 300)
< 1
Współczynnik w zm o cn ie n ia napięciowego
duży (np. 300)
< 1
duży (np.
100)
Współczynnik w zm o cn ie n ia mocy
bardzo duży (np. 30000)
duży (np. 300)
duży (np,
100)
Rezystancja w e jś c io w a : Rezystancja w yjściow a
średnia, np. 5 kQ duża, np. 1 0 kQ
duża, np. 50 kQ mala, np. 1 0 0 £2
mala, np. 50 n duża, np. 1 0 kQ
Faza napięcia wyjściowego wstosunku do napięcia wej ściowego
w fazie przeciwnej
w fazie zgodnej
cp
w fazie zgodnej ip —0°
= 0°
Uwaga: Podane w tablicy wartości dotyczą tranzystorów NPN malej mocy i niskich częstotliwości
192
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektronfC2r^
Uzyskanie wzm ocnienia napięciowego w układzie tranzystorow ym w ym aga zastosow ania rezystora w jego obwodzie wyjściowym . Charakterystyczną cechą wzm acniacza tranzystoro w ego, przedstaw ionego na rys. 1 na poprzedniej stronie, jest to, że wzrost napięcia wejściowego C/BE wywotuje spadek napięcia w yjściowego UCE. Wystę puje zatem efekt prze su n ię cia fazow ego syg n a łu w yjściowego względem wejściowego o kąt fazowy q> = 180°. Jak już w spom niano wcześniej (rozdz. 4.2.3.1), tran zystor może być przedstawiony jako uktad czwórnikowy o dwóch zaciskach wejściowych i dwóch zaci skach w yjściow ych. Ponieważ tranzystor jest elem entem trójzaciskowym , stąd, przynajm niej w układach prądu zm iennego, jeden z zacisków tranzystora należy jednocześnie do obw odu wejściowego i obwodu w yjściowego czwórnika. Zależnie od tego, który z zacisków (elektrod) tranzystora jest elementąm wspólnym czwórnika, m ów im y o układach ze wspólnym emiterem, wspólnym kolektorem lub wspólną bazą (tab, 1 na poprzedniej stronie). Punkt pracy tranzystora Zastosowanie tranzystora do pracy w układzie wzm acniającym wym aga odpow iedniej polaryzacji jego elek trod. Wstępne napięcie bazy względem emitera tranzystora może być osiągnięte przez zastosowanie dziel nika rezystorowego lub rezystora polaryzującego (rys. 1 ). Punkt pracy tranzystora jest zdefiniowany przez wartości napięcia wstępnego bazy względem e r r ii® oraz napięcia kolektora względem emitera (tab. 1 ). W wyniku zmian temperatury struktury półprzewodnikowej tranzystora następują samoistne zmiany prądu ba zy i kolektora,-a zatem następuje przesunięcie punktu pracy tranzystora. Zmianom termicznym podlegają tak-
Ą
2 półprzewodnikowe elementy i układy elektroniczne
• Wartości wzmocnień, rezystancji wejściowej i wyjfio w e j, a także m ocy prądu stałego, pobieranej rzez układ wzmacniający. Zmiany te m ogą dopro wadzić do powstania zniekształceń liniowych i nieli niowych wzmacnianego sygnału. Z tego powodu stoowane są specjalne zabiegi polegające na stabili zacji punktu pracy tranzystora, tzn. uniezależnieniu narametrów nom inalnego punktu pracy od zmian temperaturowych nie tylko sam ego tranzystora, ale także e lem entów p a s y w n y c h w z m a c n ia c z a . We wzmacniaczach tranzystorowych malej m ocy stoso wane są metody stabilizacji punktu pracy z tzw. ujem nym sprzężeniem zwrotnym (tab. 1 na poprzedniej stronie). W przypadku w zm acniaczy tran zysto ro wych dużej mocy muszą być stosowane dodatkowe u k ł a d y chłodzące tranzystory (rozdz. 4.2.8). Układ ze wspólnym emiterem Układ wzmacniacza tranzystorow ego ze wspólnym emiterem (rys. 1 ) jest najczęściej stosowany, ponie waż charakteryzuje się największym w sp ó łczyn n i kiem wzmocnienia m ocy sygnału. Współczynniki wzm ocnienia napięciowego i prądo wego wzm acniacza w zakresie m ałych syg n a łó w wyznaczyć można na podstawie schematu zastęp czego pokazanego na rys. 1 na następnej stronie. Rezystory R1 i R2 polaryzujące bazę tranzystora T1 są zwarte od strony bazy tranzystora T 1 oraz przez źródło napięcia t/b o rezystancji wewnętrznej bliskiej zeru. Stąd na sch e m a cie tym o b w ó d w e jś c io w y wzmacniacza zostat przedstawiony w postaci rów noległego połączenia rezystancji zastępczej dzielni ka polaryzującego bazę tranzystora (R, || R2) oraz , rezystancji zastępczej złącza baza-em iter rBe- Z ko lei obwód wyjściowy wzmacniacza zostat przedsta wiony w postaci generatora prądu o wartości pro porcjonalnej do składowej zmiennej prądu bazy /s_ oraz do w spó łczyn n ika w zm o cnien ia prą d o w e g o tranzystora p. Obwód wyjściowy jest obciążony re zystancją wyjściową tranzystora rCE, rezystancją re zystora Rc i rezystancją obciążenia f l0.
193
/c - ft P ' /a -
P
ZCE ■
Rc
r CE ' Z p (r*cE +
T ce
kt = p -
Rc + Ro
Zc) Z0
R0 > Rc => z 0 - Rc ki
- w s p ó łczyn n ik w zm o cnien ia prą dow ego wzmacniacza P = ^210 - zwarciowy w spółczynnik w zm ó c-.nienia prądowego fCE“ 1 /ń22iJ ' - rezystancja wyjściowa tranzystora ; Rc - zewnętrzna rezystancja o b c ią ż ę -, nia wzmacniacza : Zo - zastępcza im pedancja obciążenia : wzmacniacza Rc - rezystancja w obwodzie kolektora Przykład: O kreślić w spółczynnik w zm ocnienia prądowego stopnia wzmacniacza z tranzystorem pracującym w u k ła d z ie w s p ó ln e g o e m itera i ob cią że niem R0 = 2,2 kQ, jeśli znane są następujące parame try tranzystora: /r 110 = 200 pS, ń21e = 60 i rt22o = 100 iiS . Rozw iązanie: Zastępcza rezystancja kolektor-em iter tranzysto ra jest w przybliżeniu równa 1 r CE -
1
hz10
100jjuS]
10
kQ
Stąd kt = p -
r CE r CE + R o
10 [kQ] 10 [k£2] + 2,2 [k fi]
z w a rc ie d la p rą d u p rz e m ie n n e g o
W wielu praktycznych zastosowaniach rezystancja obciążenia f lD jest istotnie mata w stosunku do rezy stancji wyjściowej rCE tranzystora. Zatem tranzystor pracuje w warunkach zbliżonych do warunków peł nego zwarcia, a zatem je g o wzm ocnienie prądowe ]est bliskie w artości zw a rcio w e go w s p ó łczyn n ika wzmocnienia prądowego tranzystora p = /r2l0. , Współczynnik wzm ocnienia prądow ego kt układu wzmacniacza tra n z y s to ro w e g o ze w s p ó ln y m ‘ omiterem jest w przybliżeniu rów ny co do warto ści zwarciowemu współczynnikowi wzm ocnienia , Prądowego ft tranzystora.
Rys. 1. Schemat ideowy stopnia wzmacniającego w układzie wspólnego emitera
: 49.
4.2
194
Półprzewodnikowe elementy i układy _—elektron, .—
42 półprzewodnikowe elementy i układy elektroniczne
195
W spółczynnik wzm ocnienia napięciow ego w zm ac niacza tranzystorowego wyznaczany jest jako stosu nek zmian napięcia wyjściowego do zmian napięcia wejściowego. Zmiany napięcia wejściowego wzmac niacza wynikają ze zmiany prądu bazy tranzystora; zm iany napięcia wyjściowego wynikają natomiast ze zmiany prądu kolektora. O dpow iednie wzory um oż liwiające wyznaczenie w spółczynnika wzm ocnienia napięciowego podano poniżej. Przyktad: / Określić w spółczynnik wzm ocnienia napięcioweI go i w zm o cnien ia m ocy sto p nia w zm acniacza f z tranzystorem pracującym w układzie wspólnego F emitera o parametrach jak w przykładzie na poF przedniej stronie:
Rys. 1. Schemat zastępczy układu ze wspólnym emiterów dla sygnałów zmiennoprądowych Js
■-P-IB
r CE
' Zo
fCE + Zo
Rozw iązanie: W spółczynnik wzm ocnienia napięciowego Zo
U l~ ~
' r BE
>ki ■R0 • /711o ; Zn ku = k, -± 2. fQB
r BE
= 49 • 2,2 [k£2] ■0,200 [mS]
21,6 .
W spółczynnik wzm ocnienia m ocy kp = kr l
= 49 • 21 ,6 = 1058.
Ui~
AIn AUn
£ _ rBE
ku — 9 m '
r CE • Z o
rce + z o
- współczynnik wzm ocnienia ku Wzmocnienie dużych sygnatów napięciowego wzmacniacza Jeśli am plituda zmian napięcia wejściowego jest na - w spółczynnik wzm ocnienia tyle duża, że w yw o łu je w ysterow anie tranzystora prądowego wzmacniacza w szerokim polu je g o charakterystyk roboczych, to rcE“ ł / ^ 22o - rezystancja wyjściowa tranzystora'! mówimy o tzw. układzie wzmacniacza dużych sy ra E -l/h n o - rezystancja wejściowa tranzystora tfj gnałów. Ze względu na pracę wzm acniacza w ob - zastępcza im pedancja obciążenia;1! Zo szarach nieliniowych nie jest jednak m ożliwe zasto wzmacniacza sowanie metod wyznaczania napięciowych i prądo P = ^210 - zwarciowy współczynnik w ych w s p ó łc z y n n ik ó w w zm o cn ie ń w yp ro w a d z o wzm ocnienia prądowego ■'fil nych dla wzm acniaczy niskosygnalowych. W zm ac - transkonduktancja tranzystora 9 m niacze d u żych sy g n a łó w zn a jd u ją za sto so w a n ie - zmiana prądu kolektora A/c m iędzy in n ym i w sto p n ia ch k o ń co w ych u kła d ó w - zmiana napięcia sterującego AL/ be wzmacniaczy mocy. Parametrami charakterystyczny baza-em iter mi wzmacniaczy mocy są: dopuszczalna moc obcią - przemienne napięcie wejściowe U, żenia dla sygnałów stało- i przemiennoprądowych. wzmacniacza Wyznaczenie tych parametrów możliwe jest na dro - przemienne napięcie wyjściowe Uo dze graficznej (rys. 1 na następnej stronie). W tym wzmacniacza celu w polu charakterystyki w yjściow ej tranzystora wprow adza się prostą (charakterystykę) roboczą odpow iadającą im pedancji Z0 obciążenia dla prądu zm iennego. Jeśli obciążenie ma charakter reaktancyjny (np. cewka głośnika), to w polu charakterystyk wprow adzam y jedną prostą obciążenia odpow iadającą rezystancji czynnej R0 oraz drugą, dla prądu prze miennego, odpow iadającą m odułowi im pedancji Z0. ] Prosta obciążenia przedstawia zależność prądu kolektora od napięcia kolektor-em iter tranzystora dla ścfw j ¡/określonej im pedancji obciążenia. 'jj Prosta obciążenia dla prądu stałego jest prostą o współczynniku nachylenia równym -1 IR0. Prosta ta przeci na oś prądów w punkcie o wartości Uz/R0 i oś napięć w punkcie Uz (Uz jest napięciem zasilania układu tranzy-
storowego). Następnie na charakterystyce roboczej dla prądu stałego wyznaczany jest punkt pracy leżą cy w obszarze dopuszczalnej m ocy tranzystora, tzn. poniżej hiperboli m ocy granicznej. Przez ten punkt prowadzona je st następnie prosta obciążenia dla prądu przemiennego o nachyleniu równym -1 /Z 0.
'C ' U CE
I n - ' Uc
P .-P . Prosta obciążenia wyznacza zbiór możliwych punk tów pracy tranzystora. Jeśli w polu charakterystyk w yjściow ych tranzystora zostanie naniesiona składowa zmienna prądu bazy 4. ło przez odpow iednie rzutowanie na osie układu można uzyskać przebiegi prądu kolektora /c i napię cia kolektor-emiter U C e tranzystora. Znając te warto ści, można wyznaczyć moc chwilową, średnią, sku teczną i m aksym alną dla prądu przem iennego. Moc maksymalna dla prądu przem iennego jest rów na liczbowo połowie pola prostokąta (a więc trójkąta) 0 bokach rów nych am plitudom prądu kolektora f c 1napięcia kolektor-em iter uCe- Pole tego trójkąta na zywamy polem trójkąta mocy.
P_ h UCE p_ /cUcE-
- m oc prądu przem iennego - m aksym alna am plituda prądu kolektora - m aksym alna am plituda napięcia kolektor-em iter - m oc prądu stałego - prąd kolektora w punkcie pracy - napięcie kolektor-em iter w punkcie pracy - całkowita m oc strat
Pole trójkąta m ocy wyraża w ielkość m ocy oddaw anej przez tranzystor do obciążenia w warunkach stero wania sinusoidalnym sygnałem wejściowym.
196
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektron
W przypadku braku wysterowania tranzystora m oc P_ jest równa zeru. Tranzystor znajduje się jednak w nie przewodzenia, tzn. płynie przez niego prąd kolektora /c_, a napięcie kolektor-em iter wynosi UCi g, •' zarówno w obciążeniu, jak i w tranzystorze wydzielana jest pewna m oc związana z przepływem prąciu stal • go. Straty mocy prądu stałego wydzielane na tranzystorze są równe iloczynowi P- = l c - ' Uce- i
Ujemne sprzężenie zwrotne Jeśli jakaś część napięcia w yjściowego wzm acnia cza zostanie doprow adzona na jego wejście, to m ó wim y o sprzężeniu zwrotnym (rys. 1 ). Jeśli napię cie to jest w fazie z napięciem wejściowym , to m ówi m y o dodatnim sprzężeniu zwrotnym. Jeśli napię cie doprowadzone zwrotnie jest w fazie przeciwnej z napięciem w ejściow ym , to m ów im y o ujemnym sprzężeniu zwrotnym.. Ujemne sprzężenie zwrotne prowadzi do zm niej szenia w spółczynnika wzm ocnienia napięciowe go wzm acniacza, poniew aż napięcie na zacis kach w ejścio w ych w zm acniacza ulega zm niej s z e n iu p rz e z n a p ię c io w y s y g n a ł s p rz ę ż e n ia zwrotnego. ■
k'u =
K, K
1 + K • ku
w spółczynnik wzm ocnienia napięciowiffl układu ze sprzężeniem zwrotnym współczynnik wzm ocnienia napięciowe® układu bez sprzężenia zwrotnego w spółczynnik sprzężenia zwrotnego '"łSI
W układzie z ujem nym prądow ym sprzężeniem zwrotnym (tab. 1 ) w obwodzie emitera znajduje się rezystor RE. Wraz ze wzrostem prądu emitera rośnie napięcie na tym rezystorze, co przy stałej wartości napięcia w ejściow ego pow oduje zm niejszenie na pięcia sterującego UBE tranzystora, a to z kolei pro wadzi do zm niejszenia prądu em itera. Ten rodzaj sprzężenia zwrotnego nazywany jest ujemnym prą dowym szeregowym sprzężeniem zwrotnym, po nieważ n apięcie w e jścio w e i n apięcie sprzężenia z w ro tn e g o są s u m o w a n e s z e re g o w o . W ra z ze
yj układzie z ujemnym napięciowym sprzężeniem . krotnym (tab. 1 na poprzedniej stronie) następuje ■ jZei
B i AB. P o s z c z e g ó ln e k la s y r ó ż n ią ■' i wyborem p u n k tu p r a c y (tab. 1 ).
A,
70%
z e s p rz ę ż e n ie m z w ro tn y m (K = 0 ,0 5 ) CL C W CD
5C Rys. 1. P asm o p rzeno szenia u kład ó w b ez i z e sp rzęże niem zw rotnym
Klasa Poło żenie p un k tu pracy
A
AB, B
'2 f AB
u, -
s ię k o n s tr u k c ją
W klasie A punkt pracy wybierany jest w pobliżu połowy zakresu charakterystyki sterowania. W przy' padku braku sygnału sterującego tranzystor przewo\ dzl prąd spoczynkowy kolektora.
U je m n e p rądo w e sp rzęże n ie zw rotne
U)
Ea>
Tab. 1. Rodzaje pracy stopni końcowych yy wyniku wprowadzenia pętli ujemnego sprzęże nia zwrotnego ulega poszerzeniu pasmo przeno szonych częstotliwości (rys. 1 ).
W z m a c n ia c z e m o c y k l a s y f ik o w a n e s ą w k l a s y
Tab. 1. Rodzaje ujemnego sprzężenia zwrolnego
b e z s p rz ę ż e n ia z w r o tn e g o (K = 0 ) 100%
25
Układy przeciw sobne
W spółczynnik sprzężenia zwrotnego K określa, jaka część sygnału wyjściowego jest podawana na jego wejście. W przypadku, gdy w sp ó łczyn n ik w zm o c nienia napięciow ego jest dostatecznie duży, to po ob ję ciu w zm acniacza pętlą u jem nego sprzężenia zwrotnego o w spółczynniku K wzm ocnienie napię ciowe ulegnie zmniejszeniu w przybliżeniu odw rot nie proporcjonalnym do wartości tego w spółczynni ka. Zatem wszelkiego rodzaju wahania napięcia za silania, zm ia ny te rm iczn e i czasow e para m e tró w e le m e n tó w w zm a c n ia cza m ają isto tn ie m niejszy w p ły w na w a rto ś ć w y n ik o w e g o w s p ó łc z y n n ik a wzmocnienia. Ujemne sprzężenie zwrotne pozwala na zm niej szenie w spółczynnika zniekształceń .1
'eiszeniem się napięcia sterującego w stosunku l!(0 „pjęcia wejściowego, ze względu na sprzężenie d° ^ 0i Wzrasta jednocześnie rezystancja wejścio^ w z m a c n ia c z a . U je m n e p rą d o w e s p rz ę ż e n ie ^rotn.e stosowane jest w układach ze w spólnym Kolektorem.
a więc są równe liczbowo polu prostokąta o bokach lC- ¡ .L / c e - Straty m ocy są różnicą m ocy P_ pobrane! ■ źródła zasilania i m ocy oddanej do obciążenia przy przemiennym sygnale wejściowym . '
197
, półprzewodnikowe elementy i układy elektroniczne
: W klasie B punkt pracy znajduje się w dolnym koń cu charakterystyki sterowania. W przypadku braku sygnału sterującego tranzystor jest zatkany I nie pły nie prąd spoczynkowy kolektora. Taki stopień może być wysterowany tylko w jednym kierunku. Dla ste rowania w d ru g im kierunku p o trze b n y je st d ru g i tranzystor pracujący na zm ianę z pierw szym . Ten tryb pracy może być osiągnięty przez jednoczesne sterowanie pary tranzystorów ko m p lem entarnych (rys. 2). Przy polaryzacji dodatniej napięcia sterują cego prąd jest przewodzony tylko przez tranzystor typu NPN, przy ujem nej polaryzacji w łączony jest tylko tranzystor PNP. Przeciwsobne stopnie końco we klasy B nie pobierają prądu przy braku sygnału sterującego, a ich sp ra w n o ść te o re ty c z n a m oże osiągnąć w artość do 78%. W klasie B w ystępują zniekształcenia prądu kolektora w zakresie napięć sterujących o wartościach m niejszych od napięcia progowego złącz ba za -e m ite r tranzystorów . Poja wiające się zniekształcenia prądu kolektora nazywa my zniekształceniam i interm od ulacyjnym l lub tjm .
do 50 % Uw agi
Bard zo m ały w sp ó ł czynnik zniekształceń nieliniowych. Bard zo m ałe zniekształ cen ia liniowe. D uży prąd spo czyn ko wy. R za d ko stosow ane w stopniach m ocy
u ,d o 7 8 % (praca przeciwsobna) M aty w spółczynnik zniekształceń nielinio w ych. W y m a g a zastosow ania d o d atk o w eg o tranzy stora d o pracy przeciwsobnej. Zerow y (klasa B) lub . niewielki (klasa AB) prąd spoczynkow y. Stoso w any p o w szech nie w stopniach koń co w ych mocy.
.198
—
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektrnm — — —------------------------------------------------.—
•
W kla sie A B obydw a tranzystory przeciwsobne są wstępnie spolaryzowane tak, że znajdują się w si przewodzenia także przy braku sygnału w ejściowego. W stanie tym przewodzą niewielki prąd k o le i^ l: Dzięki tem u w klasie AB nie występują praktycznie zniekształcenia TJM, chociaż s p ra w n o ś ć ,e n e rg e ty k i tej klasy jest nieco niższa niż klasy B.
śród trzech układów wzm acniaczy praktyczne 'SP° nje ma tylko układ ze w sp ó ln ym źródłem . Z|Wady ze wspólnym drenem i wspólną bram ką sto sowane są niezwykle rzadko. Układ ze w spólnym ź ró d łe m
Układy przeciw sobne są stosowane w układach wzm acniaczy dużej mocy, np. w stopniach koń cowych wzm acniaczy malej częstotliwości.-Zale tą u k ła d ó w p rz e c iw s o b n y c h w s to s u n k u do w z m a c n ia c z y n a p ię c io w y c h je s t ich w y ż s z a sprawność energetyczna i mniejsze zniekształce nia nieliniowe.
Układ wzmacniacza ze wspólnym źródłem przedsta w i na rys. 1 na p o p rz e d n ie j s tro n ie . W s p ó ł czynnik wzm ocnienia napięciow ego w zm acniacza w zakresie małych sygnałów wyznaczyć można na oodsiawie schematu zastępczego pokazanego takna rys. 1 na poprzedniej stronie. Na schemacie j 0bwód wejściowy wzmacniacza został przedsta wiony w postaci równoległego połączenia rezystan cji zastępczej dzielnika polaryzującego bramkę tran! zystora (flillflz ) oraz rezystancji zastępczej złącza ■bram ka-żródlo r QS. Z k o le i o b w ó d w y jś c io w y i wzmacniacza został przedstawiony w postaci gene<(atom prądu o wartości proporcjonalnej do sklado; yjej zmiennej napięcia bram ka-żródlo L/GS_ oraz do i iranskonduktancji gm. Transkonduktancja gm wyzna czana jest ja ko stosunek zm iany prądu drenu do I zmiany napięcia bram ka-żródlo. O bw ód wyjściowy I jest obciążony rezystancją w yjścio w ą tranzystora Irpj,.rezystancją rezystora drenu RD oraz rezystancją | obciążenia R0.
4.2.12.2 Wzmacniacze z tranzystorami unipolarnymi
I w wielu W spółczynnik w zm ocnienia prądow ego nie jest podawany dla tranzystorów unipolarnych. Są one bowiem sterowane napięciowo.
Rys. 1. S c h em at Id eow y stopnia w zm acniającego w u kład zie w sp ó ln eg o żró d fa I (ego schemat : | zas tę p c z y d la syg n ałó w zm iennoprądowych - |
Tab. 1. P o d staw ow e u kład y p racy w z m a cn ia czy z tra nzystoram i unipolarnym i Układ:
z e w spólnym źródłem
ze w spólnym d renem
z e w spólną bramką
;|
praktycznych zastosow aniach rezystancja | wyjściowa rDS tranzystora jest znacznie większa niż | rezystancja obciążenia R0 i w związku z tym może | być pominięta w obliczeniach. | | | |
Współczynnik w zm ocnienia napięciow ego w zm acnlacza tranzystofowego wyznaczany jest jako stosunok zmian napięcia wyjściow ego do zmian napięcia wejściowego.
| | | |
[ Współczynnik w zm o cnien ia nap ię cio w eg o jest j stosunkowo niewielki dla tranzystorów polowych i pracujących w układzie wzm acniacza ze wspól' nym źródłem.
S c hem at
Dobór I sta b iliza cja p u n ktu pracy
W spółczynn ik w zm o c n ie nia n ap ięciow ego
średni (np. 20)
W wyniku zmian temperatury struktury półprzew od nikowej następują samoistne zm iany rezystancji ka nału tranzystora unipolarnego prowadzące do prze sunięcia punktu pracy.
< 1
R e zystancja w ejściow a
> R 0 (np. 1 M Q ) du ża (np. 5 0 kQ)
bardzo d u ża (np. 1 M n ) m ala (np, 5 0 0 Q)
m ala (np. 5 0 0 Q)
R e zystancja w yjściow a F aza n ap ięcia w yjściow e go w stosunku d o n ap ię cia w ejściow ego
w fazie przeciwnej < p - 180”
w fazie zgodnej rp — 0 ”
w fazie zgodnej
U w aga: W artości p o d a n e w tablicy d o tyczą tranzystorów potow ych m ałych m ocy
d u ża (np. 50 kQ)
199
■zewodnikowe elementy i układy elektroniczne
4.2 Pólpr:
- R° ' ^0 Rn + R D
u 2~ = g m • u u
~Qm ‘
r DS
f OS'^o r DS
y 2i s • Z0 1 + y 22s ■z o
'Zo
r DS + Z t
r PS ' R
u 1-
fos
+Zo
q
fos + dla R0 > R o ^ Z o ^ R z ,
Zo
ku = S - Z t
ku ** 9m ‘ R d
- współczynnik w zm ocnienia napię ciowego wzm acniacza (wartość bezwzględna) 9m = y2is - transkonduktancja tranzystora w układzie ze wspólnym źródłem fos ~ 1 / y22s - rezystancja w yjściowa tranzystora ZD - zastępcza im pedancja obciążenia wzmacniacza R0 - rezystancja rezystora dołączone go do źródła R0 - rezystancja obciążenia zewnętrz nego tranzystora y22s - konduktancja wyjściowa tranzy stora - zm iennoprądowa im pedancja wyjściowa wzm acniacza k„
Przykład: Określić w spółczynnik wzm ocnienia napięciowe go stopnia w zm acniacza z tranzystorem MOSFET pra cu ją cym w układzie ze w spólnym źró dłem i obciążeniem Zo= 1 0 k o , jeśli znane są na s tę p u ją c e p a ra m e try tra n z y s to ra : n a c h y le n ie c h a ra k te r y s ty k i S = 1 ,7 m A /V i re z y s ta n c ja rDS = 47 kQ. R ozw iązanie: O Fps * ZQ r DS
+Zo
Jm Al
47[kQ] • 1Q[kQ]
' I-V J ' 47[kO ] + 10[kQ] "
'
| : Punkt pracy tranzystora unipolarnego jest zdefiniowany przez wartość napięcia w stępnego bramki wzglęj j dam źródła napięcia drenu względem źródła.
q> = 0 °
Zmianom term icznym podlegają także wartości w zm ocnienia napięciowego, rezystancji wejściowej i w yj ściowej, a także m ocy prądu stałego pobieranej przez układ wzmacniający. Zmiany te m ogą dopfowadzić
200
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektmni,
Tab. 1. Metody doboru I stabilizacji punktu pracy tranzystorów unipolarnych N - kanałowy IG-FET z Izolowaną bramką i kanałem zubażanym +Ub
P - kanałowy złączowy tranzystor połowy
- kanałowy IG-FET z izolowannSL bramką i kanałem wzbogacą^J +Ub
201
; i ? paiprzewodnikowe elementy i układy elektroniczne I . nymi (rys- 1)- Układy te łączą zalety tranzystoI a unipolarny*^ i b ipolarnych. W szczególności I kładzie mieszanym ze wspólnym źródłem i wspól§ wU arT|iterem m o żliw e je s t u z y s k a n ie d u ż e g o I ^"óiczynnika wzm ocnienia mocy, natomiast poląl ^ n i e układu ze w sp ó ln y m d renem i u kła d u ze t CZęólnym kolektorem pozwala na osiągnięcie dużeI współczynnika wzm ocnienia prądowego i jednoi-czośnie niskiej rezystancji wyjściowej.
s y m b o l g ra fic z n y z g o d n y z n o rm ą EN 60617
s y m b o l g ra fic z n y w e jś c ie o d w ra c a ją c e
n a p ię c ie w y jś c io w e
ró ż n ic o w e t n a p ię c ie J U
> '
w e jś c io w e w e jś c ie
+
n ie o d w ra c a ją c e
Rys. 1. Symbol graficzny wzmacniacza operacyjnego
Dla wyeliminowania efektu ujemnego sprzężenia zwrotnego w obwodach prądu przemiennego rezystor Rs jest bocznikowany kondensatorem Cs. Wartość Wstępne napięcie polaryzujące biaffl rezystancji f lG nie powinna być większa niż 5 MQ ze względu na zapewnienie kę wytwarzane jest przez dzielnik rjl pięcia. ' " dostatecznie szybkiego odpływu I dopływu ładunków do bramki. do powstania zniekształceń liniowych i nieliniowych wzm acnianego sygnału. Z tego powodu stosowane j specjalne zabiegi polegające na s ta b iliz a c ji p u n ktu p ra cy tranzystora, tzn. uniezależnieniu parametrów nij!' m inalnego punktu pracy od zmian tem peraturowych nie tylko sam ego tranzystora, ale także elementów [ sywnych wzmacniacza. W układach wzm acniających z tranzystoram i unipolarnym i problem stabilizacji punktu pracy ma mniejsiii znaczenie niż w przypadku wzm acniaczy z tranzystoram i bipolarnym i. Po pierwsze, współczynnik tempera?' turowy zmiany rezystancji kanału jest relatywnie mniejszy (ok. 0,7 % /K) w stosunku do współczynnika te # peraturowego zmiany rezystancji wyjściowej tranzystora bipolarnego. Po drugie, współczynnik ten ma war-, tość dodatnią, co oznacza, że wzrost rezystancji kanału wywołany wzrostem temperatury na skutek wzrostO' prądu kanału przeciwdziała dalszemu wzrostowi tego prądu. W tym sensie tranzystory unipolarne wykazują, do pewnego stopnia właściwości s a m o sta b iliza cji punktu pracy. c’,i;
iwzmacniacze operacyjne są wzmacniaczami prądu f Sielego- Przeznaczone są do wzm acniania małych lsvqnalów. Charakterystyczną ich cechą jest to, że ł?posiadają nie jedno, ale dwa wejścia. Jedno z tych | w e jść nosi nazwę w e jścia nieodw racającego, drulinle _ wejścia odw racającego. Wzmacniacz opera¡1 cyjny wzmacnia różnicę napięć podawanych na wejllścle nieodwracające i wejście odwracające. Z tego ilpowodu wejście n ie o d w ra ca ją ce o znaczane jest S symbolem + , a wejście odwracające sym bolem |J(rys. 1 ). W spółczynnik wzm ocnienia w zm acniaczy »operacyjnych jest bardzo duży (np. 10 000 000). itfw zm ocnienie idealnego wzm acniacza operacyjtnego jest nieskończenie wielkie.
Qł 0 5) zakres sterowani a różnicowego nz pięcia wejściowe go L :d
I s § r +t/b I.SJ ra
v
10 5
i
'§ - 2 5 V r -10 ® -15 , o- -20 -0,2 -0,1 0 0,1 mV '8 co- -° ,3 c r óżnicowe napięcie wejśoiwe L/t — <«•U)
'-'b 0,3
Rys. 2. Charakterystyka statyczna wzmacniacza operacyjnego
i. Budowa ł w ła ściw o ści
| | Idealny wzmacniacz operacyjny powinien przy zwar l i ciu obu swych wejść (a więc przy zerowym napięciu Zastosowanie stabilizacji punktu pracy tranzystorów jest jednak celowe ze względu na występowanie z ® ! 1 j i różnicowym) generować zerowe napięcie wyjściowe. wisk zależności w zm ocnienia napięciowego od wartości prądu drenu, od wahań napięcia zasilająceOT | W rzeczywistości tak nie jest. Nawet przy zerowym oraz od rozrzutu i dryftu term icznego param etrów elementów składowych wzmacniacza. v napięciu wejściowym na wyjściu wzmacniacza poja| wia się niewielkie napięcie różne od zera (rys. 2). NaWstępne napięcie bram ki względem źródła tranzystora może być osiągnięte przez zastosowanie rezystora, | pięcie to podzielone przez współczynnik wzmocnieźródłow ego Rs, wprow adzającego ujemne szeregowe prądowe sprzężenie zwrotne (tab. 1). W przypadki!, t nia napięciowego wzm acniacza nazywane jest nawzrostu prądu drenu wzrośnie również spadek napięcia na tym rezystorze, a zatem zmaleje napięcie steru-; f pięciem niezrównoważenia. Napięcie niezrównowające Uas tranzystora, co prowadzi do sam oczynnego stabilizowania punktu pracy tranzystora. żenia wzmacniacza nie jest stałe. Dla danego egzemi» plarza może podlegać zmianom zależnym od tempeW przypadku N -kanalow ych tran zysto rów IG -FET ratury (dryft term iczny), czasu (efekt starzenia) i waz izolowaną bram ką i kanałem wzbogacanym wstęp hań napięć zasilających (rys. 3). Pojawienie się niene napięcie polaryzujące wytwarzane jest w układzie +Ub ■■ zerowego napięcia niezrównoważenia wynika glów----- o dzielnika rezystorowego. Także i w tym przypadku | nie z niedoskonałości realizacji stopni wzmacniająT1 — ►+ m ożliwe jest stabilizowanie punktu pracy przez za cych wzm acniacza. Ze w zg lę d u na b a rd zo duże T 2 r> stosowanie rezystora źródłowego. Przy wyznaczaniu • wzmocnienie napięciowe wzm acniacze operacyjne T1 o ►w spó łczyn n ika sprzężenia zw rotnego należy brać ■ złożone są zwykle z kilku stopni w zm acniających. U, rów nież p o d u w a g ę re zysta n cję za stę p czą te g o Pierwszym stopniem wzm acniającym wzmacniacza R2 Rl| Ro dzielnika, brać w tym przypadku pod uwagę także • operacyjnego jest w zm acniacz różnicow y (rys. 4). ^2f I -----------5ł — wartości rezystancji tego dzielnika. u k ła d z e w s p ó ln y m ź ró d łe m u k ła d z e w s p ó ln y m drenoi]« Różnicowy stopień wzmacniający w gałęzi emiterowej ł w s p ó ln y m e m ite re m i w s p ó ln y m ko lekto re rriłj Układy mieszane z tranzystorami unipolarnymi i bi Wyposażony jest w źródło staloprądowe. Oznacza to, polarnymi że suma prądów emiterowych płynących w obu sy Rys. 1. Uktady wzmacniające z tranzystorami un!poiar?J W zm acniacze m ogą być realizow ane w układach metrycznych gałęziach tranzystorowych jest stała. Jeśli nymi i bipolarnymi mieszanych, tzn. z tranzystoram i unipolarnym i i bizatem prąd bazy któregokolwiek z tranzystorów tego
Rys. 3. Schemat zasilania wzmacniacza operacyjnego
s c h e m a t z a s tę p c z y
R1tl „R2f| '
R1| | 0 R 1f f
™(fUb
R2| U2
\k ,
o
-U bo
Rys. 4. Wzmacniacz różnicowy I jego schemat zastępczy
202
4.2
2 półprzewodnikowe elementy i układy elektroniczne
Półprzewodnikowe elementy i układy elektron] , _
_
.—
203
Tab. 1. Parametry wybranego wzmacniacza operacyjnego (bez eJemenlów zewnętrznych) . jpezystancla wyjściowa idealnego wzm acniacza operacyjnego jest równa zeru. N azw a
Przykład
N a zw a
Przykład
W zm ocnienie
K0 = 2 0 0 0 0 ..,8 0 0 0 0
Dodatnie napięcie zasilania
d /in m x
—
W zm o cn ien ie [dB]
k 0 = 8 6 dB
Ujem ne napięcie zasilania
tfz2mnx
—
R e zystancja w ejściow a
300. kQ
Zakres napięć w yjściowych •
U iVy
—
R e zystancja w yjściow a
ą v(,= 1 5 0 Q
Dopuszczalna m oc strat
Rfnax ■
—
W ejścio w e n ap ięcie niezrów -
U a — 1 ..6 m V
Iloczyn w zm o c n ie n ia i szerokości K 0 - A f
n ow azenia
pasm a
acniacze operacyjne m ogą być sterowane w układzie różnicowym (gdy każde z wejść wzmacniacza jjM sterow ane njeza|eżnie) lub sygnałem wspólnym (gdy oba w ejścia wzm acniacza są sterowane z tego saR o źródła) (rys. 1 na poprzedniej stronie). Dla idealnego wzm acniacza operacyjnego sygnał wyjściowy t acniacza w przypadku sterowania sygnałem wspólnym powinien być równy zeru. W rzeczywistości na l^ iic iu wzmacniacza pojawia się pewne napięcie. Jeśli sygnał w ejściowy jest sygnałem zmiennoprądowym , ! możliwe jest wyznaczenie współczynnika tłum ienia w spólnego sygnału wejściowego przez wzm acniacz 4
Joperacyjny. stopnia wzrośnie (wskutek zwiększenia napięcia wej ściowego), to wzrośnie także je g o prąd em iterowy i automatycznie o taką wartość spadnie prąd emitero wy w drugiej gałęzi różnicowego stopnia wzmacniają cego. W schemacie zastępczym (rys. 4 na poprzed niej stronie) tranzystory m ogą być zastąpione, zmien nym i rezystancjam i k o le k to r-e m ite r tranzystorów . Wówczas napięcie wyjściowe Uz stopnia różnicowego będzie równe napięciu przekątnej mostka. Tranzysto ry T1 i T2 oraz rezystory R1 i R2 w ykonyw ane są w te c h n o lo g ii m o n o lity c z n o -e p ita k s ja ln e j (rozdz. 4.2.9) i lokalizowane w bezpośrednim sąsiedztwie. Zatem ich właściwości temperaturowe (współczynniki termiczne) oraz rzeczywiste tem peratury są bardzo zbliżone. Ze względu na symetrię mostka następuje zatem automatyczna kompensacja wpływów tem pe raturowych. Wynika ona także z faktu, że punkty pra cy obu rezystorów przesuwają się w tym samym kie runku. W rzeczywistości kompensacja wpływów ter micznych nie jest pełna. Prowadzi to do powstania pewnego niewielkiego napięcia różnicowego zależne go od temperatury, które jest wzmacniane przez na stępne stopnie wzmacniacza. W efekcie na wyjściu wzm acniacza pojaw ia się w yjściow e napięcie niezrównoważenia. W nowoczesnych wzm acniaczach operacyjnych stosowane są specjalne techniki (np. autozerowanie) pozw alające na sprow adzenie w artości wejściowej napięcia niezrównoważenia do warto ści rzędu ułamka (pVj. Rezystancja w ejściow a idealnego wzm acniacza operacyjnego jest nieskończenie wielka. Rezystancja wejściowa wzm acniaczy operacyjnych jest bardzo duża. Dzięki zastosowaniu tranzystorów potow ych w w e jścio w ych sto p niach w zm a cniają cych m ożliwe jest uzyskanie rezystancji wejściowej na poziomie 100 MS2-10 GQ. W rzeczyw istych układach rezystancja w yjściow a w z m a c n ia c z y je s t s to s u n k o w o n ie w ie lk a (rzę d u 10 -20 0 Q) ze względu na zastosowanie w stopniu końcowym układów w zm acniających ze wspólnym kolektorem (tab. 1 ).
? |Idealny wzmacniacz operacyjny ma nieskończenie wielki współczynnik tłum ienia napięcia wspólnego. kcM - 20 • Ig Kcm
W>'• flWspólczynnik wzm ocnienia Idealnego wzm acniacza operacyjnego nie zależy od częstotliwości sygnału t|vpjściowego. .
Ko Kcm
U2
K cmrr
l< C M R R
K„
!=Współczynnik ten nosi nazwę współczynnika ttumienia sygnału wspólnego i oznaczany jest sym bolem i f o i « 1' Współczynnik ten wyrażany jest często w mierze decybelowej i wówczas oznaczany jest symbolem kCMm■
współczynnik wzmocnienia'!;! napięciowego przy sterowali wspólnym w spółczynnik wzmocnieniami napięciowego przy sterowali wspólnym w [dB] napięcie wyjściowe napięcie wyjściowe przy sterowaniu wspólnym w spółczynnik tłumienia : sygnału wspólnego współczynnik tłumienia sygnału wspólnego w [dB]ii| współczynnik wzmocnieniais napięciowego przy sterowai|jl różnicowym współczynnik wzmocnienia) napięciowego przy sterował®! różnicowym w [dB]
fe to m ia st współczynnik wzmocnienia rzeczywistego Łyzmacniacza operacyjnego jest funkcją częstotliwo■ fid W miarę wzrostu częstotliw ości w zm ocnienie fw zm acniacza s p a d a . S p a d e k w s p ó łc z y n n ik a ¡¡¡wzmocnienia wiąże się z w ystępowaniem pojem noifści złącz PN i pojemności pasożytniczych w układzie »wzmacniacza. Przy pewnej określonej wartości czę'iilolliwości współczynnik wzmocnienia osiąga wartość |;j(0= 1. Częstotliwość tę nazywamy częstotliwością odcięcia lu b c z ę s to tliw o ś c ią w z m o c n ie n ia ;i jednostkowego i oznaczamy symbolem f1. Wraz ze jfwzrostem częstotliwości rośnie także przesunięcie pflazowe sygnału wyjściowego w stosunku do sygna■fluwejściowego (rys. 1 ). Jeśli wzmacniacz pracuje w układzie z ujemnym sprzęf żeniem zwrotnym (co jest normą), to przesunięcie tazo.fwe może osiągnąć dla pewnych częstotliwości wartość .{¡równą -180°. Jeśli dla tej częstotliwości wzmocnienie jest większe od 1 , to w układzie wzmacniacza wystąpi zamiast ujemnego, dodatnie sprzężenie zwrotne pro wadzące do utraty stabilności wzmocnienia. Na wyj ściu wzmacniacza pojawią się oscylacje. Na rys. 1 wa runek utraty stabilności występuje dla częstotliwości ok. 2 MHz. Dla wyeliminowania możliwości powstania drgań samowzbudnych stosuje się tzw. kompensację częstotliwościową. W większości wzmacniaczy ope racyjnych stosowana jest kompensacja częstotliwo ściowa wewnętrzna, polegająca na zintegrowaniu ze strukturą wzmacniacza specjalnych elementów kom pensacyjnych (zwykle typu RC). W niektórych przy padkach stosowana jest rów nież kom pensacja ze wnętrzna (rys. 2). Elementy kompensujące są tak do bierane, aby częstotliwość przesunięcia fazy o -180° wystąpiła powyżej częstotliwości odcięcia f,. 1an3- Cornmort M o d o R o je ctlo n R a tio = w sp ó łc z y n n ik tłu m ie n ia BV9nalu w sp ólne g o
Rys. 2. Ilustracja sposobów kompensacji częstotliwoś ciowej wzmacniacza operacyjnego
4.2
W zakresie liniow ego opadania charakterystyki czę stotliwościowe] skom pensow anego częstotliwościowo wzmacniacza operacyjnego (rys. 1 na poprzed niej stronie) iloczyn w zm ocnienia, i częstotliw ości jest stały. Oznacza to, że im wyższe jest wzm ocnie nie, tym niższe jest pasm o przenoszonych częstotli w ości. O siągnięcie w yso kie g o w zm ocnienia, przy zapew nieniu wysokiej czę stotliw ości, w ym aga za tem stosowania kilku szeregowo połączonych stop ni wzm acniających.
ft = K ■B
IwO ~ ~ 4m
tg B
częstotliwość wzm ocnienia jednostki#, go w układzie z otwartą pętlą sprzężefjgf zwrotnego (K0 = 1) :,;vJ w spółczynnik wzm ocnienia nap'-rs,-),.if!S górna częstotliwość graniczna szerokość pasma przetwarzania
z tym napięcie wyjściowe wzm acniacza i . . / , r t n O /A miało wartość
z w ią z k u
b ę d z ie
Uyy ——A; ' R:; ÍUb ¿?VVy ■ ‘ U\\’Q ‘ Rs/Rwoi po
r „£22 PI
węzeł S
a “
Rs
symbol '
graficznyl
___ I--------
__
•
uwzględnieniu, że
jak widać, napięcia wejściowe i wyjściowe są prze ciwne cc do znaku. Je d n o c z e ś n ie w a rto ś ć bezwzględna współczynnika wzm ocnienia napięciow e g o jest rów na s to s u n k o w i re z y s ta n c ji R s/R wo. W przypadku, gdy rezystancje te są identyczne, to:
l> 00
P rzykład: Dobrać wartości rezystancji rezystorów Rwo i R, w układzie inwertera jak na rys. 1 na poprzedniej stronie tak, aby zm ianom napięcia wejściowego w granicach ± 1 V odpow iadały zm iany napięcia w granicach ± 10 V. R ozw iązanie: Współczynnik wzmocnienia napięciowego w ukła dzie wynosi
4 — v6 * Rwc •
W zm acniacze o p e ra cyjn e w yko rzystyw an e są do w yko n yw a n ia o p e ra cji arytm e tyczn ych na syg n a łach analogowych. W ykorzystywane są również do budow y układów filtrów aktywnych, przetworników analogow o-cyfrow ych i cyfrow o-analogow ych oraz źródeł prądowych.
K,
Uu, Uw
1 0 ÍVJ = 10 . ’ 1 [V]
Dobieramy wartość rezystora Rwo = 10 k£2. War to ś ć rezysta n cji rezysto ra w to rze sprzężenia zwrotnego Rs = Ku ■Rwo = 10 • 10 [kQ] = 100 k fi.
“ —łAyf?. sym bol g ra fic z n y
Uwo +
---------L - J -----
Wzmacniacz nie o d w ra ca ją cy Wzmacniacz odw racający poza inwersją znaku do' konuje również w zm ocnienia sygnału w e jścio w e go. Układ wzm acniacza nieodwracającego w zm ac nia sygnał bez zm iany je g o znaku. T ypo w y układ wzmacniacza nieodw racającego przedstaw iono na rys._1 .
Rys. 1. Wzmacniacz odwracający (inwenter)
/i~ 0
*1
p ,~ 0
R 0
.
0 00 Uw a
+
,
N
U vi y
■O
węzei S Rwo '
Rys. 2. Schemat zastępczy wzmacniacza do wyznaczani! napięcia wyjściowego
u wy = - ...R p u
W układzie inwertera zrealizow ano ujem ne p rą d o we sprzężenie zw rotne przez p o łą cze nie w yjścia wzm acniacza z jego wejściem odwracającym przez rezystor Ra. Można założyć, że ze względu na bar dzo duże w zm ocnienie wzm acniacza operacyjnego różnicow e napięcie w ejściow e je st w przybliżeniu równe zeru. A zatem napięcie U 1 nieodwracającego wejścia wzm acniacza jest w przybliżeniu równe na pięciu na wejściu odwracającym , tzn. jest równe ze ru. Jeśli zaniedbam y prąd w ejściowy (/, - 0), to do węzła S (rys. 2) piyną identyczne co do wartości,
kie, że
U -K -ta
4.2.12.4 Zastosowanie wzmacniaczy i operacyjnych
W u k ła d z ie Inw e rte ra (rys. 1) napięcie wejściowe Uwe doprow adzane jest do wejścia odwracającego w z m a c n ia c z a o p e ra c y jn e g o p rze z re zysto r Rwo. Drugie wejście wzm acniacza przez rezystor RQ do łączone jest do potencjału odniesienia. W artość re zystancji R q jest dobrana w taki sposób, aby rezy stancja widziana od strony obu wejść wzm acniacza była Identyczna. W tym przypadku następuje skom p e n sow an ie n a p ię ć w yn ika ją cych z n le zerow ych prądów polaryzujących bazy obu tranzystorów róż n ic o w e g o s to p n ia w e jś c io w e g o w z m a c n ia c z a (rozdz, 4.2.12.3).
205
przeciwnie skierowane prądy lw0 i /s, a więc ta Iloczyn wzm ocnienia i szerokości pasma ?
Iloczyn górnej częstotliwości granicznej i w zm oc nienia wzm acniacza operacyjnego jest stały.
W zm acniacz o d w ra ca ją cy (in w e rte r) W zm acniacz odwracający dokonuje zamiany znaku napięcia w ejściow ego na przeciwny. W przypadku napięcia przem iennego w zm acniacz odw racający przesuwa fazę sygnału w yjściowego względem sy gnału wejściow ego o 180°. W takim przypadku m ó wim y o o d w ró c e n iu lub In w e rsji fazy.
, półprzewodnikowe elementy i układy elektroniczne
Półprzewodnikowe elementy i układy-----elektrnm.
s
. u
u wo
»i we
U„y UWB Rs Rwa Ku
-
il
204
lo — Is
U wy Uwa
Napięcie wejściowe Uwa doprowadzane jest do nie odwracającego wejścia wzmacniacza operacyjnego przez rezystor Rwo. Prąd pobierany ze źródła sygna łu jest bardzo mały. Drugie w ejście wzm acniacza dołączone jest z jednej strony przez rezystor RQ do potencjału odniesienia, a z drugiej strony przez re zystor Rs do wyjścia wzmacniacza. Prąd sprzężenia zwrotnego ls przepływa zatem przez szeregowo po łączone rezystory Rs i RQ. Ponieważ potencjały obu wejść w zm acniacza są w p rzyb liże n iu rów ne, to prąd ten może być wyznaczony z równania
j<
¿Avo Rs «O
Napięcie wyjściowe Utvy będzie większe od napięcia wejściowego o wartość spadku napięcia na rezysto ra«,.. Stąd
=
Uwo
U wo/R q1
Rwo
napięcie wyjściowe napięcie wejściowe rezystancja sprzężenia zwrotneg rezystancja opornika wejściowe w spółczynnik wzm ocnienia napięciowego z zamkniętą pętlą ujemnego sprężenia zwrotnego.
Rys. 1. Wzmacniacz nieodwracający
Ku
= 1 +
Rs Ra
- napięcie wyjściowe -'T T : - napięcie wejściowe - rezystancja pierwszego rezystora sprzężenia zwrotnego - rezystancja drugiego rezystora sprzężenia zwrotnego - w spółczynnik wzm ocnienia napięciowego układu
l~lwy ” ć/,v0 (1 + RyJRo) ■
Wzmocnienie wzmacniacza nieodwracającego jest nie mniejsze od 1 .
206
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy ełektroni02ri"
P rze tw o rn ik im p e d a n c ji (w tó rn ik n a p ięcia)
207
, półprzewodnikowe elementy iu k la d y elektroniczne
NiaDięcie wyjściowe wzm acniacza różnicow ego jest równe ważonej różnicy napięć wejściowych.
W stosunku do przetw ornika im p ed a n cji wym aga się, aby charakteryzował się dużą rezystancją wej ściową i niską rezystancją wyjściową.
I’ ¿|j współczynniki wzm ocnień K, i Kz są identyczto napięcie wyjściowe wzm acniacza jest równe Umocnionej różnicy napięć wejściowych. Stąd też p o c h o d z i nazwa tego typu wzmacniacza.
Idealny przetwornik im pedancji ma nieskończe nie wielką im pedancję wejściową i zerową impedancję wyjściową.
' yyzmacniacze różnicowe stosow ane są w ukła dach wzmacniania sygnałów przesyłanych linia. mi symetrycznymi.
Cechy zbliżone do idealnego przetwornika impedancji ma układ wzm acniacza nieodwracającego (rys. 1 ), w którym przyjęto następujące wartości rezystancji
Rys. 1. Wzmacniacz różniczkujący
Niestety, współczynnik Kz nie może być mniejszy od 1. Stąd do odejm owania napięć stosow any jest rów nież układ sumatora wielowejściowego. W tym przy padku odejmowane napięcie podawane jest na je d no z wejść sum atora po uprzednim dokonaniu in wersji jego znaku w dodatkow ym wzm acniaczu od wracającym.
W takim przypadku wzmocnienie ma wartość 1 i na pięcie wyjściowe jest identyczne jak napięcie wejścio we. Układ taki nazywamy również układem w tórnika napięciow ego. W zm acniacz su m u ją cy
W zm acniacz r ó ż n ic z k u ją c y
Wzmacniacz sum ujący umożliwia realizację operacji sumowania i wzm acniania sygnałów pochodzących z różnych źródeł (rys. 2 ).
Wzmacniacz różniczkujący jest szczególnym typem wzmacniacza odwracającego, w którym w miejsce rezystora w ejściowego RWG w łączono kondensator
W zm acniacz su m u ją cy je st w istocie rozw iniętym w ie lo w e jścio w ym w zm a cniacze m o d w ra ca ją cym . Ze względu na fakt, że napięcie wejścia nieodwra cającego w zm acniacza je st w przybliżeniu rów ne zeru, to zachodzi zależność
C„e (rys-1). ■ Wzmacniacz różniczkujący ma właściwości filtru górnoprzepustowego. U Wy
—
Avo 1: ‘h ł'.vc2 "h ¡we 3 :
U
W0| ' p
-ł-
n WQ 1
U
wo2 ' »
+
< *w q 2
U
w03 ’ “ f~ l . *. 'm W03
Stąd ■
! U w o] ' p
1
t
U
'UV01
W02
*r
1
1
I- U w e 3 ' —
’ •W02
1
'w o3
a zatem napięcie wyjściowe jest sumą ważoną na pięć w ejściow ych. W spółczynnikam i w agow ym i są o d w ro tn o ś c i rezystancji o p o rn ik ó w w e jścio w ych . W przypadku, gdy wszystkie rezystory są identycz ne, to -U w
Uwy Uwoi Rs Rwai
~ ~
napięcie wyjściowe ;"4e napięcie wejściowe .ą rezystancja opornika sprzężenia zwrotnego] rezystancja i-tego opornika wejściowego!
Wzmacniacz c a łk u ją c y (in te g ra tor) Wzmacniacz c a łk u ją c y je s t s z c z e g ó ln y m ty p e m wzmacniacza odw racającego, w którym w miejsce rezystora sprzężenia zw rotnego Rs w łączono kon densator Cs (rys. 3).
UM
W zm acniacz ró ż n ic o w y W zm acniacz złożonym ze wracającego. nocześnie na żyć
różn ico w y je s t u kładem m ieszanym wzm acniacza odwracającego i nieod Napięcia wejściowe podawane są je d oba wejścia (rys. 3). Jak łatwo zauwa
Wzmacniacz całkujący ma właściwości filtru dolnoprzepustowego. 0 —----------------------------------------Li----
— Ą
U\Vy ~ K 2 ‘ UwQ2 ~
Jeśli do wejścia w zm acniacza zostanie d o p ro w a dzony sygnał o kształcie prostokątnym (rys. 2 ), to przy każdym skoku napięcia na jego wejściu będzie obserwowany im p u ls s z p ilk o w y na je g o wyjściu. W przypadku, gdy na wejście zostanie podane na pięcie liniowo narastające, to napięcie w yjściow e przyjmie stalą wartość. W przypadku, gdy na w ej ście zostanie podany przebieg sinusoidalnie zm ien ny, to na wyjściu pojawi się również przebieg sinu soidalnie zmienny, ale przesunięty w fazie o 90°.
'M e /ij
' Uwol • Rys. 3. Wzmacniacz różnicowy
%
Jeśli do wejścia wzmacniacza zostanie doprowadzony sygnał o kształcie prostokątnym (rys. 1 na następnej stronie), to przy każdym dodatnim skoku napięcia na jego wejściu będzie obserwowany przebieg linio wo opadający, a przy każdym ujemnym skoku na pięcia będzie obserwowany przebieg liniowo nara-
W przypadku sinusoidalnego napięcia wejściowego
W przypadku ogólnym A Um Ai Uwy Uwg Rs
K,i — Rs ' u>' Cw
- napięcie wyjściowe - napięcie wejściowe - rezystancja opornika sprzężenia zwrotnego Cwo - pojem ność w torze wejściowym AUwo - zm iana napięcia w ejściowego At - odcinek czasu, w którym następuje zm iana AL/^g Ku - współczynnik wzm ocnienia napięciowego w - pulsacja sygnaiu w ejściowego
.'itiiPU R® ;
2 półprzewodnikowe elementy i ukiady elektroniczne
4.2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektronicy
208 stający. W przypadku, gdy na wejście zostanie po dany skok jednostkowy, to napięcie wyjściowe bę dzie spadato liniowo. W przypadku, gdy na wejście zostanie podany przebieg sinusoidalnie zmienny, to na wyjściu pojawi się również przebieg sinusoidal nie zmienny, ale przesunięty w fazie o 90°.
(0 Czy efekt przebicia elektrycznego niszczy złącze PN? ff •
j
i
—
rn —
Jaką rezystancję należy włączyć szeregowo z diodą spolaryzowaną w kierunku przewodzenia, aby ograniczyć j przewodzenia diody do wartości lF= 100 mA, jeśli dioda I rezystor zasilane są ze źródła napięcia stałego o napięciu 5 V? Spadek napięcia UF na diodzie, przy prądzie /p =100 mA, wynosi 0,72 V.
12
Czy tranzystor jest półprzewodnikowym elementem jednoztączowym? W jaki sposób należy spolaryzować elektrody tranzystora NPN, aby wprowadzić go w stan przewodzenia?
14
W jaki sposób należy spolaryzować elektrody tranzystora PNP, aby wprowadzić go w stan przewodzenia? Na czym polega różnica pomiędzy stałoprądowym współczynnikiem wzmocnienia prądowego, a zwarciowym współczynnikiem wzmocnienia prądowego tranzystora?
16 Jaki prąd kolektora popłynie w prawidłowo spolaryzowanym tranzystorze NPN, jeśli zostanie odłączona eleki ’ troda bazy? ¡1 7 Czy i ewentualnie w jakich warunkach przekroczenie granicznej dopuszczalnej mocy całkowitej tranzystora ■ jest dopuszczalne? i czy wartości parametrów czwórnlkowych tranzystora są zależne od wyboru punktu pracy?
w e jś c ie
f/n,n
209
rU'— f°
Cs Ktl
2n ■R , • Cs
i 19 Jaka jest rezystancja dynamiczna tranzystora, w którym przy stałym prądzie bazy płynie prąd kolektora | (c = 5,91 mA przy napięciu kolektor-emlter UCE = 2 V i prąd łc = 5,99 mA przy napięciu kolektor-emiter | UCE = 10 V?
- częstotliwość graniczna filtru ¡Si - rezystancja rezystora w torze sprzężenilf zwrotnego ’1 - pojem ność w torze sprzężenia zwrotr - wzm ocnienie w paśmie przepustowym?!
i 20. Zdefiniuj parametry graniczne tranzystora. 121. Czy parametry statyczne tranzystora zależą od wyboru punktu pracy tranzystora? j 22 . Wymień podstawowe parametry dynamiczne tranzystora. ! 23 , Na czym polega konfiguracja tranzystora w układzie wspólnego emitera? i 24, Czym się różni fototranzystor od fotodiody? i 25. Jaka jest zasadnicza różnica pomiędzy tranzystorami bipolarnymi i unipolarnymi?
I
i’26. Na czym polega efekt połowy w tranzystorach unipolarnych? 127. Jaka jest różnica pomiędzy tranzystorami unipolarnymi złączowymi a tranzystorami z efektem polowym?
F iltr a ktyw n y Przy użyciu wzm acniaczy operacyjnych szczególnie łatwe jest budow anie filtrów aktywnych pracujących-, w zakresie małych częstotliwości. Filtry takie znajdują zastosowanie np. w układach eliminujących szumy i zakłócenia w torach pom iarowych. Istnieje wiele rodzajów i układów filtrów aktywnych. Filtr aktywny jest układem o w łaściwościach wzm acniająco-filtrujących. Zajm iem y się tutaj jednym przykładowym rozwiązaniem. Jeśli np. we wzmacniaczu odwracającym do rezy stora sprzężenia zwrotnego R zostanie dołączony kondensator Cs, to otrzym amy filtr dolnoprzepustowy (rys. 2). Im pedancja kondensatora dla wysokich częstotliwości jest niska, a zatem w przypadku dużych częstotliwości w ejściowych współczynnik wzm ocnienia będzie również niski. W przypadku niskich częstotliwo ści im pedancja kondensatora jest bardzo wysoka, a zatem nie będzie on mial większego wpływu na współ czynnik w zm ocnienia w tym zakresie częstotliwości. W tym zakresie częstotliwości filtr będzie mial wzmoc nienie identyczne jak w układzie odwracającym bez kondensatora Cs. -s
i 28. Jaka jest główna przyczyna ograniczenia górnej częstotliwości granicznej pasma przenoszenia tranzystorów !■ polowych? ; 29. Dlaćzego tranzystory polowe są wrażliwe na uszkodzenia ładunkiem elektrostatycznym? 30. Podaj stosowane zabezpieczenia tranzystorów polowych przed uszkodzeniem, i 31. Jakie jest pole zastosowań dla dwubramkowych tranzystorów polowych? >32. Wymień podstawowe parametry tranzystorów FET. 33. Jakie są wymagania stawiane konstrukcjom polowych tranzystorów mocy? 34. Podaj zalety tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką. 35. Czy unipolarne tranzystory złączowe posiadają Izolowaną bramkę? 36. Czym się różni stan odcięcia od stanu zatkania tranzystora? 37. Co to jest stan przewodzenia tranzystora? 38. Jakie są typowe obszary zastosowań tranzystorów niskich częstotliwości? 39. Z jakich podstawowych stopni wzmacniających złożony jest wzmacniacz małych częstotliwości?
jt
i
j
,
^ „
L. L
i . „ .. i. ........................................................ J - L - _____ _
1. Na czym polega i od jakich czynników zależy przewodnictwo samoistne półprzewodników? 2.
Jakie nośniki są nośnikami większościowymi w półprzewodniku typu P?
3. W jaki sposób powstaje warstwa zaporowa w złączu PN? 4. Od czego zależy pojemność warstwy zaporowej? 5. Czy możliwe jest powstanie warstwy zaporowej na styku metal-pótprzewodnik? 6.
Jak należy spolaryzować diodę w kierunku zaporowym?
7. Jakie parametry graniczne są istotne w diodach półprzewodnikowych? 8.
Dlaczego diodę Zenera należy polaryzować w kierunku zaporowym?
9. Jakie są sposoby ograniczania wartości prądu diody?
40. Na czym polega dopasowanie energetyczne źródła i odbiornika sygnału? 41. Kiedy tyrystor jest spolaryzowany w kierunku blokowania, a kiedy w kierunku zaporowym? 42. Co to jest prąd podtrzymania tyrystora? 43. W jaki sposób może być wyłączony tyrystor pracujący w obwodzie prądu stałego? 44. Kiedy tyrystor ulega samoczynnemu wyłączeniu? 45. Dlaczego stromość napięcia blokowania w tyrystorach powinna być ograniczana? 46. Czy i w jakich warunkach tyrystor może być wyłączany prądem bramki? 47. Jaka jest różnica pomiędzy tyrystorem a triaklem? 48. Wymień zastosowania diaka. 49. W jakim zakresie napięć sterowania diak charakteryzuje się ujemną rezystancją dynamiczną? 50. Na czym polega sterowanie mocą odbiornika w układzie z opóźnieniem kąta zapłonu?
i
210
4,2 Półprzewodnikowe elementy i układy elektronicy
,
51. Czym się różni strumień świetlny od natężenia oświetlenia? 52. Czy rezystancja fotorezystora zależy od strumienia świetlnego, czy od natężenia oświetlenia?
13
f*T«nr m
54. Jak jest zdefiniowany i z czego wynika prąd ciemny fotodiody?
w yktadacb logicznych sygnały m ogą przyjm ować jedną z dwóch określonych wartości: 0 lub 1. Te binar ne jdwuwartościowe) sygnały są przetwarzane, pamiętane I wysyłane do obiektu sterowania jako sygnały
55. Jaka jest różnica pomiędzy fotodiodą i fotoogniwem?
sterując®-
56. Dlaczego diody lumlnescencyjne emitują promieniowanie widzialne?
pojedynczy znak binarny nazywa się bitem.
53. Na czym polega wewnętrzny efekt fotoelektryczny?
57. W jakim celu konstruowane są wskaźniki LED?
: przetwarzanie s ygn ałów binarnych opisuje a lg e b ra d w u w a rto ś c io w a (alg eb ra log iki, alg e b ra
58. Podaj zastosowania transoptorów. 59. Czy stosowanie radiatorów polepsza sprawność energetyczną przyrządów półprzewodnikowych?
j 0 oole'a1)-
■i
60. Na czym polega technologia planarno-epitaksjalna wytwarzania układów scalonych?
43.1 sygnały i kody
61. Scharakteryzuj różnice technologii grubo- i cienkowarstwowych wytwarzania układów scalonych. 62. Z jakich podstawowych elementów składa się zasilacz prądu stałego? 63. Co to jest prostownik? 64. Co to jest prostownik jednopulsowy? 65. W jakim celu w układach prostownikowych stosowane są kondensatory wygładzające? 6 6 . Jakie są zalety prostownika dwupulsowego w stosunku do prostownika jednopulsowego? 67. Jaka rolę pełni układ stabilizatora napięcia? 6 8 . Podaj podstawowe typy układów stabilizacji napięcia........................................................................................ ...
'Ą
69. Czy stabilizator prądu jest odporny na zwarcia w obwodzie wyjściowym? 70. Czy rezystancja obciążenia stabilizatora prądu może być dowolna? 71. Jaka jest różnica pomiędzy współczynnikiem wzmocnienia I współczynnikiem tłumienia?
i' ,
72. Zdefiniuj pojęcie decybela. 73. Co to jest charakterystyka przenoszenia? 74. Na czym polegają zniekształcenia liniowe sygnału? 75. Z czego wynikają zniekształcenia nieliniowe sygnału? 76. Podaj podstawowe układy pracy wzmacniaczy tranzystorowych. 77. W jaki sposób definiowany jest punkt pracy tranzystora? 78. Jakie są metody stabilizacji punktu pracy tranzystora?
I Sygnały dwuwartościowe, reprezentowane przez dwie różne wartości 1 i 0, m ogą oznaczać różne stany, np, włączony (1) i wyłączony (0), zwarty (1) i rozwarty (0), lewy (1) i prawy (0), napięcie 5V (1) i 1V (0). Sy■ gnały mogą być przenoszone mechanicznie, pneum atycznie lub elektrycznie (prądowo lub napięciowo), f: Najczęściej przetwarzanie sygnałów realizowane jest na drodze elektronicznej. W grupie układów scalonych 5 przykładem znanej realizacji jest technika T TL (ang. Transistor-Transistor-Logic), o znam ionowym napięciu i' przełączania 5 V. Dla sygnału 1 wartość napięcia powinna zawierać się pom iędzy 2,4 V i 5,5 V, a dla sygnału ' O pomiędzy 0 V i 0,4 V. Obecnie popularna jest technika CM OS (ang. Complementary-Symmetrical Metał$xide-Semiconductor). | Wartościami bin a rn ym i 0 i 1 m ożna kodow ać inne znaki, np. cyfry (znaki numeryczne), litery (znaki alfanuImeryczne) i znaki specjalne (np. przecinek). Za pom ocą trzech cyfr dw ójkow ych (bitów) można zakodować ji ¡4 = 8 liczb, za pom ocą 4 bitów już 16 znaków (np. liczb). X
' !,Wurządzeniach cyfrowych najczęściej stosowany jest naturalny kod dwójkowy (BCN, ang. Binary Coded Natural), w którym znaczenie znaków zależy od ich pozycji - każdej pozycji przyporządkow ane jest określo ne znaczenie (tzw. waga). W zapisie liczby dwójkowej (binarnej) pierwsza cyfra od prawej strony ma znacze. nie 2° = 1, następna z lewej 2 1 = 2 , trzecia 2 2 = 4 itd. Miejsca po przecinku m ają odpow iednio wagi: f. 2"' = 1/2 = 0,5, następna 2 ~2 = 1/4 = 0,25 itd. Znakowi 0 przyporządkow ana jest zawsze wartość zerowa. ' Stosując taki zapis pozycyjny, można przedstawić dow olną liczbę dziesiętną w postaci liczby binarnej.
79. W jaki sposób można oszacować współczynnik wzmocnienia prądowego układu wzmacniacza tranzystorowegi ze wspólnym emiterem? 80. Proszę określić moc strat wzmacniacza tranzystorowego. 81. W jakim celu we wzmacniaczach stosowane jest ujemne sprzężenie zwrotne? 82. Wymień podstawowe rodzaje sprzężeń zwrotnych stosowanych w układach wzmacniających. 83. Podaj różnice w konstrukcji I właściwościach wzmacniaczy klasy A, B i AB. 84. Wymień podstawowe układy wzmacniaczy z tranzystorami unipolarnymi. 85. W jaki sposób definiowany jest punkt pracy tranzystora unipolarnego? 86.
Na czym polega zjawisko samostabllizacjl punktu pracy tranzystorów unipolarnych?
87. Jakie są podstawowe metody stabilizacji punktu pracy tranzystorów unipolarnych? 8 8 . Zdefiniuj
pojęcie wzmacniacza operacyjnego.
89. Co to jest napięcie nlezrównoważenla wzmacniacza operacyjnego? 90. Co to jest współczynnik tłumienia sygnału wspólnego? 91. Jaką operację arytmetyczną na sygnale wejściowym wykonuje Inwerter? 92. Jakie jest przesunięcie fazowe pomiędzy sygnałem wejściowym i wyjściowym wzmacniacza nleodwracająci 93. Jaką wartość ma wzmocnienie napięciowe wtórnika napięcia? 94. Dlaczego wzmocnienie wzmacniacza różnicowego nie może być mniejsze niż 1? 95. Czy wzmacniacz różniczkujący charakteryzuje się płaską charakterystyką przenoszenia sygnału? 96. Czy wzmacniacz całkujący całkuje sumę napięcia sygnału wejściowego I własnego napięcia niezrównoi nia?
. Przykład 1: ■ Jakiej liczbie binarnej odpow iada liczba dziesiętna 13? : Rozwiązanie: 13 = 8 + 4 + 1 = 1 • 2 3 + 1 • 22 + 0 ■2 1 + 1 ■2° - 1 1 0 1 ! Przykład 2 : ' Jakiej liczbie dziesiętnej odpow iada liczba binarna 11001? Rozwiązanie: • -1 1 0 0 1 ■ 1 ■2" + 1 • 2 3 + 0 • 2 2 + 0 ■2 1 + 1 • 2° = 16 + 8 + 0 + 0 + 1 = 25 Przykład 3 : Jaką wartość liczby dziesiętnej ma liczba binarna 10 1,0 11 ?
Rozwiązanie: , 101,011 a 1 • 2 2 + 0 • 2 1 + 1 ■2° + 0 ■2 - 1 + 1 • 2 "2 + 1 ■2 -3 = 4 + 1 + 0,25 + 0,125 = 5,375 Kod dwójkowo-dzieslętny (BCD, ang. Binary Coded Decim al) umożliwia kodowanie dwójkowe cyfr systemu dziesiętnego w różny sposób (tab. 1 na następnej stronie). Na przykład cyfrze 7 w kodzie 8-4-2-1 (natural ny kod dwójkowy) odpow iada liczba dw ójkowa 0111, w kodzie 5-2-1-1 liczba dwójkowa 1011, a w kodzie 2-z-5 liczba dwójkowa 10001. Do zakodowania cyfr od 0 do 9 niezbędne są co najmniej 4 bity, ale często Georga Booio (1815- 1864) - angielski matematyk
4-3 Uktadyjoiji,,
212
213
^ iik la dy logiczne
liczby dziesiętne są kodowane za pom ocą większej liczby bitów, np. w ko dzie 1-Z-10 kolejnym cyfrorr» q temu dziesiętnego odpow iada tylko jedna 1 w zapisie dwójkowym , np. siódemce 10000000. ^ algebrze dwuwartościowej funkcję koniunkcji za pisuje się następująco: x = a a b (wymawiaj: x rów Kody. BCD z więcej niż 4 bitami dla jednej dekady dziesiętnej są szczególnie przydatne do kodowego zabeźjjŚj czenia przed błędem odczytu i przed błędem przekazania informacji. Na przykład w kodzie 2-Z-5 dla każdej» fry dziesiętnej muszą być przestane dwa bity o wartości 1 i. trzy bity o wartości 0. Wynikający z odczytu blądjSl z powodu uszkodzonej diody, trzech bitów o wartości 1 , może być rozpoznany automatycznie przez układ'-® bezpieczający. Kody, które do szyfrowania wykorzystują więcej bitów, niż jest to niezbędne, określa się jako;if. dundantne (nadmiarowe). Redundancja stosowana jest do rozpoznawania błędów i do samoczynnej kórffl cji błędów.
ne s i &)• 1Na wyjściu elementu koniunkcji (bramki I) poja w ia si? sygnsil o wartości 1 tylko wtedy, gdy oba | sygnaty wejściowe mają wartość 1 . <’
ryS, -| przedstawiono schemat obwodu scalonezawierającego cztery bram ki I. Sym bol bram ki
+ubfc\ F il [Îil IÏÏ1 [ÎÔ1 [FI |T1
i
—W i-8i
W*
IjjLiJLlJLULsJLsJLzJ^
i: | zawiera znak &. r przykłady realizacji fu n kcji ko niunkcji w układach e|ei
Tab. 1. Kody BCD Cyfra kod 8-4-2-1 kod 2-4-2-1 dziesiętna
kod 5-2-1-1 kod plus 3
kod kroczą- kod 2-Z-5 cy BCD
k o d 1 -z-10
di 0 Waga pozycji
4 2 1 I wartość 1 ,
2 4 2 1 □
5 2 11
brak
brak
7 4 2 10
■ -
i
i
^ ¡§
■
-
i
i
i
1
9 8 7 6 5 4 3 2 1^1
wartość 0
Długość zapisu w postaci zakodowanej podaje się w bitach, np. liczbom dwójkowym o długości 4 bitów odpow iadają liczby dziesiętne od 0 do 15. Dla długości 8 bitów przyjęto nazwę bajt (oznaczenie B). , 1 bajt 1 B = 8 bitów 1 kilobajt 1 KB = 2 10 B 1 m egabajt 1 MB = 2 20 B ' £ 1 gigabajt 1 GB = 230 B -Jj 1 terabajt 1 TB = 2 40 B
4.3.2 Elementy układów logicznych Sygnały dwuwartościowe, np. elektryczne pochodzące z łącznika krańcowego łub z przekaźnika czasowago, wprowadzane są do elementów, z których zbudow any jest układ sterowania binarnego. Zwykle wysokie mu poziom owi napięcia H przypisywana jest wartość sygnału 1 i odpow iednio sygnał 0 niskiemu poziomowi napięcia L —taki sposób przyporządkowania napięć nazywa się logiką dodatnią. Najczęściej stosowanymi elementami układów binarnych (bramkami) są obwody scalone ri jące podstawowe funkcje logiczne: • • • • •
Rys. 1. Obwód scalony z czterema bramkami I
koniunkcji - bram ka I (AND), a lte r n a ty w y -bram ka LUB (OR), n eg a c ji- bram ka NIE (NOT), negacji koniunkcji - bram ka NIE-I (NAND), negacji alternatywy - bram ka NIE-LUB (NOR).
. Wtablicy funkcji (tab. 1) podane są wszystkie możliwe kombinacje wartości sygnałów wejściowych a, b i odpowied nie dla funkcji koniunkcji wartości sygnału wyjściowego x. Jeżeli na wejścia a, b podany jest sygnał 0, to także na wyjście x dostarczany jest sygnał 0. Wprowadzając na wejście a sygnał 0 i na wejście b sygnał 1 lub odwrotnie - na wejście a sygnał 1 i na wejście b sygnai 0, uzyskuje się również sygnał wyjściowy 0. Tylko w przypadku, gdy sygnały wejściowe a i b są jedynkami ( 1 ), sygnał wyjściowy jest także jedynką (1 ). Elektryczną realizację funkcji I osiąga się przez szeregowe połączenie zestyków. Tylko wówczas, gdy zestyki 1 - 8(6 są zwarte, popłynie prąd przez cewkę przekaźnika i przełączony (zwarty) zostanie zestyk x. i Elektronicznie funkcję I realizuje się na wiele sposobów, zależnie od rodzaju użytych elementów półprzewodni kowych. Na przykład przez rezystor R płynie prąd (względnie na rezystorze R pojawi się napięcie) tylko wówczas, i jeżeli na bazy dwóch tranzystorów a i b przyłożone zostanie napięcie sterujące. i Mechaniczne działanie I można zrealizować na przykład dźwigniami kolanowymi. Tylko wówczas, gdy oba trzpie-■; nie a i 5 są wsunięte (sygnał 1 ), trzpień x wysunie się w prawo (sygnai 1 ). ! Pneumatyczne działanie I można uzyskać przez szeregowe połączenie dwóch zaworów rozdzielających m ono-; stabilnych, uruchamianych np. przez sygnały ciśnieniowe. Oba zawory mają określone położenia spoczynkowe. Po podaniu ciśnień (sygnał 1 ) do obu przyłączy sterujących zaworów w przyłączu x pojawi się także sygnał c iś n ie -; mowy. W pneumatyce jako elementy koniunkcji stosowane są przeważnie zawory podwójnego sygnału.
» lifty *
215
yKłady logiczne
214
4.3.2.2 Bramka LUB (ORJ
s y m b o l e le m e n tu
W algebrze d w u w a rto ścio w e j fu n kcję alternatyw y zapisuje się następ u ją co : x = a v b (w ym aw iaj: x równe .a lub b).
£i_ e?
• >1
X
e2 .
>1
en x
Na wyjściu elementu alternatywy (bramki LUB) pojaw ia się sygnał o w artości 1 , jeżeli na je g o ; jedno wejście lub drugie wejście lub oba wejścia podany zostanie sygnał 1. Sygnał w yjściowy jest ; rów ny 0 ty lk o w ów czas, g d y oba sygnały weji. ściowe mają w artość 0 (rys. 1). Symbol bramki | : LUB zawiera znak a 1. Przykłady realizacji funkcji alternatywy w układach e le k try c z n y c h , e le k tro n ic z n y c h , m e ch a n iczn ych i pneum atycznych przedstawiono w tab. 1 .
e i
= e iv e a v
układy realizacji funkcji negacji w układach elektrycznych, elektronicznych, m echanicznych i pneum a przedstawiono w tab. 1 .
tycznych
.•ty
.t4t
. . -v e n
p rz e b ie g c z a s o w y
Rys. 1. Symbol bramki LUB oraz przebieg czasowy dla dwóch sygnałów wejściowych
Tab. 1. Realizacja funkcji LUB (alternatywy) .
*= E H
i i ; - Elektronicznie funkcja negacji realizowana jest przez podanie dodatniego napięcia (sygnał 1) na bazę tranzystora. ii '.Przepływ prądu przez tranzystor powoduje spadek napięcia na rezystorze R, co wywołuje pojawienie się na wyj| ,'śoiu napięcia okoto 0 V, a więc sygnału 0. Jeżeli na bazie nie ma napięcia (sygnat 0), tranzystor nie przewodzi, t ' wówczas na wyjściu x jest napięcie, a więc sygnat 1 . ;Tt . '' Mechaniczny element negacji odwraca kierunek przemieszczenia trzpieni. Wsunięcie trzpienia a w prawo (sygnał 1) j powoduje przemieszczenie trzpienia x w lewo (sygnat 0), a gdy wysunie się trzpień a w lewo, to trzpień x przemieści . l,slęw prawo (sygnat 1 ).
ta b lic a fu n k c ji a b
X
0 0 0 1 0 1 1
0 1 1 1 77777}
s p o s ó b za p isu x = aVb
realizację funkcji NIE (negacji sygnału) zapewnia przekaźnik o jednym zestyku normalnie zwartym. jeżeli załączony zostanie przekaźnik, to rozwarty zostanie zestyk zamknięty przekaźnika; jeżeli wyłączony zosta■nie przekaźnik, to jego zestyk zostanie zwarty.
, ' ; E lektryczną
s y m b o l e le m e n tu
e le k try c z n ie (za p o m o c ą z e s ty k ó w p rze ka źn ika )
e le k tro n ic z n ie (za p o m o c ą tra n zysto ró w )
77777}
m e c h a n ic z n ie
pneum atycznie *
W realizacji pneumatycznej można dla funkcji negacji zastosować pojedynczy, monostabilny zawór normalnie otwarty (przepływ w stanie spoczynku).
Elektrycznie funkcję LUB realizuje się przez równolegle połączenie zestyków. Jeżeli załączony zostanie zesty® a LUB zestyk b (albo oba są zwarte), to załączony zostanie przekaźnik i odpowiednio przełączony zestykx. Elektronicznie funkcję LUB realizuje się przez podanie sygnałów wejściowych na bazy połączonych równolegli tranzystorów. Jeżeli na jedno LUB oba wejścia baz tranzystorów podane zostanie napięcie dodatnie, to zalączol ny zostanie jeden lub oba tranzystory i na rezystorze R pojawi się spadek napięcia. Na wyjściu pojawi się zataiij dodatni sygnał napięciowy x. a Mechaniczne działanie LUB można zrealizować przez naciśnięcie trzpienia (sygnat 1) a LUB b, względnie ohj| trzpieni; wówczas trzpień x wysunie się w prawo (sygnał 1 ). li 'Wjj Pneumatyczne działanie LUB można uzyskać przez połączenie dwóch zaworów sterujących. Uaktywniająca Lt|ij b, powoduje się pojawienie ciśnienia na przyłączu x. Także za pomocą zaworu - przełącznika obiegu można m alizować funkcję LUB.
4 3.2.3 Bramka NIE (NOT)
4,3.2.4 Bramka NIE-I (NAND) W algebrze dw u w a rto ścio w e j fu n kcję negacji koniunkcji zapisuje się następująco: x = a a b (wyma wiaj: x równe negacja a i b).
s y m b o l e le m e n tu
ei e2
&
ei e2
&
x = e (Ae2A . . . Ae„ Na wyjściu elementu negacji koniunkcji (bramki NAND) pojawia się sygnał o wartości 0 tylko wtedy, gdy oba sygnały wejściowe mają wartość 1 . Bramkę NAND uzyskuje się, łącząc wyjście bram ki I z wejściem bramki NIE. Na rys. 1 przedstawiono opis bramki NAND o dwóch ¡8i ie2) i wielu (e,, e2,...., e „) sygnałach wejściowych.
ta b lic a fu n k c ji 02
01
X
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
p rz e b ie g c z a s o w y
- 'U
—
l
_
t
t
“ U — LI
W algebrze dwuwartościowej funkcję negacji zapisuje się następująco: x = a (wymawiaj: x równe nie a). Na wyjściu elementu negacji (bramki NIE) pojawia się sygnat o wartości 0, jeżeli na jego wejście podś-.j ny zostanie sygnał 1. Sygnał wyjściowy jest równy 1 tylko wówczas, gdy sygnał wejściowy ma wartość t)g
każdą funkcję dwuwartościową można zrealizować układem zawierającym tylko bramki NAND - ilustrują to przykłady 1 I 2 oraz rysunki 1 i 2 na następnej stronie.
Rys. 1. Symbol bramki NAND oraz przebieg czasowy dla dwóch sygnałów wejściowych
4£Uk!adyJogicy )9
216.
43 Układy logiczne
217
Przykład 1: Proszę przekształcić daną funkcję dwuwartościową x = (a a b) v (c a d ) w funkcję zawierającą tylko wy rażenia typu NAND.
yidady scalone m ogą zawierać na płytce krzemowej zarówno różne elementy układów binarnych, jak i po wstałe elementy cyfrowych układów sterowania, np. cyfrowe elementy liczące i pamięci cyfrowe.
Rozwiązanie: X = : (a
a
b) v
(c
a
(a
d)
a
b)
a
(c
a
'yy technice TTL podstawowym elementem układów jest element NAND. W zależności od zastosowania ele menty NAND mają różne obw ody wyjściowe: normalne, z otwartym kolektorem oraz trójstanowe.
d) Ryś. 1. Rozwiązanie do przykładu 1
(a
■■X
b)
a
(c
a
A
d )
(ry s . 1)
yyyjście normalne jest najczęściej stosowane w stopniach końcowych układów TTL, gdyż dostarcza napięć I prą d ó w niezbędnych do sterowania następnymi elementami scalonymi. W yjście to nie może być łączone równolegle z innymi wyjściami TTL.
Przykład 2: Proszę przedstawić funkcję dwuwartościową x = (a A b) v c w postaci wyrażeń typu NAND. x-
■ (a
a
b )
v
c
=
(a
A
6)
A
y/yjście z otwartym kolektorem nie zawiera rezystora kolektorow ego i dlatego musi być połączone z ze wnętrznym rezystorem. Uktady tego typu mają dtuższy czas przełączania w porównaniu z układami z wyjóciem normalnym.
U
21
Rozwiązanie: c
> -T x ~ ~ (a A b ) a c (rys. 2) Negację jednej zmiennej realizuje się, korzystając z wyrażenia NAND jako:
Układ z wyjściem trójstanowym ma dodatkow e wejście umożliwiające jednoczesne zablokowanie obu tran zystorów w obwodzie wyjściowym . Jeżeli ten dodatkowy sygnat ma poziom H, to element NAND działa nor malnie, natomiast przy sygnale L wyjście przechodzi w trzeci stan (wysokiej oporności, nie będący ani sianem H ani L).
x =
b = b
a
b , F = c
a
Rys. 2. Rozwiązanie do przykładu 2
c
4.3.2.S Bramka NIE-LUB (NOR) W algebrze dw uw artościowej funkcję negacji alter natywy zapisuje się następująco: x = a v b (wyma wiaj: x równe negacja a lub b).
Napięcia stosowane w układach binarnych zawierają się zwykle w przedziale od - 24V do +24V. Jeżeli war tości 1 przypisany jest wysoki poziom napięcia H, a wartości 0 niski poziom napięcia L, to jest to uktad o lo. gice dodatniej. Jeżeli sygnałowi o wartości 0 przyporządkuje się poziom H, a sygnałowi o wartości 1 poziom L, to jest to układ o logice ujemnej (tab. 1 ).
symbol elementu
Bi
>1
es
(Tab. 1. Typowe poziomy napięć w układach binarnych tab lic a funkcji
Na wyjściu elem entu negacji a lternatyw y (bram ki NIE-LUB) pojawia się sygnał o wartości 0, je żeli na jego jedno wejście lu b drugie wejście lu b o ba w ejścia p o d an y zostanie sygnał 1. Sygnał w yjściow y jest rów ny 1 tylko wówczas, g d y na oba sygnały wejściowe mają wartość 0. Bramkę NOR uzyskuje się, łącząc w yjście bram ki LUB z wejściem bramki NIE. i
e,
X
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
Rys. 3. Symbol bramki NOR oraz przebieg czasowy, i!j| dla dwóch sygnałów wejściowych ;,i|j
0V - 24 V; - 12 V
¡Tob. 2, Bipolarne elementy binarne
Przykład 3: Proszę przekształcić daną funkcję dwuwartościową! x = (a A b ) v (c A d ) w funkcję zawierającą tylko wya rażenia typu NOR.
,TTL
____ Rozwiązanie: x —(a A b ) v ( c A d ) = (a Ab)
L-TTL
Standard TTL (standardowe) (Transistor-Transistor-Logic) High-Speed TTL (szybkie TTL) Low-Power TTL (TTL malej mocy) Advanced-Schottky TTL (zaawansowany TTL Schottky'ego) Advanced-Low-Power-Schottky TTL Emiter-Coupted-Logic (układ ze sprzężeniem emiterowym) Iniegrated-ln/ection-Logic (uktady scalone z wymuszeniem prądu)
x
Rys. 4. Rozwiązanie do przykładu 3
Logika dodatnia Logika ujemna
Sygnał 0 0V 0V -6 V 0V
Objaśnienie
x
c ~ = E k
Sygnał 1 + 6V + 3 V; + 5 V
Oznaczenie
Na rys. 3 przedstawiono opis bramki NOR o dwóch (e, i e2) i wielu (e,, e 2 e „ ) sygnałach wejściowych. Każdą funkcję dw uwartościową m ożna zrealizować w postaci układu zawierającego tylko bramki NOR ilustruje to p rz y k ła d 3 oraz rys. 4.
Rodzaj logiki Logika dodatnia Logika dodatnia
"M
_____ a (c A d ) = (avb) A (c V,fl _ _ _ _ _ ., -'5# - x = ( a v E ) a ( c v d) = ( a v l) ) v (c v d) a v E ) v (c v 3 )
Negując x, otrzymuje sięx (podwójne zaprzeczeni0| | Negację jednej zmiennej realizuje się, korzystają|| z wyrażenia NOR z drugą zmienną wejściową rówiiM 0 (rys. 4). tl
H-TTL
AS-TTL ALS-TTL ECL
a
Przykład Układy logiczne z tranzystorem NPN Układy logiczne scalone Układy logiczne z tranzystorem PNP Układy logiczne z tranzystorem PNP
Tab. 3. Unipolarne elementy cyfrowe Oznaczenie NMOS
PMOS
CMOS HCMOS CCD
Objaśnienie
i
N-Channel-Metal-Oxide-Semiconductor (półprzewodnik metalowo-tlenkowy z kanałem N) P-Channel-Metal-Oxide-Semiconductor (półprzewodnik metalowo-tlenkowy , z kanałem P) Complementary-Symmetrical MOS (komplementarne MOS symetryczne) High-Speed CMOS (szybki CMOS) Charge-Coupled-Device (element o sprzężeniu ładunkowym) 5
218
, 01Iklady logiczne
Istnieją grupy binarnych układów scalonych o podobnych właściwościach: napięcia zasilania, technologii wyko nia, poboru mocy, poziomów H i L, odporności na zakłócenia itp. Elementy scalone różnych grup mogą być 28 bą łączone pod warunkiem dopasowania napięć zasilania, poziomów sygnałów, rozmieszczenia wyprowadzeń iip*'
norm alna postać alternatywna stanowi alternatywę i zystkłch przypadków, które spełniają warunki po, iaWionego zadania. Przypadki są konłunkcjami (I) i dennych wejściowych tych wszystkich wierszy tai kijgy w których zmienna wyjściowa x jest równa 1 .
W elementach bipolarnych (tab. 2 na p o p rze d n ie j stron ie ) prąd roboczy w tranzystorach przepływa zarówrm przez warstwy P, jak i przez warstwy N. W elementach unipolarnych (tab. 3 na p o p rz e d n ie j stron ie ) prąd roboczy przepływa tylko przez warstwy p a!^ tylko przez warstwy N. Elementy bipolarne mają krótsze czasy propagacji i większą moc na wyjściu niż unipolarne elementy scaloS!' (tab. 1 ), ale mają też większy pobór mocy i zajmują więcej miejsca. ąm
przykład 1: Proszę przedstawić normalną postać al ternatywną funkcji przedstawionej w tablicy (rys. 1 na poprzedniej stronie) i narysować schemat ukla; du przełączającego.
; Rozwiązanie (rys. 1 ); : x = (Ć A b A a ) v
Tab. 1. Typowe dane ważniejszych grup układów scalonych
bipolarne
unipo larne
Pobór mocy na element w mW
Czas propagacji w ns
Częstotliwość przełączania w MHzr*i
TTL H-TTL L-TTL AS-TTL ALS-TTL ECL l2L
5 5 5 5 5 -5,5 0 do 8
10 22 1
10 6
20
CMOS HCMOS
3 do 15 2 do 6
HCTMOS
5
(c A b A a ) v
33 1,7 4
15
1 20 do 60 0,000001 do 0,1 0,001 do 0,02
1 10 (zmienny) 25 do 60 8 do 10 8 do 10 8 do 10 8 do 10
<2MHz: 0,001 do 1 >2 MHz: 1 do 10 <2MHz: 0,001 do 1 >2 MHz: 1 do 10
30 3 150 40 150
'.-i; :| v! J '4
............... J L .
.
10
Rozwiązanie (rys. 2):
%
x = ^ a B
■
n e g u ją c :
60 60
A b
A a)
v
Aa)
Ip A ~ b A a )
y = x = (c A 5 a Ę
Układ kom binacyjny opisuje się za pom ocą tablicy stanów (tablicy funkcji). Pełna tablica stanów zawie| wszystkie kom binacje wartości zm iennych wejściowych i odpow iadające im wartości zm iennych w yjść! wych. Każda zm ienna wejściowa może przyjąć wartość 0 lub 1, a więc tablica sterowania kombinacyjM go z n zm iennym i zawiera 2 " kom binacji, np. dla trzech zm iennych jest 8 kombinacji.
b a X 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 MS ■1 MI 1 0 0 0 S I i !' 8tJ t 0 1 11 88
v
(p A b A a )
v
(c A b A ą )
v ( c a B a a ) v ( c A b A a ).v (c A b A a )
...1
U kłady ko m b in a cyjn e są układami, w których stan sygnałów wyjściowych zależy tylko od aktualnego stanu sygnałów wejściowych. Układ sterowania kom binacyjnego może być zrealizowany z bramek I (koniunkcjl), LUB (alternatywy) i NIE (negacji), a także tylko z bram ek NAND lub tylko z bramek NOR.
Jf
a )v (c
przykład 2: Proszę przedstawić normalną postać ko niunkcyjną funkcji przedstawionej w tablicy (rys. 1 na poprzedniej stronie) i narysować schemat układu p/załączającego.
$
4.3.3 Układy kombinacyjne
Rozwiązanie: Każda z trzech zmiennych wejściowych a, b i c może przyjmować wartość 1 lub 0, co daje 23 = 8 kombinacji (rys. 1). Można zauważyć, że tylko dokładnie 4 kombinacje zmiennych spełniają wymie nione w zadaniu warunki.
a
Normalną postać koniunkcyjną tworzy się jako koniunkcję przypadków, które nie spełniają warunków postawio nego zadania. Należy zanegować te zależności, tak aby otrzymać nową funkcję rozwiązującą podane zadanie. Zawiera ona połączone wyrażeniem konłunkcji (I) alternatywy (LUB) z m i e n n y c h wejściowych z tych wierszy ta blicy, w których zmienna wyjściowa x jest równa 0.
= (c v b v a ) A (c v b v a )
Przykiad: Maszyna kuźnicza może być obsługiwana przez trzy, co najmniej jednak przez dwie osoby. Iden tyczne trzy stanowiska operatorskie wyposażone są w łączniki przyciskowe zamkowe (typu stacyjka z klu czykiem) a , b i c . Aby uruchomić kuźnicę sygnałem x = 1 , muszą być załączone co najmniej dwa z trzech łączników przyciskowych. Proszę przedstawić petną tablicę stanów sterowania kombinacyjnego.
(c A b
U
Napięcie zasilania w V
Symbol
219
c
a (c y /w a ) A (c v b v a )
’ Wprzypadku, gdy w pełnej tablicy funkcji przeważają war tości jedynkowe zmiennej wyjściowej, korzystniejszą po siądą zapisu jest postać koniunkcyjną (zawiera mniej wy rażeń cząstkowych); gdy przeważają wartości zerowe zapis w postaci alternatywnej.
4,3.3,1 Podstawowe prawa algebry dwuwartościowej Binarne wielkości zmienne w zapisie równań algebry dw uw artościowej oznaczane są literami, np. a, b , c . Walgebrze logiki używa się znaku „ v ” dla oznaczenia dodaw ania logicznego (alternatywy, LUB) oraz znaku „A" dla oznaczenia mnożenia logicznego (koniunkcji, I). W przekształceniach równań logiki znak „ a " często się pomija: W zapisie rów nań fu n k c ji lo g ic z n y c h używa się także pow szechnie stosow anych sym boli dodawania (LUB) oraz mnożenia (I).
d o tw o rz e n ia norm alnej,) p o s ta c i ko n iu n kcyjn e j
Tab, 1. Podstawowe reguły algebry logiki a v
d o tw o rz e n ia n orm alne j1, p o s ta c i a lterna tyw ne j ,a
0
a
1 =1
a
a =
8 Y a v
V
a ... v
a V
a =
1 = 0
Rys. 1. Pełna tablica stanów dla funkcji trzech zmiennych
=
a v
a a = 1
a
a
A
a
A
0 =
0
a
A
1 =
a a
a
A
a =
a
a
a ... A
a
A
0 =
a = 1
0
4.3 Uktady |oglcz(
220
Algebra dwuwartośelowa opisuje zależności pomię dzy funkcjami logicznymi. Podstawowe reguły alge bry dwuwartościowej (tab. 1 na poprzedniej stronie) zilustrow ano za pom ocą przepływ u prądu w ukła dach z zestykami (tab. 2 na poprzedniej stronie). Sygnał a może przyjm ować wartość 1 lub 0 (ozna czono a). Najważniejszymi prawami w algebrze Boo!e’a są (tab. 1 ): • • • •
prawa przemienności, prawa łączności, prawa rozdzielności, prawa zaprzeczenia (twierdzenia de Morgana1)
Funkcję logiczną przedstawia się graficznie za pom o cą schematu logicznego (w układach bezstykowych) lub schem atu połączeń (w układach p rze ka źn iko wych).
j ą Układy
221
logiczne
Tab. 1. Prawa algebry dwuwartościowej Wewnątrz wyrażenia | (ta niunkcji) oraz LUB (aitern5 tywy) zmienne mogą bZ> zamieniane miejscami.
Praw a przem ienności:
A aV
a
b = b b = b
A a V a
Praw a łączności:
a A b A c = (aA £ >)A c a V i > V c = (a V £ i)V c
Zm ienne m ożna lączyćw iS 1 w iasach. .
___________
-ii
Praw a rozdzielności:
W yrażenie w nawiasie mófj
a A (b V c) = (a A b) V (a A c)
na rozdzielić na nowe viyrij
a V (bAc) = (aV b) A (a V c) Praw a zaprzeczenia (tw ierdzenia d e M o r g a n a ) :
a Ab = a V b Vb - a A b
a
żenią w nawiasach. Z a p r z e c z e n i e konlunkćj zm ie n n y c h jest równleż‘fj t e r n a t y w ą n e g a c ji ty(j) zm ie n n y c h , a z ap rzec zali alte rn aty w y jest koniunkoji n eg acji zm ie n n ych . ,•{
Przykłady: Dla poniższych zadań proszę wyznaczyć funkcje logiczne i narysować schemat połączeń. Zadanie 1: Silnik wrzeciona obrabiarki powinien być włączony po naciśnięciu przycisku sygnałowego a (sygnał 1 ), załą czeniu pompy smarującej b (sygnał 1 ) oraz wyłączeniu silnika uchwytu narzędzia c (sygnał 0).
Rozwiązanie:
Zadanie 2: Lampa alarm owa* powinna się świecić (sygnał 1) wte dy, kiedy sygnalizator ciśnienia oleju a lub sygnalizator prędkości obrotowej b silnika wrzeciona jest wzbudzo ny (sygnał 1 ) lub włączony jest silnik uchwytu narzę dzia c (sygnał 1 ) i jednocześnie sprzęgło hamulca d nie jest załączone (sygnał 0).
Rozwiązanie: funkcja przełączająca x = a v b v (ca3&
fu n k c ja p r z e łą c z a ją c a
x= a a
ba
6 $
c n t e z a układu kombinacyjnego polega na wyznaczeniu funkcji «ełączającej na podstaw ie warunków, jakie pow inien on sp e ł z a ć Najczęściej syntezy dokonuje się, tw orząc tablicę funkcji, 11 !
w e jś c io w y c h i
Tab. 1. Tablica funkcji dla trzech zmiennych Liczba
*3
*2
*1
0
0
0
0
0
0
0
1 1
1 2 3 4 5
6 7
0
1 1 1 1
0 0
1 1
y
1 0
1 0
1 0
1
Tablica funkcji dla trzech zmiennych wejściowych (tab. 1) składać sję będzie z trzech kolumn i ośmiu wierszy (23 = 8). Korzystne jest takie uporządkowanie tablicy, aby kolejnym wierszom odpow iadał zapis liczby dziesiętnej w kodzie dwójkowym - zapobiega to błędom p r z y wyznaczaniu wszystkich kombinacji sygnałów wejściowych.
Przyktad 1: | Oświetlenie w pomieszczeniu ma być włączane w czterech miejscach wyłącznikami S I , S2, S3 i S4. Sporządzić tabelę funkcji - , dla następujących warunków zaświecenia żarówki H: S1 i S3 włączone, a S2 i S4 wyłączone, albo S2 i S3 włączone, a S1 i S4 wyłączone, albo włączone S1, S2 i S4, a wyłączony S3. Wyzna czyć funkcję przełączania.
1Rozwiązanie: Tablicę funkcji przedstawia tab. 2. H - (S1 A S 2 ' A S 3 A Ś 4 ) V ( S 1 A S 2 A S 3 A S 4 ) V (S1 a S 2 a S 3 a S 4 )
Wwielu przypadkach autom atycznego sterowania maszynami i urządzeniami technologicznym i stosuje się układy kombinacyjne. Do prawidłowego zaprojektowania i realizacji uktadu sterowania niezbędne jest wy znaczenie wszystkich kom binacji sygnałów wejściowych i odpow iednich wartości sygnałów wyjściowych.
Zadanie 3: Proszę przedstawić schem at połączeń oraz sche mat logiczny funkcji y = [(a v b) a c)] A d R ozw iązanie: Przy rozwiązywaniu tego typu zadań celowym jest rozpatrywanie funkcji od wewnątrz i zastępowanie pow iązań lo g iczn ych o d p o w ie d n im i elem entam i binarnymi. Bramce LUB z sygnałami wejściowym i a i b o d p o w ia d a a v b, k tó re je s t p o w ią z a n e z e w bram ce I. Sygnał w yjściowy tej bram ki wraz z zanegowanym sygnałem d są wejściami następ nej bramki I.
Przyktad 2 :
b ra m k a 1 z zanegow anym ( a v b ) A C w e jś c ie m
b ra m k a I
& x = ( a v b ) a c A1
& Rys. 1. Rozwiązanie do zadania 3
1A ug u st d o M o rg an (1 8 06 -1 07 1 ) - ang ie lski m atem atyk
’■I
Wpodajniku wyprasek zastosowano urządzenie przewracające (przewrotnicę) uruchamiane po podaniu sygnału d = 1 oraz urządzenie obracające (obrotnicę) uruchamiane po podaniu sygnału w = 1. Oba urządzenia mogą prar cować równocześnie. Dostarczane z magazynu wypraski powinny być przekazywane do dalszej obróbki w poło żeniu 1 (rys. 1 na następnej stronie). Jeżeli elementy znajdują się w położeniu 2 ,3 lub 4, to powinny zostać prze wrócone lub obrócone tak, aby przyjąć położenie prawidłowe 1. W tym celu wypraska badana jest trzema sensorami a ,b i c generującymi sygnał 0, jeżeli pod czujnikiem sensora jest wycięcie oraz sygnał 1 w przypadku przeciwnym. Należy zaprojektować uktad sterowania przewrotnicą i obrotnicą podajnika - sygnały wyjściowe układu: w i d; sygnały wejściowe: a, b i c. Dodatkowo należy uwzględnić sygnał s zatrzymujący pracę obu urządzeń, jeżeli na podstawie kombinacji wartości sygnałów a ,b i c wynika, że wypraska nie znajduje się w żadnym z wymienionych czterech położeń.
4.3 Uktadylofji
222
Proszę przedstawić pełną tablicę funkcji logicznych, określić kombinacje sygnałów a, b i c dla odpowiednich'^ łożeń wypraski oraz podać wartości sygnałów wyjściowych w, d i s.
1 1
01
JUU lölarI ‘ijb
Mil riTT
00
J L
_nJ
D i
]=a
położenie 3
położenie 4
położenie 2
położenie
1
prawidłowa położeni obracanie
obracanie, przewracanie
przewracanie
Rys. 1. S p ra w d za n ie p o ło ż e n ia w yp raski
Rozwiązanie:
Przy praktycznej realizacji układów kom binacyj nych rzadko wykorzystywane są zestawy bramek realizujące po d sta w o w e fu n kcje (I, LUB, NIE). Najczęściej korzysta się z syste m ó w jed n o elem entow ych: NAND lub NOR. Zarów no funkcja negacji (NIE-I), ja k i funkcja negacji alternatywy (NIE-LUB) tworzą system funkcjonalnie pełny.
Przy syntezie ukiadów kom binacyjnych z elem en tów NOR lub NAND zwykle korzysta się z m etody al gebraicznej polegającej na przekształceniu postaci norm alnej danej funkcji do takiej postaci, w której występują tylko negacje alternatyw y a lb o negacje koniunkcji. Korzystniej jest przekształcić norm alną postać alternatywną, jeżeli w układzie mają być tyl ko bramki NAND albo norm alną postać koniunkcyjną dla bram ek NOR. M ożna rów nież zastępow ać bram ki I, LUB i NIE rów now ażnym i układam i bra mek NOR lub NAND, ale jest to pracochłonne i czę sto nie prowadzi do rozwiązań o m niejszej liczbie elementów.
Tab. 1. Tablica funkcji lo g iczn ych do p rzykładu 2 ze M strony po p rze d n iej (rys. 1) c
b
a
w
d
S
opis
0
0
0
0
0
0
1
1
7® «fi
1
0
położenie
1
0
położenie 3
2
i|Ł_
0
1
0
0
0
1
0
1
1
1
0
0
położenie 4 ‘
1
0
0
0
0
1
stop
1
0
1
0
0
0
polożer
1
1
0
0
0
1
slop
1
1
1
0
0
1
stop
Q. O
N iekiedy, dla p ro stych p rzypadków , do realizacji układu kom binacyjnego wystarczy jedna wielowejściowa bram ka albo dwie różne bram ki (tab. 2 ).
3 zmłenne
2 zmienne
rumor c b a pola
.
'Ś .
4$
0 0 0 0 0 0 1 0 0 2 0 3 0 0 4 5 0 1 0 6 1 7
numor b a pofn
0 0 0 0 1 1 0 2 1 3
Podczas minimalizacji korzysta się z podstawowych auł algebry Boole’a, najczęściej z reguiy sklejania 1 [łączenia sum iych samych sygnałów różniących się znakiem, np. typu a v f f = 1 ) . Przekształcanie nor malnych postaci funkcji jest czasochłonne, wym aga uwagi przy doborze oraz stosowaniu reguł algebry 0oole’a i często końcowa postać funkcji nie ma naj; prostszej postaci.
4 zmienne
Najczęściej do upraszczania funkcji logicznych stosuje się zapis graficzny w postaci tablicy Karnaugha. Tablica ta zawiera te same inform acje co tablica funkcji, lecz w bardziej zwartej form ie wierszowi tablicy funkcji odpow iada pole w tabli c y Karnaugha.
Tablicę funkcji przedstawia tab. 1.
W yznaczoną fu n kcję d o w o ln ie zło żo n e go układu kom binacyjnego m ożna zrealizować za pom ocą ze stawu bram ek I, LUB oraz NIE, bowiem funkcje koniunkcji, alternatywy i negacji tworzą tzw. minimal ny system funkcjonalnie pefny.
in|ma|jzacja polega na takim przekształceniu noralnej postaci kanonicznej lub norm alnej postaci " L ffia ty w n e j funkcji, aby uzyskać m ożliw ie m ałą liczbę symboli (wejść układu).
lila ! Lru
n_r
T_n
223
^ u k ła dy logiczne
numor ci c b a poin
numor d c b a polo
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 0 0
0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1
0 0 1 1 0 0 1 t 1 1 1 1
0 1 2 3 4 5
6 7
0 8 1 9 0 10 1 11 0 12 13
0 14 1 15
R ys. 1. Tablice K a rn augha dla 2 , 3 14 zm ie n n ych
Tablica Karnaugha dla 2, 3 i 4 zmiennych ma 22 = 4, 23 = 8i 24 = 16 pól, np. dla trzech zmiennych wejściowych a, b i c - 8 pól (rys. 1). W n polach tablicy występują wszystkie kombinacje wartości zmiennych wejściowych -do tych pól należy teraz wpisać jedynki (1 ) spełniające warunki danego zadania sterowania - tak jak w pełnej tablicy funkcji.
r r
5T)
1
2
A
0
U
Sąsiednie pola z jedynkami (rys. 2), różniące się tylko wartością jednej zmiennej, mogą być łączone (sklejane) wwiększe bloki 2-, 4- i 8-polowe. Obejmuje się razem możliwie wiele pól, poszukując sąsiadujących ze sobą jedynek. Objęcie wszystkich jedynek tablicy jest nazy wane pokryciem.
&
&
&
Zł x = (a A c) V (a A b) V (b A c) pole 7 i 5 3 I 7 7 i 6
R ys. 2. Tablica K a rn augha I sch em at u k ła d u sterow ania po m in im alizacji
Przykład 1 : Na podstawie tablicy funkcji logicznych do przykładu 2 w rozdz. 4.3.3.2, proszę sporządzić tablice Karnaugha oraz narysować układ sterowania przewrotnicą i obrotnicą. Rozwiązanie podano na rys. 3. tablice Karnaugha w
d
b
V
s
b
1C
b
A U. 1 d = cA b
Rys. 3. R o zw iązan ie d o przykład u 1
A 1C3 1 C 31 s = (b A c) V (c A a ) V (b A a )
układ sterowania c
b
a
w
d
s
224
43 Układy logiczne
225
Uproszczenie polega na tym, że znikają te wszystkie zmienne wejściowe, których wartości zmieniają się wewnat», oznaczonego bloku. Pozostają więc tylko te zmienne, których wartości są wspólne we wszystkich polach danego?? ku - tworzy się z nich wyrażenie koniunkcyjne (I) i ze wszystkich bloków postać alternatywną (LUB) funkcji. Analogi!!' nie postępuje się w przypadku korzystania z wartości zerowej (0) zmiennej wyjściowej: obejmując obszary zer - twoS się tu postać koniunkcyjną (I) funkcji z alternatywnymi wyrażeniami (LUB) cząstkowymi. ■ ^
k o d d w ó jk o w y
,1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1 1
4.3.3.4 Projektowanie układów kombinacyjnych
1
z = d
Celem syntezy układu kombinacyjnego jest zaprojektowanie układu przełączającego, działającego zgod. nie z założeniami i zawierającego minimalną liczbę elem entów binarnych.
y = (c A d ) V (d A c )
1
'
1
1
x = (B A c j V (c A b )
Rys.
Proszę zaprojektować przetwornik kodowy do zamia ny kodu dwójkowego y. sygnałami a, b , c , d w kod Graya z sygnałami w, x, y, z (rys. 1).
( i A C A tlA a ) V (d a c a B
1
14
0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0
15
1
A a )v
(ii A C A l) A f l) V (d A Ć A 6 A a ) v
1
A a ) V (d A 5 A B A a )
Sygnał x ma wartość 1 dla liczb od 2 do 5 i od 10 do 13: x = (J a c a B A a ) v
A a) v
(J a c a B
A a )v
( d A C A f i A a ) V (d A C A B A a ) V
(d A C A B
A a ) V
(d a c a B a e T ) v
(d a c a B
(d A c a B A a )
Sygnał w ma wartość 1 dla liczb 1 ,2 ,5,6 ,9 ,1 0 ,1 3 i 14: w = ( d a c a B A a ) v (
z
c
A a ) V (d A c A b A a )
Sygnał y ma wartość 1 dla liczb od 4 do 11: y = (c f a c a B A a ) V (dTA c A f f A a ) V ( d A c A b
. / k o d G ra ya
0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0
Ustalmy normalną postać alternatywną dla sygnałów w, x, y i z. Sygnał z ma wartość 1 dla liczb od 8 do 15: z = (d A c A f f A a ) V (d A c A f f A a ) V (d A c A b A a ) v ( d a c A b A a ) v (d a c a B A a ) v ( d a c a B A a ) v
10 11 12
1
13
i
1
b
w x y
0 0 0 0 0 0 0 0
1
a
1
1 1
1 1
1 i
w = (b A a ) V (a A b )
2. Rozwiązanie do przykładu 1 ze strony poprzedniej
kod G raya
kod y S d w ó jk o w y /
d
R o z w ią z a n ie (rys. 2 na następnej stronie):
(d a c a B
p rz e tw o rn ik kodow y
1 1
1
t I Dodatkowo celem projektowania może być budow a układu z elementów jednego typu, np. NAND.
ko d d w ó jk o w y
W
1
szczegółową analizę zadania, zakończoną sporządzeniem pełnej tablicy funkcji, wyznaczenie minimalnej postaci funkcji logicznej, wybranie techniki realizacji układu, narysow anie schem atu połączeń (dla układów przekaźnikowych) lub schem atu logicznego .'(i układów bezstykowych).
Przykład 1: W wielu układach sterowania cyfrowego potrzebne są przetworniki kodowe, np. gdy w poszczególnych częściach danego układu stosuje się różne kody.
1
b
Projektowanie układu przebiegać powinno kolejno etapami obejmującymi: • • • •
k o d G raya
z
y
X
w
0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 0 0 1 1
0 0 1 1 1
0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0
1 1
1 1 1 1
-l
0 0 0 0 1 1
0 0 1 0 0 0 0
i Przykład: ; W urządzeniu sortującym sprawdzane są wymiary i prostopadlościennych detali. W tym celu użyto trzech i sygnalizatorów krańcowych f, b i h do sprawdzania I długości, szerokości i wysokości detalu. Dodatkowo r detale sprawdzane są sensorem badającym ich wia1 ściwości magnetyczne. Sygnały oznaczają: i długość: f= 1 odpowiednia, i =0 nieodpowiednia ; szerokość: B=1 odpowiednia, B=0 nieodpowiednia ¡ wysokość: B=1 odpowiednia, B =0 nieodpowiednia ; m=1 materiał m =0 materiał magnetyczny, niemagnetyczny ¡.Posprawdzeniu detale są transportowane przez pojej dynczą zwrotnicę x i następnie przez podwójną zwrotj nlcęy do pojemników 1 ,2 ,3 i 4 (rys. 1). Każda zwrot nica ma dwa położenia ustawiane elektrycznie. : W stanie nie załączonym (x = 0 ewentualnie y = 0) i zwrotnice kierują elementy w prawo.
Rys. 1. U rzą d ze n ie sortujące
, Detale powinny być tak posortowane, żeby wszystkie detale podłużne (jedna krawędź długa, dwie krawędzie krót kie) skierowane zostały do pojemnika 1. Wszystkie detale płaskie (dwie krawędzie długie, jedna krawędź krótka) Ijednocześnie wykonane z materiału magnetycznego skierowane zostaną do pojemnika 2. Detale o Innej kombina cji cech charakterystycznych powinny zostać umieszczone w pojemniku 4, pojemnik 3 powinien pozostać pusty.
_
Rys. 1. Tablice funkcji logicznej przetw ornika kodowej (kod dw ó jko w y /ko d G raya) Jg
1. Przedstaw tablicę funkcji logicznych określających sygnały sterujące zwrotnicami dla wszystkich kom binacji cech charakterystycznych detalu. 2. Za pomocą tablic Karnaugha uprość funkcje logiczne odpowiadające sygnałom sterującym zwrotnicami. “■Narysuj układ sterowania zwrotnicam i x i y.
4.3 Uktady lo q ^ no
226
b 0
h
m
X
y
pojem nik
0
0
0
.1
1
0
0
0
1
1
1
4 4
0
0
T
0
0
0,
1
0
0
1
1
0
0
1
i
b
i
3TCD1
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
4
0
1
1
1
0
1
2
1
0
0
0
0
0
1
:1
0
0
1
0
0
1
1
0
1
0
1
1
4
1
1
1
0
1
1
0
1
2
1
1
1
1
0
0
1
1
4
1
1
0
1
0
1
2
0
1
1
1
1
1
1
1
1
P rzerzutnikiem pneumatycznym jest sterowany impulsowo zawór rozdzielający 4/2. Podanie krótkotrwałego im: pulsu ciśnienia przez przyłącze sterujące R powoduje, że zawór znajdzie się w położeniu wyjściowym b. Podając . impuls ciśnieniowy przez przyłącze S, powoduje się przełączenie zaworu w położenie a; element pamięci jest '' wzbudzony.
1C
1C31
1 .1
1
m
1
0
1
b :h
1
0
1
układ sterowania
tablice Karnaugha
x
( i A 5 A m ) V (5 a T a /? )
(. > 1
>1
c )
1
1
& X —
C ■>
4 4
1
:.7:
1
y
^ {(_ A b A h ) V ( f A / M h ) V ( f A b A / i)
y
=(Tv ¿) V / j)
w wykonaniu stykowo-przekażnikowym skiada się z dwóch przekaźników w układzie z samopodilrzymaniem. W samopodtrzymującej się gałęzi prądowej znajduje się w danej chwili jeden otwarty zestyk. Po naI ciśnięciu przycisku łącznika S załączony zostanie przekaźnik K1 i przerwaną podtrzymanie przekaźnika K2. Po nai ciśnięciu przycisku łącznika R przerzutnik stykowo-przekaźnikowy powróci do stanu pierwotnego: przekaźnik K2 i zostanie załączony i przerwane samopodtrzymanie przekaźnika K1.
.; przerzutnik
= { fA £ > A m ) V { b A h A m ) V ( b A t A h ) V
1
227
' yy przerzutniku mechanicznym dźwignia podparta sprężyną przyjmuje zawsze jednoznaczne położenie. Naci śnięcie przycisku S powoduje przemieszczenie dźwigni w jedno z dwóch stabilnych położeń, naciśnięcie przy cisku R - powrót do poprzedniego położenia. Przyciski S i R nie powinny być równocześnie wciśnięte. Typowym przykładem jest przełącznik zatrzaskowy.
Rozwiązanie (rys. 2): tablica funkcji logicznych
43 Układy logiczne
i przerzutniki elektroniczne budowane są jako układy scalone, tak że użytkownik nie musi zajmować się we wnętrzną budową układu realizującego pamiętanie. Przez wejścia S i R przełączane są dwa tranzystory. Poda■nis dodatniego sygnału napięciowego (sygnał 1 ) na wejście S tranzystora V 1 powoduje pojawienie się na wyjI ściu Q sygnału 0. Równocześnie przez rezystor R1 podawany jest na wejście sterujące tranzystora V2 sygnał j 0, tak że tranzystor ten jest w stanie nieprzewodzenia i na wyjściu Q pojawi się dodatnie napięcie (sygnat 1). : f Przez opornik R2 na wejście sterujące tranzystora V1 podawane jest dodatnie napięcie podtrzymujące jego stan j przewodzenia. Jeżeli poda się równocześnie sygnały jedynkowe S i R, to odwracają się stany przełączenia (prze rodzenia i nieprzewodzenia) obu tranzystorów.
A ( i V £) V ft) A (£V f t V ft)
Rys. 2. Rozwiązanie do przykładu ze strony poprzedniej jjab. 1. Realizacja przerzutnika RS
4.3.4 Układy sekwencyjne W układach sekwencyjnych stan wyjść zależy nie tylko od aktualnego stanu wejść (tak jak w układach kom binacyjnych), lecz także od poprzednich stanów wejść. W zależności od kolejności poprzednich sta nów wejść, które muszą być zapamiętywane, układ sekwencyjny wybiera dla aktualnego stanu wejść odpo wiedni stan wyjść. Pamiętanie sygnałów binarnych i stanów układu dokonyw ane jest w dwustabilnych elementach pamięci, nazywanych także przerzutnikami. W przerzutnikach można wym uszać przejście do stanu 1 (wpisywanie) lub stanu 0 (zerowanie), w których to stanach przerzutnik pozostaje po zaniku sygnału wymuszającego.
W yróżnia się układy sekwencyjne asynchroniczne i synchroniczne. Ukiad asynchroniczny przyjmują w sposób ciągły inform acje o stanie wejść, a więc zm iana stanu układu następuje bezpośrednio po pęą wieniu się nowego stanu wejść. W układach synchronicznych inform acje o stanie wejść przyjmowane | | tylko w określonych chwilach próbkowania, wyznaczanych przez sygnał taktujący.
sym bol
m e c h a n ic z n ie
p n e u m a ty c z n ie
e le k try c z n ie
p -A
Q
tablica fu n kcji
s RQ 0 0 * 0 1 0 1 0 1 1 1 •
Q *
\ l< 2
R2
R1
" B O "
V
1
A
0 •
* jakwslaniopoprzednim i fltookrGślono
h
*p -A
Q b -
-X
\K I
e le k tro n ic z n ie
z a w ó r 4 /2
p rz e rz u tn ik z tra n z y s to ra m i ty p u N P N
4.3.4.2 Synchroniczne przerzutniki JK 4.3.4.1 Asynchroniczne przerzutnik! RS Przerzutnik RS (element pamięci RS) jest „ustawiany", tzn. wprowadzany w stan przełączenia TAK (tab. 1 na następnej stronie), przez podanie sygnału 1 na wejście jedynkujące (ustawiające, wzbudzające) S (ang. set = ustawić). Podanie sygnału 1 na wejście zerujące (kasujące) R (ang. reset = ponownie ustawić, skasować) po woduje wprowadzenie przerzutnika w stan przełączenia NIE. Przerzutnik podtrzymuje osiągnięty stan przełącza nia w sytuacji, gdy oba sygnały wejściowe przyjmą wartość 0. Sygnał odpowiadający aktualnemu stanowi przarzutnika może być odczytany na wyjściu Q. Dodatkowe, często występujące w przerzutnikach, zanegowane W ście Q pozwala korzystać z zaprzeczenia (negacji) sygnału Q.
Nasymbolach przerzutników synchronicznych oznaczone są wejścia taktujące C (ang. clo ck = zegar). Wprzerzutnikach synchronicznych sygnały wejściowe dostarczane są tylko w chwilach zmian sygnatu taktulącego z 0 na 1 lub z 1 na 0. Wstanie, gdy jedno z wejść przerzutnika synchronicznego (tab. 1 na następnej stronie) jest równe 1 , 3. rugie wejście jest równe O, to wartość wejścia K = 1 wym usza wartość sygnaiu w yjściowego przerzutnika - 0, a wartość wejścia J = 1 wym usza Q = 1. Jeżeli na oba wejścia sygnatowe podana jest wartość 1 (sygnat na wejściu niepodlączonym przyjmuje zwykle w artość 1), to stan wyjścia Q zmienia się z każdym czem sygnału taktującego (rys. 1 na następnej stronie).
..,
228
43 Układy logiczne
Tab. 1. R e alizacja przerzu tn ika z syg n a łe m taktu ją cym (JK)
Tab" t • S y m b o lik a p rzerzu tn ikó w
pneumatycznie
mechanicznie
symbol
229
elektrycznie
oznaczenia wejść statycznych
oznaczenia wejść dynamicznych
wejście statyczne sygnału o wartościach 1 i 0 K
wejście dynamiczne aktywne przy zmianie sygnatu wejściowego z 0 - * 1
.W ,
tablica funkcji
0 G
J K c 0 0 0 -► I * 0 1 0 -► 1 0 t 0 0 -► • I i 0
1 -+-1
•*
Q Q
1 0
K K -
•
•nogncjapoprzedniego stanu
wejście statyczne z zaprzeczeniem (negacją)
4!
Cl= t
przerzutnik z tranzystorami typu NPN ;
T
sterowanie przemienne
wejście R (zerujące, kasujące)
przykłady przerzutnik RS kiedy sygnały wejściowe na S i R mają różne wartości, to sygnały wyjściowe tak Q że są różne; kiedy oba sygnały wejścioq we mają wartość 0, to sygnały wyjściowe — pozostają w poprzednim stanie
kiedy sygnał na wejściu R przyjmuje wartość 1, to wymusza na wyjściu Q wartość 0; powrót sygnatu wejściowego do wartości 0 nie powoduje zmiany stanu
W przykładowo podanym mechanicznym wykonaniu naciśnięcie sprężyny C wywołuje - wychodząc z pokażlfi nego na rysunku górnego położenia dźwigni - wysunięcie dźwigni z górnego wgłębienia zatrzaskowego i prze» rzucenie jej w dolne położenie. Powrót do położenia poprzedniego może wywołać bądź ponowne naciśnlęc|8 sprężyny C, bądź naciśnięcie sprężyny R. Mechanizm taki jest często stosowany w długopisach. Przerzutnik pneumatyczny (zawory 1... 5) zrealizować można sterowaniem przemiennym. Podanie krótkotrWąfj lego sygnału zaworem 1 powoduje, że zawór 3 zajmuje położenie a i ttoczysko siłownika wysuwa się (Q = 1), ClJ śnienie robocze z przewodu B przez zawór - przełącznik obiegu S przełącza zawór 2 w położenie b. Powtórna] krótkie zadziałanie zaworu 1 przełącza zawór 3 w położenie b, a ciśnienie z przewodu roboczego A przez zaW«| - przełącznik obiegu 4 przełącza zawór 2 w położenie a. Tloczysko siłownika zostanie wsunięte (Q = 0). .J •'Mi
W wykonaniu elektronicznym funkcja przerzutnika realizowana jest przez dwa tranzystory sterowane przez kondensator. Oznacza to, że na stan przerzut nika oddziałują tylko impulsy napięciowe. Dodatni impuls napięciowy C (sygnał zmieniający się z 0->1) dociera przez diody do tranzystorów. Nieprzewodzący tranzystor będzie dzięki temu przewodził i wpro wadzi - z pewnym opóźnieniem - aktualnie przewo dzący tranzystor w stan nieprzewodzenia.
wejście dynamiczne aktywne przy zmia nie sygnatu wejściowego z 1-*0
oznaczenia wejść
,1
Przerzutnik z sygnałem taktującym w wykonaniu elektrycznym skiada się ze skokowego przekaźnika spolaryzowanego z dwoma zestykami. Z każdym im pulsem prądowym zmienia się położenie styków przełączających.
— h
*1
C 1 sygnał na wej ściu taktującym C
ii ii n o
q
on
czas i — * -
ńijfi
Q r sygnał na wyjściu Q
0
__ T E
|_ czas i
'.}[ * w*
R ys. 1. S y g n ały taktu ją cy i w yjśc io w y przerzutnika JKj|| dla J = K = 1
Budowa i w łaściw ości przerzutników synchronicznych zależą od sposobu synchronizacji. Wysterowanie przerzutnika zboczem (przednim lub tylnym) im pulsu sygnału taktującego nazywa się wysterowaniem dp n am icznym . W dwustopniowym przerzutniku Master-Slave podczas trwania im pulsu sygnału taktującego sygnały we} ściowe m ogą wym uszać stan przerzutnika głównego (Master), a po zaniku sygnału taktującego stan tego przerzutnika wpisywany jest do przerzutnika pomocniczego (Slave). Przerzutnik Master przejmuje więc in form acje przy narastającym zboczu sygnatu taktującego (zmiana sygnału z 0 na 1 ), a dopiero opadające zbocze sygnału pow oduje przekazanie inform acji do przerzutnika Slave (tab. 1 na następnej stronie).
wejście S (jedynkujące, ustawiające, wpi sujące) kiedy sygnał na wejściu S przyjmuje wartość 1, to wymusza na wyjściu Q wartość 1 ; powrót sygnału wejściowego do wartości 0 nie powo duje zmiany stanu.
wejście J (wpisujące)
przerzutnik JK sygnały wyjściowe działają tak jak w przerzutniku RS, jednak sygnały wyjściowe są zawsze różne, także kiedy jednocześnie na wejścia J i K podawane są sygnały Q równe - w tym przypadku sygnały wyjścio we zmieniają swoją wartość na przeciwną do stanu poprzedniego; powrót sygnałów wejściowych do wartości 0 nie prowadzi do zmiany stanu sygnałów wyjściowych
wpisywanie jak w przypadku wejścia S, jednak z tą różnicą, że sygnał wyjściowy przyjmuje stan komplementarny (przeciwny do aktualnego), kiedy zarówno sygnał J, jak i sygnał K przyjmują przerzutnik JK z sygnałem taktującym wartość 1 synchroniczny przerzutnik JK przejmuje synchronicznie ze zboczem sygnatu taktu jącego C wartość jedynkową wejścia J; 1 wartość jedynkową wejścia l< wymusza sian wejście K (zerujące) j wyjścia O = 0; jeżeli na oba wejścia podazerowanie jak w przypadku wejścia R, - ny zostanie sygnał o wartości 1, to stan na jednak z tą różnicą, że sygnał wyjściowy przyj wyjściu O będzie się zmieniał z każdym symuje stan komplementarny (przeciwny do aktu gnalem taktującym; nie przyłączonym wej alnego), kiedy zarówno sygnał J, jak i sygnał ściom przypisuje się najczęściej wartość 1 K przyjmują wartość 1
wejście G tylko wledy, gdy sygnał wejściowy na wejściu G ma wartość 1, to działają sygnały na wej ściach indeksowanych przez G
wejście C tylko wtedy, gdy sygnał wejściowy na wejściu C ma wartość 1, to pozostałe sygnały wejścio we mogą być aktywne
przerzutnik RS z przygotowaniem sygnału wejściowego S sygnały wyjścio we działają tak jak w przerzutniku RS; sygnał na wejściu SG J ł jest tylko wtedy aktywny, kiedy na wejściu G wartość sygnału zmienia sięzO -* 1. przerzutnik JK Master*-Slave**
*-G Kg
-c
JG Kq
* ang. master = mistrz " ang. slave - sługa
przerzutnik Master przej ęć muje przy każdej zmianie — sygnału z0-+ 1 sygnały Q wpisujące i kasujące; przerzutnik Slave otrzymu je sygnały wpisujące i ka sujące z przerzutnika Ma ster przy zmianie sygnału na wejściu Gz1 -*0.
i -i
230
4.3 ^'^gdyjogjcznę
4.3.4.3 Liczniki asyńćhróniezrte I synchroniczne
43 Układy logiczne
231
S te r o w a n ie s e k w e n c y j n e r e a l i z o w a n e j e s t g ł ó w n i e z a p o m o c ą l i c z n i k ó w . K a ż d y s t a n u k ł a d u s t e r o w a n i a s e k w e n c y j nego je s t o k r e ś l o n y p r z e z o d p o w i e d n i ą l i c z b ę . K o l e j n o ś ć s t a n ó w -
Licznik jest układem sekwencyjnym , którego zadaniem jest zliczanie im pulsów wprowadzanych na jqfl0 wejście oraz pamiętanie liczby tych impulsów. Pojemność licznika oznacza liczbę zapamiętanych impulsń^ wejściowych. Liczba zliczonych im pulsów podawana jest w przyjętym kodzie na. wyjściach elementów pa. mięciowych licznika. Sprowadzanie licznika do stanu początkowego polega na podaniu sygnału zerującego na wejścia R przerzutników. Rozróżnia się liczniki synchroniczne 1 i asynchroniczne2. W licznikach synchronicznych wszystkie przerzutnfj ki są przełączane równocześnie sygnałem taktującym (na wejściu G lub C), podczas gdy w licznikach asyjS chronicznych każdy następny przerzutnik jest przełączany przez przerzutnik poprzedzający. fia Charakterystyczną cechą liczników asynchronicznych jest szeregowe połączenie przerzutników - wyjście przerzutnika połączone jest z wejściem taktującym następnego przerzutnika, co powoduje, że czas ustalania się stanu licznika jest długi. Asynchroniczny licznik dw ójkow y Do budowy asynchronicznego licznika dwójkowego niezbędnych jest tyle przerzutników, ile licznik ma pozy cji binarnych (bitów). Za każdym impulsem, przez zmianę wartości sygnału z 1 na 0 na wejściu C, pojawi się na wyjściu Q0odpowied ni stan (rys. 1). Na wyjściu Q0 powstaje więc seria impul sów odpowiadająca dokładnie połowie liczby impulsów pojawiających się na wejściu C. Wyjście Q0 podawane jest na wejście C następnego członu. Ten znów dokonuje podziału impulsów. Stan sygnałów na wyjściach Q0... Q3 jest zatem stanem wyjściowym czteropozycyjnego licz nika dwójkowego. Wartość pozycji podwaja się od czło nu do członu.
w a rto ś ć p o z y c ji
zliczono impulsy
2° ^
I
liczboq zliczono impulsy wyjścieQ0 0 wyjściuO,
Licznik BCD z kodem 8-4-2-1 ma taką samą budowę jak licznik dwójkowy czterobitowy (rys. 2). Należy tylko zwrócić uwagę na fakt, że po cyfrze 9 powinna pojawić się cyfra 0, a nie kombinacja bitów odpowiadająca licz bie 10. Zapewnia to wyzerowanie przerzutników liczni ka po krótkotrwałym pojawieniu się kombinacji bitów 1010 = 10.
czynnozboczaImpulsów 2 _ 3 _ 4 _ 5 _ 6
1 grec. synchron = równobiożny, równoczosny; 2 grac. a synchron = niorównobtożny, niorów noczesny
i wyróżnia się rejestry równolegle i szeregowe. Rejestr rów noległy zawiera zestaw przerzutników , do któ rych inform acje w prow adzane są rów nolegle (jednocześnie). W zależności od użytych przerzutników (synchroniczne lub asynchroniczne) wyróżnia się re jestry równolegle synchroniczne i asynchroniczne. Rejestr szeregowy zbudow any jest z połączonych szeregowo przerzutników synchronicznych. W prowadza nie informacji odbywa się w sposób szeregowy, tzn. w pierwszym takcie do pierwszego przerzutnika w pro wadzana jest informacja w liczbie 1 bitu, a w następnym takcie informacja ta przekazywana jest do drugiego przerzutnika itd.
w e jś c iie ie | A1
7 n 0 n 9 J
we)ście Informacyjne
MSB 1J
ze ro w a n ie -
Rys. 1. Asynchroniczny licznik dwójkowy
LSB A1
1J i
1J
>C1
>C1
>C1
1K 1
1K 1
iK
i- G }
d
R
d
R
A3
1
A2
1
H
P
Rys. 1 . 3-bitowy rejestr szeregowy: MSB: bit o najwyższej wartości LSB: bił o najniższej wartości
A3
Rys. 2. Wykres czasowy pracy szeregowego rejestru 3-bitowego
4.3.4.S Projektowanie uktadów sekwencyjnych w a rto ś ć p o z y c ji
Qz
QS
zlicza n e im p u ls y
Sygnał kasujący generowany jest przez koniunkcję (I) sygnałów Q0, Qt , Q2i Q3Wadą licznika asynchronicznego jest nierównoczesne przełączanie przerzutników. Następny przerzutnik zo staje przełączony przez poprzedni. Powstaje przy tym opóźnienie przełączania, podczas którego stan liczni ka nie jest prawidłowy. Im więcej jest przerzutników (pozycji) licznika asynchronicznego, tym dłuższe jest opóźnienie przełączania.
Rejestry są układami pamięciowym i o niewielkiej pojem ności (od 4 do 64 bitów), dla niewielkiej liczby da nych. Rejestry nie wym agają adresu dla zapisania lub odczytania informacji.
Z wykresu czasowego (rys. 2 ) wynika, że z każdym opadającym zboczem im pulsu zegarow ego in fo r macja z pojedynczego przerzutnika przekazywana Jest na następny.
Podanie sygnału o wartości 1 na wejście R licznika po woduje jego wyzerowanie. Asynchroniczny liczn ik dwójkow o-dziesiętny z kodem 8-4-2-1
T5a A Rejestry
• Ra rys. 1 przedstawiono schemat rejestru szerego wego o pojemności 3 bitów.
Q,
p rz e b ie g im p u ls ó w
lic z b o d p o w ia d a p r o g r a m o w i s te r o w a n y c h z d a -
a e (\. E l e k t r o n i c z n e i p n e u m a t y c z n e l i c z n i k i b u d u j e s i ę z d w u s t a b i l n y c h e l e m e n t ó w p a m i ę c i ( p r z e r z u t n i k ó w ) .
, Dla prawidłowego zaprojektow ania układu sterują cego niezbędne jest ustalenie przebiegu czasowe go zmian sygnałów występujących w analizowanym procesie, określenie warunków realizacji zadań orąz zależności pomiędzy kolejnymi stanami procesu.
la m p k a s y g n a liz a c y jn a
H1
s iln ik i
| Do opisu działania uktadu sterowania najczęściej ( Stosuje się sch e m a ty g ra ficzn e (sieci).
ze ro w a n ie
e le k tro m a g n e s c h w y ta k a
\
Ml
M2
r
BI
S3
fo to k o m ó rk a
1
Ip l l O l i
I
u s ta w ia n ie ze ra p rze z:
Q3 = 1 ,.\it Q2 - 0 q , = 1 ( d z le s l#
Qo ~ 0
v f| s|
Rys. 2. Asynchroniczny licznik dziesiętny 8-4-2-1
Wschemacie działania podaje się dla każdego kro ku odpowiednio oznaczone i opisane bloki. Zgodnie z przebiegiem czasowym wyróżnione zostają kolejss stany pracy sterowanego obiektu - począw szy oti stanu spoczynkow ego każdy następny krok zo stanie zrealizowany, jeżeli spełnione zostaną warunki Przejścia do następnego stanu.
l d e ta l
c h w y ta k
Rys. 3. Podajnik - szkic do przykładu t na następnej stronie
4.3 Układy log j ^ r
232
Przykład: ,# | Podajnik dostarcza detale do prasy tłoczącej (rys. 3 na poprzedniej stronie). Obecność detalu jest sygnalizowartffl przez fotokomórkę B1 (b, = 0). Jeżeli zostanie stwierdzona obecność detalu, to chwytak uruchamiany przez elektt® magnes Y1 powinien się zamknąć (y, = 1j, co powinno być potwierdzone sygnalizatorem krańcowyrrl S1 (s, a m chwytak zamknięty). Jeżeli nastąpiło uchwycenie, to powinien włączyć się silnik M1 (m, = 1) wysuwający chwytakąff do osiągnięcia położenia sygnalizowanego przez sygnalizator S2 (s2 = 1). Po osiągnięciu tego położenia chwytak winien zostać otwarty (y, = 0) i detal uwolniony. Ruch powrotny chwytaka realizowany jest szybkobieżnym silniklejr^ M2 (m2 = 1) aż do osiągnięcia położenia sygnalizowanego przez sygnalizator krańcowy S3 (s3 = 0). Jest to potóźjf nie spoczynkowe i jednocześnie początkowe, od którego rozpoczyna się następny cykl pracy podajnika po stwierdź« niu obecności detalu. Osiągnięcie położenia spoczynkowego sygnalizowane jest lampką H1 (b, = 1). u f Proszę narysować schemat działania układu sterowania. Rozwiązanie: W schemacie działania (rys. 1) dla czterech kroków sterowania: „Położenie spoczynkowe", „Zamknięcie chwali ka", „Wysunięcie ramienia" i „Ruch powrotny ramienia" podano cztery kroki S z numerami 0 ,1 ,2 i 3. Do realizacji ktfjf ku 1 niezbędne jest spełnienie warunku „Detal dostarczony”, b, = 1. Rozkazy i sygnały generowane w każdym kć$ lejnym kroku przedstawiane są z prawej strony bloku. Dla kroku 1 jest to „Elektromagnes włączony", yK= 1 , : s Także w następnym kroku elektromagnes powinien pozostać włączony, czyli rozkaz y, = 1 powinien być zapij miętany. Oznacza to się znakiem „S" przed rozkazem. Zamknięcie chwytaka potwierdza sygnalizator S1.Jest.tol warunek przejścia do kolejnego kroku 2. Teraz ramię z chwytakiem powinno zostać wysunięte - zostaje wlączoi| ny silnik M i. Ten rozkaz realizowany jest tylko podczas kroku 2, a więc nie jest pamiętany - oznaczenie „N”. .-;g Sygnał s2 = T' potwierdzający osiągnięcie pozycji wysuniętej, powodować powinien otwarcie chwytaka i pozostawienie go w takim stanie. Jednocześnie wy generowany zostaje rozkaz uruchomienia silnika M2 - szybkiego powrotu ramienia z otwartym chwyta kiem. Osiągnięcie położenia spoczynkowego sygna lizuje sygnał s3 = 0 (krok 3). W układzie sterowania każdy krok zapisany zosta je binarnie jako stan elementu pamięci. Jako ele menty pamięci wykorzystuje się przerzutnikl RS, najczęściej z zanegowanym wejściem kasującym (zapewnia to zerowanie pamięci także w przypad ku nieprzewidzianego zaniku sygnatów). Poszczególne kroki należy zakodować. K o dow anie stanów przeprowadzić można w różny sposób - od wybranego kodu zależy liczba elementów pamięci. Dla czterech stanów (tab. 1 ) najmniej elementów pamięci
“-
1 ® -A
warunki przejścia
działanie
kroki T3
so \
Krok
0
1
2
3
kod dwójkowy
Q1 Q2
0 0
1 0
0 1
1 1
kod liczący
Q1 Q2 Q3
0 0 0
1 0 0
1 1 0
1 1 1
Q1 Q2 03 Q4
1 0 . 0 0
0 1 0 0
0 0 1 0
0 0 0 1
kod
1-Z-4
!M
. -j-g
•Tl
S, = 1
wysunięciuramienia N | slinik M1 wigc/ony, nu -T
S2 •T2
.Sg=1
p o ło ż e n ie spoczynkow e
Są—1
Rozwiązanie: : yy kroku zerowym (krok 0 - rys. 2 do przykładu 1 ) wszystkie przerzutniki są wyzerowane (rys. 1). Przej ście do kroku 1 wywołane jest sygnałem 5, = 0 fotoko mórki B1. Należy więc przerzutnik D1 ustawić sygn,alern zanegowanym b,. Krok 2 rozpoczyna się po podaniu sygnału s, = 1 - użyjemy więc kolejnego przerzutnika D2, krok 3 - po podaniu sygnału s2 = 1 - wykorzystamy tu kolejny przerzutnik D3. i Osiągnięcie położenia spoczynkowego sygnalizowa
S p a m ię ta n e N n ie p a m ię ta n e
ruchpowrotny ramion!« .jj S oloktromannoswyiqczony/f$|Sj N silnik M2wlqc?ony, rn-.-1 ■T3 0
d o k ro k u z e ro w e g o
b j Sj S2 S3
/) , y , m im s e le m e n ty p a m ię c i
O, D1
D2
Rys. 1. Układ sterowania procesem podawania (kod liczący) do przykładu 1
Lampka sygnalizacyjna H1: b, = g j A g ~ 2 A g ^ = g 7 v g ~2 (krok 0) Elektromagnes Y1: y, = g, A g 3 (krok 1 i krok 2) ■q 2/\% (krok 2 ) m2 - : g 3 (krok 3)
Przyklad 2:
Proszę zaprojektować uktad sterowania procesem podawania z przykładu 1 na poprzedniej stronie, przyjmując kod dwójkowy do kodowania stanów. Rozwiązanie: Wkroku zerowym (krok 0) oba przerzutniki są wyzero wane (rys. 2). W kroku 1 (b, = 0) i w kroku 3 (s2 = 1) przerzutnik D1 powinien być uaktywniony. Oba sygnały ustawiające zostają doprowadzone do wejścia S1 przetzutnika przez element alternatywy. W kroku 2 (s, = 1) i kroku zerowym (krok 0, s 3 = 0) przerzutnik D1 powinien zostać wyzerowany - osiąga to się, wprowadzając także przez element alternatywy odpowiednie sygnały na wej. ście kasujące R. Także w kroku 2 sygnałem o wartości s, = 1 powinien zostać uaktywniony przerzutnik D2. Zero wanie tego przerzutnika i przejście do stanu spoczynku dokonuje się po podaniu sygnału s 3 = 0. Podobnie jak w przykładzie poprzednim sygnały sterujące układu uzyskuje się dzięki realizacji działań przełączających na sy gnałach wyjściowych g , i g 2 obu przerzutników. Lampka sygnalizacyjna H 1 :/?, =
Rys. 1. Schemat działania układu podawania do przykładu
s y g n a ły w y jś c io w e
neJes! sygnałem s3 = 0 - sygnał ten zeruje wszystkie przerzutniki. Sygnały sterujące h u y 1t m 1 i m2 powsta ją dzięki realizacji działań przełączających na sygna łach wyjściowych g, -s- q3 z przerzutników D1 -s- D3.
: Silnik M2:
c h w y ta k z a m k n ię ty
s y g n a ły w e jś c io w e
: przykład 1 : ■ proszę zaprojektować układ sterowania procesem ,'podawania z przykładu 1 na poprzedniej stronie, przyjmując kod liczący do kodowania stanów.
k ro k ze ro w y
zamknięciechwytaka S (olektfomngnos włączony,^'
p o ło ż e n ie w y s u n ię te
Wyjścia przerzutników
polozuntu spoczynkowa N | lampkosygnalizacyjna,
233
notrzeba, gdy stosuje się kod dwójkowy, jednak najwyodniejsze iest używanie kodu 1-z-n. Układ sterowania Est wówczas bardziej przejrzysty i zawiera mniej eleL ntów binarnych włączających i kasujących elemen ty pamięci- Wadą jest wykorzystanie większej liczby elem entów pamięci, niż w przypadku Innych kodowań.
Silnik M1:
d e ta l d o s ta rc z o n y ,
Tab. 1. Kodowanie stanów do przykładu Kod
' il«W %
43 Układy logiczne
a
g2
(krok 0)
Elektromagnes Y1:
y, = ( g , A ife) v (krok 1 i krok 2 )
®W kMl:
m,
=
g^ A g 2
(g 2
a
(krok 2)
g j)
Silnik M2:
m 2 =
g,
a
g2
(krok 3)
_ l £ u k ladyjogle 2n9
234
^ U k łady cyfrowe
235
14 uKfaay cyfrowe
Przykład: Proszę zaprojektować układ sterowania procesem •podawania z przykładów na poprzednich stronach, przyjmując kod 1-z-4 do kodowania stanów. Rozwiązanie (rys. 1):
Układ cyfrowy jest układem przetwarzającym w ej ściową informację cyfrową w wyjściow ą inform ację cyfrową zgodnie z pewnym planem przetwarzania ' zwanym algorytmem (rys. 1 ).
Przejście do kroku 1 wywołane jest sygnałem fa, = 0 fotokomórki B1. Chwytak pozostaje jeszcze otwarty (Si - 0), uaktywniany jest przerzutnik D2, powodując jednocześnie wyzerowanie przerzutnika D1. Sygnał = 1 uaktywnia przerzutnik D3, który zeruje przeirzutnik D2 (krok 2). Sygnał s 2 = 1 uaktywnia prze rzutnik D4, który zeruje przerzutnik D3 (krok 3). Przejście do kroku zerowego (krok 0) następuje po pojawieniu się sygnału s3 = 0 - jednocześnie wzbu dzony zostaje przerzutnik D1, którego sygnał wyj ściowy zeruje przerzutnik D4. Lampka sygnalizacyjna H1: /i, =
pod pojęciem inform acji cyfrow ej rozum iana jest informacja dyskretna (skwantowana), tzn. • In fo rm a c ja o przeliczalnej (skończonej) liczbie możliwych stanów.
y, = (q2 v q3) (krok 1 i krok 2)
Silnik M1:
m, = g 3 (krok 2)
Silnik M2:
m2 = q a (krok 3)
algorytm przetwarzania
_
wyjście cyfrowe
Rys. 1. Schemat ogólny układu cyfrowego
to, że układ cyfrowy jest układem specjalizowanym w tym sensie, że nie jest przeznaczony do bez pośredniego przetw arzania inform acji ciągłej (analogow ej). W ynik przetw arzania inform acji cyfrow ej w u k ł a d a c h cyfrowych ma również postać cyfrową. O znacza
(krok 0)
Elektromagnes Y1:
wejście cyfrowe "Ir^"
P r z e t w a r z a n i e informacji ciągłej w układach cyfrowych możliwe jest po jej uprzednim przekształceniu w in formację cyfrową w urządzeniach zwanych przetwornikami analogowo-cyfrowymi. Przekształcenie w yj ściowej informacji cyfrowej do postaci ciągłej iub przedziałam i ciągłej wym aga zastosowania urządzeń zwa nych przetwornikami cyfrowo-analogowymi (rys. 2 ).
1. Jak zmienia się waga pozycji liczby dwójkowej, gdy czyta się ją od strony prawej do lewej? 2. Jaką wagę pozycji ma liczba dwójkowa zajmująca pierwsze miejsce po przecinku?
.j
3. Ile bitów jest niezbędnych do zakodowania liczb 0-999 w kodzie BCD?
.
4. Czym różni się kod 2-Z-5 od kodu 8-4-2-1?
..j
5. Jaką funkcję realizujeukład szeregowego połączenia dwóch bramek NIE (NOT)?
,y
6.
.i
Narysuj przebieg czasowy dla bramki I o dwóch sygnałach wejściowych.
7. Przekształć daną funkcję dwuwartościową x = (a V b) A (c V d) w funkcję zawierającą tylko wyrażenia typu NOR,;! 8.
Przekształć daną funkcję dwuwartościową x = (a V b) A (c V d) w funkcję zawierającą tylko wyrażenia typu
NAND. 9. Ile tranzystorów należy użyć, aby zrealizować funkcję y
=
e,
A
e2
A
, :■ .'••(i
e3?
i
Rys. 2. Schemat przetwarzania cyfrowego wielkości analogowych
10. Ile cyfr układu dziesiętnego można przedstawić za pomocą 4 sygnałów binarnych? 11. Czy podane zapisy funkcji w algebrze dwuwartościowej są równoważne a
V
b s a • b?
j
12. Jaki skutek wywołuje podwójna negacja? 13. Jakich kombinacji zmiennych pełnej tablicy funkcji używa się do jej zapisu w normalnej postaci alternatywne!? > 14. Jakich kombinacji zmiennych tablicy funkcji używa się do jej zapisu w normalnej postaci konlunkcyjnej?
,,
15. Jak można uprościć funkcję logiczną stosując tablicę Karnaugha? 16. Opisz sposób postępowania przy tworzeniu zapisu funkcji logicznej w normalnej postaci konlunkcyjnej. 17. Jakie obszary w tablicy Karnaugha są sklejane dla zapisu w postaci alternatywnej, a jakie dla zapisu w postach., konlunkcyjnej? 18. Opisz poszczególne etapy projektowania układu sterowania sekwencyjnego. 19. Jaki typ kodowania stosowany Jest zwykle do kodowania stanów?
i -
Okłady cyfrowe budowane są z elementów podstawowych zwanych elementami cyfrowymi. Elementy cyfrowe są specjalnie skonstruowanym i układami fizycznymi przetwarzającymi informację cyfro wą, np. element realizujący funkcję sumy arytmetycznej inform acji cyfrowych. Elementy cyfrowe różnią się między sobą nie tylko rodzajem realizowanych funkcji, ale także stopniem złożoności strukturalnej i techno logicznej, szybkością przetwarzania informacji, zużyciem m ocy itp. Liczba i różnorodność dostępnych ele mentów cyfrowych jest ogrom na i rośnie wraz z rozwojem technologicznym . Elementy i układy cyfrowe można podzielić na dwie zasadnicze grupy:
;
20. Który z kodów prowadzi do szczególnie przejrzystego schematu działania I układu sterowania sekwencyjnego?;! 21. Przy jakim kodzie potrzeba najmniejszej liczby przerzutnłków?
.'i
22. Jakie funkcje w układzie sterowania sekwencyjnego może pełnić licznik asynchroniczny?
:
• elementy i układy realizujące stały algorytm przetwarzania informacji, • elementy i układy o zmiennym (programowalnym) algorytmie przetwarzania informacji. Do pierwszej grupy należą między innymi: bramki logiczne, układy kodujące i dekodujące, multipleksery demuitipleksery, przerzutniki cyfrowe, rejestry cyfrowe, układy zliczające i układy pamięci.
236
4-4 Układy cy(m„fo
237
^ U k ia dy cyfrowe
wane są także w ten sposób, że uruchamiane są specjalne proste programy testujące część sprzętową. Na depnie realizowana jest część programowa projektu. Jeśli w wyniku testowania uzyskany zostanie negatywny J/nik jo konieczne staje się przeprowadzenie modyfikacji oprogramowania, a być może także i części sprzę tej.'R ozstrzygnięcie miejsca powstania błędu najczęściej nie jest jednoznaczne. Jednoznaczne zlokalizowa¡B błędu wymaga często napisania dodatkowych procedur testujących sprzęt i oprogramowanie. W rezultacie roces projektowania i uruchomienia układu programowalnego jest zwykle procesem bardziej skompiikowa" m w porównaniu z projektowaniem układów o stałym algorytmie przetwarzania informacji, a od projektanta wymagana jest znajomość zarówno elementów cyfrowych, jak i umiejętność ich programowania. programowalne układy cyfrowe cechują się elastyczością aplikacyjną, tzn. zmiana funkcji układu może być osiągnięta na drodze wym iany oprogram owania bez konieczności dokonywania jakichkolwiek zmian i s p r z ę to w y c h .
Elementy cyfrowe bywają rów nież klasyfikow ane z uw zględnieniem kryterium złożoności funkcjonalnej, yyówczas mówimy o cyfrowych elementach logicznych, blokach i zespołach funkcjonalnych. Cyfrowe e le m e n ty lo g ic z n e są najprostszymi układami cyfrowym i umożliwiającymi realizację podstawo- ; wych funkcji logicznych. Realizowane są najczęściej w postaci układów scalonych malej skali integracji. Elementy te dostępne są również w program owalnych układach logicznych o dużej skali integracji.
Bloki funkcjonalne są układami cyfrowym i realizującym i nieco bardziej złożone funkcje logiczne. Do grupy tej należą uktady realizujące operacje arytmetyczne, układy zliczające, przerzutniki, rejestry, fil try cyfrowe, przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe itp. Realizowane są najczęściej w postaci układów scalonych średniej skali integracji.
Rys. 1. Uproszczony schemat projektowania uktadu cy frowego złożonego z elementów o stałym algo rytmie przetwarzania Informacji
Zespoły funkcjonalne są układam i cyfrow ym i realizującymi złożone operacje przetwarzania in formacji. Do grupy tej należą układy mikropro cesorowe, mikrokontrolery, układy pam ięcio we, programowalne układy logiczne itp. Reali zowane są najczęściej w postaci układów scalo nych wielkiej i bardzo wielkiej skali integracji.
Do elementów drugiej grupy należą procesory, mi kroprocesory, m ikrokontrolery, program ow alne urządzenia wejścia-wyjścia. Podział na układy cyfrow e o stałym i zm iennym program ie ma istotne znaczenie projektowe i prak. tyczne.
’’■'i? .3
Rys. 2. Uproszczony schemat projektowania We wstępnej fazie projektowania cyfrowego układu programowalnego układu cyfrowego o stałym algorytm ie, po przeprowadzeniu jego anali zy, następuje faza je g o realizacji (im plem entacji rys. 1). W fazie realizacji dobierany jest pewien określony zestaw fizycznych elementów cyfrowych realizują cych założony algorytm . Liczba możliwych wariantów doboru tych elem entów jest zwykle znaczna. O osta tecznym wyborze konkretnego zestawu elem entów decydują zarówno względy techniczne, jak i ekonomicz ne. Po zrealizowaniu uktad cyfrowy podlega testowaniu polegającem u na sprawdzeniu stopnia zgodności realizowanych i zakładanych funkcji. W przypadku wystąpienia rozbieżności następuje modyfikacja układu (np. wym iana elem entów cyfrowych lub/i zm iana połączeń tych elementów), po czym proces testowania po wtarzany jest aż do skutku. Zasadniczym problem em wym agającym rozstrzygnięcia w procesie projektowania cyfrowych układów pro gram owalnych jest podział funkcji realizowanych przez uktad w warstwie sprzętowej i warstwie programo wej (rys. 2). Do pewnego stopnia funkcje te podlegają substytucji, tzn. te same funkcje m ogą być realizo wane zarówno na drodze sprzętowej, jak i program owej. Zadaniem projektanta w fazie realizacyjnej projektu jest zatem dokonanie takiego podziatu. Następnie realizowana jest część sprzętowa projektu i wykonywane testy sprzętowe w takim zakresie, jaki jest m ożliwy bez istniejącej jeszcze części programowej. Testy te reali-
kodo w anie
4.4.2 informacja w układzie cyfrowym \ W rozumieniu informatyki Informacja i wiadomość są niedefiniowalnymi i abstrakcyjnymi, a więc niema terialnymi pojęciam i pierw otnym i. O d pow iedniość pomiędzy inform acją i wiadom ością nie jest jedno znaczna w tym sensie, że ta sama informacja może być przekazywana przez różne wiadomości. Na przyMad informacja o odjeździe tego sam ego pociągu może być p rze ka zyw a n a w p o s ta c i w ia d o m o ś c i w różnych języka ch p o d ró żn ym ocze ku ją cym na dworcu kolejowym.
Rys. 1. Relacja pomiędzy Informacją a wiadomością
u [V] i i 5,5 2,4 margines 1,4
Sposób przekształcenia informacji w wiadom ość : nazywać b ę d z ie m y k o d o w a n iem , n a to m ia s t Przekształcenie odw rotne, tzn. przekształcenie wiadomości w informację nazywać będziemy in terpretacją (rys. 1 ).
L
—>
0
-0,3 Rys. 2. Przykład schematu przyporządkowania wartości logicznych
238
239
Układy cyfrowe zauważyć, że w artość inform acji nie zależy ' treśc l informacji. W tym sensie m iara bi®wa j6St uniwersalną miarą inform acji traktowanej ^Kategoriach czysto abstrakcyjnych. tw o
Informacja jest pojęciem abstrakcyjnym.
Tab. 1. Jednostki informacji
H ro d z a ju
Przekazanie lub przetwarzanie informacji w świecie materialnym bez wydatkowania pewnej porcji enem« jest niemożliwe. Z tego pow odu dla realizacji tych zadań informacja (z natury niematerialna) jest transfornf w ana do postaci syg n a łó w fizycznych, a w ięc m ających w ym iar m aterialny. Dla przykładu, ¡nforrnaor o wzbudzeniu systemu alarmu sam ochodowego jest przekazywana w postaci fal dźwiękowych lub świetf nych. Jeśli transformacja informacji w sygnał fizyczny jest transformacją dyskretną, tzn. taką, w której sv" gnał fizyczny przyjmuje przeliczalną liczbę wartości (np. 2 lub 3), to sygnał taki nazywać będziemy sygng" łem cyfrowym. Jeśli liczba wartości dyskretnych jest równa dwa, to m ówim y o sygnale dwuwartościowyn] (binarnym), jeśli trzy, to m ów im y o sygnale trójwartościowym itd. Na przykład inform acja o stanie systemu alarmu sam ochodowego może być przekształcona na sygnały fizyczne napięcia prądu elektrycznego o war. tościach: 0V - w przypadku braku alarmu i 5V w stanie je g o wzbudzenia. W artościom sygnaiów fizycznych przyporządkowywane są zwykle pewne wartości abstrakcyjne zwane rów. nież wartościam i logicznymi. Na przykład wartości 0 V przyporządkowana może być wartość zera logicznego, a wartości + 5 V jedynki logicznej (rys. 2 na poprzedniej stronie). Przekształcenie dyskretne informacji w sygnał fizyczny nie musi być całkowicie jednoznaczne w sensie ma tem atycznym . Na p rzykład tej samej inform acji o w zbudzeniu alarm u m oże zostać przyporządkowana w pewnych warunkach wartość napięcia równa 4,9 V, a w innych warunkach wartość 5,0 V. Obie wartości fi zyczne sygnału niosą jednak tę samą informację. Zatem ze względów praktycznych wygodniejsze jest ra czej określenie nie tyle konkretnej wartości, ale pewnego przedziału wartości sygnału fizycznego, przypo rządkowywanego określonej wartości logicznej. Na przykład wartości logicznej 0 odpow iadać będzie sygnał napięciowy z zakresu -0,3-1,4 V (zakres L na rys. 2 na poprzedniej stronie), a wartości logicznej 1 sygnał z zakresu 2 ,4 -5 ,5 V (zakres H). Z tego punktu widzenia wartości logiczne są sym bolicznym i wartościami sy gnału niosącego informację. Jeżeli sygnałowi fizycznemu o wyższej wartości przyporządkowana jest wartość jedynki logicznej, a sjH gnatowi fizycznemu o niższej wartości przyporządkowana jest wartość zera logicznego, to przekształcali nie takie nazywamy przekształceniem w konwencji logiki dodatniej (pozytywnej). W przeciwnym prayM-padku m ów im y o przekształceniu w konwencji logiki ujemnej (negatywnej). ,"|9 Przekształcenie wartości sygnałów fizycznych w wartości logiczne ma dodatkowy aspekt praktyczny. Pozwala , bowiem na przyporządkowanie tych samych wartości logicznych tym samym informacjom, niezależnie od ro dzaju aktualnie wykorzystywanego sygnału fizycznego. Dla przykładu, informacja o wzbudzeniu alarmu samo chodow ego może być przekazywana w postaci sygnału staloprądowego napięciowego o wartości 5 V lub w postaci sygnału zm iennoprądowego o wartości 38,2 kHz, natomiast informacja o braku wzbudzenia tego alarmu w postaci sygnału staloprądowego napięciowego o wartości 0 V lub w postaci sygnału zmiennoprą dowego o wartości 37,8 kHz. W ynika stąd, że samo przekształcenie informacji w wartości logiczne, zwane również stanami logicznymi, jest niezależne od rodzaju wykorzystywanych sygnałów fizycznych. W artość logiczna jest abstrakcyjną formą reprezentacji informacji.
;p| j
Informacja, z natury rzeczy, może być mniej lub bardziej złożona. Informacją prostą jest na przykład informa cja o zamknięciu lub otwarciu drzwi. Informacją nieco bardziej złożoną jest np. informacja o uzyskanej oce nie z pracy klasowej. Pierwsza z tych informacji może być wyrażona w postaci tylko dwóch wartości logicz nych (0 - drzwi otwarte, 1 - drzwi zamknięte), druga informacja wym aga reprezentacji w postaci większej liczby wartości (np. 1, 2, 3, 4, 5, 6) lub przez zastosowanie odpow iedniego sposobu kodowania tej informacji przy użyciu ograniczonej liczby wartości logicznych (np. 1—001, 2—010, 3 —011, 4— 100, 5— 101, 6— 110). Miarą informacji jest bit.
' ł | | '•
Jeśli złożoność informacji jest na tyle mala, że do jej pełnej reprezentacji wystarczą tylko i wyłącznie dwie wartości logiczne (np. 0 i 1), to mówimy, że informacja ma wartość 1 bitu (rozdz. 4.3).
Ze względów praktycznych w układach cyfrow ych najczęściej stosowane są dw ie w artości logiczne 0 i t. Jeśli in fo rm a c ja je s t b a rd z ie j z ło ż o n a , to niożna zastosować m echanizm kodow ania b inar nego in fo rm a cji, p o le g a ją c y na p rz e k s z ta łc e n iu stanu lo g iczn e g o w liczb ę d w ó jk o w ą . W ów czas wartość inform acyjna w bitach je st liczbow o równa logarytmowi przy podstaw ie 2 z liczby stanów in formacji. przykład:
Jeśli informacja o uzyskanej ocenie z pracy klaso wej posiada 6 stanów, to jej wartość inform acyj na jest równa
Jednostka informacji
Symbol
1 bit 1 bajt 1 stowo 1 kilobit 1 kilobajt 1 megabit 1 megabajt 1 gigabit 1 gigabajt
b B w Kb
Wartość [bit]
1 8
Wartość [bit]
1024
1 23 2-t 210 213
16
KB
8192
Mb
1048576
220
MB
88388608
Gb
1073741824
223 230
GB
8589934592
233
Uwaga: Jednostka Informacji 1 słowo, zależnie od kontekstu, bywa stosowana jako synonim informacji o wartości 16, 32, 64 lub 128 bitów.
log 2 6 = 2,5 bit. Układy cyfrowe, a zwłaszcza układy m ikroprocesorowe, przetwarzają i przechowują inform acje o dużej zło żoności informacyjnej. W układach tych w ygodniej jest posługiwać się miarą informacji o wartości równej wielokrotności pojedynczego bitu (tab. 1 ). Wiadomości generowane przez to samo źródło informacji m ogą mieć niekoniecznie identyczną zawartość in formacyjną. Na przykład informacja o niewyważeniu dynam icznym wirującej m asy pewnej maszyny wirniko wej może być rozpowszechniona w postaci emisji akustycznej i drganiowej. Obie emisje pochodzą z tego sa mego źródła, ale z punktu widzenia diagnostycznego obie wiadom ości mają różne znaczenie informacyjne.
4.4.2.1 Repreżentacja liczb Liczba, podobnie jak informacja, jest pojęciem abstrakcyjnym . W szczególności liczba może być informacją samą w sobie lub być jej miarą. W tym sensie liczba jest em anacją 1 informacji, a zatem mą pewną wartość Informacyjną. Zachodzi pytanie, w jaki sposób i czy wszystkie liczby mogą być przedstawione w postaci wartości logicznych? W dalszym ciągu założymy, co ma silne uzasadnienie praktyczne, że inform acja będzie przyjmowała tylko i wyłącznie dwie wartości logiczne, tzn. wartości: 0 i 1. Załóżmy dalej, że wartościom tym przyporządkujem y odpowiednio sym bole (cyfry) 0 i 1. Ale przy pom ocy obu cyfr m ożna w prosty sposób przedstawić zaledwie dwie liczby (rozdz. 4.3). Zachodzi więc pytanie, w jaki sposób możliwe jest przedstawienie większego zbioru liczb przy pomocy tylko dwóch symboli? Problem ten może być rozwiązany w podobny sposób, jak to uczyniono w symbolicznym, pozycyjnym dzie siętnym systemie notacji liczb. W systemie tym liczba ma wartość sumy iloczynów wartości numerycznych Poszczególnych cyfr na poszczególnych pozycjach i wag tych pozycji (tab. 1 na następnej stronie). W syste mie pozycyjnym waga każdej pozycji jest potęgą liczby liczności zbioru wszystkich cyfr. Zatem w systemie dwójkowym waga każdej pozycji jest potęgą liczby 2 . t a amanatio - wytwór, w ypływ
240
4.4 U kladyc y w
W p o zycyjn ym (binarnym ) syste m ie n o ta cji liczb wykorzystane są wyłącznie dwie cyfry należące do zbioru { 0, 1 }. Jak tatwo zauważyć, ta sama inform acja może mieć różną wartość liczbową, zależną od przyjętego spo sobu notacji liczb. Każda pozycja w binarnym zapisie liczb jest cyfrą o wartości 0 lub 1. Zatem wartość inform acyjna cy fry na każdej pozycji liczby binarnej w ynosi 1 bit. Dlatego n-pozycyjna liczba binarna nazywana jest również liczbą n-bitową lub rozwinięciem dwójko wym liczby. Ponieważ w praktyce n jest liczbą skoń czoną, to skończona jest również maksym alna licz ba m ogąca być przedstawiona w postaci rozwinię cia dwójkow ego: Liczba ta jest równa ł-2mox " 2 n —1 .
Tab. 1. Dziesiętny [ dwójkowy system notacfł Iiczb~~l3j? System dziesiętny /-io = 2 ai ' ’i o i /= 0
System dwójkowy
b ,e .{ 0, 1 }
n - liczba cyfr
Liczba dziesiętna
0 1 2 3 4 5
6 7
S p o s ó b n o ta c ji lic z b p rz e d s ta w io n y w y ż e j n ie uwzględnia faktu, że liczba może być liczbą ujemną lub nieujemną. Inform acja ta jest inform acją dwusta nową, a więc jednobltową. Stąd przedstawienie zna ku liczby w ym aga użycia dodatkow ego bitu (tab. 1 na następnej stronie).
10 11 12
Liczby całkowite
13 14 15
8 9
Reprezentacja
Liczba c a łk o w ita
/=0
n - liczba cyfr
tab i- Reprezantacfa liczb iyp liczby
t-2 = ni, b r Zi .
a/G { 0, 1 ,2 ,3,4,5,6,7,8,9}
241
I ^^iiM ady cyfrowe
znak-modul
,
Zakres liczb
Rozdzielczość;
pozycja bitu znaku | bn jb,,.^
j
j
|
|b,|b0| . -(2 n-1 ) i i . s 2"-1
, r = ±1
L = ( - 1 )b" § b , - 2 ' /=0
Liczba dwójkowa
0 1 10 11 100 101 110 111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
pozycja bitu znaku ■.:
Liczba całkowita w reprezentacji uzupełnienia do dwóch
• | b„ \LJ« .il.... I .... I .... I .... b i |b 0 | n-1 L =■*
i;
Ułamek właściwy w reprezentacji uzupełnieniowej
n-1 -i + 2 v 1=0
rM = ± 2 -"
-2 ms C s 2 m- 1
rc = ± 2-'"
dla bn = 1
2 '- "
pozycja bitu znaku mantysy
1 bn |bn.,| .... | .... | .... | ....
O -o
Zapis w postaci uzupełnienia dw ójkow ego upraszcza wykonywanie podstawowych operacji arytmetycz|j nych na liczbach. ,fj
-1 s/W s 1 - 2 -"
dla b n = 0
2 b ; - 2 '-n
Liczba zmienno-pozycyjna w reprezentacji uzupełnieniowej
r = ± 2 ~n
pozycja bitu znaku I bn ¡¿„.,1 .... | .... | .... | .... I b ,| b0|
L =
-
-1 s L s 1 - 2 -n
dl a b„ = 1
Ź
-Q
W przypadku reprezentacji liczb całkowitych w postaci znak-moduł wyróżniona jest jedna pozycja w zapi sie pozycyjnym (zwykle na pozycji o najwyższej wadze), której zostaje przyporządkowane znaczenie nie tyle wagi, ile znaku. Przyjmuje się, iż cyfra 1 na tej pozycji wskazuje liczbę ujemną, której wartość bezwzględna (moduł) jest reprezentowana przez pozostałe pozycje. Cyfra 0 na tej pozycji wskazuje liczbę nieujemną. W przypadku reprezentacji liczb całkowitych w postaci uzupełnienia dwójkowego wyróżniona jest jedna pozycja w zapisie pozycyjnym (zwykle na pozycji o najwyższej wadze), której zostaje przyporządkowane' znaczenie nie tyle wagi, Ile znaku. Przyjmowana jest konwencja, iż cyfra 1 na tej pozycji wskazuje liczbę ujemną, a cyfra 0 na tej pozycji wskazuje liczbę nieujemną. W przypadku, gdy liczba jest liczbą nieujemną, to jej zapis jest tożsamy z zapisem w konwencji znak-modul. Jeśli liczba jest ujemna, to kolejne pozycje taj liczby przedstawione są w postaci dw ójkow ego kodu uzupełnieniowego (tab. 1 na następnej stronie). Prze kształcenie liczby dodatniej w liczbę ujem ną do niej przeciwną realizowane jest w dwóch fazach. W fazie pierwszej następuje zanegowanie rozwinięcia dw ójkow ego liczby dodatniej (łącznie z bitem znaku) przez za stąpienie cyfr 1 przez cyfry 0 i odwrotnie. W fazie drugiej do otrzymanej liczby dodawana jest arytmetycznie wartość 1. Przekształcenie liczby ujemnej przedstawionej w postaci dwójkowego kodu uzupełnieniowego w liczbę dodatnią odbyw a się w sposób analogiczny.
n-1 - 2" + 2 v 1=0
n-1
Liczby całkow ite reprezentowane są najczęściej w postaci znak-modut lub w postaci uzupełnienia dwój-1 kowego (kodu uzupełnieniowego). :||
r = ±1
dl a bn = 0
2 b r 2<
;
- 2" s L s 2 " - 1
pozycja bitu znaku cechy |c ,„|c „„| .... I .... I .... I .... 1 c ,| c 0 |
' n-1
2 b/ • 2
M =
1=0
- 1 + 2 b/ ■2 ,' n
C =
dla bn = 0 dla bn = 1
m-1 Z c , - 21
dia c m = 0
-2 m+ 'Z c j -2 l
dla.cm = 1
/=0
/=o Liczby ułamkowe L = M ■2 ° Ułamki właściwe są przedstawiane podobnie jak liczby całkowite, z tą wszakże różnicą, że kolejne P0ZW| cje mają wagi będące ujem ną (a nie dodatnią) potęgą liczby 2 . j
Oznaczenia: JL^jięzba, M - mantysa, C - cecha, rM - rozdzielczość mantysy, rc - rozdzielczość cechy
;
.TłS!
243
^ U k ła dy cyfrowe____________ i Liczby całkowite i ułamki właściwe noszą nazwę liczb sta to p o zycyjn ych , tzn. liczb o stałej domyślne! n i -cji przecinka dziesiętnego. P°zy-
jJ
Liczby o zmiennej pozycji przecinka dziesiętnego (liczb y zm ie nn o p o zycyjn e ) są przedstawiane w pos( .j | ułam ka w łaściw ego w reprezentacji uzupełnieniowej (mantysa) oraz cechy stanowiącej liczbę ca łko w i' j f Mantysa jest zwykle znormalizowana, tzn. przedstawiona w postaci takiej, że bezpośrednio po pozycji zn k j -Jmantysy znajduje się cyfra 1 . j | (Liczby w zapisie zm iennoprzecinkowym pozwalają na zapis'liczb w znacznie szerszym zakresie niż liczb® w zapisie statopozycyjnym (tab. 1 na p o p rze d n ie j stron ie ). wij
' ^ 1 7 Reprezentacja znaków
Liczba całkowita w reprezentacji znak-m odul
Liczba całkowita w reprezentacji uzupełnienia dwójkowego
Ułamek właściwy w reprezentacji, uzupełnieniowej
0000 0000
0
0
0
0
0000 0001
1
1
1/128
0
0 111 1 1 1 1
127
127
127/128
7/8 -2 -1
1000 0000
-0
-128
-0
-0
1111 1111
-127
-1
-1/128
- 1/8 ■2 -'
Liczba zmienno-pozycyjna w reprezentacji uzupełnieniowej
Znak numeryczny dziesiętny w kodzie BCD Znak numeryczny szesnastkowy
| Zn |zn-l| .... | .... I .... I ....| zl| zo|
I z3 [ Z 2 j Z , |z 0 |
I z3
| z a | Z , | Z0
4.4.2.2 Reprezentacja znaków Ciąg z e ro je d y n k o w y jest niewątpliwie pewną form ą wiadom ości. W iadom ość podlega procesowi interpre! stacji, tzn. może jej być przyporządkowana pewna informacja. Sposób przyporządkowania nie jest jedno znaczny, tzn. do tej samej w iadom ości m ogą być przyporządkowane różne informacje. Ta sama wiadomość ] może być interpretowana na przykład jako inform acja o wartości liczby binarnej, całkowitej lub ułamkowej. ■ Ale istnieją przecież inne informacje, które nie są liczbami, na przykład zn a ki graficzne.
‘
; Zachodzi pytanie, czy takie inform acje m ogą przyjmować postać ciągów zerojedynkowych i odwrotnie,', czy ciągi zerojedynkowe m ogą być interpretowane jako znaki?
■' O dpow iedź na to pytanie jest pozytywna, jeśli zostanie zdefiniowany skończony zbiór znaków i każdemu i znakowi z tego zbioru zostanie przyporządkow any w sposób jednoznaczny określony ciąg zerojedynkowy. . Przyporządkowanie to nazywamy ko d o w a niem znaku. Operację odwrotną, tzn. przyporządkowanie kodowi ; l .określonego jednoznacznie znaku, nazywać będziem y d e ko d o w a n ie m znaku. i Kod ASCII ■i :j •i * i
Kod ASCII (ISO-7) (ang. Am erican Standard Code for Information Interchange) należy do najbardziej popularnych sposobów kodowania znaków. Kod ten został opracowany z myślą o zastosowaniach w zadaniach przesyłania i przetwarzania informacji tekstowych. Pierwotnie kod ten byl ograniczony do zbioru 128 kodów znaków w postaci siedm iopozycyjnych liczb binarnych. Kody zostały podzielone na dwie zasadnicze grupy: ko d ó w ste ru ją c y c h i k o d ó w zn a kó w alfa n um e rycznych .
|
Zakres kodów
Z = ± z r 2' 1=0
0 s Z s 2 n+1
Z = ± z r 2! 1=0
0sZs9.
Z = ± zr Ź 1=0
0 s Z s 15
;
Przykłady: reprezentacje znaków Zapis binarny kodu znaku
Znak alfanum eryczny
- mantysa - cecha
Kod binarny znaku
Prezentacja
Typ Znak alfanumeryczny
i P rzykłady: rep re ze n ta cje liczb Zapis binarny liczby
dzleści dwa kody sterujące zostały przeznaczone do sterowania procesem przesyłania, drukowania lub L ie tla n ia informacji. Pozostałe kody zostały przeznaczone do kodowania zn a k ó w a lfa n um e rycznych , ^ wielkich i małych liter alfabetu łacińskiego, cyfr arabskich, znaków interpunkcyjnych, operatorów mate matycznych i znaków semigraficznych (tab. 1). Na przykład literze A przyporządkow ano kod 1000001, litea przyporządkowano kod 1001001 , cyfrze 1 przyporządkow ano kod 0110001 .
0011 0001 0100 11 1 0
1 N
Znak num eryczny dziesiętny w kodzie BCD 31 4?
Znak numeryczny heksadecym alny w kodzie BCD 31 4E
? - kod nielegalny Ze względu na rosnące potrzeby w zakresie liczności zbioru kodów, a wynikające z konieczności kodowania specyficznych znaków narodowych, tzw. zn a kó w d ia k ry ty c z n y c h , w 1982 r. rozpoczęto prace nad rozsze rzeniem kodu ASCII do 256 znaków kodowanych w postaci ośm iopozycyjnych ciągów zerojedynkowych (tab. 1 na n a stępnej stron ie ). Oczywiście w prow adzenie kodu 8-bitow ego nie wyczerpało m ożliwości ko dowania wszystkich możliwych znaków. Przyjęto jednak pewne rozwiązanie kom prom isow e polegające na tym, że zaproponowano m ożliwość różnej interpretacji części kodów w zależności od rejonu geograficznego jego stosowania. W rezultacie powstała seria standardów ISO 8859. Strony kodow e W momencie wprowadzenia kom puterów osobistych repertuar kodów oferowanych przez standardowy kod ASCII byl wysoce niewystarczający. Z tego powodu producenci sprzętu i oprogram owania do tych kom pute rów wprowadzili swoje własne kody zwane stron a m i k o d o w ym i. Pojęcie stron kodowych jest zatem tożsame z pojęciem kodu znakowego. Na przykład firma IBM wprowadziła stronę kodową 437 zawierającą oprócz peł nego zestawu kodów ASCII także liczny zbiór z n a kó w n ie sta nd a rd o w ych i z n a kó w s e m ig ra ficzn ych służą cych do tworzenia g ra fik i b lo ko w e j. W wyniku rozwoju kodu ASCII i przyjęcia standardu ISO 8859 firm a IBM Wprowadziła dodatkowe strony kodowe 850 i 852 rozszerzające m ożliwości kodowania o narodowe znaki, diakrytyczne. Kompleksowej reorganizacji stron kodowych stosowanych w kom puterach osobistych dokonała firm a Mi crosoft. Firma ta opracowała strony kodowe 1252 i 1250 w dużym stopniu zbieżne ze standardami ISO 8859-.1 i ISO 8859-2 (tab. 2 na n astępnej stron ie ).
244
± i H Ë ! £ ^ r 0Wf
mieje wiele alternatywnych określeń instrukcji. Należą do nich: polecenie, dyrektywa, komenda, rozkaz. jy dalszym ciągu będziemy je stosować zamiennie.
Tab. 1. Tablica kodów ASCII Pozycje cyfr binarnych kodu 4
3
0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 ' 0 1 1 1 1
1 1 1
2 0 0 1 1 . 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
8 5
0 0 0
1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
NUL SOH STX ETX EOT ENQ ACK BEL BS HT LF VT FF CR SO SI
7
6
0 0 1 DEL , DC1 DC2 DC3 DC4 NAK SYN ETB CAN EM SUB ESC FS GS RS US
0 1 0
0 1 1
1 0 0
SP
0 1 2
@ A B C D E F G H I J K L = N
1 „ ł* $ % &
3 4 5 ■6 7
( )
8
+
; < > ?
9
/
Kody znaków sterujących
:
0
1 0 1
0
P Q R S T U V W X Y
a b c d e f P h i
1.
■—-L T -’ I" " i~~~7
1
'
Z
i
r \ i t «-
k I m n “
__£ 1 3 ~ r~ ~
W
Ą Ć Ę ISO Latin (8859-2) 161 198 202 Windows Latin-2 (1250) 165 198 202 IBM Latin-2 ÍCP-852) 164 143 168 Mazovia 143 149 144 CSK 128 129 130 Cyfromat 128 129 130 DHN 128 129 130 Logic 1 , 128 129 130 IEAŚwierki 43 143 128 144 Microvex 143 128 144 Oficyna 195 198 200 Macintosh 132 140 162 Atari ST/TT 193 194 195 Amiga 194 202 203
L
Ó
156 165 131 132 131 132 131 132 131 132 156 165 156 165 208 211 252 193 196 197 206 207
211
163 209 163 209 157 227
212
m odróżnieniu od pewnych standardów związanych z kodowaniem liczb i znaków nie ma jednolitych stanh rdów związanych z kodowaniem instrukcji. Sposób kodowania instrukcji jest zależny od projektanta systeu cyfrowego. Instrukcje są generowane przez układy, których rola jest nadrzędna w stosunku do układów, [!L e te instrukcje realizują. Z tego punktu widzenia m ożem y m ów ić o układach (urządzeniach) nadrzęd nych generujących instrukcje I układach (urządzeniach) podrzędnych realizujących instrukcje. Instrukcje są zatem językiem komunikacji pom iędzy urządzeniem nadrzędnym i podrzędnym. Urządzenie nadrzędne w niektórych układach cyfrowych może jednocześnie pełnić także funkcję urządzenia podporządkowanego. yy układach cyfrowych, a zwłaszcza w układach mikroprocesorowych i w sieciach komunikacyjnych, in strukcja jest podstawowym stym ulatorem procesu wym iany i przetwarzania informacji. Dla przykładu, in strukcje wykorzystywane są do zadań uruchom ienia I zatrzymania pracy układów, odczytu i zapisu inform a cji, wykonania operacji m atematycznych Itd. Kod instrukcji musi być kodem unikalnym. Do kodowania instrukcji stosowany jest kod binarny. Kodowanie polega na przyporządkowaniu każdej in strukcji unikalnego, a więc niepowtarzalnego kodu binarnego. Maksymalną liczbę pozycji rozwinięcia binar nego tego kodu będziemy nazywać długością kodu instrukcji. Jeśli na przykład długość kodu instrukcji wynosi 4, to maksymalna liczba instrukcji możliwych do zakodow ania nie może przekroczyć 2‘1=16. Dłu gość kodu instrukcji jest zatem równa liczbie bitów informacji koniecznych do jej zakodowania. Przykłady kodów instrukcji stosowanych w różnych systemach cyfrowych przedstawiono w tab. 1 .
Kody znaków alfanumerycznych
Ś Ż Ź 211 166 172 175 211 140 143 175 224 151 141 189 163 152 160 161 133 134 136 135 133 134 136 135 133 134 136 135 133 134 135 136 153 235 157 146 147 152 157 146 213 216 221 222 238 229 143 251 198 199 200 201
N
•;
1
Tab. 2 . Kody polskich znaków diakrytycznych (notacja dziesiętna) Standard
245
44 Układy cyfrowe
s ą
ć
ę
1
177 230 234 179 185 230 234 179 165 134 169 136 134 141 145 146 160 161 162 163 144 145 146 147 137 138 139 140 137 138 139 140 160 155 130 159 160 155 130 159 227 230 232 240 136 141 171 184
209 210 211 212 218 219 226 234 235 238
ó ń 241 243 241 243 228 162 164 162 164 165
ś Ż 182 188 156 159 152 171 158 166 166 168
148 149 150 141 142 143 141 164 164 243 196 213 239
142 143 162 135 162 135 245 248 151 230 214 215 243 244
i
,
19! " 191 190 167 167 "■ 152 151 145 144 144 145 : 168 145 ! 168 145 253 254 ' 144 253 : 216 217 250 251 ••
Instrukcje m ogą być instrukcjami bezargumentowymi lub instrukcjami z argumentami. Instrukcje bezargum entowe w trakcie interpretacji i wykonania nie wym agają żadnych dodatkow ych infor macji (danych). Instrukcje z argum entam i są realizowane na ściśle wskazanych argum entach (danych). W y nik realizacji tych instrukcji, w odróżnieniu do instrukcji bezargum entowych, jest zależny nie tylko od rodzaju instrukcji, ale również od wartości argumentów. Na przykład instrukcją bezargum entową jest instrukcja za trzymania pracy procesora, a instrukcją z argum entam i jest instrukcja mnożenia. Realizacja instrukcji nazy wana jest również egzekucją instrukcji. Instrukcjom przyporządkowywane są często kody mnemoniczne. Kodem mnemonicznym jest symbol lub grupa symboli ułatwiających opis funkcji realizowanych przeż instrukcję. Na przykład kodem mnemonicznym instrukcji dodawania może być nazwa ADD, instrukcji dzielenia DIV itp. Symboliczne kody mnemoniczne są prostsze w zapamiętaniu i manipulowaniu niż dtugie ciągi zerojedyn kowe kodów binarnych tych instrukcji. Tab. 1. Przykłady reprezentacji kodów instrukcji Instrukcja
4.4.2.3 Reprezentacjajnstrukcji Możliwości kodowania informacji w postaci ciągów binarnych są niemal nieograniczone. Oznacza to, że ko dowanie może dotyczyć nie tylko informacji liczbowych i znakowych, ale na przykład także informacji o cha rakterze dyrektywnym (instrukcji). Instrukcja jest inform acją o interpretacji dyrektywnej.
Czytaj dane Kasuj dane Czytaj rejestr Zapisz rejestr Czytaj identyfikator Ustaw górny zakres pom iarowy Dziel Zapisz do akumulatora stalą
Zapis binarny kodu instrukcji
System cyfrowy
10 11 0000 0001 0001 0000 0000 0000 0010 0100 1000 0100 0 111 0101 11100000
pamięć EEPROM typ 93LC46 pam ięć EEPROM typ 93LC46 siećM O D BU S sieć MODBUS sieć HART sieć HART m ikrokontroler 8051 m ikrokontroler 8051
246
4.4 Ht!f£|ycyfroWe
4.4.3 Elementy układów cyfrowych 4.4.3.1 Rśjestry przesuwne ś 1; i . Rejestr a pamięć masowa : Do podstawowych elem entów pamięciowych wykorzystyw anych w technice mikrokom puterowej nale' ' s rejestry. Element pam ięciowy przeznaczony jest do przechowywania informacji. Z punktu widzenia użytk^ .* w ego istotna jest pojemność elementu pam ięciowego. j Pojemnością elementu pam ięciowego jest potencjalna ilość informacji, która może być zapamiętana rPrz i chowywana) w tym elemencie. Ponieważ jednostką miary ilości informacji jest jeden bit, to jednostką m!aiv I pojem ności elementu pam iętającego jest również jeden bit. / , | Element pam ięciowy o najmniejszej pojem ności jest zdolny do przechowania inform acji jednobitowej. \ Elementy pamięciowe nazywane są w skrócie pamięciami. Rejestr, w odróżnieniu od pamięci masowych i przeznaczony jest do przechowywania stosunkowo niewielkich ilości informacji (zwykle 4 -1 2 8 bitów). ’ ■ . Rejestry, są elementami pam ięciowym i o stosunkowo niewielkiej pamięci. i Informacja przechowywana jest w elementach pam ięciowych w ściśle określonym celu, a zatem przezna; czenie przechowywanej informacji może się różnić. Biorąc pod uwagę przeznaczenie informacji, możemy mówić o pamięci programu i pamięci danych. Pamięć program u w systemie m ikrokom puterowym przeznaczona jest głównie do przechowywania kodu maszynowego instrukcji programu przetwarzania danych. Pamięć danych siuży do przechowywania inform acji wejściowych, w yjściowych i pośrednich (roboczych) wykorzystywanych w procesie realizacji programu. Rejestry pełnią głównie rolę pamięci danych. Zapamiętanie informacji w elemencie pamiętającym wiąże się z operacją zapisu tej informacji do pamięci. Udostępnienie informacji przechowywanej w pamięci wiąże się natomiast z realizacją operacji odwrotnej do zapisu, nazywanej operacją odczytu zawartości pamięci. Zarówno zapis, jak i .odczyt informacji są opera cjami, których realizacja wym aga określonego czasu. Czas konieczny do w prowadzenia inform acji do elementu pam iętającego jest nazywany czasem zapisu! informacji. Czas konieczny do udostępnienia informacji nazywany jest czasem odczytu informacji. Czaęl odczytu lub czas zapisu nazywany jest czasem dostępu do pamięci. Czas dostępu do pamięci jest pod-:j stawowym parametrem technicznych charakteryzującym pam ięć i decydującym o możliwościach aplika>| cyjnych danego elementu pamięciowego. (jj W kategoriach nieostrych m ówimy o szybkich elementach pamiętających (jeśli czas dostępu jest rzędu po. jedynczych ns) i wolnych elementach pamiętających (jeśli czas dostępu przekracza rząd pojedynczym ms), . Elementy pamiętające m ogą m ieć różne czasy odczytu i zapisu informacji (na przykład elektrycznie progra: mowalna i kasowalna pam ięć typu EEPROM). Specyficzną odm ianą pamięci danych, o krótkim czasie do stępu, wykorzystywanej do krótkotrwałego przechowywania inform acji o charakterze roboczym lub pomoc niczym je st tak zwana pamięć podręczna. Rejestry są typowym i elementami pamięciowym i o krótkim czasie dostępu stosowanym i w pamięciacj)J ■•podręcznych. •
247
4 4 Układy cyfrowe
Zarówno odczyt, jak i zapis informacji z/do elemenam ięciow ego m oże być realizow any w różny osób. Jeśli operacje dostępu do pamięci są realis|5 ane w taki sposób, że zapisywana lub odczytyZ° na jest jednocześnie cala informacja, to taki dow jest nazywany dostępem równoległym. Jeśli aracje dostępu do pamięci są realizowane w taki °nosób, że zapis lub odczyt informacji dokonywany ■st sekwencyjnie bit po bicie, to taki dostęp do paj^jęci jest nazywany dostępem szeregowym. Ten sairi element pam ięciowy może posiadać mieszane sposoby dostępu, tzn. m oże być na przykład ele mentem o zapisie równoległym , ale odczycie szere gowym (tab. 1 ). Pamięć masowa jest elementem pam ięciowym sta nowiącym uporządkowany zbiór rejestrów. Rejestry wchodzące w skład pamięci nazywane są lokacja mi lub komórkami pamięci. U porządkow anie pa mięci polega na przyporządkow aniu każdej lokacji określonego, jednoznacznego wskaźnika zwanego adresem lokacji w pamięci. Dostęp do lokacji w pamięci masowej m ożliwy jest po uprzednim wskazaniu jej adresu. O peracja do stępu do pamięci masowej jest zatem nieco bardziej zło żona niż operacja dostępu do pojedynczego re jestru. Można w niej wyróżnić dwie fazy. W pierwszej {azie realizowana jest operacja adresowania okre ślonej lokacji, zaś dopiero w drugiej fazie realizowa na jest operacja odczytu lub zapisu zaadresow a nej lokacji pamięci. Rejestry przesuwne
Tab. 1. Klasyfikacja rejestrów zc względu na sposób dostępu do Informacji Zapis informacji
Odczyt informacji
Rejestr przesuwny
szeregowy
szeregowy
Rejestr przesuwny (przetwornik szeregowo-równoiegly)
szeregowy
równoległy
Rejestr przesuwny (przetwornik równoleglo-szeregowy)
równoległy
szeregowy
Rejestr pamiętający
równoległy
równoległy
Typ rejestru
w a jś c le in fo r m a c ji
MSB
1J 1
1J
>C1
>C1
>C1
1K 1 w e jś c ie k a s u ją c e <
LSB Q2
Q1
1J 1
1K1
1K
Q 3„ 1
1
H
R
P
M SB 1 - najbardziej znaczący bit rejestru; LSB 2 - najmniej znaczący bit rejestru. Rys. 1. Rejestr przesuwny o pojemności 3 bitów
T ,
Rejestrem przesuwnym jest każdy rejestr o dostępie szeregowym. Rejestry przesuwne są zatem rejestra mi, w których operacja zapisu lub operacja odczytu lub obie te operacje równocześnie są realizowane szeregowo. Rejestr przesuwny może być zbudow a ny na przykład z szeregowo połączonych przerzutników typu JK (rys. 1).
in fo r m a c ja w e )- , ś c io wa
F ł
Q1
Q2
Załóżmy, że na wejście rejestru zostanie podana na czas trwania jednego im pulsu taktującego inform a Q3 cja o wartości logicznej 1 (rys. 2 ). W pozostałych chwilach czasowych inform acja ta będzie miała war tość logiczną 0. Na wejście taktujące T tego rejestru Rys. 2. Ilustracja efektu przesuwania Informacji w rejestrze przesuwnym wprowadzany jest ciąg im pulsów prostokątnych. Je śli oiąg ten jest ciągiem o stałej częstotliwości, to na zywany jest również ciągiem zegarowym. Zbocze opadające, każdego z im pulsów taktujących, powoduje przepisanie informacji z wejścia K każdego z przerzutników na jego wyjście. W ten sposób informacja wej ściowa w kolejnych chwilach wyznaczonych ciągiem taktującym przemieszcza się (przesuwa) od wejścia do wyjścia rejestru. Proces zapisu informacji w rejestrze odbywa się więc stopniowo. Peina informacja zostanie wprowadzona do rejestru przesuwnego dopiero po wystąpieniu trzeciego impulsu taktującego. Jeśli rejestr posiadałby pojem ność nie trzech, ale n-bitów, to zapis informacji do rejestru w ym agałby n im pulsów taktują cych. Informacja może być odczytana z tego rejestru w sposób równoległy. Informacja ta jest bowiem prze chowywana jednocześnie (równolegle) przez każdy z przerzutników rejestru. ' ang. M ost S ignitlca n t B it]
2 ang. Leasf S igntticant B it
249
Układy cyfrowe
P rzykład: R ozpatrzm y p ro ce s zapisu 7 in fo rm a cji binarnej . 101 do rejestru przesuwnego o pojem ności 3 bi tów (ry s . 1). Zapis inform acji nastąpi w trzech taktach T1, T2 i T3; Stany logiczne w yjść każde go z p rz e rz u tn ik ó w o zn a c z y m y o d p o w ie d n io sym bolam i Q 1, Q2, Q3.
mikrokom puterowej rejestry przesuwne korzystywane są często do wykonywania opera' ^arytmetycznych. W tym celu stosowane są rejez możliwością wyboru kierunku przesuwania inSllmacji. Załóżmy, że zawartość rejestru jest interetowana jako wartość liczbowa całkowita stała. iii te c h n ic e
in fo r m a c ja w e j ś c io wa
Q1
1,
2
3, J Z L F .'. II __ II . p.-ht • .
k łatwo zauważyć, jednokrotna operacja przesuiecia zawartości rejestru w lewo (rys. 1 ) jest rówoważna o p e ra cji m no że n ia przez 2 , d w u k ro tn a ■flDeracja przesunięcia zaw artości rejestru w lewo ; j°gt równoważna operacji m nożenia przez 4 itd.
R o zw iązan ie:
Takt
Informacja wejściowa
T1 T2 T3
1 0 1
W yjście Wyjście Q1 Q2
1 : 0 . 1
0 1 0
l 4
W yjście Q3
0 0 1
Rys. 1. Ilustracja wprowadzania informacji 101 do rejestru przesuwnego
zmienimy kierunek przesuwania informacji, to możliwe jest uzyskanie efektu rów noważnego dzie leniu liczby całkowitej przez 2 n, gdzie n jest liczbą p rze su n ię ć (rys. 2). W arunkiem poprawności w yko a i nania operacji dzielenia jest wprowadzenie inform a cji zerowej na wejście szeregowe rejestru.
Rejestr przesuwny o szeregowym wejściu infor macji i rów noległym wyjściu informacji nazywany jest rejestrem szeregowo-równoległym.
ii
T1
T2
I
010 0 10 10 11 11 I 0 I I0
0 I 0 10 10 I 0 I 1 I 1 I
Rys. 2. Ilustracja operacji arytmetycznej dzielenia liczby 12 przez 4.
Przykład rejestru szereg o w o -ró w n o le g łe g o p rze d stawiono na rys 2 . Układ przetwornika jest zrealizo wany przy wykorzystaniu rejestru trójbitow ego prze suwnego wyposażonego dodatkow o w układ bloka dy w yjścia rów no le g łe g o . W czasie szeregow ego wprow adzania inform acji stany przerzutników p o d legają zm ianom w każdym takcie ciągu taktującego. Inform acja w ejściow a zostanie zapisana w całości do rejestru dopiero po wykonaniu wszystkich n tak tów (w przykładzie z rys. 1 n = 3). M ów im y w ów czas, że informacja wyjściowa jest ważna. W cza sie przesuw ania inform acji w rejestrze informacja w yjściow a je st niew ażna. D latego w prow adzono sygnał blokady wyjść rejestru s. Wyjście równoległe jest odblokow ane (staje się aktywne) wówczas, gdy inform acja w yjściow a je st ważna. W ówczas sygnał o d b lo k o w a n ia s w yjścia ró w n o le g łe g o przyjm u je wartość logiczną równą 1 .
( P rzesunięcie zaw artości rejestru w lew o lub praw o ¡jest równoważne operacji m nożenia lub dzielenia ¡przez liczbę będącą potęgą liczby 2. Zastosowanie ¡dodatkowej operacji dodawania pozwala na mnożeo o o o fnle i dzielenie przez dowolną liczbę całkowitą. Jeśli E ¡na przykład liczba A ma być pom nożona przez 10, |jto wystarczy tę liczbę najpierw pom nożyć przez 2 , 0 0 0 0 0 1 1 0 ¡zapamiętać uzyskany w ynik, następnie ten w ynik ¡pomnożyć p rze z 4 i u zy s k a n y w y n ik d o d a ć do Lppi 0 0 0 0 0 1 1 □ ¡uprzednio zapamiętanego. Suma obu wartości bę| dzie równa iloczynowi liczby A przez 10. Rys. 3. Ilustracja operacji przesuwania dwukrotnego ¡W czasie wykonywania operacji arytm etycznych na w lewo informacji w rejestrze cyklicznym IJwejście szeregowe rejestru przesuwnego podawana Ibyla informacja zerowa. Tak w cale być nie m usi. ¡i W technice m ikroprocesorowej stosowane są re je s try zwane c y k lic z n y m i, w których wyjście szeregowe | jest połączone z wejściem szeregowym. Rejestry te umożliwiają realizację operacji krążenia informacji w rer ¡estrze, którego struktura przypom ina pętlę (rys. 3).
□
Rejestr przesuwny o rów noległym wejściu infor macji i szeregowym wyjściu inform acji nazywany jest przetwornikiem równoległo-szeregowym.
p
4.4.3.2 Specjalne elementy układów cyfrowych
W przypadku rejestru rów noleglo-szeregowego (rys. 3) m ożliwe jest równoległe (jednoczesne) i asynchro nicznie względem taktu wpisanie informacji wejściowej do wszystkich przerzutników rejestru. i'! ; Równoległa inform acja wyjściowa rejestru przesuwnego jest dostępna w każdej chwili.
I 0 10 I 0 10 i 1![ 1 I 0 l°
Jeśli
| ‘J j |
Inform acja wejściowa może być wpisana do rejestru tylko wtedy, gdy sygnał zezwolenia na wpis równoległy L przyjmuje w artość logiczną równą 1 . Sygnał ten jednocześnie blokuje możliwość taktowania rejestru prze* suwnego na czas wprow adzania inform acji wejściowej. Jeśli sygnał L przyjmuje wartość logiczną równą 0, to zostanie zablokowana m ożliwość rów noległego wprowadzania informacji i jednocześnie zostanie odblo kowana m ożliwość jej szeregowego wprowadzania i wyprowadzania. ■*
i Wtechnice cyfrowej stosowane są elementy należące do grupy określanej jako elementy specjalne. Należą do niej elementy cyfrowe o działaniu uwarunkowanym czasowo lub elementy interfejsu cyfrowego. Przerzutniki monostabilne Przerzutniki m onostabilne są elem entam i pam iętającym i o zdefiniow anym czasie pam iętania inform acji (rys. 1 na następnej stronie). W normalnym stanie pracy wyjście przerzutnika przyjmuje wartość logiczną równą o. W wyniku pobudzenia przerzutnika sygnałem wejściowym , wyjście przerzutnika zmienia stan wyj ściowy na stan o wartości logicznej 1. Stan ten utrzymywany jest na wyjściu przez czas fQ. Po upływie czasu (owyjście przerzutnika przyjmuje ponownie wartość logiczną równą 0. Czas występowania sygnału logiczne00 równego -1 na wyjściu przerzutnika jest ustawialny. Jeśli w czasie trwania stanu wyjściowego równego 1 Pojawi się następny sygnał pobudzenia wejścia, to dla pewnej klasy przerzutników monostabilnych stan ten zostanie przedłużony o dodatkowy czas i0, począwszy od chwili wystąpienia ponow nego pobudzenia. Cechę
250 taką mają przerzutniki określane mianem przerzutników z wielokrotnym wyzwalaniem 1. Przerzutniki monostabilne umożliwiają generowanie im pulsów w yj ściowych (wyjść o wartości logicznej równej 1 ) w za kresie od kilku nanosekund do kilkudziesięciu se kund. Przerzutniki astabilne Przerzutniki astabilne charakteryzują się tym, że ich wyjście jest niestabilne, tzn. wyjście zmienia stan lo giczny ze stanu 0 na stan 1 i odwrotnie (rys. 2 ) nie zależnie od innych sygnałów. O takim układzie m ó wimy, że jest układem generacyjnym sam owzbudnym lub w skrócie - generatorem . Przerzutnik astabilny rozpoczyna generację przebiegu wyjściowego w sposób autom atyczny, bezpośrednio po po d łą czeniu go do napięcia zasilania. Okres generowane go przebiegu jest zwykle nastawialny. Przerzutniki astabilne stosowane są najczęściej w układach ge neratorów częstotliwości. Typowe przerzutniki asta bilne umożliwiają generowanie przebiegów w zakre sie od ułamka Hz do kilkudziesięciu MHz.
251
j j nktady cyfrowe
iW.1U'.1 Hf - TC- r
’ Ir]
symbol
n n .
ilu s tra c ja s p o s o b u d z ia ła n ia p rz e rz u tn ik m o n o s ta b iln y
H Z P
‘Ing
r)
symbol lf 0 i i/, i ilu s tra c ja s p o s o b u d z ia ła n ia p rz e rz u tn ik m o n o s ta b iln y w ie lo k ro tn ie w y z w a la n y z p o d trz y m a n ie m w y jś c ia
Rys. 1. Symbole graficzne i ilustracja zasady działania# przerzutników monostabllnych
G
JU l
a °t n n n n
Przerzutnik Schmitta Rys. 2. Symbol graficzny I Ilustracja zasady działania 2 Sygnał napięciowy o wartościach logicznych 0 i 1 przerzutnika astabllnego ,'fs jest nazywany sygnałem cyfrowym . W stosunku do idealnego sygnału cyfrow ego zakłada się, że czas przejścia od stanu 0 do stanu 1 lub odwrotnie jest nie skończenie krótki. W rzeczywistości czas przełączania stanów logicznych jest skończony. Miarą szybkości przejścia z jednego do drugiego stanu jest prędkość narastania lub opadania zbocza sygnału. Układy cyfro we pracują prawidłowo, jeśli ta prędkość nie jest zbyt mała, tzn. nie jest mniejsza niż pewna prędkość gra niczna np. 1 V/ps. Jeśli sygnał wejściowy do układu cyfrowego jest sygnałem analogowym (rys. 3) lub sy gnałem cyfrowym o m alej prędkości narastania, to stosowany jest specjalizowany element pośredniczący zwany przerzutnlkiem Schmitta. Przerzutnik Schmitta jest elementarnym przetwornikiem analogowo-cyfro wym, który przyporządkowuje w yjściowy stan logiczny równy 1 sygnałowi wejściowemu, którego wartość przekracza ściśle określony poziom zwany poziomem sygnału lub progiem załączenia. Stan logiczny 1 utrzy mywany jest na wyjściu przerzutnika nawet wówczas, gdy chwilowo sygnał wejściowy obniży swój poziom poniżej progu załączenia i jednocześnie nie spadnie poniżej progu wyłączenia. Na wyjściu przerzutnika stan logiczny zm ieni się na stan 0 dopiero wówczas, gdy wartość sygnału wejściowego spadnie poniżej napięcia progu wyłączenia. Różnica wartości napięć progów załączenia i wyłączenia nazywana jest histerezą napię ciową przerzutnika. Przerzutnik Schm itta stosowany jest powszechnie w konstrukcji układów wejść cyfr» wych oraz w bram ach układów m ikrokom puterowych. i
iU-nhA ■IBM
Systemy liczbowe ieChnice cyfrowej stosowane są powszechnie zar !Lnnie trzy pozycyjne systemy liczbowe (rys. 1 ), mianowicie system dziesiętny (decymalny), sys[etn dwójkowy (binarny) i system szesnastkowy (tieksadecymalny).
s y s te m s z e s n a s tk o w y 162 256
161 16
16° 1
s y s te m d z ie s ię tn y 102 100
101 10
s y s te m d w ó jk o w y
10°
2« 16
23 8
22 4
21 2
2° 1 0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
2
2
0
0
0
1
0
3.
3
0
0
0
1
1
4
4
0
0
0
0
cystern
5
5
0
0
0
• d z ie s ię c iu
6
6
0
0
7
7
0
0
8
8
0
dziesiętny je s t system em o podstaw ie 10 cyfrach { 0 , 1 ,2 ,3,4,5, 6 ,7, 8 ,9 }. System dwójkowy jest systemem o podstawie 2 , w którym •: ^ tę p u ją wyłącznie dwie cyfry: 0 i 1. System heksa d e c y m a ln y jest systemem o podstawie 16 I szes nastu cyfrach {0,1,2,3,4,5, 6,7,8,9, A, B, C, D, E, F} (lab. 1 ). Systemy liczbowe służą wyłącznie notacji wartości liczb, a więc Ich pre ze n ta cji. S p o só b n o tacji nie zmienia wartości liczby. Oznacza to, że wartość liczby jest całkowicie niezależna od systemu, w którym j0St prezentow ana. Na p rz y k ła d ta sa m a lic z b a o wartości dw adzieścia w zapisie dziesiętnym będzie miała postać 20 , w systemie dw ójkow ym po1stać 10100, a w systemie szesnastkowym postać 14. k I odwrotnie, ta sama notacja liczby może oznaczać różną wartość liczby. Na przykład liczba o notacji . ■11 może oznaczać liczbę o wartości 3 w systemie dwójkowym, liczbę 11 w systemie dziesiętnym i licz bę o wartości 17 w systemie heksadecym alnym. Z uwagi na możliwość zaistnienia pom yłki w sposo bie interpretacji zapisu liczby przyjęto zasadę wskazywania.systemu liczbow ego, którego zapis d o ty czy. Stosowane są różne m etody zapisu, z których najprostsza polega na dodaniu sym bolu literowego (d - dla systemu decym alnego, b - dla systemu bi narnego i h - dla systemu heksadecym alnego) na końcu łańcucha znakowego notacji liczby. Na przy kład: 20d, 10100d, 14d. Metoda ta stosowana jest na przykład w językach programowania. Innym pro stym sposobem jest umieszczanie informacji o sys temie liczenia w postaci o d p o w ie d n ie g o indeksu o wartości p o d s ta w y s ys te m u lic z b o w e g o , np. 20(io), 10100 (2), 1 4(ig) (lab. 1 ).
1
1 0
0 0
9
9
0
0
A
0
0
0
0
0
B C
2
0
3
0
4
0
F
5
0
0
6
1
1 0
D
0
0
0
' E
1 0
0 1 0 1
0
0
0
0
Rys. 1. Przykład zapisu liczb w różnych systemach liczbowych
Tab. 1. Systemy liczbowe
Cyfry Podstawa
System dziesiętny
System dwójkowy
System szesnastkowy
0..9
0,1
0..9 A..F 16
10
Systemy pozycyjne zapisu liczb 452,86,(10)
waga pozycji = 10 a wartość pozycji=4 ■102 = 400 Wartość decymalna cyfr heksadedymalnych: A - 10 ; B - 11; C - 12 ; D - 13; E - 14; F - 15
Konwersja liczb dziesiętnych do postaci liczb dwójkowych Algorytm konwersji (zamiany) zapisu liczb w systemie dziesiętnym do postaci zapisu liczb w systemie dw ój kowym jest prostym algorytmem iteracyjnym. Algorytm polega na realizacji kolejno po sobie następują cych operacji dzielenia przez liczbę 2. W pierwszej operacji dzielona jest przez 2 liczba dziesiętna podlega ł a konwersji. Następnie zapamiętywana jest reszta z dzielenia tej liczby przez 2 oraz dzielony przez dwa całkowity wynik z poprzedniego dzielenia. Operacja dzielenia kontynuowana jest aż do skutku, tzn. do m o mentu, w którym wynik z kolejnego dzielenia będzie rów ny 0 . 1ang. ra trig ge ra b le = w yzw a la nie w ie lo kro tno
252
253
^ Układy cyfrowe
liíy w a d y c y .
hór a lfa b e tu je s t u w a r u n k o w a n y g łó w n ie w a r u n k a m i te c h n ic z n y m i re a liz a c ji tra n s m is ji o r a z p r z e z n a c z e -
Przykład 1:
■ m p r z e s y ła n e j in fo rm a c ji. N a p r z y k ła d i n fo r m a c ja p r z e z n a c z o n a d o w y d r u k o w a n ia n a d r u k a r c e b ę d z ie k o -
D o k o n a ć k o n w e r s ji lic z b y 7 1 (10, d o p o s ta c i lic z b y d w ó jk o w e j. R o z w ią z a n ie :
'
. 71 : 2 = 3 5 r e s z t a 1
W : ?!/« vń] *vi
L S B - n a jm n ie j z n a c z ą c y b it
3 5 : 2 = 1 7 re s z ta 1 17 : 2 =
8:2 4:2 2 :2 1:2
= = =
=
W y n ik k o n w e r s ji;
8 re s z ta 1 4 re s z ta 0
fll®
___ . in a c z e j:
1)0aa
b y ć p r z y p o r z ą d k o w a n e z n a k i n a l e ż ą c e d o r ó ż n y c h a lfa b e t ó w . J e ś li p r z y p o r z ą d k o w a n ia t e s p e łn ia ją
InfArmOAH n iż in fo r m nnln a c ja p r z e z n a c z o n a r4r\ d o nrtoóułanio p r z e s y ła n ia r-\r-7 p r zC ei-7 z irttarr-iof in te rn e t. Pa C o uiiaAoi w ię c e j, fol te j csmai s a m e j in fo rm a c ji
unki p r z y p o r z ą d k o w a ń w z a je m n ie j e d n o z n a c z n y c h , to k o d o w a n ie in fo rm a c ji m o ż e b y ć t a k ż e r o z u m ia n e •¡¡ko o p e ra c ja w z a je m n ie je d n o z n a c z n e g o p r z y p o r z ą d k o w a n ia z n a k ó w n a le ż ą c y c h d o r ó ż n y c h a lfa b e tó w . alfabety z n a k ó w n a z y w a n e s ą
zbioram i kodów
lu b k r ó c e j -
kodami.
W t e c h n i c e s t o s o w a n y c h je s t w ie le
óżnych r o d z a jó w k o d ó w , k tó r e m o g ą b y ć z a k w a lif ik o w a n e d o d w ó c h g łó w n y c h g r u p :
2 re s z ta 0 1 re s z ta 0 0 re s z ta 1
kodów numerycznych
[kodów alfanumerycznych. .1
M S B - n a jb a r d z ie j z n a c z ą c y bit
I
71(t0) =1000111 (2)*
I Kody n u m e r y c z n e s ą k o d a m i, k tó r y c h a lfa b e t y s k ła d a ją s ię w y łą c z n ie z cyfr. K o d y te s łu ż ą g łó w n ie d o k o * dow ania lic z b . W y b r a n e p r z y k ła d y k o d ó w n u m e r y c z n y c h p r z e d s ta w io n o w
tab. 1.
Kody a lfa n u m e ry c z n e s ą k o d a m i, k tó ry c h a lfa b e ty s k ła d a ją s ię z liter, c yfr i z n a k ó w s p e c ja ln y c h . K o d y te s łu ż ą .
Konwersja liczb dwójkowych do postaci liczb heksadecymalnych A lg o r y tm k o n w e r s ji z a p is u lic z b w s y s te m ie d w ó j k o
Przykład 2:
a liz a c ji d w ó c h k r o k ó w . W p ie r w s z y m k r o k u n a s tę p u j e p o d z ia ł c y fr z a p is u lic z b y d w ó jk o w e j n a g r u p y li c z ą c e p o c z t e r y c y fry b in a r n e , z w a n e t a k ż e
mi.
tetrada-
1000111(2)
d ó p o s ta ffl
lic z b y h e k s a d e c y m a ln e j.
K ro k i K ro k 2
4
7
■ p o d z ia ł n a d w ie te tra d y j-|l - p r z y p o r z ą d k o w a n ie t e tr a d o m c y fr h e k s a d e c y m a ln y c h .
Konwersja liczb heksadecym alnych do postaci liczb dwójkowych A lg o r y tm k o n w e r s ji z a p is u lic z b w s y s te m ie h e k s a -
W y n ik k o n w e r s ji: 71 (10) = 1 0 0 0 1 1 1
kody cyfrowe, kody binarne, kody specjalne.
mm
1 s łu ż ą c y
d o k o d o w a n ia b in a r n e g o lic z b w z a p is ie p o z y c y jn y m d z ie s ię tn y m . K o d t e n p r z y p o
Kodowanie 1 6 z n a k ó w . Z a t e m c z ę ś ć k o d ó w b in a r n y c h w k o d z ie B C D je s t kodów b in a r n y c h n o s i n a z w ę jioli
semigraficznych
pseudokodów.
(2)
w w y ś w i e t la c z a c h s i e d m io
=47,(16). Kody b in a rn e s łu ż ą d o k o d o w a n ia b i n a r n e g o lic z b . rodzaju p r e z e n ta c ji lic z b (ta b .
Przykład 3:
(1B1 d o
p o s ta c i lićżfi
b in a r n e j
Kod
Kod d z ie s ię tn y b in a rn y
4
7
- p o d z ia ł n a d w ie c y fr y h e k s a d e c y m a ln e f l
0100
0111
- p r z y p o r z ą d k o w a n ie
n a p r z e k s z t a ł c e n i u k a ż d e j c y f r y h e k s a d e c y m a ln e j
'im
c y fro m h e k s a d e c y m a ir # !
n a o d p o w i a d a j ą c ą je j c z t e r o p o z y c y jn ą lic z b ę b in a r
lic z b d w ó jk o w y c h .
ną.
p r z y k ł a d e m je s t
kod Graya.
siednich z n a k ó w k o d u r ó ż n ią s ię t y lk o i w y łą c z n ie na jed n ej p o z y c ji b ito w e j. W ła ś c iw o ś ć t a je s t w y k o r z y s ty w a n a w t e c h n i c e d o c e l ó w z w ła s z c z a w u r z ą d z e n i a c h
do
d e t e k c y jn y c h ,
p o m ia r ó w
k ą tó w
i p r z e m ie s z c z e ń lin io w y c h . J e ś li n a p r z y k ła d p r z e W y n ik k o n w e r s ji: 4 7 (10)=
1000111 (2).
Kodowanie informacji cyfrowych
Kod
BCD
■ G ra y a
0000
0000
1 2
0001 001 0
0001
3 4
001 1 01 0 0
001 1
0010
01 0 0
5 6
0101 01 1 0
0101 0110
01 1 0 0111
7 8 9 10
01 1 1 1000
01 1 1 1000 1 001
11
101 1 1 100
Ma
on tę w ła ś c iw o ś ć , ż e k o d y r o z w in ię ć b in a r n y c h s ą
Kod
0
1 ).
Kody s p e c ja ln e s łu ż ą n ie ty lk o d o k o d o w a n ia lic z b , trolne). T y p o w y m
N a d m ia r o w a c z ę ś ć
Tab. 1. Przykład kodów numerycznych
ale ró w n ie ż s p e łn ia ją fu n k c je d o d a t k o w e (n p . k o n R o z w ią z a n ie :
nadmiarowa.
P s e u d o k o d y b y w a ją c z a s a m i s t o s o w a n e d o k o d o w a n ia
Sposób k o d o w a n ia z a l e ż y o d w y b o r u ( k o n w e n c ji)
d o p o s t a c i z a p i s u lic z b w s y s t e m i e
d w ó jk o w y m je s t n ie z w y k le p ro s ty . A lg o r y t m p o le g a
^ . ti^ U ^ łi , A c r i l trr~.-rr\-, A A O 0 \
rządkowuje k a ż d e j c y fr z e d z ie s ię tn e j c z t e r o b ito w y k o d b in a r n y (ta b . 1 ). C z t e r o b it o w y k o d b in a r n y u m o ż liw ia
seg m e n to w ych .
D o k o n a ć k o n w e r s ji lic z b y 4 7
d e c y m a ln y m
;j|| ¡ '¡4
W d r u g im k r o k u a lg o r y t m u w a r to ś c i
c y fry h e k s a d e c y m a ln e j.
Wśród k o d ó w n u m e r y c z n y c h s z c z e g ó ln e z n a c z e n ie m a ją :
iest kod B C D
1 0 0 '0 1 1 1
liz u je lic z b ę b in a r n ą o w a r to ś c i d z ie s ię tn e j w z a k r e k a ż d e j te tr a d y p r z y p o r z ą d k o w a n y z o s ta je s y m b o l
-U tA .-
Kody c y fro w e s łu ż ą d o k o d o w a n ia k a ż d e j z c y fr r o z w in ię c ia p o z y c y jn e g o lic z b y . T y p o w y m k o d e m c y fr o w y m
b in a r n y c h n a n a jm n ie j z n a c z ą c y c h p o z y c ja c h a ż d o
s ie o d 0 d o 1 5 .
U r-ł„_.
,n
R o z w ią z a n ie :
P o d z ia ł te n je s t d o k o n y w a n y p o c z ą w s z y o d c y fr
c y fr n a jb a r d z ie j z n a c z ą c y c h . K a ż d a z t e tr a d s y m b o
. _ _I______ •_ : _ i _______ i: *.-.1_*.
fĄ
D o k o n a ć k o n w e r s ji lic z b y
w y m d o p o s ta c i z a p is u lic z b w s y s te m ie h e k s a d e c y m a ln y m je s t b a r d z o p ro s ty . A lg o r y t m p o l e g a n a r e
.
głównie d o k o d o w a n ia in fo rm a c ji te k s to w y c h . P r z y k ła d e m k o d u je s t z b ió r z n a k ó w a lfa b e tu A S C I I (ro z d z . 4 .4 .2 .2 ).
12
Iwornik o b r o t o w o - k o d o w y s łu ż ą c y d o p o m ia r ó w k ą
13 14
ta g e n e ru je w y n ik i p o m ia r u w k o d z ie G r a y a r ó ż n ią c e
15
1001 1010
1 101 1110 1111
0010
>. "O "D 0) CL
0000 0001 0011
0101 0100 1 100 1101 1111 1110 1010 101 1 1 001 1000
się na w ię c e j n iż je d n e j p o z y c ji b ito w e j, to o z n a c z a , R e a liz a c ja z a d a ń p r z e s y ła n ia i w y m ia n y in fo r m a c ji n a r z u c a o k r e ś lo n e w y m a g a n ia i o g r a n ic z e n ia dotyczące
że p o m ia r a k t u a l n y lu b p o m i a r p o p r z e d n i j e s t
je j p o s ta c i. W w ię k s z o ś c i p r z y p a d k ó w p o s ta ć in fo rm a c ji w y k o r z y s t y w a n e j w p r o c e s ie je j p rz e tw a rz a n ia nie
miarem niewiarygodnym.
n a d a je s ię b e z p o ś r e d n io d o
zadań komunikacyjnych.
Z a c h o d z i z a t e m p o t r z e b a o d p o w ie d n ie g o przekształ
c e n ia in fo r m a c ji w c e lu p r z y s t o s o w a n ia je j d o p o s ta c i w y m a g a n e j p r z e z
urządzenia komunikacyjne.
d z e n ia k o m u n ik a c y jn e d o k o n u ją z w y k le w y m ia n y in fo r m a c ji w p o s ta c i z n a k ó w ( r o z d z . d o p e w n e g o z b io r u n a z y w a n e g o
alfabetem.
4.4.2 . 2)
po
K o d G ra y a
kodu G r a y a je s t t a k ż e t o , ż e is tn ie ją p r o s t e a lg o r y t
Urzą
my u m o ż liw ia ją c e j e g o p r z e k s z t a ł c e n i e d o p o s ta c i
należących
kodu b in a r n e g o lu b p r z e k s z ta łc e n ie k o d u b in a r n e g o
A b y z a t e m m o ż liw e b y ło d o k o n a n ie w y m ia n y in fo rm a c ji pomię
Kod b in a rn y
Is to tn ą z a le t ą p r a k t y c z n ą
do p o staci k o d u G r a y a
(rys. 1).
d z y u r z ą d z e n ia m i k o m u n ik a c y jn y m i, k o n ie c z n e je s t d o k o n a n ie o p e r a c ji p r z e k s z ta łc e n ia p r z e s y ła n e j informa c ji d o p o s ta c i z n a k ó w a lfa b e t u k o m u n ik a c y jn e g o .
U r z ą d z e n ia lu b a lg o r y t m y u m o ż liw ia ją c e w z a je m n ie M noznaczne
K o d o w a n ie je s t o p e r a c ją w z a je m n i e j e d n o z n a c z n e g o p r z e k s z t a łc e n ia in fo rm a c ji w c ią g z n a k ó w o k re ś lW l i n e g o a lfa b e t u . ó jf
fa b e tu w
p r z e k s z ta łc e n ie z n a k ó w
z n a k i d r u g ie g o
tr a n s k o d e r a m i.
a lfa b e tu
je d n e g o
a l
n azyw an e
są
Rys. 1. Przykład realizacji transkodera 5-bltowego naturalnego kodu binarnego w kod Graya
sym-
255
41 nklady cyfrowe wyjście
B IN /7-S E G
1T1]
> | b wyświetlacz o | g j c siedmiosegmentowy
^ C h a ra k te ry s ty ka rozdzielczości przetwarzania przetworników analogowo-cyfrowych
wejścia
BI/RBO ^ j - C podza)
uiJiM
wypro-
wo*
dttonio
N
G21
LS
1 4-16 W E JŚ C IA
W E /W Y W YJŚCIE
0 3 D2 D1 DO e r RBI X X L L t L H
X X L L L L H
X X L L L H
X X L L H L
i. X H H H H
B I/RB O
X X L H X X
H L L H H H
Q*> ?
doS
D iilL D2-^L_ D3
O
0 1 2
H
H
X
H
d 20,21 i ł e 20,21 st
16384
65536
16777216
pom iaro w e g o r ó w n e g o
10 V )
3 1 ,9 m V
9 ,7 6 m V
2 ,4 4 m V
610pV
1 5 3 juV
0 ,6 p V
dokonującym z m ia n y s t r u k t u r y i p o s ta c i in fo r m a c ji Irys. 2 n a p o p r z e d n i e j s t r o n i e ) . Z a s a d n ic z o p r o c e s
15
wania in f o r m a c ji. W f a z ie k w a n ty z a c ji n a s tę p u je w y
0 I ? 3 S ' 5 6 1 3 9 c d u SI : 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
2 4 b it
4096
i „rzetw o rn ik a n a lo g o w o - c y f r o w y j e s t u r z ą d z e n ie m
i 20,21 ił g 20,21 i ł
■) kształt dekodowanej cyfry dziesiętnej lub znaku semlgratlcznego
o
1 6 b it
1024
len p rz e b ie g a w d w ó c h fa z a c h : k w a n t y z a c j i i k o d o H
1 4 b it
torzy z a ło ż e n iu z a k r e s u A2 A1 wejścia wyjścia wyjścia kodu wyświetlacza sledmloseamentnwRg» .
b 20,21 i ł c 20,21 £t
2 4 4
b it
^ ¡ ¿ ¡ e l c z o ś ć n a p ię c io w a
a 20,21 i ł
D- f
12
1 0 b it
256
¡ ¡ ¡ ^ ¡ a s t a n ó w k w a n t y z a c ji
IC-74147
C T =0| I
V20
i b it
k w a n ty z a c ji
12 13 14 15
Rys. 1. Przykłady scalonych układów transkoderów
Tab. 2. Charakterystyka cza sów konwersji przetw orników analogo w o-cyfrow y ch M e t o d a p r z e t w a r z a n ia B e z p o ś r e d n ia
znaczenie s to s u n k u w a r to ś c i a n a lo g o w e g o s y g n a łu
K o m p e n s a c y jn a
w ejściow ego U d o w a r t o ś c i w z o r c o w e g o s y g n a łu
C z ę s to tliw o ś c io w a
odniesienia U 0 . U z y s k a n y ilo r a z o b u w a r to ś c i, w p o
C zasow a
staci liczby c a łk o w ite j, p r z e k s z ta łc a n y je s t w u k ła d z ie
I n te g r a c y jn a
C z a s p r z e t w a r z a n ia
1 n s ..1 p s 1 p s . . 100 p s 10 p s ..10 m s 1 m s .,100 m s 20 m s .,1000 m s
.
kodującym n a in fo r m a c ję c y f r o w ą o w a r to ś c i N .
P r z y k ł a d y t r a n s k o d e r ó w s c a lo n y c h
Proces p r z e t w a r z a n ia w a r to ś c i a n a lo g o w e j n a w a r to ś ć c y f r o w ą w s e n s ie in fo r m a c y jn y m n ie je s t p r o c e s e m
Z a d a n ia k o n w e r s ji k o d ó w s ą z a d a n ia m i n a ty le t y p o w y m i w t e c h n ic e c y fr o w e j, ż e o p r a c o w a n o c a łą 'gamę s p e c ja liz o w a n y c h c y f r o w y c h u k ła d ó w s c a lo n y c h z w a n y c h t r a n s k o d e r a m i. Z a m ie n n ie w s t o s u n k u d o określe
1b e z s tra tn y m .
W p r o c e s ie ty m s t r a c ie u le g a c z ę ś ć in fo r m a c ji, c o w y n ik a z fa k tu , ż e s y g n a ł a n a lo g o w y m a
nieskoń czenie w ie le w a r to ś c i, s y g n a t c y f r o w y m a ic h s k o ń c z o n ą lic z b ę . N ie m o ż liw e je s t z a t e m j e d n o z n a c z
innymi
ne p r z y p o rz ą d k o w a n ie k a ż d e j w a r to ś c i s y g n a tu a n a lo g o w e g o o k r e ś lo n e j w a r to ś c i s y g n a t u c y f r o w e g o . M o ż e
u k ła d s c a lo n y IC 7 4 1 4 7 u m o ż l iw ia ją c y k o n w e r s j ę k o d u d z i e s i ę t n e g o d o k o d u B C D o r a z u k ła d IC -7448
my n a jw y ż e j m ó w ić o p r z y p o r z ą d k o w a n iu p e w n e g o z a k r e s u w ie lk o ś c i a n a lo g o w y c h d o o k r e ś lo n e j w a r to ś c i
n ia t r a n s k o d e r s t o s o w a n e s ą r ó w n ie ż n a z w y k o d e r lu b d e k o d e r . N a r y s . 1 p r z e d s ta w io n o m ię d z y
cyfrowej. P r z e tw o r n ik i a n a lo g o w o - c y f r o w e s ą k o n s tr u o w a n e w ta k i s p o s ó b , a b y te n p r z e d z ia ł n ie p r z e k r a c z a ł
u m o ż liw ia ją c y k o n w e r s ję k o d u B C D d o k o d u w y ś w ie t la c z a s i e d m io s e g m e n t o w e g o .
wartości w z o r c o w e g o s y g n a łu o d n ie s ie n ia U 0 ,
4A 3.4 Przetworniki analogowo-cyfrowe l cyfrowo-analogowe
Jeśli m a k s y m a ln a w a r to ś ć w y n ik u p r z e t w a r z a n ia w y n o s i N , to j e g o w a r to ś ć in fo r m a c y jn a w b ita c h je s t lic z b o wo rów na
Z d e c y d o w a n a w ię k s z o ś ć w ie lk o ś c i f iz y c z n y c h m a p o s ta ć c ią g łą , D o w ie lk o ś c i c ią g ły c h n a l e ż ą m ię d z y inny m i w ie lk o ś c i m e c h a n ic z n e , e le k t r y c z n e , t e r m o d y n a m ic z n e , t a k ie j a k n p . s iła , p r ę d k o ś ć , p ę d , c iś n ie n ie , tern-' p e r a t u r a , p r ą d , n a p ię c ie , s tr u m ie ń o b ję t o ś c io w y itd. W ie lk o ś c i c ią g l e n a z y w a n e s ą w i e l k o ś c i a m i a n a l o g o w y m i .
n = lo g z N .
0 p rz e tw o rn ik u t a k im m ó w im y , ż e je s t p r z e t w o r n ik ie m n - b ito w y m . N a p r z y k ła d w e w s p ó łc z e s n y c h m ik r o k o n -
■
Irolerach s t o s o w a n e s ą p r z e t w o r n ik i P o m ia r y w ie lk o ś c i c i ą g ły c h m e t o d a m i e le k t r y c z n y m i w y m a g a j ą ic h p r z e k s z t a ł c e n i a d o p o s ta c i .sygnałów
8-,
1 0 - , 1 2 - , 1 4 -, 1 6 - i 2 4 - b it o w e . Im w ię k s z a je s t w a r to ś ć n , t y m w ię k s z a
jest z d o ln o ś ć r o z d z i e l c z a p r z e t w o r n i k a ( t a b .
1).
e le k t r y c z n y c h , n p . n a p ię c ia . P r z e k s z ta łc e n ia w a r to ś c i c ią g ły c h w ie lk o ś c i f iz y c z n y c h d o p o s ta c i w a rto ś c i cią g ły c h w ie lk o ś c i e le k t r y c z n y c h d o k o n y w a n e s ą w u r z ą d z e n ia c h n a z y w a n y c h p r z e t w o r n i k a m i p o m ia r o w y m i. W ie lk o ś c i c ią g łe n i e m o g ą b y ć p r z e t w a r z a n e b e z p o ś r e d n io w u k ła d a c h i s y s te m a c h c y fr o w y c h . S y s te m y cy
1 R o z d z ie lc z o ś ć
A U p r z e t w o r n ik a a n a lo g o w o - c y f r o w e g o o k r e ś la s t o s u n e k w a r to ś c i z a k r e s u p r z e t w a r z a n ia
■ I/n d o lic z b y p o z io m ó w k w a n t o w a n ia .
f r o w e s ą b o w ie m p r z y s t o s o w a n e d o p r z e t w a r z a n ia in fo rm a c ji w y łą c z n ie w p o s ta c i c y f r o w e j, a w ię c d o infor m a c ji o p o s ta c i n ie c ią g łe j. W c e lu u m o ż liw ie n ia p r z e t w a r z a n ia w ie lk o ś c i c ią g ły c h m e t o d a m i c y fro w y m i ko
p r z e t w a r z a n i a lu b c z a s e m
n a t y c h m ia s t o
k o n w e r s j i. N a p e w n y m
poziom ie a b s t r a k c ji m o ż e m y p r z y ją ć , ż e p r z e t w o r n ik a n a lo g o w o - c y f r o w y je s t u r z ą d z e n ie m
s ta c i n ie c ią g łe j w u r z ą d z e n iu n a z y w a n y m p r z e t w o r n i k ie m
Proces p r z e t w a r z a n ia w a r to ś c i a n a lo g o w e j n a w a r t o ś ć c y f r o w ą n ie je s t r ó w n ie ż p r o c e s e m wym. W y m a g a o n p e w n e g o c z a s u z w a n e g o c z a s e m
n ie c z n e je s t p r z e t w o r z e n ie in fo rm a c ji c ią g łe j d o p o
r e a liz u ją c y m
p rzetw o rze n ie n a ż ą d a n ie . Z a t e m k a ż d a k o n w e r s ja a n a lo g o w o - c y f r o w a w y m a g a i n d y w id u a ln e g o u r u c h o m ie
a n a lo g o w o - c y f r o w y m . O p e r a c ja o d w ro tn a ,
nia p ro c e s u k o n w e r s ji (s y g n a ł S f a r f ) . P o z a k o ń c z e n iu p r o c e s u k o n w e r s ji p r z e t w o r n ik a n a lo g o w o - c y f r o w y g e
t z n . p r z e t w a r z a n ie in fo rm a c ji c y fr o w e j d o p o s ta c i in
neruje s y g n a ł S f o p in fo r m u ją c y o z a k o ń c z e n iu p r o c e s u p r z e t w a r z a n ia i p r z e jś c iu d o o c z e k iw a n ia n a ż ą d a n ie
f o r m a c ji c ią g te j, w y m a g a z a s t o s o w a n ia p r z e t w o r n i
następnej k o n w e r s ji. W ty m m o m e n c ie c y f r o w y w y n ik p r z e t w a r z a n ia je s t d o s t ę p n y n a w y jś c iu p r z e t w o r n ik a .
k ó w c y fr o w o -a n a lo g o w y c h .
Czas, ja k i u p ły w a p o m i ę d z y c h w ilą in ic ja c ji p r z e t w a r z a n ia a c h w ilą j e g o z a k o ń c z e n i a (tz n . p o m i ę d z y c h w i lami w y s t ą p ie n ia s y g n a łó w S f a r f i S f o p ) , n a z y w a n y je s t c z a s e m
P r z e t w a r z a n ie a n a lo g o w o - c y f r o w e
k o n w e r s ji a n a lo g o w o - c y f r o w e j. C z a s
len, o b o k r o z d z ie lc z o ś c i, n a le ż y d o n a j w a ż n ie js z y c h p a r a m e t r ó w c h a r a k t e r y z u ją c y c h p r z e t w o r n ik i a n a lo ‘ U r z ą d z e n ia ' c ią g łe j d o
s łu ż ą c e
do
p r z e tw a r z a n ia
p o s ta c ii n ie c ią g łe j
nazyw ane
. tw o r n ik a m i a n a lo g o w o -c y fr o w y m i.
in fo r m a c ji są
start
stop
p rze -
Rys. 2. Schemat Ideowy procesu przetwarzania analogowo-cyfrowego
g o w o -cyfro w e. C z a s k o n w e r s ji a n a lo g o w o - c y f r o w e j je s t z a le ż n y o d k o n s tru k c ji p r z e t w o r n ik a a n a lo g o w o - c y f r o wego, p r z y ję te j m e t o d y p r z e t w a r z a n ia o r a z j e g o r o z d z ie lc z o ś c i ( t a b .
2 ).
256
_________________________________________
W p r z y p a d k u p r z e t w o r n ik a z z a m i e s z c z o n e g o o b o k p r z y k ła d u k a ż d e j w ie lo k r o t n o ś c i n a p ię c ia 1 ,2 5 V z o s ta n ie p r z y p o r z ą d k o w a n y indywidualny kod cyfro wy (rys. 1). P r z y p o r z ą d k o w a n i e t a k i e n o s i n a z w ę charakterystyki przetwarzania przetwornika ana logowo-cyfrowego. C h a r a k t e r y s t y k a t a m a k s z t a łt k rz y w e j s c h o d k o w e j. C h a r a k te r y s ty k a t a je s t ró w n ie ż c h a r a k te r y s ty k ą n i e je d n o z n a c z n ą , tz n . t a k ą , ż e ty m
sam ym
w a r t o ś c io m
k o d u p r z y p o r z ą d k o w u je
r ó ż n e w a r to ś c i n a p ię c i a w e jś c io w e g o . N a p r z y k ła d kodow i
001
o d p o w ia d a ją
-----------------------------------llH^te^ycyfro^ Przykład: D o p o m ia r ó w s y g n a łu n a p ię c io w e g o u ż y to 3-bj(-*B w e g o p r z e t w o r n ik a a n a lo g o w o - c y f r o w e g o . Zakrś’''? z m ia n s y g n a łu w e jś c io w e g o w y n o s i 1 o V. je s t n a p ię c io w a r o z d z ie lc z o ś ć p rz e tw a rz a n ia ?
■,'f!
' ' ■('■ii R o z w ią z a n ie :
3 - b it o w y p r z e t w o r n ik a n a lo g o w o - c y f r o w y generuS je
23 = 8
ró ż n y c h c y fro w y c h
w a r to ś c i w y jś c lo lj
n a p ię c ia w e jś c io w e z z a
k r e s u 0 , 6 2 5 + 1 , 8 7 5 V. S p o s ó b k o d o w a n ia i p r e z e n ta c ji lic z b o w e g o w y n ik u k o d o w a n ia je s t z a le ż n y o d k o n s tr u k c ji p r z e t w o r n ik a a n a lo g o w o - c y f r o w e g o . W p r z y p a d k u z a s t o s o w a n ia p r z e t w o r n ik ó w a n a lo g o w o - c y f r o w y c h d o p r z e t w a r z a n ia s y g n a łó w p r z e m ie n n y c h s t o s o w a n a je s t p r e z e n t a c j a w y n ik u p r z e t w a r z a n ia w p o s ta c i z n a k - m o duł
(rys. 2)
lu b c z ę ś c ie j w p o s ta c i k o d u u z u p e łn ie
n io w e g o ( r o z d z . 4 . 4 .2 .1 ) . W a r u n k ie m r e a liz a c ji p o p r a w n e j k o n w e r s ji a n a lo g o w o -c y fr o w e j (w z n a c z n e j lic z b ie p r z e t w o r n ik ó w a n a lo
I
110 i 101 I 100
I I I
-o011 001
I
$
*
I
1,25 2,5 3,75
n
—■¥
I
S oio
7$
5,0
6,25 7,5 8,75 1C,o| U [V]---■i Rys. 1. Ilustracja charakterystyki przetwarzania 3-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego!
257
^ a Układy cyfrowe przetwornik cyfrowo-analogowy jest, podobnie jak «etwornik analogowo-cyfrowy, urządzeniem doko nującym zmiany struktury i postaci informacji (rys. 1). Zasadniczo proces ten przebiega w dwóch fazach: dekodowania i multiplikacji. Informacja w postaci zakodowanej liczby o wartości f/ w pierwszej fazie przetwarzania cyfrowo-analogo wego jest dekodowana do postaci wewnętrznego kodu cyfrowego specyficznego dla danej konstruk cji przetwornika. N a przykład w bloku tym wejścio wa informacja szeregowa zostaje przekształcona do postaci równoległej. Właściwe przetwarzanie cyfro wo-analogowe następuje w fazie multiplikacji. W fa zie tej wyznaczany jest sygnał wyjściowy przetwor nika jako wynik iloczynu wartości liczbowej informa cji wejściowej i rozdzielczości przetwornika A U . Operacja
dekoder
AT
-► multiplikator analogowy
U = AU -N
Uq
Rys. 1. Schemat Ideowy procesu przetwarzania cyfrowo-analogowego
w y p r o w a d z a n ia in fo rm a c ji a n a lo g o w e j m o
że być s y n c h r o n iz o w a n a p e w n y m t a k t e m z e g a r o w y m o o kres ie A T . W t y m p r z y p a d k u s y g n a ł w y jś c io w y przelwornika z m ie n ia się w c h w ila c h c z a s o w y c h o d le głych o A T
(rys. 2).
P o n ie w a ż w e jś c io w a in fo rm a c ja
cyfrowa je s t in fo rm a c ją d y s k r e tn ą , to w y n ik je j p r z e
g o w o - c y f r o w y c h ) je s t t o , a b y w c z a s ie je j t r w a n ia
twarzania w p o s ta c i a n a lo g o w e j m a c h a ra k te ry s ty c z
w a r to ś ć s y g n a łu w e jś c io w e g o b y ła n ie z m ie n n a . W a
ny kształt
r u n e k te n je s t tru d n y d o u tr z y m a n ia w p rz y p a d k u
najmniejszej z m ia n y s y g n a łu w y jś c io w e g o je s t r ó w n a
p r z e t w a r z a n ia s y g n a f ó w p r z e m ie n n y c h . D l a z a c h o
m r to ś c i w z o r c o w e g o s y g n a ł u o d n i e s i e n i a U 0 .
n ie c ią g łe j
krzywej schodkowej.
W a r to ś ć
Rys. 2. Ilustracja efektu przetwarzania przetwornika cyfrowo-analogowego
w a n ia n ie z m ie n n o ś c i n a p ię c ia w e jś c io w e g o w c z a s ie p r z e t w a r z a n ia s y g n a łó w p r z e m i e n n y c h s t o s o w a n y
Jeśli m a k s y m a ln a d o p u s z c z a ln a w a r to ś ć in fo r m a c y jn a c y f r o w e g o s y g n a łu w e jś c io w e g o je s t r ó w n a n b itó w ,
je s t p o ś r e d n ic z ą c y u k ła d n a z y w a n y u k ła d e m p r ó b k u
to o p r z e tw o rn ik u t a k im m ó w im y , ż e je s t p r z e t w o r n ik ie m n - b ito w y m . N a p r z y k ła d w e w s p ó łc z e s n y c h m ik r o
8-,
ją c y m z p a m ię c ią (z a n g . s a m p l e a n d h o ł d ) lu b u k ła
kom puterach s t o s o w a n e s ą p r z e tw o r n ik i
dem
ś le d z ą c y m z p a m i ę c i ą ( a n g . t r a c k a n d h o ł d ) .
Jest z d o ln o ś ć r o z d z ie lc z a p r z e t w o r n ik a . P o d o b n ie ja k d la p r z e t w o r n ik a a n a lo g o w o - c y f r o w e g o , z d o ln o ś ć r o z
(rys. 3) p o s ia d a stan pam iętania. W
dzielcza d e f in io w a n a je s t b ą d ź j a k o r o z d z ie lc z o ś ć n a p ię c io w a , b ą d ź j a k o r o z d z ie lc z o ś ć b ito w a r ó w n a n ~ K
U k ła d te n
nia
i
d w a s ta n y :
stan śledze
1 0 -, 1 2 - , 1 4 - i 1 6 - b ito w e . Im w ię k s z a je s t w a r to ś ć n , ty m w ię k s z a
s ta n ie ś le d z e n ia u k ła d
p r ó b k u ją c y z p a m ię c ią p r z e n o s i n a s w o je w y jś c ie s y g n a ł w e jś c io w y . W m o m e n c ie p o d a n ia n a u k ła d s y g n a łu p a m i ę t a n i a s y g n a ł y w e jś c io w y i w y jś c io w y
Rys. 2. Ilustracja przetwarzania napięcia przemt Wynik przetwarzania jest prezentowany w znak-modut
i N a p ię c io w ą z d o l n o ś ć r o z d z i e lc z ą A U p r z e t w o r n ik a c y f r o w o - a n a lo g o w e g o o k r e ś la s t o s u n e k w a r to ś c i j zakresu n a p ię c io w e g o s y g n a łu w y jś c io w e g o p r z e t w o r n ik a U N d o lic z b y p o z io m ó w k w a n t o w a n ia .
u k ła d u z o s t a ją r o z łą c z o n e . S y g n a ł w y jś c io w y z a c h o
Proces p r z e t w a r z a n ia w a r to ś c i c y fr o w e j n a w ie lk o ś ć a n a lo g o w ą n ie je s t p r o c e s e m n a t y c h m ia s t o w y m . P r o
w u je ( p a m ię t a ) o s t a t n i ą w a r t o ś ć n a p ię c i a s y g n a łu
ces ten w y m a g a p e w n e g o c z a s u z w a n e g o
w e jś c io w e g o w y s t ę p u ją c ą p r z e d p o ja w ie n ie m s ię s y
przyjąć, ż e c z a s
g n a łu p a m ię t a n ia . W a r to ś ć n a p ię c ia p a m ię t a n e g o s y
a n a lo g o w o -c y fro w e j. T y p o w y c z a s p r z e t w a r z a n ia c y f r o w o - a n a lo g o w e g o le ż y w z a k r e s ie 1 n s - 1 0 p s .
czasem przetwarzania lu b czasem konwersji. O g ó ln ie m o ż n a konwersji cyfrowo-analogowej j e s t z w y k le k r ó ts z y lu b p o r ó w n y w a ln y z c z a s e m k o n w e r s ji
g n a łu je s t p o d a w a n a n a w e jś c ie p r z e t w o r n ik a a n a lo g o w o - c y f r o w e g o . C z a s p a m ię t a n ia s y g n a łu je s t ta k
Przetworniki a n a lo g o w o - c y f r o w e s t o s o w a n e s ą w u r z ą d z e n ia c h i u k t a d a c h s t e r o w a n ia o r a z u k ła d a c h w y
d o b ie r a n y , a b y b y ł d łu ż s z y o d m a k s y m a ln e g o c z a s u
świetlania i z o b r a z o w a n ia g r a f ic z n e g o in fo rm a c ji.
k o n w e r s ji p r z e tw o r n ik a , tz n . T h > T c . P o z a k o ń c z e n iu o k r e s u p a m ię t a n ia u k ła d p r ó b k u ją c y z p a m ię c ią
4.4.3.S Pamięci state (ROM)
p r z e c h o d z i p o n o w n ie d o s ta n u ś le d z e n ia .
Układy pamięciowe
Przetwarzanie cyfrowo-analogowe Tc - czas konwersji przetwornika analogowo-cyfrowego,! ; U r z ą d z e n i a s łu ż ą c e d o p r z e t w a r z a n ia in fo r m a c ji , c y fr o w e j d o p o s ta c i c ią g łe j lu b p r z e d z ia ła m i c ią
7), - czas pamiętania napięcia przez układ próbkujący z pamięcią Ts - okres próbkowania sygnału wejściowego
.wj,
Rys. 3. Ilustracja działania układu próbkującego z pamięcią
"Jits ■ii
Jednym z p o d s ta w o w y c h e l e m e n t ó w s e k w e n c y jn y c h u k ł a d ó w c y fr o w y c h i s y s te m ó w m ik r o k o m p u t e r o w y c h (rozdz. 4 . 4 . 4 . 1) s ą
układy pamięciowe
z w a n e w s k r ó c ie
pamięciami.
ciowych je s t ic h z d o ln o ś ć d o p r z e c h o w y w a n ia in fo rm a c ji.
g łe j n a z y w a n e s ą p r z e t w o r n ik a m i c y f r o w o - a n a lo g o w y m i.
Układ p a m ię c io w y s łu ż y d o p r z e c h o w y w a n ia in fo rm a c ji c y fr o w e j.
P o d s t a w o w ą c e c h ą u k ła d ó w p a m ię
-I. 258
ilH ! Ë
2Ëy£yfrowe
259
Z d o ln o ś ć d o p r z e c h o w y w a n ia in fo rm a c ji je s t z a le ż n a o d ty p u i k o n s tr u k c ji p a m ię c i. Z t e g o p u n k tu widzeni u k ła d y p a m ię c io w e m o ż n a p o d z ie lić n a d w ie z a s a d n ic z e g r u p y :
pamięci nieulotnych
i
pamięci ulotnych 3
P a m ię c i n ie u lo t n e m a ją z d o ln o ś ć d o t r w a t e g o p r z e c h o w y w a n ia in fo rm a c ji. P a m ię c i t e p r z e c h o w u ją jnf 3 j m a c ję n ie z a le ż n ie o d t e g o , c z y s ą , c z y . t e ż n ie s ą z a s ila n e e le k t r y c z n ie .
r
; ffl
P a m ię c i u lo tn e t a k ic h w ła ś c iw o ś c i n ie p o s ia d a ją . W w a r u n k a c h b r a k u z a s ila n ia e l e k t r y c z n e g o tra cą
Z
p u n k tu w id z e n ia d o s tę p u d o in fo r m a c ji p a m ię c i d z ie lo n e s ą n a : P a m ię c i s ta le ( a n g .
ROM
zapisano miejsca pamięci
maska
% Ł -t
Łi
i
i i J-ft è i i i i i i ł i Ł i i i i i i i i “ri- r; -r ~r T
ŁŁ ŁiŁ i
i
b e z p o w r o t n ie c a łą p r z e c h o w y w a n ą in fo r m a c ję .
pamięci stale i pamięci zapisywalne.
- R e a d O n l y M e m o r y ) m a ją m o ż liw o ś ć r e a liz a c ji ty lk o i w y łą c z n ie o p e ra c ji o j S
c z y tu In fo rm a c ji.
.';J |
P a m ię c i z a p is y w a ln e (a n g .
RAM
wż'
ROM
zapisano miejsca pamięci
tL eL & A E!_ eL eL là eL îfc,É . * k!_ "à. ■tkÊL eL eL eL -T - r ~ r ~r t &
kL
PROM
PROM
(widok struktury pamięci monolitycznej)
Bys. 1. Przykłady półprzew o d n iko w ych pam ięci stałych
- R a n d o m A c c e s s M e m o r y ) m a ją m o ż liw o ś ć r e a liz a c ji z a r ó w n o op
o d c z y tu , ja k i z a p is u in fo rm a c ji.
nowej m a s k i t e c h n o lo g ic z n e j. T ak i s p o s ó b p r o g r a m o
programowaniem na tech no log icznym . Z p u n k t u w i d z e n i a
wania p a m ię c i n a z y w a n y je s t
W s y s te m a c h m ik r o p r o c e s o r o w y c h n ie u lo t n e p a m ię c i s t a łe w y k o r z y s t y w a n e s ą g łó w n ie d o p rz e c h o
p o z io m ie
w a n ia p r o g r a m ó w , n a t o m ia s t u lo tn e i n ie u lo t n e p a m ię c i z a p is y w a ln e d o p r z e c h o w y w a n ia d a n y c h .
zm ie n n y c h w y m a g a ń u ż y t k o w n ik a p a m ię c i p r o g r a mowalne te c h n o lo g ic z n ie s ą m a ło w y g o d n e .
Rodzaje pamięci stałych P a m ię c i s ta le
n a jc z ę ś c ie j w y k o r z y s ty w a n e
są
wania p a m ię c i s t a ł y c h z a p r o j e k t o w a n o s p e c ja l n e
w u k ła d a c h m ik r o k o m p u t e r o w y c h ja k o p a m ię c i k o
ii
6
ó
H is t o r y c z n ie , d o n a jw c z e ś n ie js z y c h p a m ię c i s ta ły c h
dowych (rys. 1).
matryc dio
P a m ię c i te n ie s ą o b e c n ie s t o s o
w a n e . P a m ię c i t e b y ły w y k o r z y s t y w a n e g łó w n ie ja k o
6
(wierszy). L in ie te t w o r z ą s t r u k t u r ę matrycą. W n o m e n k la t u r z e
d ó w s t e r o w a n ia o b r a b ia r e k k o lu m n y n a z y w a n e s ą li
P a m ię c i te ,
storowej. W t r a k c ie w y t w a r z a n ia p a m ię c i n ie w y s t ę puje z a te m e t a p je j p r o g r a m o w a n ia . P r o g r a m o w a n ie pamięci n a s tę p u je p o z a p r o c e s e m t e c h n o lo g ic z n y m ¡m o ż e b y ć w y k o n a n e
(ale tylk o je d n o k ro tn ie )
przez u ż y tk o w n ik a . P r o g r a m o w a n ie p o l e g a n a s t e
c p lip c jj 8
rowanym e le k t r y c z n ie w y tw o r z e n iu p r z e w o d z ą c y c h
Rys. 2. Pamięć EPROM
diodow ych z ł ą c z P N w m ie js c e t r a n z y s t o r o w y c h
dw u u k ła
O n ly M e m o r y ) .
są w p o s ta c i n ie z a p r o g r a m o w a n e j m a t r y c y t r a n z y
(kolumn)
w y m ia r o w ą z w a n ą
R ead
w o d ró ż n ie n iu o d p a m ię c i d io d o w y c h , w y t w a r z a n e
X-4X-0-------- 1wodq
P a m ię ć d i o d o w a s k ła d a s ię z s ie c i linii e le k t r y c z n y c h i p o z io m y m
P r o g r a m m a b le
:su kroki programu
p r z e b ie g a ją c y c h w k ie r u n k u p io n o w y m
lilg R e a d O n l y M e m o r y lu b
posuwdoprzodu posuwdofyfu wlączemowrzeciona * * włączcniochłodzenia
.
n o ś n ik i p r o g r a m ó w s t e r o w a n ia o b r a b ia r e k i r o b o t ó w ■p r z e m y s ło w y c h .
PROM - P r o g r a m m a OTPROM - O n e T i m e
pamięci p r o g r a m o w a ln e (a n g .
matryca diodowa
d u m a s z y n o w e g o ( r o z d z . 4 . 4 .2 .3 ) .
n a l e ż ą p a m ię c i z b u d o w a n e w p o s ta c i
Dla z a p e w n ie n ia w ię k s z e j e la s t y c z n o ś c i p r o g r a m o
przełącznik kroków programu
złącz P N R W ty m c e lu k a ż d y z p r o g r a m o w a n y c h t r a n z y s t o r ó w w p r o w a d z a n y je s t w s ta n k r ó t k o t r w a łe g o p r z e wodzenia p r ą d u z w a r c io w e g o w y w o łu ją c e g o z n is z c z e n ie z ł ą c z a b a z a - e m ite r tr a n z y s to r a ( z łą c z a N P ) i w e fe k
Rys. 1. Przykład wykorzystania pamięci w postaci matrycy diodowej do sterowania obrabiarki
cie p rz e k s z ta łc e n ie tr a n z y s to r a w d io d ę P N . P r o c e s p r o g r a m o w a n ia p a m ię c i je s t
procesem nieodwracalnym.
n ia m i k r o k ó w , a w ie r s z e lin ia m i c z y n n o ś c i. P o m ię d z y lin ia m i k r o k ó w i c z y n n o ś c i w łą c z a n e s ą d io d y p o z w a la ją c e n a p r z y p o r z ą d k o w a n ie o k r e ś lo n y c h c zyn n o ści do o k r e ś lo n y c h k r o k ó w p r o g r a m u s t e r o w a n ia . N a p r z y k ła d n a ry s . 1 w p ie r w s z y m k r o k u p r o g r a m o w y m układ s t e r o w a n ia w y k o n a : s z y b k i p o s u w n a r z ę d z i a d o p r z o d u , a w n a s t ę p n y m z w o ln i p o s u w , w łą c z y obroty w r z e c io n a i w łą c z y c h ł o d z e n ie w r z e c io n a w o d ą .
p a m ię c i R O M p r z e z n a c z o n e s ą w y łą c z n ie d o o d c z y tu .
pamięciami programowalnymi lu b EPROM (a n g . E r a s a b l e P r o g r a m m a b l e
Pamięci s ta le , k tó r e m o g ą b y ć p o n o w n ie p r o g r a m o w a n e , n a z y w a n e s ą
reprogramowalnymi.
D o p a m ię c i t a k ic h n a l e ż ą p a m ię c i s t a le t y p u
Read O n l y M e m o r y ) .
U k ta d s t e r o w a n ia o b r a b ia r k i r e a liz u je p r o g r a m s t e r o w a n ia w
trybie sekwencyjnym.
P r z e jś c ie d o następne
Pamięć ty p u E P R O M je s t p a m ię c ią o m a t r y c y t r a n z y s t o r o w e j. K a s o w a n ie z a w a r to ś c i p a m ię c i p o l e g a n a d łu
g o k r o k u p r o g r a m o w e g o n a s t ę p u je p o u p ły w ie c z a s u p r z e w id z ia n e g o n a w y k o n a n ie d a n e j c z y n n o ś c i lub po
gotrwałym n a ś w ie tle n iu p r o m ie n io w a n ie m u ltr a f io le t o w y m p o w ie r z c h n i s tr u k tu r y p a m ię c i z w y t w o r z o n ą m a -
z a is tn ie n iu z d a r z e n ia s y g n a liz u ją c e g o je j z a k o ń c z e n ie . P r o g r a m s t e r o w a n ia je s t z a k o d o w a n y w postaci od
liycą tra n z y s to r o w ą . W w y n ik u n a ś w ie tle n ia n a s tę p u je r e g e n e r a c ja w ła ś c iw o ś c i z łą c z N P N m a t r y c y (s ta ją s ię złączami n ie p r z e w o d z ą c y m i) . S k a s o w a n ie z a w a r to ś c i p a m ię c i w y m a g a z a t e m je j n a ś w ie tle n ia . S k a s o w a n ie
p o w ie d n ie j a lo k a c ji d io d w m a t r y c y d io d o w e j.
M r ó w n o w a ż n e w p is a n iu d o p a m ię c i in fo rm a c ji s k ła d a ją c e j s ię w y łą c z n ie z w a r to ś c i lo g ic z n y c h r ó w n y c h
i|j§
M a t r y c a d io d o w a je s t n ie u lo t n ą p a m ię c ią s ta lą .
1.
Prog ram o w anie p a m ię c i w y m a g a w p r o w a d z e n i a w w y b r a n e m ie js c a p a m ię c i in fo r m a c ji o w a r to ś c ia c h lo gicznych ró w n y c h 0 . O d b y w a s ię to w s p o s ó b z b liż o n y d o s p o s o b u p r o g r a m o w a n ia t r a n z y s t o r o w y c h p a m ię c i
b u d o w a n e s ą w s p o s ó b z b liż o n y d o m a try c o w y c h pami?d
PROM. Is to tn a r ó ż n ic a p o l e g a n a t y m , ż e w p a m ię c i E P R O M t r a n z y s t o r y n ie s ą n is z c z o n e w s p o s ó b n ie o d
d io d o w y c h tw o r z o n y c h z e le m e n t ó w d y s k r e tn y c h . R ó ż n ic a p o le g a n a ty m , ż e d io d y w p o s ta c i półprzew odniko
wracalny. N ie m n ie j j e d n a k lic z b a o p e r a c ji k a s o w a n ia i p r o g r a m o w a n i a p a m ię c i E P R O M je s t o g r a n ic z o n a
Monolityczne półprzewodnikowe pamięci stale
w y c h z łą c z y ty p u P N w y tw a r z a n e s ą w je d n e j m o n o lity c z n e j s tr u k tu r z e p o d ło ż o w e j. W tra k c ie p ro c e s u produkcji ta k ie j p a m ię c i w y tw a r z a n a je s t s p e c ja ln a m a s k a te c h n o lo g ic z n a , k tó r a s tu ż y d o w y tw o r z e n ia z łą c z P N tylko i wy łą c z n ie w z a p la n o w a n y c h w ę z ła c h m a tr y c y
(rys. 1 na następnej stronie).
T a k w y tw o r z o n a p a m ię ć m a pełne
c e c h y p a m ię c i s ta łe j. Z m ia n a p r o g r a m u p ó łp r z e w o d n ik o w e j p a m ię c i d io d o w e j n ie je s t m o ż liw a . W
przypadku
k o n ie c z n o ś c i z m ia n y z a w a r to ś c i p a m ię c i d io d o w e j k o n ie c z n e je s t w y tw o r z e n ie n o w e j p a m ię c i i zaprojektowaniu
(zwykle w g r a n ic a c h 1 0 2 - M O'1) , C h arakterystyczn ą c e c h ą k o n s tr u k c y jn ą p a m ię c i E P R O M je s t o k ie n k o w o b u d o w ie u m o ż liw ia ją c e r e a liz a c ję operacji k a s o w a n ia
(rys. 2).
P o z a p r o g r a m o w a n iu o k ie n k o je s t z a k r y w a n e w ta k i s p o s ó b , a b y u n ie m o ż liw ić
»otarcie d o s tr u k tu r y p a m ię c i p r z y p a d k o w e g o p r o m ie n io w a n ia u ltr a f io le t o w e g o m o g ą c e g o d o p r o w a d z ić d o skasowania z a w a r to ś c i p a m ię c i.
260
4.4 Uklady c g ^
1 z Układy cyfrowe
261
Z m ia n a z a w a r to ś c i j u ż z a p r o g r a m o w a n e j i z a in s t a lo w a n e j w u k ła d z ie e le k t r o n ic z n y m p a m ię c i E P R o y ^ m a g a w y ję c ia je j z u k ła d u , s k a s o w a n ia je j z a w a r to ś c i i p o n o w n e g o z a p r o g r a m o w a n iu w s p e c ja ln y m
proor
m a t o r z e . Z t e g o p o w o d u p r z y c z ę s te j w y m ia n ie z a w a r to ś c i p a m ię c i b a r d z ie j w y g o d n e w u ż y c iu s ą kasow ^
O d c z y t z a w a r to ś c i k o m ó r k i p a m ię c i s ta t y c z n e j je s t o d c z y t e m
n i e n i s z c z ą c y m , tz n . n ie w p ły w a n a s ta n
p rz e c h o w y w a n e j w n ie j in fo rm a c ji.
n e e le k t r y c z n ie p r o g r a m o w a ln e p a m ię c i s ta le ty p u . E E P R O M (a n g . E l e c t r i c a l l y E r a s a b l e P r o g r a m m a b l e R a g i Zapis in fo rm a c ji d o k o m ó r k i je s t r ó w n ie p r o s t y ja k o d c z y t. P o le g a n a w p r o w a d z e n iu w s ta n p r z e w o d z e n ia
O n /y M e m o ry ).
P a m ię ć E E P R O M m a r ó w n ie ż t r a n z y s t o r o w ą k o n s tr u k c ję m a t r y c o w ą . K a ż d y t r a n z y s t o r s ta n o w i tzw .
elemèn
t a r n ą k o m ó r k ę p a m ię c i. E l e m e n t a r n a k o m ó r k a p a m ię c i p r z e z n a c z o n a je s t d o p r z e c h o w y w a n ia in fo r m a i j e d n o b it o w e j. K o m ó r k i p a m ię c i E E P R O M z b u d o w a n e s ą z t r a n z y s t o r ó w ty p u N M O S ( a n g . M e t a l N it r id e 0 J d e S e m i c o n d u c t o r ) . D o k a ż d e j k o m ó r k i m o ż liw e je s t w p r o w a d z e n i e ła d u n k u e le k t r y c z n e g o p r z e c h o w y w a n i
.'tranzystorów T 3 i T 4 p r z e z p r z y ło ż e n ie n a p ię c ia p o la r y z u ją c e g o n a lin ię s ło w a i j e d n o c z e s n y m u s t a w ie n iu li nii b ito w ych w je d n y m z d w ó c h s t a n ó w k o m p le m e n t a r n y c h . J e ś li n a p r z y k ła d lin ia b ito w a p o łą c z o n a z tra n zystorem T 3 z o s t a n ie u s t a w io n a w s ta n w y s o k i, a lin ia b ito w a p o łą c z o n a z t r a n z y s t o r e m T 4 w s ta n n is k i, to po z d ję c iu n a p ię ć p o la r y z u ją c y c h n a jp ie r w z linii s ło w a , a p ó ź n ie j z linii b itó w , s ta n p r z e r z u t n ik a z m ie n i się •¡ytaki s p o s ó b , ż e t r a n z y s t o r T1 z o s t a n ie z a b lo k o w a n y , a t r a n z y s t o r T 2 b ę d z ie p r z e w o d z ił.
g o w Iz o lo w a n e j w a r s tw ie a z o t k u k r z e m u z n a jd u ją c e j s ię m ię d z y b r a m k ą t r a n z y s t o r a a p o d ło ż e m z tlenku k r z e m u . W p r o w a d z e n i e ła d u n k u m o ż liw e je s t p r z e z z a in ic jo w a n ie e fe k tu p r z e b i c i a t u n e l o w e g o . Efekt ten w y w o ły w a n y je s t p o p r z y ło ż e n iu o d p o w i e d n i o w y s o k ie g o n a p ię c ia ( 2 0 - 4 0 V ) d o b r a m k i w y b r a n e g o tranzy. s to ra . Z a le ż n ie o d z n a k u p o la r y z a c ji t e g o n a p ię c ia , u k ła d p a m ię c i m o ż e b y ć a lb o p r o g r a m o w a n y , a lb o kasowany. P a m ię c i E E P R O M m a ją o g r a n ic z o n ą lic z b ę c y k li p r o g r a m o w a n ia (
102—106) .
C e c h ą c h a ra k te ry s ty c z n ą tych
p a m ię c i je s t a s y m e tr ia w a r to ś c i c z a s ó w d o s tę p u d o p a m ię c i. C z a s o d c z y tu in fo rm a c ji je s t r z ę d u n a t o m ia s t c z a s z a p is u m o ż e w y n o s ić
1 -10
10 ns -1 p 3
m s.
K o m ó rk a p a m ię c i S R A M s k t a d a s ię a ż z s z e ś c iu t r a n z y s to r ó w . O g r a n ic z a to m o ż liw o ś ć o s ią g n ię c ia w y s o k ie go
sto p n ia u p a k o w a n ia p a m ię c i w s tr u k tu r z e p ó łp r z e w o d n ik o w e j o r a z p o d n o s i je j k o s z t. P o n a d t o p a m ię ć
pobiera s to s u n k o w o d u ż ą m o c , p o n ie w a ż p o d tr z y m a n ie in fo rm a c ji w y m a g a , ż e b y w k a ż d e j k o m ó r c e w s ta nie p r z e w o d z e n ia z n a jd o w a ł s ię p r z y n a jm n ie j j e d e n tra n z y s to r . Z t e g o p o w o d u p a m ię c i S R A M r z a d k o s ą s to sowane d o b u d o w y p a m ię c i m a s o w y c h . Z a l e t ą p a m ię c i s t a t y c z n y c h je s t k ró tk i c z a s d o s tę p u . N a p r z y k ła d w p a m ię c ia c h w y k o n a n y c h z A s G a c z a s d o s tę p u je s t r z ę d u 1 n s . Z e w z g lę d u n a k ró tk i c z a s d o s tę p u p a m ię c i
O d m ia n ą k o n s tr u k c y jn ą p a m ię c i E E P R O M , c h a r a k te r y z u ją c ą s ię n iż s z y m i k o s z ta m i w y tw a r z a n ia , w ię k s zą po.
statyczne z n a jd u ją z a s t o s o w a n ie d o k o n s tr u k c ji z w ła s z c z a p a m ię c i p o d r ę c z n y c h w s y s te m a c h m ik r o k o m p u
je m n o ś c ią i k r ó ts z y m i c z a s a m i d o s tę p u , je s t p a m i ę ć ty p u F L A S H ( a n g . B u l k E r a s a b l e N o n - V o la t ile M em ory).
terowych. Pam ięć d y n a m ic z n a
4.4.3.6 Pamięci zapis/odczyt (RAM)
Pamięć d y n a m ic z n a t y p u D R A M ( a n g . D y n a m i e R a n d o m A c c e s s M e m o r y ) p r z e c h o w u je in fo r m a c ję w p o s ta
D o p o d s t a w o w y c h w a d p a m ię c i s ta ły c h n a le ż ą : s t o s u n k o w o d łu g i c z a s z a p is u In fo rm a c ji i o g r a n ic z o n a licz b a m o ż liw y c h o p e r a c ji z a p is u . W a d ty c h n ie p o s ia d a ją p a m ię c i p ó ł p r z e w o d n ik o w e ty p u R A M (a n g . R a n d o m
ci stanu n a ła d o w a n ia k o n d e n s a t o r ó w w y tw o r z o n y c h p o m i ę d z y ź r ó d ła m i t r a n z y s t o r ó w t y p u M O S F E T a p o d łożem (r y s . 1 ) . K o m ó r k a p a m ię c i je s t w ty m p r z y p a d k u z n a c z n ie m n ie j z ł o ż o n a k o n s tr u k c y jn ie w p o r ó w n a niu z k o m ó r k ą p a m ię c i S R A M . U m o ż liw ia to o s ią g n ię c ie z n a c z n ie w ię k s z y c h g ę s to ś c i u p a k o w a n ia p a m ię c i
A c c e s s M e m o ry ).
na je d n o s tk ę p o w ie r z c h n i m a t e r ia łu p ó łp r z e w o d n ik o w e g o . P o n a d t o k o m ó r k a z a w ie r a ty lk o je d n ą lin ię b itu .
P a m ię ć s ta ty c z n a P a m ię ć s t a t y c z n a t y p u S R A M
W r z e c z y w is to ś c i r o lę k o n d e n s a t o r a o d g r y w a p o j e m n o ś ć b r a m k i t r a n z y s t o r a p o l o w e g o . T r a n z y s t o r te n
(a n g . S t a t i c R a n d o m
A c c e s s M e m o r y ) p r z e c h o w u je in fo r m a c ję w p o s ta c i
w stanie n o r m a ln y m z n a jd u je s ię w s ta n ie z a t k a n ia . W t r a k c ie d o k o n y w a n ia o p e r a c ji o d c z y tu tra n z y s t o r p r z e
s t a n ó w w z b u d z e n ia b is t a b iln y c h p r z e r z u t n ik ó w s t a
łączany je s t w s ta n p r z e w o d z e n ia p r z e z w z b u d z e n ie w y s o k ie g o p o t e n c ja łu linii s ło w a . W r e z u lta c ie k o n d e n
ty c z n y c h ty p u R S . K a ż d y p r z e r z u t n ik w r a z z p o m o c
sator r o z ła d o w u je s ię p r z e z p r z e w o d z ą c y t r a n z y s t o r i n is k ą r e z y s t a n c ję linii b ito w e j. W linii b ito w e j p o ja w i s ię
n ic z y m i tr a n z y s t o r a m i t w o r z y e le m e n t a r n ą k o m ó r k ę
Krótki im p u ls n a p ię c io w y w ó w c z a s , g d y k o n d e n s a t o r p r z e d r o z p o c z ę c ie m o p e r a c ji o d c z y tu b y l n a ła d o w a n y .
p a m ię c i. K o m ó r k a p a m ię c i p r z e c h o w u je in fo r m a c ję
Impuls w linii b ito w e j n ie p o ja w i s ię o c z y w iś c ie , je ś li
je d n o b it o w ą . W y p e łn ia o n a e le m e n t p r z e s tr z e n i
wany.
p r z e d r o z p o c z ę c ie m o d c z y tu k o n d e n s a t o r b y t r o z ła d o
s tr u k tu r y p ó łp r z e w o d n i k a w y z n a c z o n y lin ia m i b itó w i lin ią s ło w a ( r y s .
1 ).
O dczyt z a w a r to ś c i k o m ó r k i p a m ię c i d y n a m ic z n e j je s t o d c z y t e m n i s z c z ą c y m , t z n . n i s z c z y p r z e c h o w y w a ną w n ie j in fo r m a c ję .
P o d s ta w o w y m
e le m e n te m
s t r u k t u r a ln y m
k o m ó rk i
p a m i ę c i j e s t b is t a b iln y p r z e r z u t n i k R S z b u d o w a n y Pojaw iający s ię im p u ls w linii b ito w e j w t r a k c ie o p e
z t r a n z y s t o r ó w T1 i T 2 . W n o r m a ln y m s t a n ie p r a c y k o m ó r k i p a m ię c i je d e n z ty c h t r a n z y s t o r ó w z n a jd u je
racji o d c z y tu je s t in te r p r e to w a n y ja k o s ta n lo g ic z n y
s ię w s t a n ie p r z e w o d z e n ia , n a t o m ia s t d r u g i w s ta n ie
b r a k im p u ls u je s t in te r p r e to w a n y j a k o
1, n a to m ia s t
6
z a b lo k o w a n ia . T ra n z y s to ry T 5 i T o d g r y w a j ą r o lę r e z y s t o r ó w o b c ią ż a ją c y c h tr a n z y s t o r y p r z e r z u t n ik a . Z a łó ż m y , ż e p r z e r z u t n ik z n a jd u je s ię w t a k im stanie, że
stan l o g ic z n y 0 . P o n ie w a ż o d c z y t i n f o r m a c ji j e s t -niszczący, to p o je j d o k o n a n iu k o n ie c z n e je s t z r e g e
p r z e w o d z i t r a n z y s t o r T 1 . P o te n c ja ł d r e n u t e g o tr a n z y s t o r a je s t w p r z y b liż e n iu r ó w n y p o te n c ja ło w i odniesie
n e ro w a n ie s t a n u p i e r w o t n e g o k o m ó r k i p a m i ę c i .
n ia , n a t o m ia s t p o t e n c ja ł d r e n u n ie p r z e w o d z ą c e g o t r a n z y s t o r a T 2 je s t b lis k i p o t e n c ja ło w i ź r ó d ła zasilania.
W tym c e lu n a lin ię b ito w ą p o d a w a n y je s t p o t e n c ja ł
W w y n ik u p r z e w o d z e n i a p r ą d u p r z e z t r a n z y s t o r T1 w k o m ó r c e p a m ię c i w y d z ie la s ię m o c c i e p ln a n a rezysto
wysoki (jeśli o d c z y t a n a z a w a r to ś ć k o m ó r k i b y ła r ó w na
rz e T 5 .
1)
( p r z e z p r z y ło ż e n ie napięcia
tra n z y s to r
lu b p o t e n c ja ł n is k i (je ś li o d c z y t a n a z a w a r to ś ć
Jw m órki b y ła r ó w n a O d c z y t s t a n u k o m ó r k i p a m ię c i s t a t y c z n e j p o l e g a n a w z b u d z e n iu l in ii s ł o w a
lin ia s tó w a
0)
o r a z w z b u d z a n a z o s t a je lin ia
słowa. k o n d e n s a to r
w p r o w a d z a ją c e g o tr a n z y s t o r y T 3 i T 4 w s ta n p r z e w o d z e n ia ) . W ó w c z a s p o t e n c ja ł d r e n ó w tra n z y s to ró w Tl i T 2 z o s t a n ie p r z e n ie s io n y n a o b ie l in i e b i t o w e , a w ię c ic h s t a n y b ę d ą o d z w ie r c ie d la ły s ta n p rz e rz u tn ik a ko m ó r k i. P r z y p r a w id ło w y m s t a n ie p r z e r z u t n ik a s t a n y o b u linii b i to w y c h b ę d ą w z a je m n i e kom p lem en tarn e.
Po d o k o n a n iu o d c z y t u , k o m ó r k a p a m ię c i d y n a
Z a t e m lin ia b ito w a p o ł ą c z o n a z t r a n z y s t o r e m T 3 b ę d z ie m ia ła p o t e n c ja ł n is k i, n a t o m ia s t p o t e n c ja ł wysoki bę
m icznej w y m a g a z r e g e n e r o w a n ia je j z a w a r to ś c i
d z ie m ia ła lin ia b ito w a p o ł ą c z o n a z t r a n z y s t o r e m T 4 . T a k ie m u s t a n o w i linii b ito w y c h z o s t a n ie przyporządko
Pierw otnej p r z e z w y k o n a n ie d o d a t k o w e j o p e r a c ji zapisu.
w a n y o k r e ś lo n y s ta n lo g ic z n y p r z e c h o w y w a n e j in fo r m a c ji, n p .
0.
Rys. 1. Komórka pamięci dynamiczne]
263
4-4 Układy cyfrowe C z a s d o s tę p u d o p a m ię c i, z e w z g lę d u n a z ł o ż o n ą p r o c e d u r ę o d c z y tu , n ie je s t t a k k ró tk i ja k
w. p a m ię ć
s ta t y c z n y c h . T y p o w y c z a s d o s t ę p u w y n o s i ( 1 0 - 1 0 0 n s ).
w n ro ce sie p r z e t w a r z a n ia p r o g r a m u d o p r o c e s o r a d o s t a r c z a n e s ą k o le jn o k o d y in s tru k c ji z p a m ię c i p r o g r a aCl)
D o d a t k o w o , c z a s p r z e c h o w y w a n ia ła d u n k u z g r o m a d z o n e g o w k o m ó r c e p a m ię c i d y n a m ic z n e j je s t malv h*
z w ie r c ie d la s ta n p r z e c h o w y w a n e j in fo r m a c ji. W y n ik a s tą d , ż e c z a s p r z e c h o w y w a n ia in fo rm a c ji w p am ięci
|
mechanizm odświeżania pamięci
ciągi
mikroinstrukcjami.
s te r o w a ń p r o c e s o r a z w a n y c h
W y n ik p r z e t w a r z a n ia p r z e s y ła n y je s t d o p a -
jjjęci o p e ra c y jn e j lu b u k ła d u in te r f e js o w e g o .
w z g lę d u n a n ie w ie lk ą p o je m n o ś ć k o n d e n s a t o r a o r a z j e g o u p ly w n o ś ć . S t a n n a ła d o w a n ia k o n d e n s a to ra m o ż e b y ć z b y t d łu g i. W c e lu w y d łu ż e n ia t e g o c z a s u w p r o w a d z o n o
, o raz a r g u m e n ty ty c h in s tru k c ji z p a m ię c i d a n y c h . W p r o c e s o r z e in s tr u k c je te s ą d e k o d o w a n e i z a m ie n ia -
1,1 na
pQ|
Układ in te rfe js o w y z a p e w n i a d w u k ie r u n k o w ą w y m ia n ę d a n y c h p o m i ę d z y p r o c e s o r e m a o t o c z e n ie m z e wnę trz n y m . W s z c z e g ó ln o ś c i u k ła d In te r f e js o w y m o ż e b y ć ź r ó d łe m a r g u m e n t ó w d o r e a liz a c ji in s tru k c ji.
g a o n n a a u t o m a t y c z n e j r e a liz a c ji o p e r a c ji r e g e n e r a c ji s ta n u z a w a r to ś c i k o m ó r e k p a m ię c i, w y k o n y w a n u t p r z e z w b u d o w a n y u k ła d s t e r o w a n ia p a m ię c i.
Procesor, p a m ię ć i u k ła d y in te r f e js o w e p o ł ą c z o n e s ą w z a je m n i e s ie c ią p o łą c z e ń z w a n y c h
magistralami.
P o n ie w a ż w p a m ię c ia c h d y n a m ic z n y c h D R A M d o z a p is u i o d c z y tu p o t r z e b n e s ą z a w s z e d w a s y g n a ły , to Dn..
M agistrale s ą g łó w n y m i s z la k a m i k o m u n ik a c y jn y m i, p o k tó r y c h p r z e s y ła n e s ą m ię d z y in n y m i in s tru k c je ,
s z c z e g ó ln e k o m ó r k i ła tw o je s t p o łą c z y ć w ta k i s p o s ó b , ż e b ę d ą m ia ły w s p ó ln ą lin ię s ło w a i in d y w id u a ln e li
Uane, a d r e s y i s y g n a ły s t e r u ją c e .
n ie b ito w e . W te n s p o s ó b m o ż liw e je s t u t w o r z e n ie p o j e d y n c z e g o s ło w a n - b it o w e g o . J e ś li z k o le i linie bitowe p o s z c z e g ó ln y c h s tó w z o s t a n ą p o łą c z o n e w z a je m n ie , to p o w s t a je m a c ie r z o w a s tr u k tu r a p la s k a um ożliw iała, c a p r o s t y d o s t ę p d o k a ż d e g o b itu k a ż d e g o s ło w a te j s tru k tu ry . T a k u t w o r z o n a s tr u k tu r a n o s i n a z w ę
pamięci,
sektora
liniami adresowymi, a lin ie b ito w e liniami danymi. S e k to r y p a m ię c i grud a le j w w ię k s z e je d n o s t k i z w a n e blokami lu b bankami pamięci. B lo k i p a m ię c i łą c z o n e s ą z kolei n a z y w a n e m o d u ła m i (n p . m o d u ły SIM M - S i n g l e I n l i n e M e m o r y M o d u l e lu b DIMM - D u a l In lln g
lin ie s łó w n a z y w a n e s ą
p o w ane są w s tr u k tu r y
procesor p o b ie r a k o d y in s tru k c ji z e ś c iś le o k r e ś lo n y c h m ie js c z o b s z a r u p a m ię c i p r o g r a m u . O b s z a r p a m ię c i p rzech o w u jący k o d in s tru k c ji n a z y w a n y je s t przez jej
adres w pamięci programu.
lokacją kodu instrukcji
danej i je s t id e n t y f ik o w a n y je d n o z n a c z n i e p r z e z je j danych s ą
i je s t id e n t y f ik o w a n y j e d n o z n a c z n i e
P o d o b n ie o b s z a r p a m ię c i p r z e c h o w u ją c y d a n e n a z y w a n y je s t lo k a c ją
pamięciami adresowalnymi,
adres w pamięci danych.
P a m ię ć o p e r a c y jn a i p a m ię ć
t z n , p a m ię c ia m i, w k tó r y c h d o s t ę p d o o k r e ś lo n e j lo k a c ji w y m a g a
podania a d r e s u te j lo k a c ji. W s z y s t k ie m o ż liw e a d r e s y w s z y s t k ic h lo k a c ji, d o k tó r y c h m a d o s t ę p p r o c e s o r m i
M e m o r y M o d u le ) .
kroko m p utera, n a z y w a n e s ą
4.4.3<7 Mikroprocesory
\
przestrzenią adresową.
Przestrzeń a d r e s o w a m a o k r e ś lo n ą p o je m n o ś ć in fo r m a c y jn ą z w ią z a n ą z je j z d o ln o ś c ią d o p r z e c h o w y w a n ia informacji. Z a t e m je d n o s t k ą m ia r y te j p o je m n o ś c i je s t 1 b it. P o je m n o ś c i p a m ię c i w s p ó łc z e s n y c h m ik r o p r o c e sorów s ą s t o s u n k o w o z n a c z n e (1 K b d o 1 2 8 G b ) . Z a le ż n i e o d s p o s o b u z lo k a liz o w a n ia p a m ię c i w y r ó ż n ia się
P o d s t a w o w ą fu n k c ją m ik r o p r o c e s o r a je s t p r z e t w a r z a n ie in fo r m a c ji z g o d n ie z p e w n y m p r e c y z y jn ie zdefil n io w a n y m p la n e m je j p r z e t w a r z a n ia z w a n y m
programem
lu b
algorytmem.
'
•
pamięć wewnętrzną i pamięć zewnętrzną. ' Pam ięcią w e w n ę t r z n ą je s t p a m i ę ć z in t e g r o w a n a z p r o c e s o r e m n a p o z io m ie t e c h n o lo g ic z n y m , a w ię c p a
M ik r o p r o c e s o r y s ą u k ła d a m i c y fr o w y m i r e a liz u ją c y m i s e k w e n c y jn ie p e w ie n ś c iś le z d e f in io w a n y i ograniczo n y z b ió r in s tru k c ji. Z a t e m a b y p r o g r a m m ó g ł b y ć z r e a liz o w a n y p r z e z m ik r o p r o c e s o r , m u s i z o s t a ć wcześniej p r z e k s z ta łc o n y d o p o s ta c i s e k w e n c ji t a k ic h in s tru k c ji. P r o c e s te n n a z y w a n y je s t
algorytmu
lu b
procesem generacji kodu maszynowego.
procesem implementacji
W y n ik a s tą d , ż e te n s a m
p r o g r a m m o ż e mieś
mięć b ę d ą c a j e g o n i e r o z d z ie ln ą c z ę ś c ią . J e ś li p o je m n o ś ć p a m ię c i w e w n ę t r z n e j je s t n ie w y s ta r c z a ją c a , to w u k ła d a c h m ik r o p r o c e s o r o w y c h s t o s o w a n a je s t p a m i ę ć z e w n ę t r z n a . Część u k ła d ó w m ik r o p r o c e s o r o w y c h n ie m a m o ż liw o ś c i r o z s z e r z e n ia , p a m ię c i p r o g r a m u .
r ó ż n e i m p le m e n t a c je w r ó ż n y c h s y s te m a c h m ik r o k o m p u t e r o w y c h .
(rys. 1). P o d s t a w o w y m i układy interfejsowe.
M ik r o p r o c e s o r je s t u r z ą d z e n ie m z ł o ż o n y m s tr u k tu r a ln ie i fu n k c jo n a ln ie s tru k tu ry m ik r o p r o c e s o r a s ą :
procesor, pamięć operacyjna
i
elem entam i
Dostęp d o lo k a c ji p a m ię c i w e w n ę tr z n e j lu b z e w n ę t r z n e j je s t r e a liz o w a n y p r z e z m e c h a n iz m a d r e s o w a n ia lo k a cji. A d re s o w a n ie p a m ię c i p o le g a n a w s k a z a n iu m ie js c a w p a m ię c i, w k tó re j p r z e c h o w y w a n a je s t ż ą d a n a in fo r macja lu b d o - k tó re j z o s ta n ie z a p is a n a in fo rm a c ja . A d r e s o w a n ie w y m a g a z a t e m in fo rm a c ji o a d r e s ie lo k a c ji. Długość in fo rm a c y jn a (lic z b a b itó w ) a d r e s u z w a n e g o t a k ż e
jednostki artymetyczno-lojednostki sterującej. Z a s a d n i c z y p r o c e s
P r o c e s o r z ło ż o n y je s t z
gicznej
i
p r z e t w a r z a n ia in fo rm a c ji r e a liz o w a n y je s t w je d n o s t
u kła d m ik ro p ro c e s o ro w y
powodu w s y s te m a c h m ik r o p r o c e s o r o w y c h a d r e s o w a n e s ą lo k a c je w p a m ię c i o p o je m n o ś c i w ię k s z y c h n iż je den bit. T y p o w o s t o s o w a n e je s t a d r e s o w a n ie lo k a c ji o p o je m n o ś c i 1 b a jtu iu b 1 s ło w a . J e ś li e l e m e n t a r n ą j e d
je d n o s tk a . a ry tm e ty c z n o -
p ro c e s e m . Kod
m a s z y n o w y p r o g r a m u , a r g u m e n ty in s tru k c ji i w y n ik i
J e d n o s tk a s te ru ją c a
nostką a d r e s o w a n ia lo k a c ji w p a m ię c i je s t
lo g ic z n a
r e a liz a c ji p r o g r a m u p r z e c h o w y w a n e s ą w p a m ię c i
mięci o
s tr u k c y jn e p a m ię ć tę d z ie li s ię n a z a w ie r a j ą c ą w y łą c z n ie k o d y
nych
z a w ie r a ją c ą a r g u m e n t y in s tru k c ji i w y n ik i p r z e
t w a r z a n ia o r a z o b s z a r
urządzeń wejścia-wyjścia.
Cykl von Neum anna1
<:
m a g is tra la w e w n ę trz n a
b a jt, to m ó w im y o p a m ię c i o
organizacji bajtowej
lu b
ośmiobito-
W z a s a d z ie r ó ż n ic e p o m ię d z y
lu b
sześćdziesięcioczterobitowej.
mikroprocesorem
a
mikrokontrolerem
n ie s ą d o ś ć p r e c y z y jn ie z d e f in io w a
ne, M o ż n a o g ó ln ie p r z y ją ć , ż e o b o w ią z u je k r y te r iu m p o d z ia łu f u n k c jo n a ln e g o .
u k ła d y in te rfe js o w e
p a m ię ć o p e ra c y jn a
organizacji szesnasto-, trzydziestodwu-
Mikroprocesor a mikrokontroler
->
Pod p o ję c ie m m ik r o p r o c e s o r a r o z u m ia n y je s t
zintegrowany programowalny układ zdolny do przetwa
rzania informacji.
W y k o n y w a n ie in stru kcji p r z e z m i k r o p r o c e s o r p o le g a n a c y k lic z n e j r e a liz a c ji c ią g u n a s t ę p u ją c y c h
pobrania instrukcji (rozkazu), je j inter pretacji (dekodowaniu) i wykonania (egzekucji).
1
wej. A n a lo g ic z n ie , je ś li e le m e n t a r n ą je d n o s t k ą a d r e s o w a n ia lo k a c ji w p a m ię c i je s t 1 s ło w o , to m ó w im y o p a
o p e r a c y jn e j. Z e w z g lę d u n a u w a r u n k o w a n i a k o n
pamięć programu in s tru k c ji, pam ięć da
m oże być znaczna. Jest ona
innymi z e w z g lę d u n a u p r o s z c z e n ie k o n s tru k c ji m a g is tra l a d r e s o w y c h m ik r o k o m p u t e r a . Z t e g o m ię d z y in n y m i
p ro c e s o r
c e a r t y m e ty c z n o - ło g ic z n e j. J e d n o s t k a s t e r u ją c a je s t p r z e z n a c z o n a d o s t e r o w a n ia t y m
słowem adresowym
zależna o d p o je m n o ś c i p a m ię c i i je j o r g a n iz a c ji. S k r ó c e n ie d łu g o ś c i s ło w a a d r e s o w e g o je s t w y g o d n e m ię d z y
(¡■i
c z y n n o ś c i:
u rz ą d z e n ia m a g is tra la z e w n ę trz n a "
£
,j
z e w n ę tr
i
Interp retując z a w ę ż a j ą c o t ę d e fin ic ję , p o d p o ję c ie m m ik r o p r o c e s o r a b ę d z ie m y r o z u m ie li u k ła d p o s ia d a ją c y jednostkę a r y t m e ty c z n o - lo g ic z n ą , u k ła d s t e r o w a n ia i p a m i ę ć p o d r ę c z n ą . W s e n s ie f u n k c jo n a ln y m m ik r o p r o cesor je s t z d o ln y d o p r z e t w a r z a n ia in fo r m a c ji, ja k k o lw ie k m a o g r a n ic z o n e m o ż liw o ś c i je j p o z y s k iw a n ia , p r z e c h o w yw an ia i u d o s tę p n ia n ia . Z a s t o s o w a n ie m ik r o p r o c e s o r a d o b u d o w y u k ła d ó w m ik r o k o m p u t e r o w y c h w y
\J o h a n n (John) von N oum ann (1903 -1 95 7 ) - a m e rykań ski m atem atyk p och o d ze n ia w ęgierskieg o
Rys. 1. Ogólny schemat układu mikroprocesorowego
maga n a jc z ę ś c ie j z a s t o s o w a n ia d o d a t k o w y c h e le m e n t ó w , t a k ic h ja k p a m ię c i d a n y c h i p r o g r a m u o r a z u k ła d y w ejśc ia-w yjśc ia.
264
______________ _______________________________________________ 4.4 Układy cyf a ^
M ik r o k o n tr o le r e m b ę d z ie m y n a z y w a li w pełni funkcjonalny układ mikroprocesorowy ze zintegrowanymi? układami pamięci i układami wejściowo-wyjściowymi. ,||
265
^ i Układy cyfrowe (itóra p o z w a l a ją n a j e d n o z n a c z n e w s k a z a n i e ty p u
obszaru, z k t ó r e g o lu b d o k t ó r e g o b ę d ą t r a n s f e r o wane a r g u m e n ty t y c h in s tru k c ji
RO M
RAM
(rys. 1).
FFH
W t y m r o z u m ie n iu k a ż d y m ik r o k o n t r o le r je s t m ik r o p r o c e s o r e m , a l e n ie k a ż d y m ik r o p r o c e s o r j e s t m ikro|(0n, tr o le r e m . P o d s t a w o w y m z a d a n ie m m ik r o k o n t r o le r a je s t n ie ty lk o p r z e t w a r z a n ie in fo rm a c ji, a le t a k ż e je j p 02y.
skiwanie (akwizycja), udostępnianie
( p r z e z k a n a ły k o m u n ik a c y jn e ) i
pamiętanie
( u k ła d y p a m ię c io w e ).
M ik r o p r o c e s o r y i m ik ro k o n tr o le r y b y w a ją w y k o n y w a n e z a r ó w n o w u n iw e rs a ln y c h w e r s ja c h p r z e z n a c z o n y c h ^ o g ó ln e g o s to s o w a n ia , ja k r ó w n ie ż w w e r s ja c h s p e c ja liz o w a n y c h (n p . p r o c e s o r y s y g n a ło w e p r z e z n a c z o n e do z a d a ń p r z e t w a r z a n ia s y g n a łó w , p r o c e s o r y p r z e z n a c z o n e d o p r z e t w a r z a n ia w lo g ic e r o z m y te j, p r o c e s o r y gIa. fic z n e itd .).
p o z d z ie le n ie o b s z a r ó w p a m i ę c i d a n y c h i p a m i ę c i
............
1
j . — ..w, wmV , , „ ¥ u Ł y o u u q r\ui ion u n u ją , r e p e r r u a r e m r e a liz o w a n y c h in s tru k c ji, a t a k ż e architek
Istotnym
w y r ó ż n ik ie m a r c h it e k t u r y je s t m ię d z y in n y m i s p o s ó b a d r e s o w a n ia i d o s t ę p u p r o c e s o r a d o p a m ię c i.
rze d a n y c h . O g r a n ic z e n ie t o je s t s z c z e g ó ln ie is to tn e u k ła d y w e /w y
w fazie u r u c h a m ia n ia i t e s t o w a n ia p r o g r a m u .
sor tw o r z y potok (zapas) instrukcji, k tó r e s ą k ie r o w ane d o w s p ó ł b ie ż n e g o w y k o n a n ia w p o s z c z e g ó l
(rys. 2).
W ty m c e lu w m ie js c e k o n w e n c jo n a ln e g o p o j e d y n A r c h it e k t u r a v o n N e u m a n n a c e c h u je s ię je d n o lit ą p r z e s t r z e n ią a d r e s o w ą , w k tó r e j w s z y s t k ie o b s z a r y pam ięci u m ie s z c z o n e s ą w je d n e j, w s p ó ln e j p r z e s t r z e n i a d r e s o w e j
(rys.
czeg o r e je s t r u in s tr u k c ji s t o s u je s ię s to s r e je s tr ó w .
1 ) . O b s z a r y p a m ię c io w e r ó ż n y c h ty p ó w są
p a m i ę ć p r o g r a m u , p a m i ę ć d a n y c h o r a z o b s z a r p a m ię c i z w ią z a n e j z u r z ą d z e n ia m i z e w n ę t r z n y m i je s t często u m o w n y . T o z n a c z y , ż e n a p r z y k ła d p a m i ę ć d a n y c h m o ż e p e łn ić fu n k c ję p a m ię c i p r o g r a m u i o d w r o t n ie , ¿ t e g o p o w o d u w a r c h it e k t u r z e v o n N e u m a n n a w y s t ę p u je j e d n a m a g is t r a la p r z e z n a c z o n a d o tr a n s fe r u zaró w n o d a n y c h , ja k i in s tru k c ji. W y n i k a z t e g o , ż e r e a liz a c ja in s tru k c ji m a c h a r a k t e r s e k w e n c y jn y , t z n . ż e o p e ra c je
Stos t e n p r z e z n a c z o n y je s t d o p r z e c h o w y w a n i a k o cji. In s tr u k c je p o b ie r a n e s ą z p a m ię c i p r o g r a m u d o kolejki w
cyklu
zw an ym
pre-fetch1 i
o p u s z c z a j ą ją
w ta k ie j s a m e j k o le jn o ś c i, w ja k ie j b y ły p o b ie r a n e .
w y n ik a ją c y z k o n ie c z n o ś c i r e a liz a c ji je d n o c z e s n e g o
je d n o s t e k ( z e s p o ł ó w ) w y k o n a w c z y c h p r o c e s o r a .
tr a n s fe r u k o d ó w in s tru k c ji i w a r to ś c i a r g u m e n tó w .
Architektura typu Harvard W a r c h i t e k t u r z e h a r w a r d z k i e j w p r o w a d z o n o d w ie n i e z a le ż n e m a g is t r a le p r z e z n a c z o n e d o p r z e s y ła n ia d a n y c h i in s t r u k c ji. D z ię k i t e m u s t a ło s ię m o ż l iw e s k r ó c e n ie c z a s u r e a liz a c ji c y k lu r o z k a z o w e g o , p o
OFFDFh OEOOOh
R e p ro g ra m o w a n a p a m ię ć p ro g ra m u ty p u fia sh
ODFFFh 01100h
O b s z a r a d re s o w y n ie w yko rzysta n y
GIGFFh 0 10 0 0 h
R e p ro g ra m o w a n a p a m ię ć p ro g ra m u ty p u ifash
OOFFFh OOCOOh
P a m ię ć p ro g ra m u ła d u ją c e g o RO M
OOBFFh 0 03 0 0 h
O b s z a r a d re s o w y n ie w yko rzysta n y
0 02 F F h 00200h
P a m ię ć d a n ych RAM
0 0 1 FFh OFFEOh
O b s z a r u rzą dze ń w e jś c ia -w y jś c ia
a dre s
T yp o b s z a ru p a m ię c i
n ie w a ż w t r a k c ie p o b ie r a n ia a r g u m e n t ó w d o w y k o n y w a n e j a k t u a ln ie in s tru k c ji m o ż liw e je s t r o z p o c z ę
p a m ię c io w y c h
2
p r a c u ją c y c h w s p ó ł b i e ż n i e w y s p e c j a l i z o w a n y c h D z ię k i t e m u
je d n o s tk a
a r y t m e ty c z n o -lo g ic z n a
2
W X
w
2 D i|D 2 R i p 2 X w . F, f 2 D, d 2 Ri r 2 X w F, F2 D l d 2 R i r 2 X p1 F 2 D , d 2 R i F i F2 D , d 2
F, f
n
F
H -
F,
2
w r
2
X w
Rt h
2X
w|
w y p r o w a d z e n ie a d r e s u in s tru k c ji
-
p o b r a n ie in s tru k c ji z m a g is tr a li d a n y c h
-
d e k o d o w a n ie in s tru k c ji
3
-
w y z n a c z e n ie a d r e s ó w a r g u m e n t ó w
1
-
w y p r o w a d z e n ie a d r e s ó w a r g u m e n t ó w
Di d
in s tru k c ji R
n a m a g is t r a le a d r e s o w e
t y c h m ia s to w e w y k o n a n ie in s tr u k c ji. W t e n s p o s ó b
2. X
m o żliw e je s t o d c ią ż e n ie je d n o s tk i a r y t m e ty c z n o - lo g i-
w
czn e j o d r e a l iz a c ji z a d a ń z w ią z a n y c h z p r z y g o t o i d e k o d o w a n ie m
2
2
n
2
2
2
w k a ż d y m c y k lu m a s z y n o w y m z a o p a t r y w a n a j e s t w k o m p le t a r g u m e n t ó w in s tru k c ji, c o u m o ż liw ia n a
w a n ie m a d r e s ó w , p o b r a n ie m
2
d R ijR X w f > D, X |F , f O , d R i | R F, F D, d Ri r
N
a
R
n a m a g is t r a lę a d r e s o w ą
O p u s z c z a ją c e k o l e j k ę i n s t r u k c je k i e r o w a n e s ą d o
O b s z a r p a m ię c i w e k to ra p rze rw a ń
n ie je d n o z n a c z n o ś ć a d r e s ó w o b s z a r ó w
F
s z y ć n a p r z y k ła d p r z e z z a s t o s o w a n ie r ó w n o le g łe g o p o b ie r a n ia k o d u n a s tę p n e j in s tru k c ji w t r a k c ie w y k o n y w a n ia p o p r z e d n ie j', p o n ie w a ż p o ja w iłb y s ię k o n flik t OFFFh OFFDFh
C e c h ą c h a r a k t e r y s t y c z n ą t e j a r c h it e k t u r y je s t
lejki s u k c e s y w n ie p o s o b ie w y k o n y w a n y c h in s tr u k
p o b ie r a n ia , in te r p r e ta c ji i e g z e k u c ji in s tru k c ji n a s t ę p u ją k o le jn o p o s o b ie . P r o c e s u t e g o n ie m o ż n a p rz y s p ie
d o s tę p u d o w s p ó ln e j m a g is tra li w y k o r z y s t y w a n e j d o
R y s . 1 . P r z y k ła d p la n u f r a g m e n t u p r z e s tr z e n i a d r e s o w e | m i k r o k o m p u t e r a o a r c h it e k t u r z e h a r w a r d z k ie j.
E
r o z łą c z n e i a d r e s o w a ln e w s p o s ó b j e d n o lit y i je d n o z n a c z n y , to z n a c z y k a ż d e m u a d r e s o w i p r z y p o rz ą d k o w a n a je s t j e d n a i ty lk o j e d n a lo k a c ja w o b s z a r z e p a m ię c i. W a r c h it e k t u r z e te j p o d z ia ł p r z e s t r z e n i a d r e s o w e j na
00H
P r z e tw a r z a n e p o t o k o w e p o l e g a n a t y m , ż e p r o c e
nych z e s p o ła c h w y k o n a w c z y c h p r o c e s o r a
Architektura von Neumanna
p ro g ra m
wości ł a d o w a n ia i w y k o n y w a n ia p r o g r a m u w o b s z a
Architektura RISC Architektura R IS C , czyli architektura o zredukowa nej liście instrukcji, jest specyficzną odm ianą ar chitektury h a r w a r d z k i e j, w której w ystępuje prze twarzanie potokowe zredukowanej liczby ortogo nalnych instrukcji programu.
t u r ą . A r c h it e k t u r a m ik r o k o m p u t e r a j e s t j e g o o g ó ln ą c h a r a k t e r y s t y k ą k o n s tr u k c y jn o -f u n k c jo n a ln ą .
dane
program u p r o w a d z i j e d n a k d o o g r a n ic z e n ia m o ż li
r
-
p o b r a n ie a r g u m e n t ó w w y k o n a n ie in s tru k c ji z a p is a n ie w y n ik u o p e r a c ji d o p a m ię c i danych
in
stru kcji o r a z p o b r a n ie m a r g u m e n t ó w in s tr u k c ji. P o z w a la to n a o s ią g n i ę c i e d u ż y c h s z y b k o ś c i p r z e t w a
R y s . 2 . P r z y k ła d o p e r a c ji p o t o k o w e g o p r z e tw a r z a n ia p ro g ra m u
rz a n ia in s tru k c ji.
c i e t r a n s f e r u k o d u n a s t ę p n e j i n s t r u k c ji z p a m i ę c i p r o g r a m u ( a n g . p r e - f e t c h ) . W ty m p r z y p a d k u o b s z a r y a d r e s o w e p a m ię c i d a n y c h i p a m ię c i p r o g r a m u s ą r o z d z ie lo n e . S y tu a c ja t a k a m o ż e p r o w a d z ić d o n ie
I'
j e d n o z n a c z n o ś c i lo k a liz a c ji o b s z a r ó w a d r e s o w y c h . P o le g a o n a n a t y m , ż e t e m u s a m e m u a d r e s o w i m o ż e b y ć p r z y p o r z ą d k o w a n a lo k a c ja z a r ó w n o w p a
li
m ię c i d a n y c h , ja k i w p a m ię c i p r o g r a m u . P o n ie w a ż s y tu a c ja t a k a je s t n ie d o p u s z c z a ln a , to w m ik r o k o m p u t e r a c h o a r c h it e k t u r z e h a r w a r d z k ie j z a c h o d z i k o n ie c z n o ś ć r o z s z e r z e n ia lis ty in s tru k c ji o in s tr u k c je ,
Ortogonalność
je s t s z c z e g ó ln ą c e c h ą s k ła d n i in s tru k c ji p r o c e s o r a . A b y z b ió r in s tru k c ji s p e łn ia ł z a s a d ę
o r t o g o n a ln o ś c i, m u s z ą b y ć s p e łn io n e n a s t ę p u ją c e w a r u n k i: • k a ż d a in s tr u k c ja m a p e tn y i r ó w n o p r a w n y d o s tę p d o d o w o ln e g o re je s tru p r o c e s o r a - w a r c h ite k tu r z e p r o c e s o r a n ie w y s t ę p u ją z a t e m re je s try s p e c ja ln e o d o s t ę p ie z a s t r z e ż o n y m ty lk o d la w y b r a n y c h in s tru k c ji, • k a ż d a in s tr u k c ja m o ż e w y k o r z y s t y w a ć d o w o ln y t r y b a d r e s o w a n ia a r g u m e n tó w , • k o d y r o z k a z ó w i f o r m a ty in s tru k c ji s ą z u n if ik o w a n e - w s z c z e g ó ln o ś c i k o d y w s z y s tk ic h in s tru k c ji z a jm u ją w p a m ję c i p r o g r a m u t a k ą s a m ą lic z b ę b a jtó w .
R y s . 1 . P r z y k ła d p la n u ( m a p y ) je d n o lit e j p r z e s tr z e n i a d r e s o w e j m ik r o k o n tr o le r a M S P 4 3 0 F 1 3 3 o a r c h it e k t u r z e v o n N e u m a n n a ang. p re -fe tc h =
p o b ra n ie w yp rze dza ją ce
.. .
*
ii.'.*
..TM
^ Układy cyfrowe_____________ ‘___________________________________________________________
266 ___________________________________________________________________________ ld j* !2 5 l£ y fr o w e
267
M agistrala z e w n ę t r z n a m o ż e b y ć u d o s t ę p n io n a u r z ą d z e n io m z e w n ę t r z n y m w z g lę d e m s y s te m u m ik r o k o m p u ' O r t o g o n a ln o ś ć z b io r u in s tru k c ji r a d y k a ln ie u p r a s z c z a b u d o w ę u k ła d u s t e r o w a n ia p r o c e s o r a , k tó ry m oże ■ r e a liz o w a ć c y k l w y k o n a n ia k a ż d e g o r o z k a z u w e d łu g id e n t y c z n e g o s c h e m a t u .
terow ego z a p o ś r e d n ic tw e m m a g is tra li w e jś c ia - w y jś c ia (a n g . I / O b u s ) . M a g is tr a la w e w n ę t r z n a je s t z w y k le s e
:
p arow ana e le k t r y c z n ie ( b u f o r o w a n a u k ła d a m i n a d a jn ik ó w - o d b lo r n ik ó w m a g is tr a li) w z g lę d e m w nętrznej. W s e n s ie lo g ic z n y m o b ie m a g is t r a le s ą je d n a k r ó w n o w a ż n e . W
: K la s y c z n a a r c h it e k t u r a R IS C je s t w p r a k t y c e s t o s o w a n a s t o s u n k o w o r z a d k o . N a jc z ę ś c ie j s p o ty k a n e sa
w nęirzną I z e w n ę t r z n a s ą r ó ż n e g o ty p u (n p . w e w n ę t r z n a je s t m a g is t r a lą r ó w n o le g łą , a z e w n ę t r z n a m a g is tr a lą
: k o n s tr u k c ja c h p r o c e s o r ó w je j e le m e n t y . A r c h it e k t u r a ta z n a jd u je z a s t o s o w a n ie z w ła s z c z a w konstrukcjach I s z y b k ic h p r o c e s o r ó w s y g n a ło w y c h
DSP
( a n g . D i g i t a l S i g n a l P r o c e s s o r ) p r z e z n a c z o n y c h m ię d z y innym i do
z a s t o s o w a ń a u d io w iz u a ln y c h .
s z e re g o w ą ), to s p r z ę g n ię c ie o b u m a g is tr a l m o ż liw e je s t p r z e z w y k o r z y s t a n ie s p e c ja ln y c h p r z e k s z ta łt n ik ó w m agistral z w a n y c h
konw erteram i.
P r o b le m
k o n w e r s ji m a g i s t r a l je s t t e c h n i c z n i e z ło ż o n y , je ś li z o s t a n i e
u w zg lęd n io n y f a k t z a p e w n ie n ia s y n c h r o n iz a c ji i d w u k ie r u n k o w o ś c i tr a n s fe r ó w in fo rm a c ji.
Architektura CISC
' i p u n ktu w id z e n ia t a k t o w a n ia p r o c e s u p r z e s y ła n ia in fo r m a c ji m a g is t r a le d z ie lo n e s ą n a :
A r c h it e k t u r a C I S C je s t a r c h it e k t u r ą o r o z b u d o w a n e j liś c ie in s tru k c ji. W ty m s e n s ie je s t p r z e c iw s ta w n a archi
(.ąi-oniczne
I
asynchroniczne.
magistrale syn-
T r a n s fe r in fo r m a c ji w m a g is t r a la c h s y n c h r o n ic z n y c h p r z e b i e g a z g o d n ie z e
i t e k t u r z e R IS C . L ic z b a in s tru k c ji z w y k le p r z e k r a c z a 1 0 0 , p o d c z a s g d y w a r c h it e k t u r z e R I S C c z ę s to n ie prze.
ściśle n a r z u c o n y m r y t m e m z w a n y m
| k r a c z a lic z b y 3 0 . O r t o g o n a ln o ś ć in s tru k c ji n ie w y s t ę p u je . In s t r u k c je s ą w ą s k o s p e c ja liz o w a n e , w sp ó łp racu ją
nych I p r e c y z y jn ie p r z e w id y w a ln y c h o d s t ę p a c h c z a s o w y c h . O d w r o t n o ś ć ta k tu n a z y w a n a je s t
1 na
m a g is tra li z e
p r z y p a d k u , g d y m a g is tr a le : w e -
o g ó l ty lk o z o k r e ś lo n y m i r e je s t r a m i i w y m a g a j ą s to s o w a n ia o k r e ś lo n y c h t r y b ó w a d r e s o w a n ia .
ścią
taktowania magistrali
taktem magistrali.
lu b n ie p r e c y z y jn ie
O z n a c z a to , ż e t r a n s f e r y d o k o n y w a n e s ą w r e g u la r
częstotliwością magistrali.
jest m a g is tra lą , w k tó r e j o d s t ę p c z a s o w y p o m ię d z y k o le jn y m i t r a n s f e r a m i in fo r m a c ji w y n o s i
4.4.4.2 Magistrale
Transfer in fo r m a c ji w t r y b ie a s y n c h r o n i c z n y m je s t t r a n s f e r e m
częstotliwo 100 M H z
N a p r z y k ła d m a g is t r a la
o n ie z d e t e r m in o w a n y m
10 n s.
p la n ie c z a s o w y m ,
p rz e b ie g a ją c y m n ie r e g u la r n ie , a w ię c w s p o s ó b n ie p r z e w id y w a ln y . Z t e g o w z g lę d u p o c z ą t e k i k o n ie c k a ż d e ; Is to tn y m c z y n n ik ie m o k r e ś la ją c y m w ła ś c iw o ś c i u ż y t k o w e s y s te m ó w m ik r o k o m p u t e r o w y c h je s t s p o s ó b i for.
go tra n s fe ru a s y n c h r o n ic z n e g o m u s i b y ć w o d p o w ie d n i s p o s ó b s y g n a liz o w a n y , c o w y d t u ż a łą c z n y c z a s je g o
; m a k o m u n ik o w a n ia s ię w z a je m n e g o je g o e l e m e n t ó w s k ła d o w y c h . K o m u n ik a c ja w z a je m n a w y m a g a ustalę-
realizacji. T r y b a s y n c h r o n ic z n y m a g is tra l s t o s o w a n y je s t w s y s te m a c h m ik r o k o m p u t e r o w y c h g łó w n ie d o w y
protokólarni komunikacyjnymi o r a z zap e w n iez w a n y c h kanałami komunikacyjnymi. T y p o w e ś r o d k i technicz m ik r o k o m p u t e r o w y m n o s z ą n a z w ę magistral lu b szyn. W naj
: n ia s t a n d a r d o w y c h p r o c e d u r w y m ia n y in fo r m a c ji z w a n y c h i n ia k o m u n ik a c y jn y c h ś r o d k ó w t e c h n ic z n y c h n e s łu ż ą c e w y m ia n ie in fo rm a c ji w s y s te m ie
nadajnikiem informacji d o u r z ą d z e n ia z w a n e odbiornikiem informacji. J e ś li k ie r u n e k p r z e p ły w u In fo r m a c ji w m a g is tr a li je s t n ie z m ie n n y ,, to m a g is t r a lę taką n a z y w a m y magistralą jednokierunkową. J e ś li te n s a m n a d a jn ik In fo rm a c ji m o ż e p e łn ić r o lę o d b io r n ik a Info rm acje p r z e s y ła n e s ą m a g is t r a lą o d u r z ą d z e n ia z w a n e g o
go
p r o s t s z y m p r z y p a d k u m a g is t r a la je s t s ie c ią p o łą c z e ń e le k t r y c z n y c h p o m ię d z y e le m e n t a m i s y s te m u . ; 1 Z e w z g lę d u n a s p o s ó b p r z e s y ła n ia in fo rm a c ji m a g is t r a le d z i e lą s ię n a
miany in fo rm a c ji z u r z ą d z e n ia m i z e w n ę t r z n y m i.
I je d n o c z e ś n ie o d b io r n ik m o ż e p e tn ić r o lę n a d a jn ik a , to k ie r u n e k p r z e p ły w u In fo rm a c ji p o m a g is t r a li m o ż e
magistrale równolegle, szerego-
i we i szeregowo-równolegle.
i
być o d w r ó c o n y . M a g i s t r a l a u m o ż l iw ia ją c a d w u k i e r u n k o w y t r a n s f e r In fo r m a c ji je s t n a z y w a n a
dwukierunkową. : J e ś li m a g is t r a la u m o ż liw ia p r z e s y ła n ie in fo rm a c ji p o m ię d z y n a d a jn ik ie m a o d b io r n ik ie m b e z kon ieczn o ści
i
p o d z ia łu in fo rm a c ji n a m n ie js z e p o r c je , a w ię c w a k c ie j e d n o r a z o w y m , t o m a g is t r a la t a k a n a z y w a n a je s t
!
gistralą równoległą.
ma-
N a p r z y k ła d je ś li I n fo r m a c ja w p o s ta c i k o d u z n a k u A S C II (o ś m lo b lt o w a ) b ę d z ie przesy-
i ta n a m a g is t r a lą o o ś m iu lin ia c h , t o m a g is t r a la t a k a b ę d z ie u m o ż liw ia ła j e d n o c z e s n e (r ó w n o le g le czasow o) ! p r z e s ia n ie p e łn e j in fo rm a c ji o z n a k u . L ic z b ę je d n o c z e ś n i e p r z e s y ła n y c h b itó w in fo rm a c ji p r z e z m agistralę, i a w ię c w is to c ie lic z b ę r ó w n o le g ły c h p o ł ą c z e ń e le k t r y c z n y c h m a g is t r a li, n a z y w a ć b ę d z ie m y ;
magistrali.
szerokością
J e ś li z a t e m m a g is t r a la je s t m a g is t r a lą o s z e r o k o ś c i 1 6 , t o o z n a c z a , ż e je s t p r z y s t o s o w a n a d o jed-
• n o c z e s n e j tra n s m is ji In fo rm a c ji t ra n s m is ji s z e s n a s t o b lto w y c h . M ó w im y w ó w c z a s , c h o ć m a ło p re c y z y jn ie , że ; i m a g is t r a la je s t m a g is t r a lą 1 6 - b lt o w ą . J a k ła tw o z a u w a ż y ć , p r z e s y ła n ie in fo rm a c ji ,1 6 -b ito w y c h p o m agistrali ,
8- b lto w e j
W s y s te m ie m ik r o k o m p u t e r o w y m p o m ię d z y j e g o e le m e n t a m i n a s tę p u je w y m ia n a In fo rm a c ji ( d a n y c h ) w o b rębie je g o p r z e s t r z e n i a d r e s o w e j. M a g is tr a le w e w n ę t r z n e p r z e z n a c z o n e d o p r z e s y ła n ia d a n y c h n a z y w a n e s ą
magistralami ró w n o le g ły c h
lu b szynami danych. Z w y k l e m a g is t r a le d a n y c h m a ją p o s t a ć d w u k i e r u n k o w y c h m a g is tr a l (rys. 1). D a n e p r z e s y ła n e t ą m a g is t r a lą s ą k ie r o w a n e d o ś c iś le o k r e ś lo n e j lo k a c ji w p r z e s tr z e n i
adresow ej s y s te m u . M ó w im y w z w ią z k u z t y m , ż e d a n a je s t a d r e s o w a n a . D o c e lo w a lo k a c ja p r z e z n a c z e n ia d a n y c h p r z e k a z y w a n a je s t w p o s ta c i in fo rm a c ji a d r e s o w y c h p r z e s y ła n y c h
magistralą adresową.
M a g is tr a la a d r e s o w a je s t z w y k le m a g is t r a lą n ie z a le ż n ą , o d r ę b n ą f iz y c z n ie w z g lę d e m
m agistrali d a n y c h (ry s . 1 ). J e d n a k w n ie k t ó r y c h s y s te m a c h m ik r o k o m p u t e r o w y c h d o tr a n s fe r u d a n y c h i a d -
n ie je s t m o ż liw e w j e d n y m a k c ie ( ta k c ie ) k o m u n ik a c y jn y m .
W ty m p r z y p a d k u k o n ie c z n y s ta je s ię p o d z ia ł in fo rm a c ji 1 6 -b ito w e j n a d w ie p o r c je
8- b it o w e
i r e a liz a c ja trans
fe r u t y c h in fo rm a c ji w d w ó c h a k t a c h n a s tę p u ją c y c h p o s o b ie , a w ię c r o z d z ie lo n y c h c z a s o w o . T e n sposób , p r z e s y ła n ia in fo rm a c ji n a z y w a ć b ę d z ie m y s z e r e g o w o - r ó w n o le g t y m , p o n ie w a ż d w ie p o r c je in fo rm a c ji rów no le g ły c h s ą p r z e s y ła n e s e k w e n c y jn ie , a w ię c s z e r e g o w o z p e w n y m o d s t ę p e m c z a s o w y m z w a n y m
taktem.
C z a s tr a n s fe r u te j s a m e j in fo r m a c ji w try b ie r ó w n o le g ły m je s t z o c z y w is ty c h p o w o d ó w k r ó ts z y n iż c z a s trans fe r u in fo rm a c ji w tr y b ie s z e r e g o w o - r ó w n o le g ly m . i! W s y s te m a c h m ik r o k o m p u t e r o w y c h o d u ż y c h p r ę d k o ś c ia c h p r z e t w a r z a n ia in fo rm a c ji s t o s o w a n e s ą g łów - <
j
:: n ie m a g is t r a le r ó w n o le g le .
' M a g is tr a la s z e r e g o w a je s t s p e c y f ic z n ą m a g is t r a lą s z e r e g o w o - r ó w n o l e g l ą o s z e r o k o ś c i r ó w n e j 1. T ra n s fe r lnf o r m a c ji m a g is t r a lą s z e r e g o w ą p o l e g a z a t e m
n a je j r o z c z ło n k o w a n iu n a p o je d y n c z e b ity I s e k w e n c y jn y m
;; p r z e s y ła n iu in fo r m a c ji w t r y b ie b it p o b ic ie . T e n s p o s ó b w y m ia n y In fo r m a c ji s t o s o w a n y je s t g łó w n ie do . > w s p ó łp r a c y s y s te m u m ik r o k o m p u t e r o w e g o z u r z ą d z e n ia m i z e w n ę t r z n y m i. , t W s y s te m ie m ik r o k o m p u t e r o w y m m a g is t r a la m o ż e b y ć
magistralą wewnętrzną
lu b
zewnętrzną.
M agistrala
w e w n ę t r z n a je s t m a g is t r a lą n i e d o s t ę p n ą d la u r z ą d z e ń z e w n ę t r z n y c h w z g lę d e m s y s te m u m ik ro k o m p u te r o w e g o . Z w y k le m a g is tra la t a k a je s t m a g is tr a lą z in te g r o w a n ą t e c h n o lo g ic z n ie z p o z o s ta ły m i e le m e n ta m i systemu.
m agistralą
T r a n s fe r in fo rm a c ji w o b u k ie r u n k a c h m o ż e o d b y w a ć s ię n a p r z e m ie n n ie lu b je d n o c z e ś n ie .
ftys. 1. Przykładowy schemat torów komunikacyjnych wymiany informacji w systemie mikrokomputerowym
4i4 Układy cyfrowe r e s ó w w y k o r z y s t y w a n a je s t w s p ó ln a m a g is t r a la p r a c u ją c a w t r y b ie n a p r z e m ie n n y m . T a k i r o d z a j m a q ist
269
r
n a z y w a m y m a g i s t r a l ą d a n o - a d r e s o w ą lu b m a g i s t r a l ą m u l t i p l e k s o w a n ą . W s y s te m a c h m ik r o k o m p u t e r o w y c h z a d a n ie k o n tr o li p r z e p ły w u in fo rm a c ji je s t r e a liz o w a n e p r z e z jednostk s t e r u ją c ą p r o c e s o r a . P r o c e s o r o d g r y w a z a t e m r o lę je d n o s t k i n a d r z ę d n e j w s t o s u n k u d o w s z y s tk ic h p o z o s f a ły c h e l e m e n t ó w s y s te m u m ik r o k o m p u t e r o w e g o . J e d n o s t k a s t e r u ją c a in ic ju je tr a n s fe r y in fo rm a c ji, tz n . wska" ż u je m ie js c e p o c h o d z e n ia i m ie js c e p r z e z n a c z e n i a in fo rm a c ji, a t a k ż e s t e r u je p r z e p ły w e m te j in fo rm ac ji po' m ię d z y je j ź r ó d łe m a lo k a c ją je j p r z e z n a c z e n ia . M o ż n a z a t e m z a ło ż y ć , ż e p r o c e s o r b ie r z e z a w s z e udziat ak' t y w n y lu b p o ś r e d n ic z y w p r z e k a z y w a n iu in fo r m a c ji, w s k a z u ją c m ie js c a je j p o c h o d z e n ia i m ie js c a je j przezna c z e n ia . D o n a jw a ż n ie js z y c h z a d a ń p r o c e s o r a n a le ż y z a t e m s t e r o w a n ie s z y n a d r e s o w y c h .
W o d r ó ż n ie n iu o d m a g is tra li d a n y c h w ię k s z o ś ć m a g is tr a l a d r e s o w y c h je s t s t e r o w a n a ty lk o i w y łą c z n ie przez p ro c e s o r. T y p o w a m a g is t r a la a d r e s o w a je s t m a g is t r a lą je d n o k ie r u n k o w ą .
’
¡j
Z a a n g a ż o w a n i e c z a s u p r o c e s o r a d o p r z e p r o w a d z a n ia o p e r a c ji tr a n s fe r u d u ż y c h o b ję t o ś c io w o infornrtacji pom ię d z y u r z ą d z e n ia m i z e w n ę t r z n y m i a p a m ię c ią o p e r a c y jn ą (n p . p o m ię d z y s z y b k im p r z e t w o r n ik ie m analogo w o -c y fr o w y m a p a m ię c ią o p e r a c y jn ą ) je s t w n ie k t ó r y c h z a s t o s o w a n ia c h n a t y le is to tn e , ż e p r o w a d z i d o wy r a ź n e g o s p a d k u j e g o e f e k t y w n o ś c i o b lic z e n io w e j. W ó w c z a s , w n ie k t ó r y c h p r z y p a d k a c h , s to s o w a n y może b y ć m e c h a n iz m b e z p o ś r e d n ie g o d o s t ę p u d o p a m ię c i (a n g .
DMA
- D i r e c t M e m o r y A c c e s s ) . P o le g a on na
d e l e g o w a n iu p r z e z p r o c e s o r c z ę ś c i p r e r o g a ty w a d r e s o w a n ia o k r e ś lo n e g o o b s z a r u p a m ię c i d o u rządzenia z e w n ę t r z n e g o . W ó w c z a s p o ś r e d n ic tw o p r o c e s o r a w t r a n s f e r z e d a n y c h p o m ię d z y u r z ą d z e n ie m zew n ętrzn ym a p a m ię c ią o p e r a c y jn ą n ie je s t k o n ie c z n e , a z a t e m p r o c e s o r z w o ln io n y o d o b o w ią z k u k o n tr o lo w a n ia transfe r ó w m o ż e p o ś w ię c ić w ię c e j c z a s u n a w y k o n y w a n ie in s tru k c ji k o d u m a s z y n o w e g o .
Rys. 1. G łów ne kierunki przepływ u dan ych w sys tem ie m ikro kom puterow ym
P r z e s y ła n ie in fo rm a c ji p o m a g is t r a la c h d a n y c h i m a g is t r a la c h a d r e s o w y c h w y m a g a o d p o w ie d n ie g o sterow a
■wość m a g is tra l s te r u ją c y c h w y n ik a z fa k tu is tn ie n ia w e w n ę t r z n e g o , w ła ś c iw e g o d a n e j k o n s tr u k c ji m ik r o k o m
n ia i t a k t o w a n ia , Z t e g o w z g lę d u w k o n s tr u k c ji s y s te m ó w m ik r o k o m p u t e r o w y c h s t o s o w a n e s ą d o d atk o w e
putera p r o to k o łu w y m ia n y in fo rm a c ji p o m ię d z y u k ła d e m s t e r u ją c y m p r o c e s o r a i u k ła d a m i p o z o s ta ły m i. P r o
m a g i s t r a l e s t e r u j ą c e . S z e r o k o ś ć m a g is tra l s t e r u ją c y c h ( r y s . 1 ) je s t z w y k le z n a c z n ie m n ie js z a n iż m agistral
tokoły te p o z w a la ją m ię d z y in n y m i n a o d p o w ie d n i s p o s ó b t a k t o w a n ia c z a s o w e g o p r o c e s u tr a n s fe r u in fo r m a
d a n y c h c z y m a g is tr a l a d r e s o w y c h . M a g is tr a le s t e r u ją c e s ą m a g is t r a la m i d w u k ie r u n k o w y m i. D w u kieru n ko -
cji (an g . t i m i n g ) i k o n tr o lę p o p r a w n o ś c i je g o p r z e b ie g u (a n g . h a n d - s h a k i n g ) . Szyny d a n y c h , a d r e s o w e i s t e r u ją c e , u m o ż liw ia ją r e a liz a c ję o p e r a c ji o d c z y tu i z a p is u d a n y c h ( r y s . 1 ) . W o b u
MN X0UT/FCLK
wcc
AVSS
p rz y p a d k a c h s t e r o w a n ie p r z e p ły w e m d a n y c h i f u n k c je a d r e s o w a n ia s ą r e a liz o w a n e p r z e z u k ła d s t e r u ją c y
RST^ MI
pro cesora. O p e r a c j a o d c z y tu je s t o p e r a c ją p r z e s y ła n ia d a n y c h w k ie r u n k u o d u r z ą d z e ń z e w n ę t r z n y c h lu b in nych b lo k ó w f u n k c jo n a ln y c h m ik r o k o m p u t e r a d o p r o c e s o r a . O p e r a c j a z a p is u w y m u s z a p r z e c iw n y k ie r u n e k Rose XT21N XT20U T
gBfiefalof sysle m owy sygnał laklujący
► ACLK
60 K B fiasłt
2 KG RAM
►SMCŁK
48 KO flash
2 KB RAM
32 KB fiasti
t KB RAM
przetw ornik A/C 12-bitowy
porty w e/w y n / l 12
czas przetwarzania
obsługa p fzoiw ań
8karatów tops
przepływ u in fo rm a c ji, tz n . o d p r o c e s o r a w k ie r u n k u u r z ą d z e ń z e w n ę t r z n y c h lu b in n y c h b lo k ó w f u n k c jo n a l po rty w e /w y ru 31 4
p o rt w e/w y n r 5
-
A — jednostka centralna
nagislrala m agislrata adresow a 16 bil ITAG
p o t} we/w y n r 6
—
" ł
7v ■
MA8
::— *
M AB, 4 bit
—
nych m ik r o k o m p u t e r a .
—
M CB
4.4.4.3 Wejścia I wyjścia sygnałowe U ktad y w e j ś c ł a - w y j ś c i a W s p ó łp ra c a s y s te m u m ik r o k o m p u t e r o w e g o z u r z ą d z e n ia m i z e w n ę t r z n y m i n a p e w n y m s t o p n iu a b s tr a k c ji m oże b y ć t r a k to w a n a j a k o f o r m a w y m ia n y in fo rm a c ji a b s t r a h u ją c a o d je j f iz y c z n y c h u w a r u n k o w a ń . W r z e
16 rejestrów wewnętrznych
TMS •
.
: TCkJ /
rak m m \f
m oduł em ulatora
I Ł
M PB-m agistraia da nych 16 bil
u kład m nożący
układ «¡n ralsia magistrali
4
licznikaACLK—
.wacBog'
ly p B
x z
M O B ina gislrafa d a nych 8 bil
układ licznika•czasom ierza typ A
układ przerwania o d napię cia zasilającego
k r o p r o c e s o r o w e g o z s y g n a ła m i g e n e r o w a n y m i p r z e z u r z ą d z e n ia z e w n ę t r z n e z w y k le n ie je s t m o ż liw e . W y n i
l m odui
kom parator
czyw istości w y m ia n a in fo rm a c ji m a w y r a ź n y a s p e k t fiz y c z n y . Z w ią z a n y je s t o n z f iz y c z n ą n a t u r ą s y g n a łó w (n ajc zę ś c ie j e le k t r y c z n y c h ) b ę d ą c y c h n o ś n ik a m i in fo rm a c ji. B e z p o ś r e d n ie s p r z ę ż e n ie m a g is t r a l s y s te m u m i
D
-
MPiMPW
MAC, MACS 8x8 bit 6x1Gbit 16x8 b ii 16x16 b il
Iż .
transm isji szeregowej
nrO
ka to z w ie lu u w a r u n k o w a ń , w ś r ó d k tó r y c h d o n a jb a r d z ie j is to tn y c h n a le ż ą : r ó ż n a p o s ta ć in fo rm a c ji (n p . s y
moduł Iransm isjl szeregow ej nr 1
Ś M C IK -
gnał a n a lo g o w y i s y g n a ł c y fr o w y ), r ó ż n y n o ś n ik in fo rm a c ji (n p . p r ą d , n a p ię c ie , c z ę s to t liw o ś ć , p r z e s u n ię c ie fazow e), r ó ż n y z a k r e s d o p u s z c z a ln y c h w a r to ś c i s y g n a łu (n p . 3 , 6 V, 5 V, 2 4 V, 2 3 0 V A C ) i r ó ż n a m o c s y g n a tu (np. /uW, m W , V A , k W ). Z a t e m s p r z ę g n ię c ie r ó ż n o r o d n y c h s y g n a łó w e le k t r y c z n y c h z s y s te m e m m ik r o k o m p u terow ym w y m a g a o d p o w ie d n ie g o p r z e k s z t a ł c e n i a i s t a n d a r y z a c j i s y g n a łó w . P r o c e s te n d o k o n y w a n y je s t w u r z ą d z e n ia c h z w a n y c h p r z e t w o r n i k a m i s y g n a ł ó w , k tó r e d o k o n u ją w s t ę p n e g o p r z e t w a r z a n ia s y g n a łó w
Rys. 1. P rzykładow y sch em at architektury m ikrokontrolera (M S P 430 F149): M A B - m agistrala adresow a; M D B - magistrala danych; M C B ■- m agistrala sterująca
(u k ła d y k o n d y c j o n u j ą c e , f ilt r y ) , z m ie n ia ją p o s ta ć s y g n a łó w (p r z e tw o r n ik i a n a lo g o w o - c y f r o w e i c y f r o w o -a n a lo gow e), p r z e k s z ta łc a ją s y g n a ły w in n e s y g n a ły e le k t r y c z n e ( p r z e k s z t a ł t n i k i ) i s t a n d a r y z u ją p o z io m y s y g n a łów ( t r a n s la t o r y p o z i o m ó w ) .
270
:t ;
id i^ y o y fr o
W6
4,4 Układy cyfrowe
271
P r o c e s k o n d y c jo n o w a n ia , w s t ę p n e g o p r z e t w a r z a n ia , p r z e k s z ta łc a n ia i s t a n d a r y z a c ji s y g n a łó w realizo w ał
W p r z y p a d k u w y s t ą p ie n ia p r z e r w a n ia p r o c e s o r p r z e r y w a w y k o n y w a n ie p r o g r a m u i p r z e c h o d z i d o w y k o
n y je s t p o z a s y s t e m e m m ik r o k o m p u t e r o w y m w u r z ą d z e n ia c h z w a n y c h u r z ą d z e n i a m i w e jś c ia - w y jś c ia ^
nania p r o g r a m u o b s łu g i p r z e r w a n ia . P o w y k o n a n iu t e g o p r o g r a m u p r o c e s o r p o w r a c a d o r e a liz a c ji p r z e r
i G łó w n y m z a d a n ie m
'
w a n e g o i z a w ie s z o n e g o n a c z a s r e a liz a c ji o b s łu g i p r z e r w a n ia p r o g r a m u g łó w n e g o .
u r z ą d z e ń w e jś c io w y c h je s t p r z e k s z t a łc e n ie s y g n a łu w e jś c io w e g o d o p o s ta c i i no?'
m ó w a k c e p t o w a n y c h p r z e z s y s te m m ik r o k o m p u t e r o w y . G łó w n ą r o lą u r z ą d z e ń w y jś c io w y c h je s t p r z e k s z n ! c e n ie s y g n a łu w y jś c io w e g o s y s t e m u m ik r o k o m p u t e r o w e g o d o p o s ta c i i p o z io m u a k c e p t o w a n y c h prze . i u r z ą d z e n ia z e w n ę t r z n e .
O p e ra c ja z b e z p o ś r e d n i m d o s t ę p e m d o p a m i ę c i Procesor m ik r o k o m p u t e r a m o ż e b y ć w y p o s a ż o n y w s p e c ja liz o w a n y u k ła d z w a n y s t e r o w n i k i e m b e z p o ś r e d niego d o s t ę p u d o p a m i ę c i ( D M A ) . S t e r o w n ik t e n u m o ż liw ia p r z e k a z a n ie u p r a w n ie ń d o b e z p o ś r e d n ie g o , a w ięc z p o m in ię c ie m p r o c e s o r a , d o s tę p u d o p a m ię c i o p e r a c y jn e j p r z e z w y b r a n y u k ła d w e jś c ia - w y jś c ia . Z a -
■; W p r o w a d z a n ie in fo rm a c ji z u r z ą d z e ń w e jś c io w y c h lu b w y p r o w a d z a n ie in fo rm a c ji n a u r z ą d z e n ia w yjściowe
Ińlą s to s o w a n ia D M A je s t d u ż a s z y b k o ś ć r e a liz a c ji tr a n s fe r u d a n y c h d o i z p a m ię c i w y n ik a ją c a z fa k tu , ż e
! n o s i n a z w ę o d p o w ie d n io : o p e r a c j i w e j ś c i a i o p e r a c j i w y j ś c i a . Z n a c z n a c z ę ś ć w s p ó łc z e s n y c h urządzeń
oodczas t r w a n ia t e g o tr a n s fe r u n ie w y s t ę p u je z b ę d n e p o ś r e d n ic tw o p r o c e s o r a . W o p e r a c ji b e z p o ś r e d n ie g o
. ; m o ż e p e łn ić je d n o c z e ś n i e f u n k c ję u r z ą d z e ń w e jś c io w y c h i w y jś c io w y c h . N a p r z y k ła d te le fa k s m o ż e jedno-
dostępu d o p a m ię c i, tr a n s f e r d a n y c h p r z e b i e g a p o m ię d z y w y b r a n y m u k ła d e m w e jś c ia - w y jś c ia a w y d z ie lo
.f
b z e ś n ie w y p r o w a d z a ć in fo r m a c ję i j ą p r z y jm o w a ć .
nym o b s z a r e m p a m ię c i. S t e r o w a n ie p r z e b ie g ie m t e g o tr a n s fe r u p r z e jm u je n a ż ą d a n ie p r o c e s o r a u k ła d s t e rownika D M A . S t e r o w n ik t e n p r z e jm u je je d n o c z e ś n i e k o n tr o lę n a d m a g is t r a la m i m ik r o k o m p u t e r a . P o z a k o ń
•i i j j U k ła d e m w e jś c io w o - w y jś c io w y m n a z y w a ć b ę d z ie m y u k ła d f iz y c z n y p o ś r e d n ic z ą c y w w y m ia n ie info rm acji' , ! j | p o m ię d z y s y s t e m e m m ik r o k o m p u t e r o w y m i u r z ą d z e n ie m z e w n ę t r z n y m ( p e r y f e r y jn y m ).
czeniu tra n s fe r u D M A z w r a c a p r o c e s o r o w i k o n tr o lę n a d m a g is t r a la m i.
i W e jś c ia -w y jś c ia c y f r o w e
i
R o d z a je o p e r a c ji w e jś c ia - w y jś c ia
• O p e r a c j e w e jś c ia - w y jś c ia d o k o n y w a n e s ą p o m i ę d z y je d n o s t k ą p r o c e s o r o w ą a u k ła d a m i w e jś c ia -w y jś c ia
Do n a jb a r d z ie j t y p o w y c h u k ła d ó w w e jś c io w o - w y jś c io w y c h n a le ż ą p o r t y ( b r a m y ) c y f r o w e . P o rty u m o ż liw ia ją d w u k ie ru n k o w ą w y m ia n ę in fo rm a c ji c y f r o w y c h p o m ię d z y p r o c e s o r e m a ś r o d o w is k ie m z e w n ę t r z n y m .
i O p e r a c ja w e jś c ia - w y jś c ia w y m a g a n a o g ó l o k r e ś lo n e g o c z a s u r e a liz a c ji. W o g ó ln o ś c i c z a s te n je s t zm ienny
Bramy c y f r o w e n a jc z ę ś c ie j m a ją o r g a n iz a c j ę b a jt o w ą . O z n a c z a to , ż e b r a m a z a w ie r a o s ie m p o d u k la d ó w
i z a le ż n y o d t y p u i z ło ż o n o ś c i o p e r a c ji o r a z p a r a m e t r ó w u k ła d ó w w e jś c io w o - w y jś c io w y c h . R o z p o c z ę c ie reali-
w ejś c ia -w y jś c ia , c o u m o ż liw ia j e d n o c z e ś n ie w p r o w a d z e n i e lu b w y p r o w a d z e n i e o ś m iu b itó w in fo r m a c ji. K ie
; z a c ji n a s tę p n e j o p e r a c ji p r z e z u k ła d w e jś c ia - w y jś c ia w y m a g a z a t e m z a k o ń c z e n i a r e a liz a c ji o p e r a c ji poprzed-
runek p r z e p ły w u in fo rm a c ji je s t z w y k le p r o g r a m o w a ln y . B r a m a c y f r o w a m o ż e b y ć a lb o b r a m ą w e j ś c i o w ą ,
i n ie j. C y k l r e a liz a c ji o p e r a c ji w e jś c ia - w y jś c ia m o ż e b y ć r o z p a t r y w a n y w k a t e g o r ia c h s ta n u u k ła d u w ejścia-w y
albo b r a m ą w y j ś c i o w ą . C z ę ś ć u k ła d ó w m ik r o k o m p u t e r o w y c h p o z w a la n a s w o b o d n e p r o g r a m o w a n ie (k o n -
jś c ia . J e ś li u k ła d je s t g o t o w y d o r e a liz a c ji o p e r a c ji, to ta k i s ta n n a z y w a ć b ę d z ie m y s t a n e m g o t o w o ś c i. Jeśli
łigu ro w anie) k ie r u n k u p r z e p ły w u in fo rm a c ji d la k a ż d e g o i n d y w id u a ln e g o p o d u k t a d u w e jś c ia - w y jś c ia b r a m y .
u k ła d z n a jd u je s ię w s t a n ie r e a liz a c ji o p e r a c ji, to ta k i s ta n o k r e ś la ć b ę d z ie m y s t a n e m z a j ę t o ś c i . S ta n goto
W tym p r z y p a d k u b r a m a m a c h a r a k te r b r a m y w e j ś c i o w o - w y j ś c i o w e j .
w o ś c i lu b z a ję t o ś c i u k ła d u w e jś c ia - w y jś c ia o k r e ś la n y je s t r ó w n ie ż m ia n e m s t a t u s u u k ł a d u . O p e r a c ja b e z w a r u n k o w a
Bramy m o g ą b y ć ź r ó d ła m i s y g n a łó w p r z e r w a ń . S y g n a ły p r z e r w a ń m o g ą b y ć z k o le i g e n e r o w a n e s ta t y c z n ie , np. p r z e z n is k i p o z io m s y g n a łu w e jś c io w e g o lu b d y n a m ic z n ie p r z e z z m ia n ę p o z io m u t e g o s y g n a t u z w y s o kiego n a n is k i.
N a jp r o s ts z ą o p e r a c ją w e jś c ia - w y jś c ia je s t o p e r a c ja b e z w a r u n k o w a . B e z w a r u n k o w a o p e r a c ja w ejśc ia -w y jś c ia je s t r e a liz o w a n a p r z e z p r o c e s o r z a w s z e i b e z w z g lę d u n a s ta n u k la c łu w e jś c ia - w y jś c ia . O p e r a c je b ezw aru n
U k ład y z l i c z a j ą c e
k o w e s t o s o w a n e s ą c o d o z a s a d y w ó w c z a s , g d y is tn ie je p e w n o ś ć , ż e c z a s r e a liz a c ji o p e r a c ji n ie p rzekrac za
Układy z lic z a ją c e z w a n e u k ł a d a m i l i c z n i k o w y m i s ą u k ła d a m i z w e jś c ie m s z e r e g o w y m . L ic z b a u k ła d ó w zli
c z a s u p o t r z e b n e g o n a je j e g z e k u c j ę p r z e z j e d n o s t k ę c e n tr a ln ą . T y p o w y m p r z y k ła d e m b e z w a r u n k o w e j ope
czających i p o je m n o ś c i ic h lic z n ik ó w je s t z a l e ż n a o d ty p u i r o d z a ju m ik r o k o m p u t e r a . T y p o w y je s t lic z n ik o d łu
ra c ji w e jś c ia - w y jś c ia je s t o p e r a c ja w z b u d z e n ia u z w o je n ia p r z e k a ź n ik a , w łą c z e n ia a la r m u d ź w ię k o w e g o itp.
gości 1 6 b itó w . Z w ię k s z e n ie d łu g o ś c i lic z n ik a m o ż liw e je s t p r z e z ic h ł ą c z e n i e p o s o b n e ( k a s k a d o w e ) .
O p e r a c ja z te s t o w a n ie m
Liczniki, z a l e ż n i e 'o d s y s te m u m ik r o k o m p u t e r o w e g o , m a ją z d o ln o ś c i z l ic z a n ia w p r z ó d , j a k i w ty l. W w y n ik u
O p e r a c je w e jś c ia - w y jś c ia z t e s t o w a n ie m s t o s o w a n e s ą w te d y , g d y o p e r a c ja m o ż e b y ć p o m y ś ln ie zrealizo w a. n a ty lk o w ó w c z a s , g d y u r z ą d z e n ie w e jś c ia - w y jś c ia z n a jd u je s ię w s t a n ie g o t o w o ś c i. W y k o n a n ie o p e ra c ji z te• s t o w a n ie m p o l e g a n a w y k o n a n iu k ilk u d o d a t k o w y c h c z y n n o ś c i p o z w a la ją c y c h n a o k r e ś le n ie rze c zy w is te g o : s ta n u u r z ą d z e n ia . W ty m c e lu d o u r z ą d z e n ia k ie r o w a n e s ą z a p y t a n ia d o t y c z ą c e j e g o s ta n u . Z a p y ta n ia te są : k o n ty n u o w a n e t a k d łu g o , a ż u r z ą d z e n ie o s ią g n ie s ta n g o t o w o ś c i. P r z y k ła d e m o p e r a c ji z te s to w a n ie m jest i o p e r a c ja z a p is u d a n y c h d o p a m ię c i E E P R O M , o p e r a c ja o d c z y tu n o w e g o w y n ik u k o n w e r s ji z p rzetw o rn ika . a n a lo g o w o - c y f r o w e g o itp, , O p e r a c ja w t r y b ie p r z e r w a ń ' Z a s a d n i c z ą w a d ą r e a liz a c ji o p e r a c ji z t e s t o w a n ie m je s t s p a d e k e f e k t y w n o ś c i r e a liz a c ji p r o g r a m u p r z e z proI c e s o r, w y n ik a ją c y z k o n ie c z n o ś c i z a a n g a ż o w a n i a p r o c e s o r a d o r e a liz a c ji c z a s o c h ło n n y c h i ja ło w y c h opera, ' cji c y k lic z n e g o t e s t o w a n ia s t a n u u k ła d u w e jś c ia - w y jś c ia . W a d y te j n ie p o s ia d a ją o p e r a c je w e jś c ia -w y jś c ia re; a liz o w a n e w tr y b ie p r z e r w a ń . W a r u n k ie m r e a liz a c ji t a k ic h o p e r a c ji je s t z d o ln o ś ć p r o c e s o r a d o o b s łu g i prze, r w a ń i z d o ln o ś ć u k ła d u w e jś c ia - w y jś c ia d o g e n e r a c ji s y g n a łu p r z e r w a n ia . ; S y g n a ł p r z e r w a n ia je s t s y g n a łe m In fo r m u ją c y m o w y s t ą p ie n iu o k r e ś lo n e g o z d a r z e n ia . N a p r z y k ła d sygna. le m p r z e r w a n ia m o ż e b y ć s p a d e k p o z io m u c i e c z y w z b io r n ik u p o n iż e j d o p u s z c z a l n e g o p o z io m u l u b sygnał . >g o t o w o ś c i d o p r z y ję c ia n a s t ę p n e g o b a jtu d a n y c h p r z e z u k ła d tr a n s m is ji s z e r e g o w e j lu b s y g n a ł d o s tę p n o ś c i . | w y n ik u p r z e t w a r z a n ia a n a lo g o w o - c y f r o w e g o w p r z e t w o r n ik u a n a lo g o w o - c y f r o w y m . S y g n a ł p r z e r w a n ia gene■ ( o w a n y p r z e z u r z ą d z e n ie w e jś c ia - w y jś c ia m o ż e b y ć in te r p r e to w a n y n a p r z y k ła d j a k o s y g n a ł ż ą d a n ia obsługi, ; / g o t o w o ś c i d o w y k o n a n ia n o w e g o z l e c e n ia lu b g o t o w o ś c i p r z e k a z a n ia w a ż n e j in fo r m a c ji.
'il& ilif - '
p rz e p e łn ie n ia lic z n ik a lu b o s ią g n ię c ia p r z e z lic z n ik s ta n u z e r a g e n e r o w a n y je s t z w y k le s y g n a i p r z e r w a n ia . Liczniki w y k o r z y s t y w a n e s ą n p . w g e n e r a t o r a c h s t e r u ją c y c h u k ła d a m i t ra n s m is ji s z e r e g o w e j, d o c y f r o w e g o pom iaru p r ę d k o ś c i, w p o m ia r a c h c z ę s to t liw o ś c i itp. U ktad y c z a s o w e Układy c z a s o w e ( a n g . t i m e r s ) s t o s o w a n e s ą d o z l ic z a n ia t a k t ó w z e g a r o w y c h . W z a s a d z ie r ó ż n ią s ię o d u k ła dów z lic z a ją c y c h ty lk o i w y łą c z n ie t y m , ż e w e jś c ie m u k ła d u c z a s o w e g o je s t s p e c y f ic z n y s y g n a ł, a m ia n o w i cie s y g n a ł o c z ę s to t liw o ś c i w z o r c o w e j ( s y g n a ł z e g a r o w y ) . Z t e g o p o w o d u w w ie lu s y s te m a c h m ik r o k o m p u terow ych s t o s o w a n e s ą u n iw e r s a ln e u k ł a d y z l ł c z a j ą c o - c z a s o w e . Układy c z a s o w e s t o s o w a n e s ą d o r e a liz a c ji tz w . z e g a r ó w c z a s u r z e c z y w i s t e g o , o d m ie r z a n ia t a k t ó w s t e r o wania w u k ła d a c h s t e r o w a n ia s e k w e n c y jn e g o itp . W e jś c ia a n a l o g o w e Typ ow ym u k ła d e m w e jś c io w y m w s p ó łc z e s n y c h m ik r o k o n t r o le r ó w je s t w b u d o w a n y p r z e t w o r n ik a n a lo g o w o •cyfrowy. W z a s a d z ie s t o s o w a n e s ą o b e c n ie tr z y t y p y p r z e t w o r n ik ó w a n a lo g o w o - c y f r o w y c h : k o m p e n s a c y j ne, in t e g r a c y j n e i t y p u s i g m a - d e lt a . P rzetw o rn ik k o m p e n s a c y jn y p r z e z n a c z o n y je s t d o k o n w e r s ji s y g n a łó w s z y b k o z m ie n n y c h . T y p o w a r o z d z ie l czość ty c h p r z e t w o r n ik ó w w a h a s ię w g r a n ic a c h
10 -r-1 4
b itó w , a c z a s k o n w e r s ji w g r a n ic a c h
1 f 100 p s .
W p r z y p a d k u z a s t o s o w a ń s y s te m u m ik r o k o m p u t e r o w e g o d o p r z e t w a r z a n ia s y g n a łó w o d u ż y m p o z io m ie z a kłóceń, w ty m g łó w n ie z a k łó c e ń w y w o ła n y c h e m is ją z a k łó c e ń e le k t r o m a g n e t y c z n y c h o c z ę s to tliw o ś c i s ie c i z a silającej lu b je j h a r m o n ic z n y c h , s t o s o w a n e s ą w t a ń s z y c h s y s te m a c h p r o g r a m o w o o b s łu g iw a n e p r z e tw o rn ik i
272
in te g r a c y jn e o r o z d z ie lc z o ś c i 1 4 - M 8 b itó w , a t a k ż e p r z e tw o rn ik i ty p u s ig m a - d e lt a o ro z d z ie lc z o ś c i C z a s k o n w e r s ji p r z e t w o r n ik ó w in te g r a c y jn y c h w a h a s ię w g r a n ic a c h o d w e r s ji p r z e t w o r n ik ó w s i g m a - d e lt a w a h a s ię w g r a n ic a c h
100 n s •*100 m s .
20 m s
do
1
16-^24 y t6
olany r ó w n ie ż in n y m i p r z y c z y n a m i, t a k im i ja k n p . p o ja w ie n ie s ię z e w n ę t r z n e g o s y g n a łu in ic ja c ji o r a z w y
s . N a to m ia s t czas ko' '
z e r o w a n i e s y g n a łu p r z e r w a n ia p r z e z a u t o n o m i c z n y u k t a d n a d z o r u ją c y c z a s r e a liz a c ji p r o g r a m u t y p u 0 tc h d o g -
źródła napięcia odnle
W b u d o w a n e p r z e t w o r n ik i a n a lo g o w o - c y f r o w e w y p o s a ż a n e s ą z w y k le w w e w n ę t r z n e
sienią (skompensowane termicznie diody Zenera),
273
^ a iJklady cyfrowe
4.4 Układy cyfrn,Vo
Tryb p r a c y
u k ła d y p r ó b k u ją c e z p a m i ę c i ą i u k ła d y m u lt ip le k s e r ^
Tryb p ra c y ( a n g .
a n a lo g o w y c h p o z w a la ją c y c h n a r e a liz a c ję p r z e t w a r z a n ia w ie lu s y g n a łó w a n a lo g o w y c h p r z e z te n s a m prze. t w o r n ik a n a lo g o w o - c y f r o w y .
run mode)
j e s t p o d s t a w o w y m t r y b e m p r a c y m ik r o k o m p u t e r a . W tr y b ie ty m r e a liz o w a n e s ą
s0l
ny p ro g ra m p o le g a ją c y n a c y k lic z n y m w y k o n y w a n iu
instrukcji pustych,
in s t r u k c je p u s te s ą in s tru k c ja m i,
w w yniku w y k o n a n ia k tó r y c h n ie w y s t ę p u je p r z e t w a r z a n ie in fo r m a c ji. In s tr u k c je p u s te s łu ż ą z a t e m w y łą c z n ie
Wyjścia PWM
zaa n g a ż o w a n iu c z a s u je d n o s t k i c e n tr a ln e j, n p . w c e lu r e a liz a c ji p r o g r a m o w y c h o p ó ź n ie ń c z a s o w y c h . J a ło
P r o g r a m o w a ln e u k ła d y w y jś c io w e z m o d u l a c j ą s z e r o k o ś c i i m p u ls ó w ( a n g .
PWM
-
Puise Width Modulation)
p o z w a l a ją n a r e a liz a c ję p r z e t w a r z a n ia c y f r o w o - a n a lo g o w e g o . M o d u la c ja t y p u P W M p o l e g a n a sterow aniu
wy tryb p r a c y w y k o r z y s t y w a n y je s t c z a s a m i w p r o g r a m ie u ż y t k o w y m d o r e a liz a c ji
; soWo w y k o n y w a n y c h
zadań krytycznych cza-
w tr y b ie p r z e r w a ń .
s t o p n ie m w y p e łn ie n ia s y g n a łu c y f r o w e g o o s ta łe j c z ę s to t liw o ś c i. S t o p ie ń w y p e łn ie n ia w u k ła d a c h P W M jest p r o p o r c jo n a ln y d o w a r to ś c i n u m e r y c z n e j in fo rm a c ji w e jś c io w e j. P o n ie w a ż w a r to ś ć ś r e d n ia n a p ię c ia przebie
Tryb przerwań
g u n a p ię c i o w e g o o s ta łe j a m p l it u d z i e i m o d u la c ji P W M je s t p r o p o r c jo n a ln a d o s t o p n ia w y p e łn ie n ia tego
Tryb p r z e r w a ń ( a n g .
je s t s z c z e g ó ln y m t r y b e m p r a c y m ik r o k o m p u t e r a . W tr y b ie ty m r e a liz o
p r z e b ie g u , to u ś r e d n io n e n a p ię c ie w y jś c io w e u k ła d u P W M je s t p r o p o r c jo n a ln e d o n u m e r y c z n e j w a rto ś c i cy
wane są z a d a n ia
P r z e jś c ie d o t ry b u p r z e r w a ń w ią ż e s ię z w y k o n a n ie m o k r e ś lo n e j p r o c e
f r o w e g o s y g n a łu w e jś c io w e g o . R o z d z ie lc z o ś ć p r z e t w a r z a n ia t y p o w y c h u k ła d ó w P W M w a h a s ię o d 8 - 1 6 bitów
dury p r z e jś c io w e j, k tó r e j g łó w n y m z a d a n ie m je s t z a p e w n ie n ie m o ż liw o ś c i k o n ty n u a c ji p r z e r w a n e g o t ry b u p o
W y jś c ia P W M s t o s o w a n e s ą g łó w n ie w u k ła d a c h s t e r o w a n ia n a p ę d ó w e le k t r y c z n y c h .
zakończeniu p r o g r a m u o b s łu g i p r z e r w a n ia . N a p r z y k ła d je ś li m ik r o k o m p u t e r z n a jd o w a ł s ię w tr y b ie p r a c y
interrupt mode) obsługi przerwań.
przed w y s t ą p ie n ie m p r z e r w a n ia , to p o w r ó c i d o t ry b u p r a c y p o w y k o n a n iu p r o c e d u r y o b s łu g i p r z e r w a n ia .
Wyjścia analogowe
Tryb p r z e r w a ń je s t t r y b e m , d o k t ó r e g o u r u c h o m ie n ia k o n ie c z n e je s t z w y k le s p e łn ie n ie k ilk u w a r u n k ó w . W y
U k ła d y m ik r o k o m p u t e r o w e w y p o s a ż a n e s ą r ó w n ie ż w e w b u d o w a n e u k ła d y p r z e t w o r n ik ó w c y fro w o -a n a lo
stąpienie s a m e g o p r z e r w a n ia je s t j e d y n ie w a r u n k ie m k o n ie c z n y m , a le n ie w y s ta r c z a ją c y m . T r y b p r z e r w a ń
g o w y c h z w ła s n y m ź r ó d łe m n a p ię c ia o d n ie s ie n ia , a t a k ż e z u k ła d a m i w y jś c io w y m i b u f o r ó w a n a lo g o w y c h .
jest zw y k le b lo k o w a n y w tr y b ie in ic ja c ji, p o z o s ta je z a t e m z a b l o k o w a n y t a k ż e w tr y b ie p r a c y , d o k t ó r e g o p r z e
W y jś c ia a n a lo g o w e c h a r a k te r y z u ją s ię r o z d z ie lc z o ś c ią w g r a n ic a c h 8 - 1 6 b itó w i c z a s e m k o n w e r s ji n a pozio
chodzi a u t o m a t y c z n ie je d n o s t k a c e n tr a ln a p o z a k o ń c z e n iu t ry b u in ic ja c ji. Z a t e m a b y m ik r o k o m p u t e r m ó g i
m ie 1 - 1 0 p s . W y jś c ia a n a lo g o w e s t o s o w a n e s ą n a p r z y k ła d w u k ła d a c h r e g u la t o r ó w c y f r o w y c h o r a z w ukła
pracować w tr y b ie p r z e r w a ń , to w tr y b ie p r a c y te n try b p o w in ie n b y ć o d b lo k o w a n y . P r o c e d u r a o d b lo k o w a n ia
d a c h p r o g r a m o w a n y c h ź r ó d e ł p r ą d o w y c h i n a p ię c io w y c h .
trybu p r z e r w a ń je s t z a l e ż n a o d k o n s tr u k c ji m ik r o k o m p u t e r a i m o ż e w o g ó ln o ś c i b y ć d o ś ć z ł o ż o n ą p r o c e d u r ą w ieloetapow ą. Z a b lo k o w a n ie t ry b u p r z e r w a ń je s t je d n o z n a c z n e z b r a k ie m m o ż liw o ś c i w y k o n y w a n ia p r o g r a mów o b s łu g i p r z e r w a ń .
4.4.4,4 Podstawowe jtryby pracy mikrokomputer U r u c h o m ie n ie , t e s t o w a n ie , r e a liz a c ja i e k s p lo a t a c ja p r o g r a m u n a r z u c a ją p e w n e w y m a g a n i a w s to s u n k u do
Wyobrażalne jest wystąpienie przerwania w trakcie wykonywania procedury obsługi innego przerwania. Możliwe są dwa przypadki:
m o ż liw o ś c i w p ły w a n ia n a p r z e b ie g j e g o r e a liz a c ji p r z e z s y s te m m ik r o k o m p u t e r o w y . Z n a la z ły o n e w części
•
o d z w ie r c ie d le n ie w e w p r o w a d z e n iu tz w .
trybów pracy mikrokomputera.
T r y b y p r a c y u m o ż liw ia ją w sposób
p r o g r a m o w y o d d z ia ły w a n ie n a try b r e a liz a c ji p r o g r a m u u ż y t k o w e g o . R o d z a j i lic z b a d o s tę p n y c h try b ó w pra c y je s t z w ią z a n a z k o n k r e tn y m r o z w ią z a n ie m k o n s tr u k c y jn y m m ik r o k o m p u t e r ó w .
•
n o w e p r z e r w a n ie d o k o n a p r z e r w a n ia r e a liz o w a n e g o p r o g r a m u p r z e r w a n ia i r o z p o c z n ie p r o g r a m o b sługi n o w d g o p r z e r w a n ia .
Do typowych trybów pracy systemów mikrokomputerowych należą: • t r y b in ic ja c ji,
p r z e r w a n ie n ie z o s t a n ie o b s łu ż o n e t a k d t u g o , ja k n ie z a k o ń c z y s ię p r o c e d u r a o b s łu g i p r z e r w a n ia p o p r z e d n ie g o ,
W p rz y p a d k u p ie r w s z y m m ó w im y , ż e n o w e p r z e r w a n ie m a p r io r y te t n iż s z y , a w p r z y p a d k u d r u g im , ż e m a priorytet w y ż s z y w s t o s u n k u d o p r z e r w a n ia a k t u a ln ie o b s łu g iw a n e g o . 1m in im a ln e n a p ię c ie z a s ila n ia
'
• try b p ra c y ,
1 z n a m io n o w e n a p ię c ie " ' z a s ila n ia ^
• t r y b p r z e r w a n ia , • try b z a m r o ż e n ia ,
Priorytet je s t is to tn y m a t r y b u t e m p r z e r w a n ia d e c y d u ją c y m o j e g o s k u te c z n o ś c i r y w a liz a c y jn e j.
1
Procedura r o z s t r z y g a ją c a , k tó r e z r ó w n o le g le w y s t ę p u ją c y c h p r z e r w a ń m a w y ż s z y p r io r y te t, n a z y w a s ię a r
• try b u ś p ie n ia ,
bitrażem . P r io r y te t je s t p o r z ą d k u ją c y m a t r y b u t e m p r z e r w a n ia . O z n a c z a to , ż e w s y s te m ie m ik r o k o m p u t e r o
• try b s t e r o w a n ia p o b ie r a n ą m o c ą ,
wym is tn ie je z w y k le o k r e ś lo n a h ie r a r c h ia p r z e r w a ń , c z y li ic h p o r z ą d e k z g o d n y z e s p r z ę t o w o p r e d e fin io w a n y
• try b p r a c y k r o k o w e j.
mi p rio ry te ta m i. N a h ie r a r c h ię p r z e r w a ń , w y n ik a ją c ą z u w a r u n k o w a ń s p r z ę t o w y c h , n a k ła d a n a je s t h ie r a r c h ia program ow a p o l e g a j ą c a n a m o ż liw o ś c i u s t a la n ia w a r to ś c i p r io r y te tó w p o s z c z e g ó ln y c h p r z e r w a ń , b lo k o w a
Tryb inicjacji T r y b in ic ja c ji ( a n g .
nia n ie k tó ry c h z n ic h itp .
reset m ode)
j e s t s z c z e g ó ln y m
t r y b e m p r a c y m ik r o k o m p u t e r a . Z a s a d n i c z o t r y b te n je s t w y w o ły w a n y a u to m a ty c z n ie w
m om encie
c z e n ia z a s ila n ia s y s te m u m ik r o k o m p u t e r o w e g o
(rys. 1).
Priorytet p r z e r w a n ia p o w in ie n b y ć ty m w y ż s z y , im b a r d z ie j k r y t y c z n e c z a s o w o je s t z a d a n ie o b s łu g i t e g o
w łą
W tr y b ie ty m n a s t ę p u je u s t a w ie n ie w p r e d e
f in i o w a n e s t a n y p o c z ą t k o w e w s z y s t k ic h r e je s t r ó w m ik r o k o m p u t e r a i r e je s t r ó w w s z y s t k ic h z in t e g r o w a
c z a s z w ło k i s y g n a łu in ic ja c ji
przerw an ia . c z a s z w ło k i s y g n a łu in ic ja c ji
P O R - s y g n a ł in ic ja c ji z w ią z a n e j z p o ja w ie n ie m s ię n a p ię c ia z a s ila n ia
n y c h z n im u r z ą d z e ń w e jś c ia - w y jś c ia . P o z a k o ń c z e n iu f a z y in ic ja c ji n a s t ę p u je a u t o m a t y c z n e p r z e jś c ie p r o c e s o r a w try b p ra c y . T r y b in ic ja c ji m o ż e b y ć w y -
Rys. 1. Schemat generowania sygnału Inicjacji od pojawienia się napięcia zasilania mikrokomputera
Tryb zamrożenia Tryb z a m r o ż e n ia (a n g .
halt mode)
je s t t r y b e m p r a c y m ik r o k o m p u t e r a z z a t r z y m a n y m z e g a r e m . W s ta n ie ty m
m ik ro ko m p u ter n ie je s t z d o ln y d o r e a liz a c ji ja k ic h k o lw ie k in s tru k c ji. M ik r o k o m p u t e r p o d tr z y m u je ty lk o i w y łączni e s ta n z a w a r to ś c i s w o ic h r e je s tr ó w r o b o c z y c h o r a z p a m ię c i u lo tn y c h . W try b ie h ib e r n a c ji m ik r o k o m p u ter p o b ie ra n a jn iż s z ą m o ż liw ą m o c . T y p o w a w a r to ś ć te j m o c y n ie p r z e k r a c z a 1
1 0 p W . T r y b z a m r o ż e n ia s to
4.4 Układy cyfrnu,0
274
s o w a n y je s t s t o s u n k o w o r z a d k o i w z a s a d z ie w y łą c z n ie w c e lu m a k s y m a l n e g o w y d łu ż e n i a żyw o tn o ści
<4 Ukiady cyfrowe
____________________________________________ ,_______________________________ 275
abstrakcji s ą s t o s o w a n e s t o s u n k o w o r z a d k o w s y s te m a c h m ik r o k o m p u t e r o w y c h . W y n ik a t o z fa k t u , iż s y s te
ź r ó d ła z a s ila n ia s y s te m ó w m ik r o k o m p u t e r o w y c h z a s ila n y c h b a t e r y jn ie . P r z e jś c ie z t ry b u z a m r o ż e n ia d o (m
my m ik ro k o m p u t e r o w e s ą s y s te m a m i s p e c ja liz o w a n y m i, a ic h g ł ó w n y m p o le m a p lik a c ji je s t r e a liz a c ja z a d a ń
b u p r a c y lu b tr y b u o b s łu g i p r z e r w a n ia w y m a g a s t o s u n k o w o d ł u g ie g o c z a s u , c o je s t j e g o is to tn ą w a d ą .
wczasie rzeczywistym.
Tryb uśpienia
p ro g ra m c z a s u r z e c z y w is te g o p o z w a l a n a r e a liz a c ję z a d a ń p r o g r a m o w y c h w ta k i s p o s ó b , ż e k a ż d e z d a
T r y b u ś p ie n ia ( a n g . s l e e p m o d e ) je s t t r y b e m p ły t k ie g o z a m r o ż e n i a p o le g a ją c y m n a 'w y łą c z e n iu p r a c y pr008.
rzenie z o s t a n ie o b s łu ż o n e w e w ła ś c iw y s p o s ó b i w e w ła ś c iw y m c z a s ie .
s o r a m ik r o k o m p u t e r a z je d n o c z e s n y m p o d tr z y m a n ie m a k t y w n o ś c i w s z y s t k ic h p o z o s ta ły c h łu b ty lk o
wybra.
n y c h e le m e n t ó w . M ik r o k o m p u t e r , p o d o b n i e ja k w try b ie z a m r o ż e n ia , n ie m a m o ż liw o ś c i re a liz a c ji program u n a t o m ia s t p o d t r z y m y w a n e s ą s t a n y l o g ic z n e j e g o w e jś ć i w y jś ć c y f r o w y c h , w a r to ś c i r e je s tró w specjalnych u r z ą d z e ń w e jś c ia - w y jś c ia , s y s te m p r z e r w a ń u r z ą d z e ń w e jś c ia - w y jś c ia . W tr y b ie u ś p ie n ia , w z a le ż n o ś c i od je. g o w a r ia n t u
(głębokości uśpienia),
u le g a is to tn e m u o b n iż e n iu m o c z a s ila n ia m ik r o k o n t r o le r a w stosunku
d o tr y b u p ra c y , c z y t ry b u o b s łu g i p r z e r w a ń . M o c t a m o ż e b y ć o g r a n ic z o n a n a w e t d o w a r to ś c i n ie przekra c z a ją c y c h 1 m W . Z a s a d n i c z a r ó ż n ic a p o m ię d z y t r y b e m u ś p ie n ia i t r y b e m h ib e r n a c ji p o l e g a n a ty m , ż e w try b ie u ś p ie n ia a k t y w n e s ą u k ła d y w e jś c ia - w y jś c ia , c o p o z w a la n a b a r d z o s z y b k ie (w c z a s ie r z ę d u 1 -M O ps) p r z e jś c ie d o t ry b u p r a c y lu b t r y b u o b s łu g i p r z e r w a n ia . T r y b u ś p ie n ia s t o s o w a n y je s t p o w s z e c h n ie w zastoso. w a n ia c h w y m a g a ją c y c h o s z c z ę d n o ś c i e n e r g ii z a s ila ją c e j.
pojęcie c z a s u r z e c z y w is te g o z w ią z a n e je s t n ie r o z łą c z n ie z p o ję c ie m pracuje w p e w n y m o t o c z e n iu z e w n ę t r z n y m
(środowisku).
zdarzenia.
S y s te m m ik r o k o m p u t e r o w y
J e d n ą z fo r m w s p ó łp r a c y z e ś r o d o w is k ie m je s t
lryb o b s łu g i z d a r z e ń g e n e r o w a n y c h p r z e z to ś r o d o w is k o . N a p r z y k ła d u k ła d a la r m o w y s a m o c h o d u p o w in ie n z a reag o w ać n a z d a r z e n ie , ja k im je s t o t w a r c ie d r z w i w p o je ź d z ie . Z d a r z e n ia te p o w in n y b y ć o b s łu ż o n e w e w łaściw ym c z a s ie . N a p r z y k ła d u k ła d z a p ł o n u s iln ik a s a m o c h o d u p o w in ie n b y ć u n ie r u c h o m io n y n a t y c h miast p o w y s t ą p ie n iu s y g n a łu a la r m u . W z w ią z k u z t y m r e a liz a c ja z a d a ń w c z a s ie r z e c z y w is ty m n a r z u c a p e wien ry g o r w r e a liz a c ji p r o g r a m u . P r o g r a m , k tó r y n ie je s t z d o ln y d o o b s łu ż e n ia w s z y s t k ic h z a p la n o w a n y c h zdarzeń w z a p la n o w a n y m d la n ic h c z a s ie , n ie je s t p r o g r a m e m c z a s u r z e c z y w is te g o . W z a le ż n o ś c i o d p r z e z n a c z e n i a p r o g r a m y k la s y f ik o w a n e s ą d o g r u p :
program ów systemowych, narzę
dziowych i użytkowych. Tryb sterowania pobieraną mocą M o ż liw o ś ć p r o s t e g o s t e r o w a n ia m o c ą p o b ie r a n ą p r z e z m ik r o k o m p u t e r m o ż liw a je s t t a k ż e w tr y b ie pracy.
Za
u w a ż o n o , ż e ilo ś ć e n e r g ii p o b ie r a n e j p r z e z m ik r o k o m p u t e r je s t w p r z y b liż e n iu p r o p o r c jo n a ln a d o częstotli
P ro g ra m y s y s t e m o w e p o z w a l a ją n a r e a liz a c ję p o d s t a w o w y c h o p e r a c ji w e jś c ia - w y jś c ia s y s te m u m ik r o k o m p u te r o w e g o o r a z u m o ż liw ia ją r e a liz a c ję p r o g r a m ó w n a r z ę d z io w y c h i u ż y t k o w y c h .
w o ś c i j e g o ta k tu z e g a r o w e g o . Z a t e m z a d a n ie s t e r o w a n ia m o c ą p o b ie r a n ą p r z e z m ik r o k o n t r o le r sp row adzić m o ż n a d o z a d a n ia z m ia n y c z ę s to t liw o ś c i ta k tu z e g a r o w e g o .
P ro g ra m y n a r z ę d z io w e s iu ż ą t w o r z e n iu i u r u c h a m ia n iu p r o g r a m ó w u ż y t k o w y c h .
W systemach mikrokomputerowych stosowane są głównie dwa sposoby sterowania częstotliwością! <: • p r z e z w p r o w a d z e n i e s ie c i d y s tr y b u c ji s y g n a łu t a k t u ją c e g o ,
J
S ie ć d y s tr y b u c ji s y g n a łu t a k t u ją c e g o ( z e g a r o w e g o ) u m o ż liw ia p r e c y z y jn e d o s to s o w a n ie c z ę s to tliw o ś c i taktu w try b ie in d y w id u a ln y m d la k a ż d e g o u k ła d u w e jś c io w o -w y jś c io w e g o .
podzielniki i multiplikatory częstotliwości. W
P ro g ra m e m u ż y tk o w y m je s t d o w o ln y p r o g r a m s tw o rz o n y p r z e z u ż y tk o w n ik a s y s te m u m ik ro k o m p u te r o w e g o .
,,,
• p r z e z z a s t o s o w a n ie p r z e t ą o z a ln y c h g e n e r a t o r ó w ta k tu o r ó ż n y c h c z ę s to t liw o ś c ia c h .
W
ty m c e lu s t o s o w a n e s ą odpow iednie
n ie k tó r y c h s y s te m a c h m ik r o k o m p u te r o w y c h s to s o w a n e s ą dwa,
a n a w e t trz y g e n e r a to r y ta k tu p r a c u ją c e z ró ż n y m i c z ę s to tliw o ś c ia m i, n p . 8 M H z , 2 , 4 5 7 6 M H z , 3 2 , 7 6 8 k H z . Prze łą c z e n ie g e n e r a to r a ta k tu p o z w a la n a p r o s te s te r o w a n ie m o c ą p o b ie r a n ą p r z e z m ik ro k o m p u te r .
Zbiór p r o g r a m ó w s y s te m o w y c h n a z y w a n y je s t
systemem operacyjnym.
4.4.5.1 Programy użytkowe Oprogramowanie użytkowe
z w a n e a p lik a c y jn y m
( a n g . a p p l i c a t i o n s o f t w a r e ) je s t p r o g r a m e m lu b z b io r e m
p rogram ów s łu ż ą c y c h d o r e a liz a c ji k o n k r e tn y c h i u ż y t e c z n y c h c e ló w . Z a t e m , d o k la s y p r o g r a m ó w u ż y t k o wych n ie s ą z a l ic z a n e w s z y s t k ie te p r o g r a m y , d la k tó r y c h n ie m o ż n a z d e f in io w a ć b e z p o ś r e d n i e g o z w ią z k u z r e a liz o w a n y m c e le m u ż y t k o w y m .
Tryb pracy krokowej N ie k t ó r e m ik r o k o n t r o le r y p o s ia d a ją s p r z ę t o w ą m o ż liw o ś ć p r a c y w tr y b ie p r a c y k r o k o w e j. P r a c a w try b ie kro
Zbiory p r o g r a m ó w u ż y t k o w y c h n a z y w a n e s ą t a k ż e
k o w y m p o l e g a n a u r u c h o m ie n iu t ry b u p r a c y ty lk o i w y łą c z n ie n a o k r e s w y k o n a n ia j e d n e j in s tru k c ji. P o w yko
mi.
n a n iu te j in s tru k c ji m ik r o k o m p u t e r p r z e c h o d z i w try b z a m r o ż e n ia . W ty m tr y b ie d o s t ę p n e s ą w s z y s tk ie reje s try i w s z y s t k ie lo k a c je p r z e s t r z e n i a d r e s o w e j m ik r o k o m p u t e r a . T r y b p r a c y k r o k o w e j je s t n ie z w y k le przydat n y w f a z ie u r u c h a m ia n ia p r o g r a m u u ż y t k o w e g o . P o z w a la n a s y s t e m a t y c z n ą a n a liz ę s k u tk ó w r e a liz a c ji każdej z in s tru k c ji.
pakietami programowymi
lu b
systemami użytkowy
D o p r o g r a m ó w u ż y t k o w y c h z a lic z a n e s ą m ię d z y in n y m i: k o m p ila to r y , b a z y d a n y c h , o p r o g r a m o w a n ie
: b iurow e, o p r o g r a m o w a n ie w s p ie r a ją c e k o n s tr u o w a n ie
(CAD), w y ty y a r z a n ie (CAM), z a r z ą d z a n ie (CIM), (PLC, PAC), p r o g r a m y d o r a d c z e , e k s p e r c k ie ,
o p r o g ra m o w a n ie u ż y t k o w e s t e r o w n ik ó w p r o g r a m o w a ln y c h
e d u k a c y jn e , n a r z ę d z io w e , a t a k ż e g r y s t r a te g ic z n e i g r y k o m p u t e r o w e . D o g r u p y p r o g r a m ó w u ż y tk o w y c h : •; należy t a k ż e k a ż d y p r o g r a m u t w o r z o n y p r z e z u ż y t k o w n ik a w e w ła s n y m z a k r e s ie . W ykon anie
4.4.5 Programowanie mikrokomputera
(egzekucja)
p r o g r a m ó w u ż y t k o w y c h w s y s te m a c h k o m p u te r o w y c h w y m a g a ic h
translacji
do
postaci k o d u m a s z y n o w e g o , a n a s tę p n ie u m ie s z c z e n ia ( z a ła d o w a n ia ) d o p a m ię c i p r o g r a m u i z a in ic jo w a n ia lego r e a liz a c ji. Z w y k le z a d a n ia k o m p ila c ji, ł a d o w a n ia , in ic ja c ji r e a liz a c ji p r o g r a m u , a t a k ż e n a d z ó r n a d j e g o
Z g o d n ie z d e f in ic ją p r z e d s t a w io n ą w r o z d z .. 4 .4 .4 .1 p o d s t a w o w y m z a d a n ie m m ik r o k o m p u t e r a je s t przetw a
w yko n an iem i z a r z ą d z a n ie m z a s o b a m i p r z e t w a r z a n e j w s y s te m a c h k o m p u t e r o w y c h in fo rm a c ji w s p ie r a n e s ą
system operacyjny
r z a n ie in fo rm a c ji z g o d n ie z p e w n y m p r e c y z y jn ie z d e f in io w a n y m p r o g r a m e m je j p r z e t w a r z a n ia . P o d pojęciem
Przez in n e p r o g r a m y t w o r z ą c e tz w .
p r o g r a m u n a le ż y r o z u m ie ć p la n d z ia ła ń p o z w a la ją c y c h n a p r z e k s z t a łc e n ie in fo rm a c ji w e jś c io w y c h , zw anym i
kownika p r o g r a m y s y s te m u o p e r a c y jn e g o p e łn ią r o lę p o m o c n ic z ą , p o z w a la ją c ą n a w y g o d n ą i s p r a w n ą r e a li
d a n y m i w e jś c io w y m i, w in fo r m a c je ( d a n e ) w y jś c io w e z g o d n ie z e s p o s o b e m z w a n y m
algorytmem,
w celu
(a n g . o p e r a t i n g s y s t e m ) . Z p u n k tu w id z e n ia u ż y t
zację p r o g r a m ó w u ż y t k o w y c h . W o g ó ln o ś c i, n ie s łu ż ą z a t e m b e z p o ś r e d n ie j r e a liz a c ji c e lu p r o g r a m u u ż y t k o
r e a liz a c ji z a p l a n o w a n e g o z a d a n ia .
wego. Z t e g o p o w o d u s y s te m ó w o p e r a c y jn y c h n ie z a lic z a s ię d o p r o g r a m ó w u ż y t k o w y c h .
S p o s ó b p r z e t w a r z a n ia in fo rm a c ji, a w ię c a lg o r y t m , m o ż e b y ć p r z e d s ta w io n y w s p o s ó b n ie z a le ż n y o d jego
Jakkolw iek p o ję c ie s y s te m u o p e r a c y jn e g o n ie je s t ś c iś le z d e f in io w a n e , t o w s e n s ie o g ó ln y m s y s te m o p e r a
p ó ź n ie js z e j r e a liz a c ji. O z n a c z a to , ż e p r z y n a jm n ie j t e o r e t y c z n ie m o ż liw e je s t t w o r z e n ie p r o g r a m ó w b e z ko
cyjny m o ż e b y ć r o z p a t r y w a n y ja k o z b ió r p r o g r a m ó w t w o r z ą c y c h
n ie c z n o ś c i z n a jo m o ś c i s p e c y fik i k o n k r e t n e g o m ik r o k o n t r o le r a r e a liz u ją c e g o p r o g r a m . D e c y d u ją c y m czynni
gram ów u m o ż liw ia ją c y c h d w u k ie r u n k o w ą k o m u n ik a c ję c z ł o w i e k a i m a s z y n y . W n ie c o in n y m s e n s ie s y s te m
interfejs cztowiek-komputer, środowisko,
a w ię c p r o
k ie m je s t tu ta j p r z y ję t y p o z io m a b s tr a k c ji p r o g r a m u . Im w y ż s z y je s t s t o p ie ń a b s tr a k c ji, ty m m n ie js z y zw iązek
o peracyjn y m o ż e b y ć t r a k to w a n y ja k o z b ió r p r o g r a m ó w t w o r z ą c y c h tz w .
p r o g r a m u z s y s te m e m , w k tó r y m b ę d z ie o n r e a liz o w a n y . W p r a k t y c e p r o g r a m y o b a r d z o w y s o k im stopniu
lub z w y k o r z y s t a n ie m k t ó r e g o u ż y t k o w n ik m o ż e s t o s u n k o w o ła tw o r e a liz o w a ć p r o g r a m y u ż y t k o w e .
w o t o c z e n iu k t ó r e g o
276
44 Układy cyfrowe
- H H if ilS y f r o w e
277
Inzyki p r o g r a m o w a n ia k la s y f ik o w a n e s ą d o d w ó c h z a s a d n ic z y c h g r u p :
S y s te m y o p e r a c y jn e z n a j d u j ą z a s t o s o w a n ia w s y s te m a c h k o m p u t e r o w y c h o z n a c z n y c h m o c a c h obliczeni w y c h i d o s t a t e c z n y c h z a s o b a c h p a m ię c io w y c h . W m ik r o k o m p u t e r a c h s y s t e m y o p e r a c y jn e s to s o w a n e °" s t o s u n k o w o r z a d k o . W y n i k a t o z j e d n e j s t r o n y z o g r a n ic z o n y c h z a s o b ó w t a k ic h s y s te m ó w , a ż d ru g ie j stron* z w y g o d n e j te c h n o lo g ii t w o r z e n ia o p r o g r a m o w a n ia u ż y t k o w e g o d la ty c h s y s te m ó w . O p r o g r a m o w a n ie użut
języków niskiego
i
wysokiego po
ziomu. K ry te riu m p o d z ia łu je s t s t o p ie ń a b s tr a k c ji ję z y k ó w .
1,8w y ż s z y je s t
p o z io m a b s tr a k c ji j ę z y k a , ty m w y ż s z y j e g o p o z io m .
k o w e d la s y s t e m ó w m ik r o k o m p u t e r o w y c h p r z y g o t o w y w a n e je s t n a jc z ę ś c ie j p o z a . t y m i s y s te m a m i przy c iu e d y to r ó w , k o m p ila t o r ó w i s y m u la t o r ó w u r u c h a m ia n y c h w s y s te m a c h k o m p u t e r o w y c h d y s p o n u ją c y c h od
języki niskiego poziomu
p o w ie d n im i m o c a m i o b lic z e n io w y m i. W c e lu p r z y g o t o w a n ia p r o g r a m u u ż y t k o w e g o d la s y s te m u m ikrokom
języki n is k ie g o p o z io m u n ie m a ją c h a r a k te r u
p u t e r o w e g o k o r z y s ta s ię z a t e m
mi p r z e z n a c z o n y m i d o t w o r z e n ia p r o g r a m ó w d la ś c iś le o k r e ś lo n e j i n a o g ó l w ą s k ie j g r u p y p r o c e s o r ó w t w o
z o p r o g r a m o w a n i a u ż y t k o w e g o i s y s t e m o w e g o z u p e łn ie in n e g o systemu
języków uniwersalnych.
S ą j ę z y k a m i w ą s k o s p e c ja liz o w a n y
W s y s te m ie t y m u z y s k iw a n y je s t o s t a t e c z n ie k o d m a s z y n o w y p r o g r a m u u ż y t k o w e g o , k tó r y je s t ła d o w a n y do
rzących r o d z in ę . P r o c e s o r y n a l e ż ą c e d o r o d z in y m a ją i d e n t y c z n ą a r c h it e k t u r ę o r a z tę s a m ą lis tę in s tru k c ji,
s y s te m u m ik r o k o m p u t e r o w e g o , a n a s tę p n ie r e a liz o w a n y w s p o s ó b a u t o m a t y c z n y , b e z k o n ie c z n o ś c i współ-
późnią s ię z w y k le d r u g o r z ę d n y m i s z c z e g ó ła m i z p u n k tu w id z e n ia t e c h n ik i p r o g r a m o w a n ia , t a k im i ja k lic z b a
d z ia ła n ia z w ła s n y m s y s t e m e m o p e r a c y jn y m .
(ro d zaj u r z ą d z e ń w e jś c ia - w y jś c ia , w ie lk o ś ć p o s z c z e g ó ln y c h o b s z a r ó w p a m ię c i. J ę z y k i n is k ie g o p o z io m u różnych ro d z in p r o c e s o r ó w n ie s ą w z a je m n ie z g o d n e
S y s te m o p e r a c y jn y n ie je s t k o n ie c z n y d o r e a liz a c ji p r o g r a m ó w u ż y t k o w y c h .
''|j
(kompatybilne).
O z n a c z a to , ż e t w o r z e n ie p r o g r a m ó w
użytkowych d la s y s te m ó w m ik r o k o m p u t e r o w y c h , w k tó r y c h z a s t o s o w a n e s ą p r o c e s o r y n a le ż ą c e d o r ó ż n y c h rodzin k o n s tr u k c y jn y c h , w y m a g a z a s t o s o w a n ia in n y c h ję z y k ó w p r o g r a m o w a n ia . C z a s a m i o f e r o w a n e s ą
pro
P r o g r a m u ż y t k o w y u r u c h a m ia n y w y łą c z n ie w ś r o d o w is k u k o n k r e t n e g o s y s te m u o p e r a c y jn e g o n a z y w a n y jest
gramy narzędziowe,
p ro
aplikacją.
gramu n a in n y ję z y k . M a ją o n e je d n a k o g r a n ic z o n e m o ż liw o ś c i i n ie s ą s t o s o w a n e p o w s z e c h n ie . J ę z y k i n i
A p lik a c ja je s t n ie r o z e r w a ln ie z w ią z a n a z s y s t e m e m o p e r a c y jn y m , z k t ó r e g o z a s o b ó w korzysta.
M ó w im y z a t e m o a p lik a c ji p r z e z n a c z o n e j d o r e a liz a c ji n p . w ś r o d o w is k u W in d o w s , L in u x c z y in n y m . Realiza
zw ane
translatorami skrośnymł,
u m o ż liw ia ją c y m i p r z e t łu m a c z e n ie
(translację)
skiego p o z io m u s ą z a t e m j ę z y k a m i s iln ie u w a r u n k o w a n y m i s p r z ę t o w o .
c ja a p lik a c ji w ś r o d o w is k u in n y m ( n ie k o m p a t y b iln y m z e ś r o d o w is k ie m , d ia k t ó r e g o z o s t a ła o n a utworzona) je s t n ie m o ż liw a .
języki n is k ie g o p o z io m u u m o ż liw ia ją b e z p o ś r e d n i, p r o s t y i s z y b k i d o s t ę p d o w s z y s tk ic h z a s o b ó w s p r z ę t o wych o fe r o w a n y c h p r z e z d a n y s y s te m m ik r o k o m p u t e r o w y . N ie k t ó r e ję z y k i w y s o k ie g o p o z io m u ta k ie m o ż li
S p e c y f ic z n y m
p ro g ra m e m
u ż y t k o w y m je s t
aplet.
A p le t je s t p r o g r a m e m
( z w y k le o m a ie j o b ję to ś c i kodu)
wości o fe ru ją ty lk o w o g r a n i c z o n y m z a k r e s ie lu b z w ię k s z y m n a k ła d e m c z a s o w y m n a w y k o n a n ie ty c h s a
u m ie s z c z a n y m n a in te r n e to w y c h s tr o n a c h w w w . U r u c h o m ie n ie a p le t u w y m a g a u ż y c ia w y łą c z n ie przeglądar
mych z a d a ń . Z t e g o p o w o d u ję z y k i n is k ie g o p o z io m u s ą c h ę tn ie s t o s o w a n e d o p r o g r a m o w a n ia s y s te m ó w
ki in te r n a to w e j, a n ie s y s te m u o p e r a c y jn e g o , ja k w p r z y p a d k u a p lik a c ji. D la a p le t ó w b e z p o ś r e d n im środowi
m ik ro k o m p u te ro w y c h m im o o c z y w is ty c h w a d , d o k tó r y c h n a le ż y z a lic z y ć : w y s o k ą p r a c o c h ło n n o ś ć t w o r z e
s k ie m o p e r a c y jn y m je s t z a t e m ś r o d o w is k o p r z e g lą d a r k i, c o c z y n i j e n ie z a le ż n y m i o d s y s te m u o p e ra cyjn ego.
nia p ro g ra m ó w , n ie p r z e jr z y s to ś ć t w o r z o n e g o k o d u , tr u d n o ś c i w o p e r o w a n iu z m ie n n y m i s tr u k tu r a ln y m i i a b s
A p le t y n ie m a ją m o ż liw o ś c i w p ły w a n ia n a s ta n s y s te m u ( n p . p r z e z z a p is y w a n ie d a n y c h n a d y s k u ). Pozwala
trakcyjnymi, t a k im i ja k z b io r y , ta b lic e , z m ie n n e lu b p lik i.
t o n a z w ię k s z e n ie s t o p n ia b e z p ie c z e ń s t w a ic h u ż y t k o w a n ia .
1 Do ję z y k ó w n is k ie g o p o z io m u z a lic z a n e s ą :
język wewnętrzny, język adresów symbolicznych,
makroasembler. Język w e w n ę tr z n y , z w a n y t a k ż e procesora t w o r z ą c y c h p r o g r a m J ę z y k p r o g r a m o w a n i a s tu ż y p r z e k s z t a łc e n iu p r o g r a m u r o z u m i a n e g o ja k o a lg o r y t m lu b z b ió r algorytm ów
odgrywa n ie z m ie r n ie is to tn ą r o lę
kodem maszynowym, je s t c ią g ie m k o d ó w b in a r n y c h k o le jn y c h in s tru k c ji (rys. 1). J ę z y k t e n , ja k k o lw ie k n ie c z y t e ln y d la n i e w p r a w n e g o p r o g r a m is ty , w t e c h n ic e p r o g r a m o w a n ia . J e s t to b o w ie m jedyny ję z y k c a łk o w ic ie a k c e p
w s t a n d a r d o w y s k r y p t z a p is a n y p r z y w y k o r z y s t a n iu o b ie k t ó w , s łó w , z n a k ó w , s y m b o li, z d a ń i d y r e k ty w właści
towany przez^ p r o c e s o r . Z a t e m k a ż d y p r o g r a m n a p is a n y w d o w o ln y m j ę z y k u p r o g r a m o w a n ia , w ty m z w ła s z
w y c h t e m u ję z y k o w i.
cza w ję z y k u w y ż s z e g o p o z io m u , m u s i b y ć p r z e t łu m a c z o n y n a
ciąg instrukcji kodu maszynowego.
P ro c e s
tłum aczenia p r o g r a m ó w w y m a g a w ó w c z a s z a s t o s o w a n i a s p e c ja ln y c h d o d a t k o w y c h n a r z ę d z i p r o g r a m o J ę z y k p r o g r a m o w a n ia je s t s f o r m a liz o w a n y m n a r z ę d z ie m o p is u a lg o r y t m u p r o g r a m u . J ę z y k i p r o g r a m o w a n ia s ą ś c iś le s f o r m a liz o w a n e .
Formalizm języka
'. i
wych, ta k ic h ja k
translatory, kompilatory i konsolidatory.
p o l e g a n a p r e c y z y jn y m zdefiniow aniu
z b io r ó w d o p u s z c z a ln y c h o b ie k t ó w t e g o j ę z y k a i d o p u s z c z a ln y c h d z ia ła ń n a ty c h o b ie k t a c h . O b ie k ta m i języ ka są
znaki, symbole, nazwy, oznaczenia. O b ie k t y w y s t ę p u ją (operacje). N a p r z y k ła d d la
w y k o n y w a n e s ą o k r e ś lo n e d z ia ła n ia
w a lg o r y t m a c h j a k o a r g u m e n ty , n a których o b ie k t ó w t y p u „ lic z b y c a łk o w it e " definiow a
Kod m a s z y n o w y
n e m o g ą b y ć o p e r a c je d w u a r g u m e n t o w e , t a k ie ja k d o d a w a n ie , o d e jm o w a n ie , m n o ż e n ie , k tó r y c h wynikiem
A d r e s a b s o lu t n y k o d u
Z a p is s y m b o lic z n y p r o g r a m u
w p a m ię c i p r o g r a m u
je s t lic z b a c a łk o w it a o r a z o p e r a c ja d z ie le n ia z r e s z tą , k tó r e j w y n ik ie m s ą d w ie lic z b y c a ik o w ite : ilo r a z i reszta. O p e r a c je w y k o n y w a n e n a o b ie k t a c h ję z y k a n a z y w a n e s ą c z ę s to W y k r o c z e n ie p r z e c iw k o z a s a d o m f o r m a ln y m j ę z y k a n o s i n a z w ę
poleceniami, Instrukcjami btędu syntaktycznego.
lu b
i rozkazami,:'
B łę d e m syntaktycz-
n y m b ę d z ie n a p r z y k ła d p r z y p o r z ą d k o w a n i e o b ie k t o w i „ lic z b a c a łk o w it a ” lic z b y o w a r to ś c i 7 ,1 3 , ponieważ lic z b a o te j w a r to ś c i n ie je s t z d e fin ic ji lic z b ą c a łk o w it ą . P o p r a w n o ś ć s y n ta k ty o z n a p r o g r a m u n ie je s t wystar c z a ją c a d la o c e n y j e g o p o p r a w n o ś c i. P r o g r a m p o w in ie n b y ć r ó w n ie ż p o p r a w n y p o d w z g lę d e m
nym,
semantycz
t z n . p o w in ie n w ie r n i e o d z w i e r c ie d la ć t r e ś ć m e r y t o r y c z n ą a l g o r y t m u , k t ó r e g o je s t e m a n a c ją . 0 ile
B0403412FC FO
3.100
MOV
#01234h,
OPER1
B040C D ABF6FO
1106
MOV
ilO A B C D h ,
OPER1
B0121211
n o c
C A LL
lit-lU L T
FF3F
1110
JMP
&MPY &OP2
9240E C F03001
1112
MOV
$ O PER1,
9240E8F03801
1118
MOV
O PER2,
0343
111E
NOP
s p r a w d z e n ie p o p r a w n o ś c i s y n ta k ty c z n e j p r o g r a m u je s t c z y n n o ś c ią s t o s u n k o w o p r o s t ą d o z a u to m a ty z o w a
14423A 01
1120
MOV
&R ESLO ,
R4
n ia , o t y le z a u t o m a t y z o w a n e s p r a w d z e n ie p o p r a w n o ś c i s e m a n t y c z n e j w o g ó ln o ś c i je s t z a d a n ie m niewyko
1 54 2 3 C 0 1 3041 ■
1124
MOV
S R E S H I,
R5
1128
RET
n a ln y m n a o b e c n y m p o z io m ie r o z w o ju te c h n ik i i in fo r m a ty k i. S p r a w d z e n ie p o p r a w n o ś c i s e m a n ty c z n e j pozo s t a w ia n e je s t b e z p o ś r e d n io u ż y t k o w n ik o w i, k tó r y w p r o c e s ie u r u c h a m ia n ia p r o g r a m u , n a p o d s ta w ie wyni k ó w p r z e p r o w a d z o n y c h w ty m c e lu te s tó w , d o k o n u je o d p o w ie d n ic h k o r e k c ji p r o g r a m u .
Rys. 1. Przykład program u zap isan e g o w postaci kodu m aszyn ow eg o
4,4 Uk|a d y cy;rn„f0
278
A d re s
K o m e n ta r z
K o d m n e m o n ic z n y in s tru k c ji
s y m b o lic z n y
i a d r e s y s y m b o lic z n e o p e r a n d ó w in s tru k c ji
OPERl OPER2
MULT
; Rezerwacja lokacji pamięci dla operandu ; Rezerwacja lokacji pamięci dla operandu
DW DW
0 0
MOV MOV CALL JMP
#01234h, #0ABCDh, #MULT
MOV MOV NOP MOV MOV RET
O P E R l , &MPY O P E R 2 , &OP2
Ustaw pierwszy operand Ustaw drugi operand Wykonaj mnożenie Zatrzymaj wykonywanie programu
OPERl OPERl
$
Pobierz pierwszy operand Pobierz drugi operand Czekaj na wynik Odczytaj młodsze słowo wyniku mnożenia Odczytaj starsze słowo wyniku mnożenia
&RESLO, R4 &RESHI, R5
Rys. 1. Przykład p rostego p rogram u w języku ad re s ó w sym bo licznych
T w o r z e n ie p r o g r a m ó w n a p o z io m ie n ie c o w y ż s z y m n iż p o z io m k o d u m a s z y n o w e g o je s t m o ż liw e p r z y zasto s o w a n iu
języków symbolicznych,
z w a n y c h r ó w n ie ż
językam i adresów symbolicznych
lu b
asemblerami,
I d e a n o ta c ji p r o g r a m u w p o s ta c i s y m b o lic z n e j p o l e g a n a p r z y p o r z ą d k o w a n iu n a z w s y m b o lic z n y c h zarów no in s t r u k c jo m , ja k i lo k a c jo m a d r e s o w y m , d o k tó r y c h in s t r u k c je t e s ię o d n o s z ą . N a z w y s y m b o lic z n e instrukcji
kodami mnemonicznymi instrukcji, n a t o m ia s t n a z w y lo k a c ji w p r z e s t r z e n i a d r e s o w e j nazyw a adresami symbolicznymi. N a p r z y k ła d in s tru k c ji w y w o ła n ia p r o c e d u r y ( k o d B012) m o ż e b y ć przypo r z ą d k o w a n y k o d m n e m o n i c z n y c a l l , a lo k a c ji w p a m ię c i p r o g r a m u o a d r e s ie 1 2 1 1 a d r e s s y m b o liczn y y /M U L T . W ó w c z a s w m ie js c e n ie c z y t e ln e j in s tru k c ji w y w o ła n ia p r o c e d u r y o k o d z ie m a s z y n o w y m B0121211 m o ż e b y ć u ż y ty z a p is s y m b o lic z n y te j in s tru k c ji w b a r d z ie j c z y t e ln e j p o s ta c i: c a l l yyMULT. nazyw ane są ne są
J ę z y k a d r e s ó w s y m b o lic z n y c h u m o ż liw ia p r z y p o r z ą d k o w a n ie k o d ó w m n e m o n ic z n y c h i a d r e s ó w s y m b o J
ni
Układy cyirowe_____________________________
279
''**"** * * * *********************************************************** *’ *~* * * ***** * * * Algorytm szybkiego mnożenia 16-bitowych dodatnich liczb całkowitych ^*********** ******************************* ******************* ******* ** ** * ** Mnożenie 16*1 bit i przesunięcie wyniku w lewo , 2UF MUL_ MUL_~161 0002H Mnożenie 16*1 bit i przesunięcie wyniku w lewo MUL_.161 0 0 0 4H Mnożenie 16*1 bit i przesunięcie wyniku w lewo MUL_~161 0 0 0 8II Mnożenie 16*1 bit i przesunięcie wyniku w lewo MUL_.161 0010H Mnożenie 16*1 bit i przesunięcie wyniku w lewo MUL__161 0020H Mnożenie 16*1 bit i przesunięcie wyniku w lewo MUL__161 0040H Mnożenie 16*1 bit i przesunięcie wyniku w lewo MUL__I61 0080H Mnożenie 16*1 bit i przesunięcie wyniku w lewo MUL_~161 0100H Mnożenie 16*1 bit i przesunięcie wyniku w lewo MUL_.161 0200H Mnożenie 16*1 bit i przesunięcie wyniku w lewo MUL_.161 0400H Mnożenie 16*1 bit i przesunięcie wyniku w lewo MUL_ 161 0800H Mnożenie 16*1 bit i przesunięcie wyniku w lewo m u l _'l61 1000H Mnożenie 16*1 bit i przesunięcie wyniku w lewo MUL_.161 2000H Mnożenie 16*1 bit i przesunięcie wyniku w lewo MUL_.161 4000H Mnożenie 16*1 bit i przesunięcie wyniku w lewo MUL_ 1 6 L Mnożenie 16*1 bit RET **************************************************************************** Definicja pierwszej makroinstrukcji *************************** < r * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * .MACRO Początek makroinstrukcji MUL 160 CLR ACU2 Zeruj młodsze słowo iloczynu CLR ACU3 Zeruj starsze słowo iloczynu CLR ACU4 Zeruj rejestr roboczy BIT #1, ACUO Testuj stan bitu nr 0 w rejestrze ACUO JZ MUL_160_000 Jeśli stan bitu =0, to tylko przesunięcie w lewo MOV A C U 1 ,ACU2 Zapamiętaj wynik 000 RLA ACUl Przesuń w lewo młodsze słowo iloczynu ACU4 RLC Przesuń w lewo starsze słowo iloczynu .ENDM Koniec makroinstrukcji * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *
lic z n y c h in s tr u k c jo m m a s z y n o w y m .
Definicja drugiej makroinstrukcji W z a s a d z ie j e d n e j in s tru k c ji k o d u p r o g r a m u w ję z y k u s y m b o lic z n y m a d r e s ó w o d p o w i a d a je d n a instrukcja k o d u m a s z y n o w e g o . M im o w y r a ź n e j p o p r a w y c z y t e ln o ś c i, w d a ls z y m c ią g u p r o g r a m n ie je s t z b y t w ygodn y d o a n a liz y
(rys. 1).
W c e lu p o p r a w y je g o c z y t e ln o ś c i d o d a w a n e s ą z w y k le w p r o g r a m a c h p is a n y c h w języ
k a c h n is k ie g o r z ę d u p e w n e d o d a t k o w e o b ja ś n ie n ia
(komentarze).
Is to tn ą w a d ą p r o g r a m ó w p is a n y c h ( k o d o w a n y c h ) w ję z y k a c h s y m b o lic z n y c h je s t ic h r o z w le k ło ś ć . P ew nego r o d z a ju r e m e d iu m n a tę s y t u a c ję je s t z a s t o s o w a n ie j ę z y k a p r o g r a m o w a n i a z w a n e g o
makroasemblerem, ma
M a k r o a s e m b le r je s t z w y k le r o z s z e r z e n ie m ję z y k a s y m b o lic z n e g o o d o d a t k o w e p s e u d o in s t r u k c je z w a n e
kroinstrukcjami
lu b
makrodefinicjami.
M a k r o in s t r u k c je s ą w is to c ie z b io r a m i in s tru k c ji ję z y k a s y m b o lic z n e
g o , k tó r y m p r z y p o r z ą d k o w a n o w s p ó ln ą n a z w ę . W o d r ó ż n ie n iu o d ję z y k a a d r e s ó w s y m b o lic z n y c h n ie obo w ią z u je ju ż z a s a d a s t a n o w ią c a , ż e k a ż d e j in s tru k c ji k o d u p r o g r a m u o d p o w i a d a j e d n a in s tr u k c ja k o d u ma s z y n o w e g o . M a k r o in s t r u k c je p o z w a l a ją z a t e m p ro g ra m u
(rys. 1 na następnej stronie).
n a u z y s k a n ie w ię k s z e j z w a r to ś c i, a p r z e z to p rzejrzysto ści
M a k r o in s t r u k c je s ą is to tn y m e t a p e m e w o lu c ji ję z y k ó w w kierunku
p r o g r a m o w a n ia s t r u k t u r a ln e g o .
Języki wysokiego poziomu J ę z y k i w y s o k ie g o p o z io m u p o w s t a ły w w y n ik u n a t u r a ln e j e w o lu c ji i k o n te s ta c ji w a d ję z y k ó w n is k ie g o pozio
* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *
MUL__161
.MACRO BIT_NUM Początek makroinstrukcji BIT #BIT_NUM,ACU0 Test bitu o numerze BIT_NUM w rejestrze ACUO JZ MUL_161_00? Jeśli bit ma wartość zero, pomiń dodawanie ADD A C U 1 ,ACU2 Dodaj mnożnik do iloczynu (młodsze słowo) ADDC A C U 4 ,ACU3 Dodaj mnożnik do iloczynu (starsze słowo) MUL_161_00? RLA ACU1 Przesuń w lewo młodsze słowo iloczynu RLC ACU4 Przesuń w lewo starsze słowo iloczynu .ENDM Koniec makroinstrukcji ******************************************************************************* Definicja trzeciej makroinstrukcji ********************************************************************************
MUL_16L
.MACRO B IT JZ ADD ADDC HUL_16L 000 .ENDM
?Początek makroinstrukcji # 08000 H , ACUO; Testuj najstarszy bit w rejestrze ACUO MUL_16L__000 ; Jeśli bit ten jest równy 0, zakończ makroinstrukcję ACU1,ACU2 ;Dodaj mnożnik do iloczynu (młodsze słowo) ACU4,ACU3 ;Dodaj mnożnik do iloczynu (starsze słowo ; Koniec makroinstrukcji
m u . D o p o d s t a w o w y c h w a d ty c h j ę z y k ó w n a le ż y z a lic z y ć : r o z w le k ło ś ć i z l ą c z y t e ln o ś ć k o d u p r o g r a m u , trud n o ś c i w o p e r o w a n iu o b ie k t a m i a b s tr a k c y jn y m i, b r a k b e z p o ś r e d n ic h in s tru k c ji w s p ie r a ją c y c h p ro g ra m o w a n ie a lg o r y t m ic z n e , s iln e u k ie r u n k o w a n ie s p r z ę t o w e .
Rys. 1. Przykład użycia I definicji makroinstrukcji do realizacji algorytmu szybkiego mnożenia 16-bltowych dodatnich liczb całkowitych
4.4 Uktady_cvtrn,.f0
280
^ 4 Układy cyfrowe
281
U p o d s ta w r o z w o ju ję z y k ó w w y s o k ie g o p o z io m u le g io d o ś ć t r y w ia ln e s p o s tr z e ż e n ie , ż e z e w z g lę d u na eko
na n a t y c h m ia s t o w ą r e a liz a c ję p r o g r a m u , b e z k o n ie c z n o ś c i p o p r z e d z e n i a f a z y w y k o n a n ia p r o g r a m u f a z ą
n o m ik ę m y ś le n ia i t e c h n ik ę u c z e n ia s ię w y g o d n e je s t s t o s o w a n ie m o ż liw ie u n iw e r s a ln y c h p o ję ć p o d staw o'
¡jornpilacji. P o d s t a w o w ą w a d ą in t e r p r e t e r ó w je s t w y d łu ż e n i e c z a s u r e a liz a c ji p r o g r a m u w y n ik a ją c e z k o
w y c h s łu ż ą c y c h o p is o w i j ę z y k a . W y c h o d z ą c z t e g o o g ó ln e g o p r z e s ia n ia , s f o r m u ło w a n o c a ł ą g a m ę abstrak
nieczności je g o r o z s z e r z e n ia o c z a s k o n ie c z n y n a k o m p ila c ję k a ż d e j w y k o n y w a n e j in s tru k c ji.
c y jn y c h
języków algorytmicznych wysokiego poziomu. W
ję z y k a c h a lg o r y t m ic z n y c h p o ło ż o n o raczej ak
c e n t n a u ła t w ie n ia w p r z e k ła d z ie a lg o r y t m ó w w c ią g in s tru k c ji p r z y w y k o r z y s t a n iu s y m b o li, z n a k ó w i obiek!
J ę z y k i t e z o s t a ły z a t e m
Do n a jb a r d z ie j z n a n y c h ję z y k ó w p r o g r a m o w a n i a w y s o k i e g o p o z io m u n a le ż ą : j ę z y k C ( r y s . 1 n a p ó - J p r z e d n ie j s t r o n i e ) , B a s ic , P a s c a l , F o r t r a n .
t ó w a b s tr a k c y jn y c h o z n a c z e n iu u n iw e r s a ln y m . c a łk o w ic ie o d e r w a n e o d z w ią z k u z e s p r z ę t e m . D z ię k i t e m u p r o g r a m y pisane 1
w t y c h ję z y k a c h m o g ły n a b r a ć u n iw e r s a ln e g o c h a r a k te r u p o n a d c z a s o w e g o , n ie w y m a g a j ą c e g o zmian, j m im o u p ły w u c z a s u i d o k o n u j ą c e g o s ię p o s tę p u t e c h n o lo g ic z n e g o .
'.j
44,5.3 Roazaje adresowania
W o s t a t e c z n y m r o z r a c h u n k u p r o g r a m y p is a n e w j ę z y k a c h a lg o r y t m ic z n y c h p o w in n y b y ć r e a liz o w a n a na
Realizacja in s tru k c ji p r o g r a m u k o d u m a s z y n o w e g o ( k o d u w e w n ę t r z n e g o ) p o l e g a n a s t e r o w a n y m p r z e t w a
o k r e ś lo n y m s p r z ę c ie . W ó w c z a s k o n ie c z n e je s t p r z e t łu m a c z e n ie ty c h p r o g r a m ó w n a p o s ta ć k o d u m aszyno
rzaniu in fo rm a c ji. P r z e t w a r z a n a in fo r m a c ja p r z e c h o w y w a n a je s t w
w e g o . P r o g r a m y r e a liz u ją c e to z a d a n ie n a z y w a n e s ą
kompilatorami.
P r o c e s k o m p ila c ji p r o g r a m u napisane
przestrzeni adresowej
s y s te m u m ik r o
k o m p u te ro w e g o .
g o w j ę z y k u w y s o k ie g o p o z io m u je s t z ł o ż o n y m p r o c e s e m w ie lo e t a p o w y m . P u n k t e m w y jś c ia p r o c e s u kompl-
kod źródłowy programu.
K o d ź r ó d ło w y je s t n a jc z ę ś c ie j t e k s t e m p r o g r a m u n a p is a n e g o p rz y użyciu
P rz e s trz e ń a d r e s o w a je s t p e w n ą u p o r z ą d k o w a n ą s t r u k t u r ą o w ła ś c iw o ś c i p a m ię c i. N a p r z y k ła d p r z e
r e g u ł, in s tru k c ji i o b ie k t ó w ję z y k a . K o d ź r ó d ło w y p o d le g a n a s t ę p n ie t łu m a c z e n iu (tr a n s la c ji) d o p o z io m u po
strzeń a d r e s o w ą t y p o w e g o m ik r o k o m p u t e r a t w o r z ą o b s z a r y : w e w n ę t r z n e j i z e w n ę t r z n e j p a m ię c i d a n y c h ,
la c ji je s t
ś r e d n ie g o . P r o d u k t e m t e g o e t a p u je s t tz w .
kod obiektowy.
W n a s tę p n y m e t a p ie u z y s k a n y k o d o b ie k to w y tą.
c z o n y je s t o p c jo n a ln ie z in n y m i k o d a m i o b ie k t o w y m i. P o t r z e b a d o ł ą c z e n ia in n y c h k o d ó w o b ie k to w y c h wyni k a n a jc z ę ś c ie j z fa k tu w y k o r z y s t y w a n ia w p r o g r a m ie ź r ó d ło w y m o d w o ła ń d o w a r ty c h w o d r ę b n y c h s p e c ja liz o w a n y c h z b io r a c h z w a n y c h
bibliotekami.
procedur bibliotecznych
w e w n ę trz n e j i z e w n ę t r z n e j p a m ię c i p r o g r a m u , r e je s try u n iw e r s a ln e i s p e c ja ln e o r a z r e je s tr y u r z ą d z e ń w e j ścia-w yjścia.
za
W y k o r z y s ty w a n e b ib lio te k i muszą
P o d staw o w ym b u d u lc e m p r z e s tr z e n i a d r e s o w e j je s t
lokacja,
z w a n a ta k ż e
komórką.
Z a te m p rz e s trz e ń a d r e
b y ć z a t e m d o łą c z o n e d o k o d u p r o g r a m u . B ib lio te k i d o ł ą c z a n e s ą z w y k le n ie n a p o z io m ie k o d u źró d ło w eg o ,
sową m o ż n a t r a k t o w a ć j a k o u p o r z ą d k o w a n y z b ió r k o m ó r e k . U p o r z ą d k o w a n i e z b io r u k o m ó r e k p o le g a n a
l e c z n a p o z io m ie p o ś r e d n im , t z n . k o d u o b ie k t o w e g o . P r o c e s ł ą c z e n i a k o d ó w o b ie k t o w y c h n a z y w a n y jest
p rz y p o rz ą d k o w a n iu k a ż d e j lo k a c ji i n d y w id u a ln e g o , a w ię c u n ik a ln e g o a tr y b u tu lic z b o w e g o n a z y w a n e g o
kompilacją
resem.
lu b
łączeniem,
lu b
konsolidacją,
lu b w ję z y k u ż a r g o n o w y m -
linkowaniem.
ad
N a p r z y k ła d p a m ię c i d a n y c h m o g ą b y ć p r z y p is a n e a d r e s y : 2 0 0 h - r - 3 F F h , p a m ię c i p r o g r a m u a d r e s y :
1 0 0 0 h -r-3 F F F h , r e je s tro w i u n iw e r s a ln e m u R 4 a d r e s 0 0 4 h , r e je s tro w i s p e c ja ln e m u w s k a ź n ik a s to s u S P a d r e s O s ta tn im e t a p e m je s t e t a p t w o r z e n ia k o d u m a s z y n o w e g o p r o g r a m u n a z y w a n e g o r ó w n ie ż
gramem wykonywalnym.
kodem
lub
pro
K o d w y k o n y w a ln y u z y s k a n y w w y n ik u k o m p ila c ji n ie je s t z w y k le k o d e m optym al
n y m , n p . z e w z g lę d u n a k r y te r iu m m in im u m c z a s u r e a liz a c ji. W z a d a n ia c h k r y ty c z n y c h c z a s o w o je s t to dość
użycie programów optymalizujących użycie techniki programowania hybrydowego.
is to tn y p r o b le m . S t o s o w a n e s ą w ó w c z a s g łó w n ie d w ie te c h n ik i: w y k o n y w a ln y lu b
010h, r e je s tro w i w y jś c io w e m u p o r tu c y f r o w e g o a d r e s : 0 1 0 0 h itp . P o je m n o ś ć in fo r m a c y jn a k o m ó r k i je s t z a leżna o d k o n s tr u k c ji i a r c h ite k tu r y s y s te m u m ik r o k o m p u t e r o w e g o . Z a z w y c z a j s t o s o w a n e s ą lo k a c je o ś m io b ilowe lu b s z e s n a s t o b ito w e .
kod Adres je s t u n ik a ln y m lic z b o w y m a t r y b u t e m lo k a liz a c y jn y m k o m ó r k i w p r z e s t r z e n i a d r e s o w e j.
P r o g r a m y o p t y m a liz u ją c e k o d w y k o n y w a ln y s ą z w y k le p r o g r a m a m i z in te g r o w a n y m i z k o m p ila to r a m i. Zasto
W ykon anie in s tru k c ji p r z e z je d n o s t k ę a r y t m e t y c z n o - lo g ic z n ą p o l e g a n a r e a liz a c ji o p e r a c ji o k r e ś lo n e j p r z e z
s o w a n ie s p e c ja ln y c h o p c ji p r o c e s u k o m p ila c ji p o z w a la ją c y c h n a u z y s k a n ie k o d u o z m in im a liz o w a n y m cza
jej kod n a o b ie k t a c h z w a n y c h
s ie r e a liz a c ji m o ż e n ie p r z y n ie ś ć p o ż ą d a n y c h r e z u lta tó w . W ó w c z a s w p r o c e s ie t w o r z e n ia k o d u źró d ło w eg o
być d o w o ln a 'in f o r m a c ja p r z e c h o w y w a n a w d o w o ln e j lo k a c ji p r z e s t r z e n i a d r e s o w e j. S k ła d n ia in s tru k c ji w y
s t o s o w a n a je s t t e c h n ik a łą c z e n ia f r a g m e n t ó w k o d u p is a n e g o w ję z y k u w y s o k ie g o i n is k ie g o p o z io m u .
maga z a t e m p r e c y z y jn e g o w s k a z a n ia je j a r g u m e n tó w .
W a d ą w ie lu k o m p ila t o r ó w je s t to , ż e k a ż d a , n a w e t n a j m n ie js z a z m ia n a p o s ta c i k o d u ź r ó d ł o w e g o w y m a g a p r z e p r o w a d z e n ia p o w t ó r n e g o , c z ę s to d ł u g o t r w a łe g o p r o c e s u k o m p ila c ji. D l a t e g o w c e lu p r z y s p i e s z e n ia p r o c e s u t w o r z e n ia i u r u c h a m ia n i a p r o g ra m ó w w p ro w a d z o n o
kom pilatory przyrostowe,
k tó r e d o k o n u ją m o d y f ik a c ji k o d u m a s z y n o w e g o w y łą c z n ie
w
n ie z b ę d n y m
z a k r e s ie
w y n ik a ją c y m
z w p r o w a d z o n y c h m o d y f ik a c ji w p r o g r a m ie ź r ó d ło
{
w ym ag ać a r g u m e n t ó w . W ó w c z a s m ó w im y o
while (1); } void main (void)
; Adresowanie
{
; a rg u m e n tó w in s tru k c ji.
unsigned int i, k; while (1) for (i=0; i<100; i++) k=i*i;
ź r ó d ło w y m o ż e b y ć
pretowanym,
trybem inter
a tr a n s la to r y p o z w a la ją c e n a r e a liz a
c ję p r o g r a m u w t y m t r y b ie -
interpreteram i.
Pod
s t a w o w ą z a l e t ą i n te r p r e te r ó w je s t to , ż e p o z w a l a ją
je s t o p e r a c ją w s k a z y w a n ia lo k a c ji
Istnieje w ie le r ó ż n y c h s p o s o b ó w a d r e s o w a n ia a r g u m entów in s tru k c ji. S p o s o b y te n o s z ą n a z w ę t r y b ó w
{
r ó w n ie ż t łu m a c z o n y p a r t ia m i, n p . i n s t r u k c ja p o in m u . T a k i try b t łu m a c z e n ia n a z y w a m y
instrukcjami wieloargumentowymi,' W s z c z e g ó ln y m p r z y p a d k u in s tru k c ja m o ż e n ie instrukcjach bezargum entowych. W p r z y p a d k u in s tru k c ji d w u a rg u m e n to w y c h a d r e s a r g u m e n tu p r z e t w a r z a n e g o n a z y w a n y je s t adresem źródłowym, n a t o m ia s t a d res lo kacji a r g u m e n tu p r z e t w o r z o n e g o n a z y w a n y je s t adresem docelowym (rys. 1).
takich m ó w im y , ż e s ą
K o m p ila t o r y d o k o n u j ą t łu m a c z e n ia p r o g r a m u ź r ó
s tr u k c ji n a b i e ż ą c o w t r a k c ie w y k o n y w a n i a p r o g r a
W o g ó ln y m p r z y p a d k u a r g u m e n t e m in s tru k c ji m o ż e
W o g ó ln y m p r z y p a d k u in s tru k c je m o g ą b y ć in s tru k c ja m i o p e r u ją c y m i n a w ie lu a r g u m e n t a c h . O in s tru k c ja c h
void c_example (void)
w ym .
d ło w e g o w c a ło ś c i. P r o g ra m
argumentami instrukcji.
} > Rys. 1. Przykład prostego programu w języku algorytmicznym wysokiego poziomu (język C)
a d r e s o w a n ia . D o n a jw a ż n ie js z y c h n a le ż ą : a d r e s o wanie i m p li k o w a n e , n a t y c h m i a s t o w e , b e z p o ś r e d nie, p o ś r e d n i e ,
in d e k s o w e , w z g lę d n e
i
bez
w z g lę d n e . A d re s o w a n ie i m p l i k o w a n e
Adresowanie implikowane, zwane także w e w n ę t r z nym lub r e j e s t r o w y m (ang. in h e r e n t , r e g i s t e r ) , doty
282
f
.:4 Uk|adycvfrnWo
4_4Układy cyfrowe
283
c z y s p o s o b u a d r e s o w a n ia , w k tó r y m z a r ó w n o a d r e s y ź r ó d ło w e , ja k i d o c e lo w e d o t y c z ą u n iw e rs a ln y c h luh
Adresowanie indeksowe
s p e c ja ln y c h r e je s tr ó w p r o c e s o r a ( t a b . 1 ) . W a d r e s o w a n iu t y m in fo r m a c ja p o d le g a ją c a p r z e tw a rz a n iu (0pe
ad re s o w a n ie in d e k s o w e ( a n g .
r a n d ) , ja k i in fo r m a c ja p r z e t w o r z o n a (w y n ik ) p r z e c h o w y w a n e s ą b e z p o ś r e d n io w r e je s tr a c h p r o c e s o r a . Czas
(0So w a n ia , w k t ó r y m a r g u m e n t a m i s ą w y r a ż e n i a a r y t m e t y c z n e s ł u ż ą c e d o w y z n a c z e n ia a d r e s ó w lo k a c ji
d o s tę p u d o r e je s tr ó w p r o c e s o r a je s t z w y k le b a r d z o k r ó tk i. Z t e g o p o w o d u a d r e s o w a n ie im p lik o w a n e
należy
d o n a jb a r d z ie j e f e k t y w n y c h c z a s o w o s p o s o b ó w a d r e s o w a n ia .
indexed )
je s t, p o d o b n ie j a k a d r e s o w a n ie p o ś r e d n ie , z ło ż o n y m s p o s o b e m a d -
w p r z e s tr z e n i a d r e s o w e j , w k t ó r y c h t o l o k a c j a c h d o p ie r o z n a j d u j ą s ię a d r e s y ź r ó d ł o w e o p e r a n d ó w lu b adresy d o c e lo w e w y n ik ó w in s tru k c ji. A d r e s lo k a c ji w a d r e s o w a n iu i n d e k s o w y m w y z n a c z a n y je s t j a k o s u m a
adresu b a z o w e g o i in d e k s u lic z b o w e g o lu b z a w a r to ś c i s p e c ja ln e g o r e je s tr u i n d e k s o w e g o . S u m a r y c z n y a d -
T i
Tab. 1. Tryby adres o w an ia
MOV MOV MOV MOV ADD MOV MOV JMP BR
Im p lik o w a n e r e je s t r o w e N a ty c h m ia s t o w e B e z p o ś r e d n ie P o ś r e d n ie P o ś r e d n ie z a u t o in k r e m e n t a c ją P o ś r e d n ie z a u t o d e k r e m e n t a c ją In d e k s o w e W z g lę d n e B e z w z g lę d n e
P r z y k ła d 2
P r z y k ła d 1
T r y b a d r e s o w a n ia
'
R I O ,R12 # 9 9 9 ,Scotland_Yard A S ,ALA 6R 4 ,TABLICA 0R4+,TABLICA @R4-,A 2(R 4),4(R 7) BLISKO #DALEKO
ADD BIS. SUB CMP . SWPB MOV' MOV JNB MOV
~~~
A,R5 B #0101010b,PORT0 ' A,SUMA @MONETA,WZORZEC @R5+,R10 @R5-TRIO ACC,@A+DPTR PO.1,ZAPAL ' &OLA,&ALA
(es nosi n a z w ę
adresu efektywnego.
T e n s p o s ó b a d r e s o w a n ia je s t n ie z w y k le u ż y t e c z n y d o r e a liz a c ji d o s t ę
pu d o z ło ż o n y c h s tr u k tu r d a n y c h . D o s tę p d o k a ż d e g o e le m e n t u s tr u k tu r y m o ż e b y ć w y g o d n ie r e a liz o w a n y przez z m ia n ę z a w a r to ś c i r e je s tru i n d e k s o w e g o .
Adresowanie względne A dresow anie w z g lę d n e (a n g .
relative)
s łu ż y d o a d r e s o w a n ia p a m ię c i p r o g r a m u w z g lę d e m a d r e s u w p a m ię c i
program u a k t u a ln ie w y k o n y w a n e j In s tru k c ji. A d r e s a k t u a ln ie w y k o n y w a n e j in s tru k c ji je s t p r z e c h o w y w a n y
licznikiem programu Instruction pointer). W t r y b ie
W rejestrze s p e c ja ln y m n a z y w a n y m w skaźnikiem in s tru k c ji ( a n g .
(a n g .
program counter),
lic z n ik ie m r o z k a z ó w lu b
a d r e s o w a n ia w z g lę d n e g o lic z n ik p r o g r a m u p e łn i
rolę p o d o b n ą d o r e je s tru a d r e s u b a z o w e g o w tr y b ie a d r e s o w a n ia i n d e k s o w e g o . A d r e s e f e k t y w n y je s t s u m ą wartości lic z n ik a p r o g r a m u I a d r e s u w z g lę d n e g o b ę d ą c e g o a r g u m e n t e m in s tru k c ji. A d r e s o w a n ie w z g lę d n e stosow ane je s t z w ła s z c z a d o r e a liz a c ji in s tru k c ji s k o k ó w .
Adresowanie b e zw zg lę d n e Adresow anie b e z w z g l ę d n e ( a n g .
Adresowanie natychmiastowe im mediate) d o t y c z y t a k ie g o s z c z e g ó ln e g o s p o s o b u a d r e s o w a n ia , w któ operandem. W a r to ś ć o p e r a n d u je s t p o d a w a n a b e z p o ś r e d n io w tre ś ć i zapisu
A d r e s o w a n ie n a t y c h m ia s t o w e ( a n g . ry m a r g u m e n t in s tru k c ji je s t
k o d u in s tru k c ji. O p e r a n d je s t w ię c z n a n y w s p o s ó b ja w n y , j u ż w f a z ie d e k o d o w a n ia in s tru k c ji. N ie je s t więc
absolute)
d o t y c z y t a k ie g o s p o s o b u a d r e s o w a n ia , w k tó r y m a r g u m e n t in
strukcji je s t ja w n y m a d r e s e m b e z w z g l ę d n y m w p r z e s t r z e n i a d r e s o w e j. W a r to ś ć a d r e s u je s t p o d a w a n a b e z pośrednio w tre ś c i k o d u in s tr u k c ji. O p e r a n d e m
in s tr u k c ji je s t t e n w ła ś n ie a d r e s . T r y b a d r e s o w a n ia b e z
w zg lęd nego s t o s o w a n y je s t z w ła s z c z a d o o p e r a c ji n a r e je s t r a c h s p e c ja ln y c h p r o c e s o r a .
k o n ie c z n e u r u c h a m ia n ie p r z e z u k ła d s t e r o w a n ia p r o c e s o r a p r o c e d u r lo k a liz a c ji o p e r a n d u . C z a s d o s tę p u do o p e r a n d u je s t r ó w n y z e r u . T r y b a d r e s o w a n ia n a t y c h m i a s t o w e g o s t o s o w a n y je s t d o p r z y p o rz ą d k o w a n ia o k r e ś lo n y c h w a r to ś c i lic z b o w y c h lu b t e k s t o w y c h lo k a c jo m d o c e lo w y m . W a r to ś c i te z a p is y w a n e s ą w pam ię
4.45.4 Listy, Instrukcj
ci p r o g r a m u , a z a t e m m o g ą p r z y jm o w a ć w y łą c z n ie w a r to ś c i s ta le . Przegląd listy In s tru k c ji p r o c e s o r a s y s te m u m ik r o k o m p u t e r o w e g o p o z w a la n a z a k r e ś le n ie k r ę g u j e g o p o t e n cjalnych z a s t o s o w a ń . K s z ta łt te j lis ty o d g r y w a z a t e m
Adresowanie bezpośrednie A d r e s o w a n ie b e z p o ś r e d n ie ( a n g .
direct)
d o t y c z y s p o s o b u a d r e s o w a n ia , w k tó r y m a r g u m e n t a m i s ą adresy
z p r z e s t r z e n i p a m ię c i d a n y c h . A d r e s y p a m ię c i d a n y c h s ą p o d a w a n e z w y k le w p o s ta c i s y m b o lic z n e j. Ten s p o s ó b a d r e s o w a n ia p o z w a l a n a a d r e s o w a n ie z n a c z n ie w ię k s z y c h z a s o b ó w p a m ię c io w y c h n iż adres o w an ie r e je s t r o w e . J e s t j e d n a k m n ie j e f e k t y w n e c z a s o w o .
na p ro c e s o ró w , m a s w o ją w ła s n ą in d y w id u a ln ą lis tę r o z k a z ó w . L is ty p o s z c z e g ó ln y c h r o d z in r ó ż n ią s ię m ię dzy s o b ą lic z b ą i r o d z a je m in s tru k c ji, k o d a m i m n e m o n ic z n y m i in s tru k c ji i d o p u s z c z a ln y m i t r y b a m i a d r e s o wymi. P o r ó w n a n ie list in s tru k c ji r ó ż n y c h p r o c e s o r ó w n ie je s t z a t e m z a d a n ie m p r o s t y m , a w y n ik t e g o p o r ó w nania m o ż e b y ć w y łą c z n ie f o r m u ło w a n y w k a t e g o r ia c h n ie o s tr y c h . P r o w a d z ą c a n a liz ę list in s tru k c ji r ó ż n y c h rodzin p r o c e s o r ó w , m o ż n a d o k o n a ć w s t ę p n e g o p o d z ia łu in s tru k c ji n a lis ty in s tru k c ji o c h a r a k t e r z e u n iw e r
Adresowanie pośrednie A d r e s o w a n ie p o ś r e d n ie ( a n g .
n i e b a g a t e l n ą r o lę w p r o c e s ie p o d e jm o w a n i a d e c y z ji
o d o b o rz e p r o c e s o r a d o r e a liz a c ji p r z e w id y w a n y c h z a d a ń . W z a s a d z ie k a ż d y p r o c e s o r , a ś c iś le j k a ż d a r o d z i
salnym i listy in s tru k c ji s p e c ja liz o w a n y c h . J e ś li lis ta in s tru k c ji p r o c e s o r a z a w ie r a n ie m a l w y łą c z n ie in s tru k c je
indirect)
je s t z ło ż o n y m s p o s o b e m a d r e s o w a n ia , w k tó r y m a r g u m e n ta m i są ad
uniwersalne, to ta k i p r o c e s o r n a z y w a n y je s t
procesorem do zastosowań uniwersalnych.
W ię k s z o ś ć s t o s o
r e s y w s k a z u ją c e lo k a c je w p r z e s t r z e n i a d r e s o w e j, w k tó r y c h t o lo k a c ja c h d o p ie r o z n a j d u j ą s ię a d r e s y źródło
wanych o b e c n ie p r o c e s o r ó w m a ta k i c h a r a k te r . P r o c e s o r y k o n s tr u o w a n e d o z a d a ń s p e c ja ln y c h , o b o k in
w e o p e r a n d ó w lu b a d r e s y d o c e lo w e w y n ik ó w in s tru k c ji. M im o z ło ż o n o ś c i, t e n s p o s ó b a d r e s o w a n ia je s t nie
strukcji o c h a r a k t e r z e u n iw e r s a ln y m p o s ia d a ją w ą s k o s p e c ja liz o w a n e in s tr u k c je o c h a r a k t e r z e u n ik a ln y m p o
z w y k le u ż y t e c z n y d o r e a liz a c ji w y g o d n e g o d o s t ę p u d o z ło ż o n y c h , a le u p o r z ą d k o w a n y c h s tr u k tu r d a n y c h , ja
zwalające n a s z y b k ie i w y g o d n e w y k o n y w a n ie b a r d z o z ło ż o n y c h a lg o r y t m ó w . N a p r z y k ła d
k im i s ą n a p r z y k ła d t a b lic e . N a p r z y k ła d je ś li t a b lic a je s t t a b lic ą je d n o w y m ia r o w ą , z b u d o w a n ą w p o s ta c i listy
gnałowe
procesory sy
p o s ia d a ją in s tr u k c je w s p ie r a ją c e s z y b k ą a n a liz ę w id m o w ą s y g n a łu lu b b u d o w ę filtr ó w c y fr o w y c h .
2 0 e le m e n t ó w z a jm u ją c y c h k o le jn y c h 2 0 lo k a c ji p a m ię c i, t o d o lo k a liz a c ji d o w o ln e g o e le m e n t u te j tablicy w y s t a r c z ą d w a p a r a m e t r y : a d r e s p o c z ą tk u t a b lic y w p r z e s t r z e n i a d r e s o w e j i n u m e r (in d e k s ) t e g o elem entu
Do g r u p y in s tru k c ji, u n iw e r s a ln y c h z a lic z a n e s ą : in s t r u k c je a r y t m e ty c z n e I lo g ic z n e , in s tr u k c je In k r e m e n t a -
w ta b lic y . B e z w z g lę d n y a d r e s d o w o l n e g o e le m e n t u w t a b lic y m o ż n a w y z n a c z y ć w ty m p r z y p a d k u ja k o sumę
; cji i d e k r e m e n ta c ji, in s tr u k c je p r z e s u n ię ć , in s tr u k c je s k o k ó w w a r u n k o w y c h i b e z w a r u n k o w y c h , in s tru k c je
a d r e s u p o c z ą t k u t a b lic y i w a r to ś c i lic z b o w e j in d e k s u . J e ś li t a s u m a b ę d z ie p r z e c h o w y w a n a w r e je s trz e uni w e r s a ln y m , n p .
R4,
to w p r z y p a d k u z a s t o s o w a n ia a d r e s o w a n ia p o ś r e d n ie g o
n ie b ę d z ie a d r e s e le m e n t u t a b lic y p r z e c h o w y w a n y w r e je s t r z e
R4,
(tab. 1)
o p e r a n d e m instrukcji
a le w a r to ś ć w s k a z y w a n e g o e le m e n tu ta
b lic y . W s k a z a n ie n a s t ę p n e g o e le m e n t u t a b lic y m o ż liw e je s t p r z e z z w ię k s z e n ie w a r to ś c i o 1 z a w a r to ś c i reje s tru
R4.
O p e r a c j a t a k a n a z y w a n a je s t
: u m o ż liw ia ją c e w y k o n y w a n ie o p e r a c ji n a s to s ie , in s tru k c je w y w o ły w a n ia p r o c e d u r , in s tru k c je o b s łu g i p r z e r : wań i in s tru k c je w s p ie r a ją c e m a n ip u la c ję n a b ita c h .
operacją inkrementacji.
W-tab.
1
na następnej stronie
p r z e d s t a w io n o p r z y k ła d y k o d ó w m n e m o n ic z n y c h in s tru k c ji u n iw e r s a ln y c h
należących d o d w ó c h r ó ż n y c h , d o ś ć Is to tn ie r ó ż n ią c y c h s ię r o d z in m ik r o p r o c e s o r o w y c h . R o d z in a
MCS-51
last k la s y c z n ą r o d z in ą m ik r o p r o c e s o r ó w o ś m io b ito w y c h o a r c h it e k t u r z e h a r w a r d z k ie j, a le z lis tą r o z k a z ó w W ła ś c iw o ś ć tr y b u a d r e s o w a n ia , p o l e g a j ą c a n a a u t o m a t y c z n y m z w ię k s z e n iu w a r to ś c i a d r e s u ź r ó d ło w e g o lub d o c e lo w e g o p o w y k o n a n iu in s tru k c ji, n a z y w a n a je s t
autoinkrementacją.
A n a lo g ic z n ie , w ła ś c iw o ś ć trybu ad
r e s o w a n ia , p o l e g a j ą c a n a a u t o m a t y c z n y m Z m n ie js z a n iu w a r to ś c i a d r e s u ź r ó d ł o w e g o lu b d o c e lo w e g o po w y k o n a n iu in s tru k c ji, n a z y w a n a je s t
autodekrementacją.
. .
me s p e łn ia ją c ą z a s a d y o r t o g o n a ln o ś c i. Z k o le i r o d z in a
MSP
4 3 0 je s t p r z y k ła d e m r o d z in y p r o c e s o r ó w s z e s -
nastob itow ych o a r c h it e k t u r z e v o n N e u m a n n a z e z r e d u k o w a n ą lis tą r o z k a z ó w o r t o g o n a ln y c h . M im o is to t nych r ó ż n ic o b u r o d z in , u d e r z a z a d z iw ia ją c a d u ż a z b ie ż n o ś ć z a r ó w n o k o d ó w m n e m o n ic z n y c h in s tru k c ji, ja k tównież r e a liz o w a n y c h f u n k c ji. Z z a w a r to ś c i o b u list w y n ik a , ż e o b ie r o d z in y s ą p r z e z n a c z o n e g łó w n ie d o z a -
fa
285
Układy cyfrowe
głosowań u n iw e r s a ln y c h . N a le ż y je d n a k w y r a ź n ie p o d k r e ś lić , ż e lis ta in s tru k c ji, j a k k o lw ie k w a ż n a , n ie je s t j e
Tab. 1. P rzyk ład y w yb ranych instrukcfl dw ó ch rodzin procesorów ; M C S -51 i M S P 4 3 0
dynym k r y te r iu m o c e n y p o la p o t e n c ja ln y c h a p lik a c ji m ik r o k o m p u t e r ó w . Is to tn a je s t r ó w n ie ż a n a liz a d o s t ę p T y p in s tru k c ji
M C S -5 1
In s tru k c je
AD D
M SP430
T y p In s tru k c ji
M C S -5 1
a c h i w b u d o w a n y c h w s y s te m m o d u łó w u r z ą d z e ń w e jś c ia - w y jś c ia . M SP430
ADD
RR
ADC
RRC
RRC
ADDC
ADDC
SWAP
SWPB
IN C
CLR
XC H
SXT
DEC
CLRC
XCBD
a r y t m e ty c z n e
$ ta b . 2 n a p o p r z e d n i e j s t r o n i e p r z e d s ta w io n o p r z y k ła d y w y b r a n y c h in s tru k c ji z lis ty j e d n e g o z p r o c e s o r ó w
. RRA
¿yg nalo w ych n a le ż ą c y c h d o 3 2 - b it o w y c h p r o c e s o r ó w r o d z in y T M S 3 2 0 . P r o c e s o r te n r e a liz u je w s p o s ó b sprzętow y o p e r a c je m n o ż e n ia i a k u m u la c ji d a n y c h r ó ż n y c h ty p ó w , c o p o z w a la n a p r o s t ą i s z y b k ą im p te m e n lację a lg o r y t m ó w filtr ó w c y f r o w y c h i a n a liz w id m o w y c h . P o s ia d a t e ż r o z le g łą lis tę in s tru k c ji a r y t m e ty c z n y c h u m o żliw ia jąc ą s z y b k ą r e a liz a c ję o p e r a c ji z m ie n n o p o z y c y jn y c h .
CLRN DA
D EC
CLRZ
I n s t r u k c je s k o k ó w
AJM P
BR
CMP
b e zw a ru n k o w y c h
SJM P
JMP
DA DC
LJM P
DADD
JM P
4A 5.5
DEC
IN C SETBC
SUBB
G łów ne f a z y r e a l i z a c j i p r o g r a m u
DECD
In s t r u k c je s k o k ó w
JC
JC
IN C
w a ru n k o w y c h
JZ
JEQ
IN C D
JG E
SETC
JL
SETN
JN
Realizacja p r o g r a m u u ż y t k o w e g o p o l e g a n a s e k w e n c y jn y m w y k o n y w a n iu p r z e z m ik r o k o m p u t e r j e g o a lg o rytmu w p o s ta c i s e k w e n c ji in s tru k c ji k o d u m a s z y n o w e g o . * ' p ro g ra m je s t r e p r e z e n t o w a n y w m ik r o k o m p u t e r z e w p o s ta c i k o d u m a s z y n o w e g o .
SETZ
JN C
JN C
Kod m a s z y n o w y p r o g r a m u z a p is y w a n y je s t w p a m ię c i p r o g r a m u m ik r o k o m p u t e r a , s k ą d p o b ie r a n y je s t d o
SUB
JN Z
JN E
realizacji. S c h e m a t o g ó ln y s ie c i d z ia ła ń t y p o w e g o p r o g r a m u u ż y t k o w e g o m ik r o k o m p u t e r a p r z e d s ta w io n o n a
suse
CJNE
TST
DJNZ
D IV
rys. 1.
JB
Program y s k ła d a ją s ię z z a d a ń . S y s te m y m ik r o k o m
M UL In s t r u k c je lo g ic z n e
ANL
puterow e w y k o n u ją z a d a n ia z w ią z a n e z p r z e t w a r z a ■■
AN D
ANL
B IC
ORL
B IS
PO P
POP
niem in fo rm a c ji, w k tó r y c h c z a s r e a liz a c ji p r o g r a m u
n a s to s ie
PUSH
PU SH
nie m u si b y ć o k r e ś lo n y a p rio ri. K ró ts z y lu b d łu ż s z y
O b s tu g i p ro c e d u r
ACALL
CALL
czas r e a liz a c ji p r o g r a m u n ie je s t w t y m p r z y p a d k u
B IT
LCALL
IN V
RET
XRL
XO R
MOV
p r z e s u n ię c ia
In s t r u k c je o p e r a c ji
CPL CLR in s tr u k c je
Przykład realizacji prostego programu
.
istotny. O p r o g r a m a c h t a k ic h m ó w im y , ż e r e a liz u ją zadania,‘ k tó r e n ie s ą k r y ty c z n e c z a s o w o . Is tn ie ją j e d
RET
nak p r o g r a m y , w k tó r y c h p r z y n a jm n ie j c z ę ś ć z a d a ń jest k ry ty c z n a c z a s o w o . N a p r z y k ła d z a d a n ie m ta k im
D IN T
O b s łu g i p r z e r w a ń MOV
jest z a d a n ie o d c z y tu w y n ik u p r z e t w a r z a n ia p r z e t w o r
E IN T
nika a n a lo g o w o - c y f r o w e g o . J e ś li k o le jn e w y n ik i p r z e
RETI
RETI
twarzania p r z e tw o r n ik a p o ja w ia ją s ię w c h w ila c h c z a
NOP
NO P
MOVC
sowych o d le g ły c h o T s , to o d c z y ty ty c h w y n ik ó w p o
M OVX
In n e
winny b y ć r e a l iz o w a n e r ó w n ie ż w c h w ila c h c z a s o
RL
RLA
wych o d le g ły c h o Ts, b o w p r z e c iw n y m p r z y p a d k u
RLC
RLC
nastąpi u tr a ta c z ę ś c i w y n ik ó w .
Tab. 2. P rzy k ła d y w yb ranych instrukcji s p e cjalizo w a n ych ro d zin y p ro ce so ró w T M S 320
Typow ą p r a k t y k ą p r o g r a m is t y c z n ą je s t p o d z ie l e n i e z a d a ń s y s te m u n a z a d a n i a k r y t y c z n e i n i e k r y t y c z n e c z a s o w o . Z a d a n ia n ie k r y t y c z n e c z a s o w o r e a liz o w a n e s ą w tz w . p r o g r a m ie g łó w n y m , n a t o m ia s t z a d a n ia k r y
K o d m n e m o n ic z n y
T r e ś ć in s tru k c ji
T y p o w y o b s z a r z a s to s o w a ń
NORM
N o r m a liz u j z a w a r t o ś ć r e je s tru
a r y t m e ty k a z m ie n n o p r z e c in k o w a
SAT
O g r a n ic z e n i e z a w a r to ś c i r e je s tru
a r y t m e ty k a z m ie n n o p r z e c in k o w a
MAXL
S z u k a j m a k s im u m
a r y t m e ty k a z m ie n n o p r z e c in k o w a
MPYA
M n ó ż i d o d a j d o p o p r z e d n ie j
filtry c y fr o w e
tyczne c z a s o w o r e a liz o w a n e s ą p r z e z p r o c e d u r y o b s łu g i p r z e r w a ń .
in stru kcji. C z a s r e a liz a c ji p r o c e d u r o b s łu g i p r z e r w a ń p o w in ie n b y ć j a k n a jk r ó ts z y .
z a w a r to ś c i r e je s tru MPYS
M n ó ż i o d e jm ij o d p o p r z e d n ie j P ie r w ia s t k u j i d o d a j w y n ik d o p o p r z e d n ie j
a n a liz a w id m o w a
z a w a r to ś c i r e je s t r ó w P W R iT E
,
Z a p is z d o p a m ię c i p r o g r a m u
p o le g a n a r e a liz a c ji p r o g r a m u g łó w n e g o p r z e r y w a n e g o p r z e z p r z e r w a n ia
u ru c h a m ia ją c e p r o c e d u r y r e a liz a c ji z a d a ń k r y t y c z n y c h c z a s o w o . P ro g ra m g łó w n y r e a liz o w a n y je s t z w y k le w p o s ta c i n i e k o ń c z ą c e j s i ę p ę t l i p r o g r a m o w e j . J e ś li p r o g r a m
filtry c y fr o w e
z a w a r to ś c i r e je s tru SQRA
R e a liz a c ja p r o g r a m u u ż y t k o w e g o
s t e r o w a n ie a d a p t a c y jn e
głów ny z o s t a n ie z r e a liz o w a n y , to p r o g r a m g łó w n y p o w in ie n r e a liz o w a ć try b p r a c y ja ło w e j p o le g a ją c y n a re alizacji p r o c e d u r o c z e k iw a n ia n a p r z e r w a n ia . R o d z a j z a d a n ia r e a liz o w a n e g o p r z e z p r o g r a m g łó w n y n ie je s t tutaj isto tn y .
286
4i4 Układy cyfrowe
4.4 U kla d yc y frn ^
Zadania i przykłady:
287
Zadanie 3: Program inicjacji przerwań
U w a g a : W p r z y k ła d a c h z a d a ń p r o g r a m o w y c h z a m ie s z c z o n y c h p o n iż e j s t o s o w a n a b ę d z ie n o ta c ja zgoc)n a '
M ik ro k o m p u te ry s ą p r o je k t o w a n e w ta k i s p o s ó b , ż e b e z p o ś r e d n io p o w łą c z e n iu n a p ię c ia z a s ila n ia p r z e c h o
z ję z y k ie m a d r e s ó w s y m b o lic z n y c h r o d z in y m ik r o k o n t r o le r ó w M S P 4 3 0 fir m y T e x a s In s tru m e n ts .
dzą a u to m a ty c z n ie w try b in ic ja c ji (ro z d z . 4 .4 .4 .4 ) , w k tó ry m m ię d z y in n y m i n a s tę p u je
zablokowanie (zama
s k o w a n ie ) w s z y s tk ic h tz w . m a s k o w a ln y c h ź r ó d e ł p r z e r w a ń . Z w y k le z d e c y d o w a n a w ię k s z o ś ć p r z e r w a ń je s t n ia s k o w a ln a . D o g r u p y p r z e r w a ń n ie m a s k o w a ln y c h n a le ż ą p r z e r w a n ia o n a jw y ż s z y m p r io r y te c ie , k tó r y c h
Zadanie 1. Pętla nieskończona
z a m a s k o w a n ie g r o z iło b y t r w a ły m u n ie r u c h o m ie n ie m m ik r o k o m p u t e r a . N a le ż ą d o n ic h z w y k le p r z e r w a n ia
P ę tla n ie s k o ń c z o n a je s t p r o g r a m e m , k t ó r e g o t e o r e t y c z n y c z a s r e a liz a c ji je s t n ie s k o ń c z e n ie d łu g i, Pę(|a
w y w o ła n e p o ja w ie n ie m s ię lu b z a n ik ie m n a p ię c ia z a s ila n ia , p r z e r w a n ie w y w o ła n e
n ie s k o ń c z o n a je s t s t o s o w a n a s t o s u n k o w o c z ę s to d o r e a liz a c ji j a ło w e g o try b u p r a c y p r o c e s o r a w progra-
In ic ja c ji m ik r o k o m p u t e r a (a n g . r e s e t ) lu b p r z e r w a n ie u k ła d u c z u w a n ia ty p u w a t c h d o g .
m a c h r e a liz u ją c y c h z a d a n ia w
zewnętrznym sygnałem
c z a s ie r z e c z y w is ty m . W y jś c ie z p ę tli m o ż e b y ć r e a liz o w a n e w try b ie prze
rw a ń .
W a ru n k ie m w y k o n a n ia p r o g r a m u o b s łu g i m a s k o w a l n e g o p r z e r w a n ia j e s t u a k t y w n i e n i e
przerwań,
z w a n e r ó w n ie ż
odblokowaniem przerwań.
mechanizmu
U a k ty w n ie n ie m e c h a n iz m u p r z e r w a ń je s t n a o g ó l
dość z ło ż o n e i w y m a g a g łę b o k ie j I s z c z e g ó ło w e j w ie d z y w z a k r e s ie a r c h it e k t u r y w e w n ę t r z n e j s t o s o w a n e
Przykład 1: W p o n iż s z y m p r z y k ła d z ie z a s t o s o w a n o k la s y c z n ą p ę t lę n ie s k o ń c z o n ą z je d n ą
instrukcją jałową
go p r o c e s o r a . U a k ty w n ie n ie p r z e r w a ń je s t p r o c e s e m w ie lo s t o p n io w y m , p o n ie w a ż s y s te m b lo k a d y p r z e
(N O P )
la ń
In s tr u k c ja j a ło w a je s t in s tru k c ją , k tó r e j r e a liz a c ja n ie w p ły w a w ż a d e n s p o s ó b n a p r o c e s p r z e tw a r z a n ia in
je s t z w y k le w ie lo p o z io m o w y m
systemem hierarchicznym.
O b o w ią z u j e z a s a d ą , ż e b l o k a d a w y ż
szego p o z io m u b lo k u je w s z y s t k ie o d b lo k o w a n e p r z e r w a n ia n iż s z e g o p o z io m u .
f o r m a c ji. W y k o n a n ie in s tru k c ji ja ło w e j z w ią z a n e je s t j e d n a k z z a a n g a ż o w a n i e m c z a s u je d n o s tk i arytm e-'
rwań m a s k o w a ln y c h je s t c a łk o w ic ie n ie z a le ż n a o d ic h p r io r y te tó w .
ty c z n o - lo g ic z n e j.
H ie r a r c h ia b lo k a d p r z e
P r io r y te ty o d g r y w a ją r o lę n a p o z io m ie
arb itrażu , a le w y łą c z n ie o d b lo k o w a n y c h p r z e r w a ń . W t y m s e n s ie o d b lo k o w a n ie p r z e r w a ń je s t m e c h a n i R o z w ią z a n ie :
zm em
Loop
NOP JMP
Loop
selekcji przerwań, n a t o m ia s t p r z y d z ie la n ie stopnia ich ważności.
p r io r y te tó w (o i l e t a k a m o ż liw o ś ć is tn ie je ) je s t m e c h a
nizm em u s t a w ia n ia
; Instrukcja pusta (jałowa) ; Instrukcja skoku bezwarunkowego zamykająca pętlę
O d b lo k o w a n ie p r z e r w a ń p o z w a la n a p o t e n c ja ln e p r z e r w a n ie a k t u a ln ie w y k o n y w a n e g o z a d a n ia p r o g r a m o w e g o , o ile n ie je s t to z a d a n ie u r u c h o m io n e w s k u t e k w c z e ś n ie js z e g o w y s t ą p ie n ia p r z e r w a n ia o w y ż szym p r io r y te c ie .
Przykład 2: P ę tla n ie s k o ń c z o n a m o ż e b y ć z r e a liz o w a n a n a w ie le s p o s o b ó w . P r z y k ła d p ę tli z je d n ą in s tru k c ją p o d an o
Z a d a n ie p r o g r a m o w e m o ż e b y ć p r z e r w a n e ty lk o i w y łą c z n ie w p r z y p a d k u w y s t ą p ie n ia o d b lo k o w a n e
p o n iż e j.
go p r z e r w a n ia o w y ż s z y m p r io r y te c ie . R o z w ią z a n ie :
Loop
JMP
Loop
Z a d a n io m p r o g r a m o w y m
; Instrukcja skoku bezwarunkowego zamykająca pętlę
m o g ą b y ć z a te m
p r z y p o r z ą d k o w a n e p r io r y t e t y r ó w n o w a ż n e z p r io r y t e t a m i
p rz e rw a ń , k tó r e te z a d a n ia u r u c h a m ia ją . P ro g ra m g łó w n y je s t z a d a n ie m p r o g r a m o w y m , k t ó r e m u p r z y p o r z ą d k o w a n y je s t n a jn iż s z y p r io r y te t.
Zadanie 2: Program obsługi przerwania W m o m e n c ie w y s t ą p ie n ia p r z e r w a n ia n a s tę p u je z a w ie s z e n ie w y k o n y w a n ia p r o g r a m u g łó w n e g o i ro zp o - i
P ro g ra m g tó y v n y j e s t z a d a n i e m
c z ę c ie r e a liz a c ji p r o g r a m u
o b s łu g i p r z e r w a n ia . P o w y k o n a n iu p r o g r a m u o b s łu g i p r z e r w a n ia n a s tę p u je j
w y k o n y w a n iu z a k o ń c z e n ia p r o g r a m u in ic ja c ji. P r o g ra m in ic ja c ji z k o le i je s t p r o g r a m e m u r u c h a m ia n y m a u to -
k o n ty n u a c ja p r z e r w a n e g o p r o g r a m u g ł ó w n e g o . Z a k o ń c z e n i e k a ż d e g o p r o g r a m u o b s łu g i p r z e r w a n ia po-, i
m a iy c z n ie p o w y s tą p ie n iu j e d n e g o z p r z e r w a ń n ie m a s k o w a ln y c h , a w ię c p r z e r w a ń o n a jw y ż s z y m p rio ry te c ie .
w in n o b y ć w z w ią z k u z ty m o d p o w ie d n io s y g n a liz o w a n e .
'
p r o g r a m o w y m , k t o r e g o r e a l i z a c j a r o z p o c z y n a s ię b e z p o ś r e d n i o p o
i P ro g ra m in ic ja c ji je s t z a d a n ie m p r o g r a m o w y m , k t ó r e m u p r z y p o r z ą d k o w a n y je s t n a jw y ż s z y p rio r y te t. P ro g ra m in ic ja c ji r e a liz o w a n y je s t d w u t o r o w o : z a r ó w n o n a d r o d z e s p r z ę t o w e j, j a k i p r o g r a m o w e j. W m o
Przykład 3:
m e n c ie u r u c h o m ie n ia z a d a n ia in ic ja c ji p r o g r a m u p r o c e s o r w y k o n u j e w s p o s ó b a u t o m a t y c z n y s z e r e g ’
W p r o g r a m ie o b s łu g i p r z e r w a n ia n a le ż y w łą c z y ć a la r m d ź w ię k o w y . W łą c z e n i e a la r m u n a s tę p u je p o w y
c z y n n o ś c i w y n ik a ją c y c h z w e w n ę t r z n e g o ( k o n s t r u k c y jn e g o ) p r o g r a m u o b s łu g i t r y b u in ic ja c ji. U ż y tk o w n ik
p r o w a d z e n iu s ta n u l o g ic z n e g o 1 n a p o z y c ji b ito w e j 2 w y jś c ia c y f r o w e g o p o r tu n u m e r 3 m ik ro k o n tr o le r a .
nie m a w p ły w u n a z a k r e s ty c h c z y n n o ś c i. T a f a z a in ic ja c ji r e a liz o w a n a je s t a u to n o m ic z n ie . P o je j z a k o ń c z ę - j niu r o z p o c z y n a s ię in ic ja c ja p r o g r a m o w a , a w ię c s t e r o w a n a p r z e z u ż y t k o w n ik a . W te j f a z ie n a s tę p u je ini
R o z w ią z a n ie :
cjacja w y b r a n y c h re je s tró w , lo k a c ji r o b o c z y c h w p a m ię c i o p e r a c y jn e j, in ic ja c ja u k ła d ó w w e jś c ia -w y jś c ia ,
Alarm
BIS.B #B I T 2,&P30UT RETI
; Ustaw w stan logiczny 1 bit nr 2 portu nr 3 ; Zakończ program obsługi przerwania
in ic ja c ja p r o g r a m o w a l n y c h u k ła d ó w z e w n ę t r z n y c h , u s t a w ie n ie a d r e s ó w p r o g r a m ó w o b s łu g i p r z e r w a ń , o d b lo k o w a n ie p r z e r w a ń itp . N a le ż y u z n a ć , ż e s y m b o lic z n y m z a k o ń c z e n i e m te j f a z y je s t o d b lo k o w a n ie : s y s te m u p r z e r w a ń p r o c e s o r a n a n a jw y ż s z y m p o z io m ie .
O b ja ś n ie n ia :
B IS .B
-
je s t
s y m b o lic z n ą n a z w ą ( k o d e m m n e m o n ic z n y m ) in s tru k c ji u s t a w ia ją c e j w s ta n 1 w y
b r a n y b it lu b k o m b in a c ję b itó w ( a n g . B i t S e t ) ,
Przykład 4: W p r o g r a m ie in ic ja c ji n a le ż y z a b l o k o w a ć m o ż liw o ś ć p r z e r w a n ia p r o g r a m u p r z e z w b u d o w a n y w p r o c e s o r
s y m b o lic z n ą n a z w ą p o z y c ji b ito w e j n u m e r 2 w d o w o ln y m r e je s trz e ,
# B IT 2
-
je s t
& P30U T
-
je s t s y m b o lic z n ą
n a z w ą r e je s tru w y jś c io w e g o p o r tu n r 3 ,
pulsy z e g a r a s y s t e m o w e g o . P r z e p e łn ie n ie lic z n ik a u k ła d u w y w o łu je z w y k le p o w s t a n ie n i e m a s k o w a ln e g o
RETI
-
je s t s y m b o lic z n ą n a z w ą in s tru k c ji z a k o ń c z e n i a p r o g r a m u o b s łu g i p r z e r w a ń .
p rz e r w a n ia o n a jw y ż s z y m p r io r y te c ie . W w y n ik u w y s t ą p ie n ia t e g o p r z e r w a n ia r e a liz o w a n y je s t p r o g r a m
układ n a d z o r u t y p u w a tc h d o g .
U k ta d n a d z o r u t y p u w a t c h d o g je s t u k ła d e m lic z n ik o w y m z lic z a ją c y m im
4,4 Układy cyfrowe
288
289
p r z y k ła d 6 :
o b s tu g i p r z e r w a n ia i d e n t y c z n y z p r o g r a m e m w y k o n y w a n y m w c h w ili p o ja w ie n ia s ię n a p ię c ia zasila jąc e g o . In n y m i s tó w y , w m o m e n c i e p o ja w ie n ia s ię p r z e r w a n ia g e n e r o w a n e g o p r z e z u k ta d w a t c h d o g n a s tę p u}
p rz e rw a n ia r e a liz o w a n e s ą p r z e z p r o g r a m y o b s łu g i p r z e r w a ń u l o k o w a n e w p a m ię c i p r o g r a m u . M e c h a
j e r o z p o c z ę c ie r e a liz a c ji p r o g r a m u o d p o c z ą t k u .
nizm u r u c h o m ie n ia p r o g r a m u o b s łu g i p r z e r w a ń je s t t a k s k o n s t r u o w a n y , ż e w m o m e n c ie j e g o w y s t ą p ie n ia
P r z e r w a n ia g e n e r o w a n e p r z e z u k ła d w a t c h d o g n ie w y s t ą p ią , je ś li w d o w o ln e j c h w ili, a le p r z e d k a ż d y m '
u ż y tk o w n ik a je s t p r z y p o r z ą d k o w a n ie p r z e r w a n io m o d p o w ie d n ic h p r o g r a m ó w ic h o b s tu g i. P r z y p o r z ą d k o
w y s t ą p ie n ie m p r z e p e łn ie n ia lic z n ik a , z o s t a n ie w y k o n a n y r o z k a z z e r u ją c y je g o s ta ń lu b g d y z o s ta n ie wy
w anie to je s t z w y k le s f o r m a liz o w a n y m p r o c e s e m w ła ś c iw y m d a n e j k o n s tr u k c ji p r o c e s o r a . T y p o w y s p o s ó b
k o n a n a in s t r u k c ja b lo k u ją c a m o ż liw o ś ć z lic z a n ia i m p u ls ó w p r z e z u k ia d . W p r z y k ła d z ie w y k o r z y s ta n y faę-7
k o ja rz e n ia p r z e r w a ń i p r o g r a m ó w ic h o b s łu g i p o l e g a n a tz w . w e k t o r y z a c j i p r z e r w a ń . W e k t o r y z a c ja p r z e
d z ie t e n d r u g i s p o s ó b .
l a ń p o le g a n a t y m , ż e w ś c iś le o k r e ś lo n y m m ie js c u p a m ię c i p r o g r a m u w y d z ie la n y je s t o b s z a r , w k tó ry m
n a s tę p u je r e a liz a c ja s k o k u z a d r e s o w a n ie m
p o ś r e d n im
d o a d r e s u p r o g r a m u j e g o o b s łu g i. Z a d a n ie m
u m ie s z c z a n e s ą a d r e s y p r o g r a m ó w o b s łu g i p r z e r w a ń . O b s z a r te n n a z y w a n y je s t o b s z a r e m w e k t o r ó w U k ła d w a t c h d o g w y k o r z y s t y w a n y je s t w p r o g r a m a c h c z a s u r z e c z y w is te g o d o n a d z o r u c z a s u w y k o n a n ia ’1-
p r z e r w a ń . K a ż d a lo k a c ja o b s z a r u w e k t o r a p r z e r w a ń je s t p r z y p o r z ą d k o w a n a In n e m u p r z e r w a n iu . Z p u n k
wów-'<
tu w id z e n ia p r o c e s o r a o b s z a r t e n je s t m a p ą a d r e s o w ą p r o g r a m ó w o b s tu g i p r z e r w a ń . P r z y k ła d o b s z a r u
je g o z a d a ń . J e ś li z ja k ic h k o lw ie k p o w o d ó w z a d a n ie b ę d z ie r e a liz o w a n e z b y t d łu g o , t o z o s t a n ie o n o c z a s a u t o m a t y c z n ie p r z e r w a n e .
, .
Tab. 1. Przykład obszaru w ekto ró w przerw ań
R o z w ią z a n ie :
Watchdog
MOV
#WDTPW+WDTHOLD,&WDTCTL
; Zablokuj funkcję odmierzania ; czasu przez układ watchdog
O b ja ś n ie n ia :
- je s t s y m b o lic z n ą n a z w ą in s tru k c ji k o p iu ją c e j w a r to ś ć a r g u m e n tu n r 1 ( ź r ó d ła inform acji)
MOV
d o a r g u m e n t u n r 2 ( p r z e z n a c z e n ia in fo r m a c ji) ( a n g . M o v e ) , - je s t s y m b o lic z n ą n a z w ą k o d u d o s t ę p u (h a s ta ) u k ła d u w a t c h d o g (a n g . W a t c h d o g
#W DTPW
w e k to ró w p r z e r w a ń d la je d n e g o z p r o c e s o r ó w r o d z in y M S P 4 3 0 p r z e d s ta w io n o w t a b . 1 .
y,
T im e r P a s s w o r d ) ,
W DTHOLD
- je s t s y m b o lic z n ą n a z w ą p o z y c ji b ito w e j w r e je s t r z e s t a n u i s t e r o w a n ia u k ła d u w a t c h d o g
&W DTCTL
- je s t s y m b o lic z n ą n a z w ą r e je s tru s ta n u i s t e r o w a n ia u k ła d u w a t c h d o g .
b lo k u ją c e j fu n k c ję z lic z a n ia im p u ls ó w z e g a r o w y c h , y
P r z y k ła d 5: W p r o g r a m ie in ic ja c ji n a l e ż y o d b lo k o w a ć p r z e r w a n ie g e n e r o w a n e p r z e z u k r y ty s ty k z w ie m y s y s te m u aiar-jte m o w e g o . P o w łą c z e n iu s ty k u n a s t ę p u je w p r o w a d z e n i e s t a n u l o g ic z n e g o 0 n a p o z y c ji b ito w e j 2 w e jś c la j c y f r o w e g o p o r tu n u m e r 1 m ik r o k o n t r o le r a .
A d re s
Ź r ó d ło p r z e r w a n ia
OFFEOh
re ze rw a
0FF E 2h
p o rt n r 2
0FF E 4h
p o r t n r 1 t ra n s m is ji s z e r e g o w e j
( n a d a w a n ie )
0FF E 6h
p o r t n r 1 t ra n s m is ji s z e r e g o w e j
(o d b ió r )
0FF E 8h
p o rt n r 1
O FFEA h
u k ia d z lic z a ją c o - c z a s o w y A1
O FFEC h
u k ia d z lic z a ją c o - c z a s o w y AO
O FFEE h
p r z e t w o r n ik a n a lo g o w o - c y f r o w y
OFFFOh
p o r t n r 0 t ra n s m is ji s z e r e g o w e j ( n a d a w a n ie )
0FFF2h
p o r t n r 0 tra n s m is ji s z e r e g o w e j
0FFF4h
u k ia d n a d z o r u ( w a t c h d o g )
0FFF6h
k o m p a r a to r
0FFF8h
u k ia d z lic z a ją c o - c z a s o w y B1
OFFFAh
u k ia d z lic z a ją c o - c z a s o w y BO
O FFFC h
o s c y la t o r z e g a r o w y
O FFFE b
s y g n a i p o w s t a n ia n a p ię c ia z a s ila n ia , s y g n a i z e w n ę t r z n e g o r e s ta r tu p r o g r a m u
Przykład 7: R o z w ią z a n ie :
Inicjacja
'
W p r o g r a m ie in ic ja c ji n a le ż y z d e f in io w a ć a d r e s p r o g r a m u o b s łu g i p r z e r w a n ia
BIC.B BIC.B BIS.B
BIS.B
(o d b ió r )
#BIT2,&P1SEL #BIT2,&P1DIR #BIT2,&P1IES
#BIT2,SP1IE EINT
Ustaw w tryb wejścia-wyjścia bit 2 portu nr 1‘ Ustaw bit 2 portu nr 1 w tryb pracy wejściowej'.'.. Odblokuj przerwanie wywołane zboczem opadającym'! impulsu na wejściu nr 2 portu nr 1 (poziom 0) Odblokuj przerwania wywołane zdarzeniem na wejściu nr 2 portu nr 1 (poziom 1) ; Odblokuj system przerwań procesora (poziom 2) ,
ty styk z w ie m y
gi te g o p r z e r w a n ia je s t A la r m . S y m b o lic z n y m a d r e s e m p r o g r a m u in ic ja c ji je s t R e s e t.
DW DW DW DW DW DW DW DW DW DW DW DW DW DW DW DW
O b ja ś n ie n ia :
B IC .B
- je s t s y m b o lic z n ą n a z w ą ( k o d e m m n e m o n ic z n y m ) in s tru k c ji k a s u ją c e j w y b r a n y b it lu b
B IS .B
- je s t s y m b o lic z n ą n a z w ą ( k o d e m m n e m o n ic z n y m ) in s tru k c ji u s t a w ia ją c e j w s ta n lo g ic z n y 1
# B IT 2
- je s t s y m b o lic z n ą n a z w ą p o z y c ji b ito w e j n u m e r 2 w d o w o ln y m r e je s trz e ,
g e n e r o w a n e g o p rz e z u k ry
s y s te m u a la r m o w e g o d o łą c z o n y d o p o r t u n r 1. S y m b o lic z n y m a d r e s e m p r o g r a m u o b s łu
k o m b in a c ję b itó w ( a n g . B i t C l e a r ) , w y b r a n y b it lu b k o m b in a c ję b itó w ( a n g . B i t S e t ) , &P1 S E L
- je s t s y m b o lic z n ą n a z w ą r e je s tr u w y b o r u tr y b u p r a c y p o r tu n r 1,
& P 1 D IR
- je s t s y m b o lic z n ą n a z w ą r e je s tru w y b o r u k ie r u n k u p r a c y (w e jś c ie lu b w y jś c ie ) p o r tu n r 1,
& P 1 IE S
- je s t s y m b o lic z n ą n a z w ą r e je s tr u w y b o r u r o d z a ju z d a r z e n ia p r z e r w a n ia p o c h o d z ą c e g o
& P 1 IE
■- je s t s y m b o lic z n ą n a z w ą r e je s tr u w y b o r u p r z e r w a ń g e n e r o w a n y c h p r z e z p o r tu n r 1,
Objaśnienia:
E IN T
- je s t s y m b o lic z n ą n a z w ą in s tru k c ji o d b lo k o w a n ia p r z e r w a ń p r o c e s o r a .
DW -
z p o r tu n r 1,
Reset Reset Reset Reset Reset Alarm Reset Reset Reset Reset Reset Reset Reset Reset Reset Reset
je s t s y m b o le m s ło w a (2 b a jty ) w p a m ię c i.
Start programu Start programu Start programu Start programu Start programu Program obsługi Start programu Start programu Start programu Start programu Start programu Start programu Start programu Start programu Start programu Start programu
4.4 Układy cyfrrnVo
290
:
Przykład 8: Program obsługi alarmu samochodowego
H4 Układy
cyfrowe_______________________________________________________
j
i J Z a p r o je k t o w a n o p ro s ty , a la r m s a m o c h o d o w y s k ła d a ją c y s ię z e s ty k u z w ie r n e g o u r u c h a m ia n e g o p o otworze.'»! ' | t nlu d r z w i s a m o c h o d u o d s tro n y k ie ro w c y , s y r e n y a la r m o w e j i s y s te m u m ik r o k o m p u t e r o w e g o z procesorem ; ? ro d z in y M S P 4 3 0 . P r z e w id z ia n o m o ż liw o ś ć s t o p n io w e g o r o z b u d o w a n ia fu n k c ji u k ła d u a la r m u w przyszłość) i ' t P rz y ję to d a le j, ż e a la r m s a m o c h o d o w y m a b y ć o b s łu g iw a n y w try b ie p r z e r w a ń . S ty k z w ie m y a la rm u p o łą c z o -i 1 f n o z w e jś c ie m n r 2 c y fr o w e g o p o rtu n u m e r 1 m ik ro k o n tr o le r a . U k ła d s te r o w a n ia s y r e n y a la r m o w e j jest pobu- ■ < d z a n y p r z e z s ta n lo g ic z n y w y jś c ia n r 2 p o r tu c y fr o w e g o n r 3 . P o z a n ik u s y g n a łu o tw a rc ia d rz w i s y g n a ł alar--
DW DW DW DW DW
Reset Reset Reset Reset Reset
END
Main
291
; Start programu ; Start programu ; Start programu ; Start programu Start programu
i m o w y m a b y ć c ią g le a k ty w n y , s y g n a liz u ją c w te n s p o s ó b p r ó b ę d o k o n a n ia w ła m a n ia .
: R o zw iązan ie:
Oznaczenia:
j P r z y k ła d p r o g r a m u p o d a n o p o n iż e j. P r o g r a m w y m a g a u z u p e łn ie n ia o d y r e k ty w y s t e r u ją c e p r a c ą aseią-if ’ b le r a . W s z c z e g ó ln o ś c i p r o g r a m z o s t a ł u z u p e łn io n y o p lik d e fin ic ji s y m b o li s t a n d a r d o w y c h , w s k a z a n ia , a d r e s u p ie r w s z e j in s tru k c ji p r o g r a m u w p r z e s t r z e n i a d r e s o w e j, w s k a z a n i e o b s z a r u w e k t o r ó w przerw ań*! .
j
;‘j
I w s k a z a n ie k o ń c a p r o g r a m u .
#in c lu d e
- d y r e k t y w a a s e m b le r a p o z w a l a ją c a n a d o ł ą c z e n ie d o p r o g r a m u d o d a t k o w e g o p lik u ,
m s p 430 x 14 x . h "
- n a z w a p lik u d e f in iu ją c e g o s y m b o le i n a z w y s t a n d a r d o w e ,
ORG 0 1 1 0 0 H
- d y r e k t y w a a s e m b le r a u s t a la ją c a a d r e s b e z w z g l ę d n y p ie r w s z e j in s tru k c ji
fłS EG I N T V E C
- d y r e k ty w a a s e m b le r a w s k a z u ją c a a d r e s p o c z ą t k u o b s z a r u w e k t o r ó w p r z e r w a ń ,
END M a in
- d y r e k ty w a a s e m b le r a w s k a z u j ą c a k o n ie c p r o g r a m u ,
w p a m ię c i p r o g r a m u ,
• ! Tabulogram prostego programu obsługi alarmu samochodowego
#include iMain
"msp430xl4x.h" ORG
01100H
; ; ; ;
- d y r e k ty w a a s e m b le r a ,
Dołącz plik definicji symboli standardowych Wskaż adres początku programu w pamięci programu
- f a z a in ic ja c ji, - p r o g r a m g łó w n y , - p r o g r a m o b s łu g i p r z e r w a n ia .
Reset :Inicjacja
MOV #WDTPW+WDTHOLD,&WDTCTL ; Zatrzymaj układ nadzoru (w a tc h d o g ) BIC.B
# B I T 2 ,&P1SEL
BIC.B
#BIT2,&P1 DIR
BIS.B
#BIT2 ,& P 1IES
BIS.B
# B I T 2 ,&P1IE
EINT
Ustaw w tryb wejścia-wyjścia bit 2 portu nr 1 Ustaw bit 2 portu nr 1 w tryb pracy wejściowej Odblokuj przerwanie wywołane zboczem opadającym impulsu na wejściu nr 2 portu nr 1 Odblokuj przerwania wywołane zdarzeniem na wejściu nr 2 portu nr 1 Odblokuj system przerwań procesora
4.4.6 Współpraca mikrokomputera z urządzeniami zewnętrznymi W sp ó łp raca m ik r o k o m p u t e r a z u r z ą d z e n ia m i z e w n ę t r z n y m i p o l e g a n a w z a je m n y m
u d o s tę p n ia n iu ( w y m ia
nadajnikiem (serwerem) danych, n a t o m ia s t odbiornikiem (klientem) danych. T o s a m o u r z ą d z e n ie m o ż e
nie) d a n y c h . U r z ą d z e n ie u d o s t ę p n ia ją c e d a n e n a z y w a n e je s t urządzenie p o b ie r a ją c e d a n e n a z y w a n e je s t
pełnić ro lę z a r ó w r jo u r z ą d z e n ia n a d a w c z e g o , j a k i o d b io r c z e g o . N a d a w a n ie I o d b ió r in fo rm a c ji b ę d z ie m y n a z y w a li
komunikacją.
Jeśli u r z ą d z e n ie m a z d o ln o ś ć d o n a d a w a n ia i o d b io r u d a n y c h , t o m ó w im y , ż e je s t z d o l n e d o ,
i
Loop
JMP
Loop
Alarm
BIS.B-
# B I T 2 ,&P3GUT
; Wykonuj niekończącą się pętlę programowy
RETI
Ustaw w stan logiczny 1 bit nr 2 portu nr 3 Zakończ procedurę przerwań ;
INTVEC DW DW DW DW DW DW DW DW DW DW DW
Wskaż adres obszaru wektorów przerwań Start programu Start programu Start programu Start programu Start programu Program obsługi przerwania Start programu Start programu Start programu Start programu Start programu
komunika
cji dwukierunkowej. Jeśli u r z ą d z e n ie m o ż e p e łn ić fu n k c ję ty lk o i w y łą c z n ie n a d a jn ik a lu b w y łą c z n ie o d b io r n ik a in fo r m a c ji, to o z n a c z a , ż e je s t u r z ą d z e n ie m z d o ln y m d o
komunikacji jednokierunkowej.
Na p r z y k ła d d o u r z ą d z e ń o k o m u n ik a c ji je d n o k ie r u n k o w e j z a lic z y ć m o ż n a : m o n ito r e k r a n o w y , k la w ia tu r ę ,
■RSEG ;
Reset Reset Reset Reset Reset Alarm Reset Reset Reset Reset Reset
m an ip u la to r d r ą ż k o w y c z y u k ła d w y ś w ie t la n ia s t a n ó w l o g ic z n y c h , n a t o m ia s t d o u r z ą d z e ń o k o m u n ik a c ji d w u k ie ru n k o w e j z a lic z y ć m o ż n a : d r u k a r k i, m o n ito r y z p a n e le m d o t y k o w y m , u k ła d y p a m ię c i m a s o w y c h , z e gary c z a s u r z e c z y w is te g o itp. Jeśli u r z ą d z e n ie je s t z d o ln e d o n a d a w a n ia i o d b io r u in fo r m a c ji w k a ż d e j c h w ili c z a s o w e j, to m ó w im y , ż e je s t zdolne d o
dwukierunkowej komunikacji jednoczesnej.
J e ś li u r z ą d z e n ie m o ż e w d o w o ln e j c h w ili c z a s o w e j
pełnić w y łą c z n ie fu n k c ję a lb o n a d a jn ik a , a lb o o d b io r n ik a In fo r m a c ji, t o m ó w im y , ż e u r z ą d z e n ie je s t z d o ln e
do dwukierunkowej komunikacji naprzemiennej. Komunikacja może być realizowana w trybie transmisji szeregowej, równoległej lub szeregowo-równole- » 9tej.
,
:
292
i± H y f d y ę y f r o We
a 4 Układy cyfrowe
293
T r y b t ra n s m is ji z w ią z a n y je s t z e s p o s o b e m w y p r o w a d z a n ia in fo r m a c ji. J e ś li c a la in fo r m a c ja w y p ro w a d z a je s t j e d n o c z e ś n ie , to m a m y d o c z y n ie n ia z
transmisją równoległą.
J e ś li in fo r m a c ja p r z e d w y s ta n ie m
n ie p o d z ie lo n a n a e le m e n t y p ie r w o t n e in fo rm a c ji (b ity ), to w ó w c z a s m a m y d o c z y n ie n ia z
gową.
re z y s to ry p o la ry z u ją c e
to p o lo g ia : m a g is tra la
transmisją szer*"
m ik ro k o n tr o le r A
Vcc
p a m ię ć EEPROM
J e ś li in fo r m a c ja p r z e d w y s t a n ie m z o s t a n ie p o d z ie lo n a n a w ię k s z e f r a g m e n t y o w a r to ś c i info rm ac vin '
w ię k s z e j n iż 1 b it (n p . b a jt y ), t o b ę d z ie o n a p r z e s y ła n a w tr y b ie
transmisji szeregowo-równolegtejj.
i
* SCL
R e a liz a c ja t e c h n ic z n a tra n s m is ji s z e r e g o w e j w y m a g a p r z e s y ła n ia in fo rm a c ji w c z a s ie r z e c z y w is ty m w trybie bit p o b ic ie . J e ś li o d s tę p c z a s o w y p o m i ę d z y tra n s fe r a m i k o le jn y c h b itó w in fo rm a c ji je s t id e n ty c z n y , to m ó w im y że
transmisja
je s t
izochroniczna.
W p r z e c iw n y m p r z y p a d k u m ó w im y o
transmisji anizochronicznej.
urządzenie nad rzę dn e (m aste r)
5CL ,
T
przepływnością binarną
'
M iarą ||02..
S z c z e g ó ln y m p r z y p a d k ie m tr a n s m is ji iz o c h r o n ic z n e j je s t
transmisja synchroniczna.
ir i k
■>' k
•
transmls||
u rz ą d z e n ie p o d rz ę d n e
i n fo r m a c ja p o d le g a f r a g m e n t y z a c ji. K a ż d y z je ] f r a g m e n t ó w t r a n s m it o w a n y je s t izochro
u rz ą d z e n ie p o d rz ę d n e
1
n ic z n ie , n a t o m ia s t k o le jn e f r a g m e n t y t r a n s f e r o w a n e s ą w t r y b ie a n iz o c h r o n ic z n y r h . T y p o w a fra g m e n ty z a c ja
2
u rz ą d z e n ie p o d rz ę d n e
4
>
'
;k k SCL
'
i
ze ga r czasu rz e c z y w is te g o
W tra n s m is ji synchro
n ic z n e j iz o c h r o n ic z n ie t r a n s f e r o w a n e s ą w s z y s t k ie b ity w s z y s t k ic h p r z e s y ła n y c h in fo r m a c ji. W
asynchronicznej
'
i w y r a ż a n a je s t w je d n o s t k a c h [b /s ].
4
ik k
i.
'
k
SDA
b o w ą p r ę d k o ś c i p r z e p ły w u in fo rm a c ji je s t lic z b a b itó w t r a n s m it o w a n y c h w je d n o s t k o w y m o d c in k u c z a s u . Prę^ k o ś ć p r z e p ły w u in fo rm a c ji n a z y w a m y
.. i
m ik ro k o n tr o le r B
r SDA i i ......... >
k
1
’
’I '
p rz e tw o rn ik T . a n a lo g o w o -c y fro w y
w y ś w ie tla c z LCD
R y s . 2 . P r z y k ła d r e a liz a c ji d w u p r o c e s o r o w e g o u k ła d u s t e r o w a n ia z m a g is t r a lą IIC
’
in fo rm a c ji p r z e z n a c z o n e j d o k o m u n ik a c ji p o l e g a n a je j p o d z ia le n a e l e m e n t y o ś m io b ito w e z w a n e znakami m o ż liw y je s t tr y b p ra c y z w ie lo m a u rz ą d z e n ia m i n a d rz ę d n y m i (m u ltim a s te r)
( r o z d z . 4 .4 ,2 .2 ) . W y m ia n a in fo rm a c ji p o m ię d z y u r z ą d z e n ia m i w y m a g a u s t a le n ia
statusu komunikacyjnego
t y c h urządzeń.
Rys. 1 . S c h e m a t m a g is t r a li IIC
k o n ie c a rb itra ż u
S ta tu s k o m u n ik a c y jn y z w ią z a n y je s t z u p r a w n ie n ia m i d o p r o w a d z e n i a k o m u n ik a c ji. U r z ą d z e n ia , k tó re mają p r a w o d o i n ic jo w a n ia , k o n t r o l o w a n ia i n a d z o r u k o m u n ik a c ji, n a z y w a n e s ą
SDA n a d a jn ik 1
urządzeniam i nadrzędnymi.
U r z ą d z e n ia , k tó r e s ą u r z ą d z e n ia m i p a s y w n y m i k o m u n ik a c y jn ie , a w ię c u r z ą d z e n ia m i z d o ln y m i d o kom un ika cji ty lk o i w y łą c z n ie n a ż ą d a n ie u r z ą d z e ń n a d r z ę d n y c h , n a z y w a n e s ą
urządzeniami podporządkowanymi.
praw o s t e r o w a n ia lin ią t a k t u ją c ą p r z e s y ła n ie in fo r
\
/ ~ V
.
/~
SDA n a d a jn ik
macji (S C L ) m a z a w s z e k o m u n ik a c y jn a je d n o s t k a W y m ia n a in fo r m a c ji p o m i ę d z y u r z ą d z e n ia m i o z d o l n o ś c ia c h k o m u n ik a c y jn y c h o d b y w a s ię z a p o ś re d n ic tw e m
magistrali komunikacyjnej.
W n a jp r o s t s z y m p r z y p a d k u m a g is t r a la k o m u n ik a c y jn a m o ż e b y ć pasyw
n y m z b io r e m p r z e w o d ó w e le k t r y c z n y c h . M a g is tr a la je s t o s ią k o m u n ik a c y jn ą ł ą c z ą c ą w s z y s tk ie urząd ze n ia
n a d rz ę d n a . L in ia p r z e s y łu d a n y c h je s t lin ią o d z ie lo nym d o s t ę p ie p o m i ę d z y w s z y s t k im i u r z ą d z e n ia m i
SDA
biorącym i u d z ia ł w k o m u n ik a c ji.
k o m u n ik a c y jn e , b ę d ą c je d n o c z e ś n i e ic h d o b r e m w s p ó ln y m . A b y z a p o b ie c m o ż liw o ś c i p o w s t a n ia chaosu SCL
k o m u n ik a c y jn e g o , u s t a la n e s ą p e w n e r y g o r y s ty c z n ie p r z e s t r z e g a n e p r a w a d o s t ę p u d o m a g is tra li o r a z zasa
W p r z y p a d k u w s p ó łp r a c y d w ó c h ( r y s . 2 ) lu b w ię k
d y w y m ia n y in fo rm a c ji i r o z s t r z y g a n ia p o t e n c ja ln y c h k o n flik t ó w w d o s tę p ie d o m a g is tra li. Z e s p ó l regulacji
szej lic z b y u r z ą d z e ń n a d r z ę d n y c h m a g is t r a la u d o
d o t y c z ą c y c h z a s a d w y m ia n y i d o s t ę p u d o m a g is tr a li n o s i n a z w ę
protokofu komunikacyjnego.
stęp n ia n a je s t ty lk o i w y łą c z n ie je d n e m u z t y c h u r z ą
R y s . 3 . P r z y k ła d a r b it r a ż u : u r z ą d z e n ie n r 1 p r z e g r y w a d o s t ę p d o m a g is t r a li w t a k c ie z e g a r o w y m n r 3
dzeń . M a g is tr a la m o ż e b y ć p r z e k a z a n a in n e m u S ie ć k o m u n ik a c y jn ą t w o r z ą u r z ą d z e n ia k o m u n ik a c y jn e z d o l n e d o w y m ia n y in fo rm a c ji z g o d n ie ż protoko-śj te m k o m u n ik a c y jn y m .
; vij
z u r z ą d z e ń n a d r z ę d n y c h ty lk o w ó w c z a s , g d y z o s t a nie z w o ln io n a p r z e z p o p r z e d n i e u r z ą d z e n i e n a d r z ę d n e . J e ś li d o s t ę p u d o m a g i s t r a l i w t e j s a m e j
sterow n a z w ę inter
Ś r o d k i t e c h n ic z n e u m o ż liw ia ją c e d o ł ą c z e n ie u r z ą d z e n ia d o m a g is tr a li k o m u n ik a c y jn e j n o s z ą n a z w ę
chwili c z a s o w e j ż ą d a ją c o n a jm n ie j d w a u r z ą d z e n ia
ników ( a n g . d r i v e r ) . Ś r o d k i fejsu komunikacyjnego.
w p r o c e s ie a r b i t r a ż u
t e c h n ic z n e w s p ie r a ją c e o b s łu g ę p r o t o k o łu k o m u n ik a c y jn e g o n o s z ą
( r y s . 3 ) . A r b it r a ż p o l e g a n a
SDA, o d ł ą c z a s ię a u t o m a t y c z n ie z m a g is tr a li w ó w czas, g d y s tw ie r d z i s ię n a te j linii s ta n n is k i ( d o m in u
P ro to k ó ł
IIC (l2C)
j e s t s t a n d a r d o w y m , a n iz o c h r o n ic z n y m , d w u k ie r u n k o w y m , n a p r z e m ie n n y m s z e re g o -
SCL
j
i 1
^
...
n a d a jn ik
rzędne.
X /
! S
SDA o d b io r n ik
jący), w p r o w a d z o n y n p . p r z e z in n e u r z ą d z e n ie n a d
; w y m p r o t o k o łe m k o m u n i k a c y j n y m p r z e z n a c z o n y m d o k o m u n ik a c ji p o m i ę d z y s y s te m a m i m ik r o k o m p u t e - j i r o w y m i i u r z ą d z e n ia m i z e w n ę t r z n y m i.
^
n a d rz ę d n e , to o s t a t e c z n y d o s t ę p je s t r o z s t r z y g a n y iym, ż e u r z ą d z e n ie , k t ó r e w y s y ła s ta n w y s o k i n a linii
Komunikacja szeregowa (liC)
c ;n a n a d a jn ik
s ta rt
\
/ l \
/
2 \
j I i i
AM / \ \ / p o tw ie rd z e n ie
) Dane s ą p r z e s y ła n e w p o r c ja c h p o 8 b itó w . P o z a
R y s . 4 . S c h e m a t t r a n s f e r u d a n y c h m a g is t r a lą IIC
P r o to k ó ł z o s t a ł o p r a c o w a n y d o r e a liz a c ji z a d a ń k o m u n ik a c ji lo k a in e j ( z a s ię g d o 1 m ) z u m ia r k o w a n ą prędko
k o ń c z e n iu p r z e s y ła n i a k a ż d e j p o r c ji d a n y c h u r z ą
ś c ią t ra n s m is ji (d o 4 0 0 k b /s ) w tr y b ie z w ie l o m a je d n o s t k a m i n a d r z ę d n y m i ( a n g . m u l t i - m a s t e r ) . M a g is tr a la ko
d zen ie n a d r z ę d n e g e n e r u je d o d a t k o w y im p u ls z e g a r o w y S C L . U r z ą d z e n ie p o d p o r z ą d k o w a n e p o t w ie r d z a
m u n ik a c y jn a IIC je s t m a g is t r a lą d w u p r z e w o d o w ą z ł o ż o n ą z linii S C L s łu ż ą c e j d o tra n s m is ji s y g n a iu taktują c e g o p r o c e s p r z e s y ła n ia d a n y c h p o linii S D A
(rys.
1
na następnej stronie).
o d b ió r d a n y c h p r z e z u s t a w ie n ie s y g n a iu n is k ie g o n a lin ię S D A w c z a s ie tr w a n ia s ta n u w y s o k ie g o im p u ls u z e g a ro w e g o ( r y s . 4 ) . K a żd e u r z ą d z e n ie k o m u n ik a c y jn e m a p r z y p o r z ą d k o w a n y u n ik a ln y a d r e s z w a n y r ó w n ie ż id e n t y f ik a t o r e m . W p r z y p a d k u p r o t o k o łu IIC p r z y p o r z ą d k o w a n i e id e n t y f ik a t o r ó w a d r e s o w y c h je s t d o k o n y w a n e w s p o s ó b s p rz ę to w y ( t a b . 1 n a n a s t ę p n e j s t r o n i e ) .
4.4 Układy cvtrn„„
294
Tab. 1. P rzyk ład y standa rd ow yc h identyfikatorów ad res ow yc h protokołu
IIC
~~~
L.p.
10h
s y n te t y z a t o r g ło s u
11 h
u k ła d t e le te k s tu o ś m io k r o t n y 6 - b it o w y p r z e t w o r n ik c y f r o w o -a n a lo g o w y
24h
g e n e r a t o r t o n ó w d o te le fo n ii c y f r o w e j D T M F
38h
s t e r o w n ik w y ś w ie t la c z a L E D
• . 3D h
s t e r o w n ik w y ś w ie t la c z a L C D
.
1
'
20h
Zasada P ro to k ó ł S P I d e fin iu je m a g is tra lę tró jp r z e w o d o w ą p r z e z n a c z o n ą d o s y n c h ro n ic z n e j tra n sm is ji s z e r e g o w e j in fo rm ac ji z ło ż o n ą z linii S C L K s łu ż ą c e j d o tra n s m is ji s y g n a łu ta k tu ją c e g o o ra z d w ó c h je d n o k ie ru n k o w y c h linii d a n y c h M IS O i M O S I.
40h
p r o c e s o r d ź w ię k u s t e r e o
44h
p ro c e s o r o b ra zu
2
M a g is tra la S P I je s t z ło ż o n a z linii S C L K s łu ż ą c e j d o tra n s m is ji s y g n a łu ta k tu ją c e g o o ra z d w ó c h je d n o k ie ru n k o w y c h linii d a n y c h M IS O i M O S I.
3
K a ż d e u r z ą d z e n ie k o m u n ik a c ji z g o d n e j z p ro to k o łe m S P I m a z d e fin io w a n y s y g n a ł w e jś c io w y S T E
4
M o ż liw a je s t r e a liz a c ja k o m u n ik a c ji w u k ła d z ie : je d n o u r z ą d z e n ie n a d rz ę d n e - w ie le u rz ą d z e ń
(a n g . S la v e T r a n s m it E n a b le ) s łu ż ą c e d o o d b lo k o w a n ia fu n k c ji k o m u n ik a c y jn y c h . '
45h
c y fr o w y d e k o d e r s y s te m ó w te le w iz y jn y c h
48h
p r z e t w o r n ik a n a lo g o w o - c y f r o w y i c y f r o w o -a n a lo g o w y
50h
s t a t y c z n a p a m i ę ć R A M lu b p a m i ę ć E E P R O M
58h
z e g a r c z a s u r z e c z y w is te g o
60h
s y n te t y z a t o r c z ę s to tliw o ś c i
p o d p o r z ą d k o w a n y c h lu b w ie le u rz ą d z e ń n a d rz ę d n y c h - w ie le u r z ą d z e ń p o d p o r z ą d k o w a n y c h . 5
D la u n ik n ię c ia kolizji n a m a g is tra li je d n o c z e ś n ie m o ż e b y ć a k ty w n a ty lk o je d n a p a r a u rz ą d z e ń ( u r z ą d z e n ie n a d rz ę d n e i p o d p o r z ą d k o w a n e ).
6
T ra n s m is ja in fo rm a c ji s te r o w a n a je s t p r z e z u r z ą d z e n ie n a d rz ę d n e , k tó re m a p rzy w ile j s te ro w a n ia lin ią S C L K .
7
' Komunikacja szeregowa (SPI) ' ; P ro to k ó ł
295
Tab. 1 • Zasady kom unikacji SPI
U r z ą d z e n ie
A d re s
;
4,4 Układy cyfrowe
SPI
je s t s ta n d a rd o w y m , d w u k ie r u n k o -
i | w y m , s ze re g o w y m
s y n c h r o n ic z n y m
: i k o m u n ik a c y jn y m p r z e z n a c z o n y m
U r z ą d z e n ie n a d rz ę d n e je s t o d p o w ie d z ia ln e z a g e n e r o w a n ie s y g n a łu S C L K b e z w z g lę d u n a re a liz o w a n y k ie ru n e k tra n s m is ji d a n y c h .
to p o lo g ia : m a g is tra la (p a rty lin e )
8
S y g n a ł ta k tu ją c y (s y n c h ro n iz a c ji) n a d a w a n y je s t ty lk o w tra k c ie tra n sm is ji.
9
T ra n s m is ja m a c h a ra k te r tra n s m is ji je d n o c z e s n e j. W tra k c ie n a d a w a n ia in fo rm a c ji p r z e z u r z ą d z e n ie
p r o t o k o łe m
d o je d n o c z e -
n a d rz ę d n e m o ż liw a je s t je d n o c z e s n a o d p o w ie d ź u r z ą d z e n ia p o d p o r z ą d k o w a n e g o .
■ , s n e j k o m u n ik a c ji p o m i ę d z y s y s t e m a m i m ik r o k o m p u te r o w y m i i u r z ą d z e n ia m i z e w n ę t r z n y m i
10
T ra n s m ito w a n e in fo rm a c je n ie z a w ie r a ją n a d m ia r o w y c h b itó w s y n c h ro n iz a c y jn y c h .
(tab. 1 na następnej stronie).
11
D o w y s ia n ia i o d b io ru 1 b a jtu in fo rm a c ji p o trz e b n y c h je s t ty lk o 8 ta k tó w z e g a ro w y c h .
P r o to k ó ł z o s t a ł o p r a c o w a n y d o r e a liz a c ji z a d a ń k o '• m u n ik a c ji lo k a ln e j z e ś r e d n im i p r ę d k o ś c ia m i tr a n s -
b lo k o w a n ie fu n k c ji k o m u n ik a c y jn y c h u r z ą d z e n ia n a d r z ę d n e g o . Z a t e m s y g n a ł t e n w p r o s t y s p o s ó b m o ż e b y ć
i m is ji ( d o 2 M b /s ) w t r y b ie z w ie l o m a je d n o s t k a m i ■ n a d r z ę d n y m i. M a g is tr a la k o m u n ik a c y jn a S P I je s t : m a g is t r a lą t r ó jp r z e w o d o w ą z ł o ż o n ą z linii S C L K , s łu ż ą c e j d o tr a n s m is ji s y g n a łu t a k t u ją c e g o i
MOSI (rys. 1).
SPI z w i e l o m a u r z ą d z e n i a m i p o d p o r z ą d k o w a n y m i i w ie l o m a u r z ą d z e n i a m i n a d r z ę d n y m i . W y m a g a to w ó w c z a s z a s t o s o w a n ia d o d a t k o w e g o u k ła d u z a r z ą d z a ją c e g o d y n a m ic z n ą z m ia n ą s tr u k tu r y s ie c i.
p ro c e s
p r z e s y ła n i a d a n y c h p o j e d n o k i e r u n k o w y c h lin ia c h
MISO
s to s o w a n y d o w y b o r u d o w o ln e j p a r y u r z ą d z e ń b io r ą c y c h j e d n o c z e ś n i e u d z ia i w s e s ji tra n s m is y jn e j w s ie c i
m o ż liw y je s ! tr y b p ra c y z w ie lo m a u rz ą d z e n ia m i n a d rz ę d n y m i (m u ltim a s te r)
R ys. 1. M agistrala kom un ikacyjn a SPI K ażde z u r z ą d z e ń k o m u n ik a c y jn y c h z a w ie r a z e s p ó l c o n a jm n ie j d w ó c h b u f o r ó w k o m u n ik a c y jn y c h :
L in ia d a n y c h M IS O ( a n g . M a
s t e r I n , S la v e O u t ) je s t lin ią p r z e z n a c z o n ą d o tra n s -
i m is ji d a n y c h z u r z ą d z e ń p o d p o r z ą d k o w a n y c h d o 1 u r z ą d z e n ia n a d r z ę d n e g o . L in ia d a n y c h M O S I (a n g . : M a s t e r O u t , S la v e I n ) je s t lin ią d a n y c h p r z e z n a c z o n ą i d o t ra n s m is ji d a n y c h z u r z ą d z e n ia n a d r z ę d n e g o d o
suwny rejestr danych u rz ą d z e n ie p o d p o rz ą d k o w a n e
u rz ą d z e n ie n a d rz ę d n e
(D S R ) i
bufor danych.
prze
T r a n s m is ja p o l e g a n a s u k c e s y w n e j w y m ia n ie z a w a r to ś c i b u f o
rów D S R u r z ą d z e n ia n a d r z ę d n e g o i p o d p o r z ą d k o w a n e g o , p r z e b ie g a ją c e j w t a k t s y g n a łu s y n c h r o n iz u ją c e g o SC LK g e n e r o w a n e g o p r z e z u r z ą d z e n ie n a d r z ę d n e (ry s . 2 n a p o p r z e d n ie j s tr o n ie ).
M S B 4 ------- L S B 8 -b ito w y re je s tr p rz e s u w n y
u rzą d ze ń p o d p o rzą d k o w a n y c h .
M IS O
MOSI
MOSI
M IS O
8 -b ito w y re je s tr p rz e s u w n y i k
4 -j
Komunikacja szeregowa (RS 232) P ro to k ó ł
RS232
je s t s t a n d a r d o w y m , d w u k ie r u n k o w y m , s z e r e g o w y m a s y n c h r o n ic z n y m p r o t o k o łe m k o
m u n ik a c y jn y m p r z e z n a c z o n y m d o je d n o c z e s n e j k o m u n ik a c ji d w u k a n a ło w e j p o m ię d z y u r z ą d z e n ia m i k o ń M a g is tr a la S P I z a s a d n ic z o p r z e z n a c z o n a je s t d o , . t ra n s m is ji in fo rm a c ji p o m ię d z y j e d n y m u r z ą d z e n ie m n a d rz ę d n y m i
i
(rys. 2).
i je d n y m
u r z ą d z e n ie m
P r z e d r o z p o c z ę c ie m
g e n e r a to r z e g a ro w y
p o d rz ę d n y m
SCLK
w s y s te m a c h m ik r o k o m p u t e r o w y c h s t o s o w a n y je s t z w y k le w w e r s ji s iln ie z r e d u k o w a n e j. A /S T E
—0 -—o + 5V
k a ż d e j t ra n s m is ji p o -
c o w y m i tr a n s m is ji d a n y c h D T E ( a n g . D a t a T e r m i n a l E q u i p m e n t ) . P r o to k ó ł te n je s t n a t y le r o z b u d o w a n y , ż e
SCLK I—
P rotokó ł n a le ż y d o n a jb a r d z ie j p o p u la r n y c h p r o t o k o łó w k o m u n ik a c y jn y c h s to s o w a n y c h w s y s te m a c h m ik r o k o m p u te r o w y c h , j a k k o lw ie k je s t o n s to p n io w o w y p ie r a n y p r z e z s t a n d a r d U S B . P r o to k ó t z o s t a ł o p r a c o w a n y
. w in n a b y ć z d e f in io w a n a r o la o b u u r z ą d z e ń w s e s ji
> tra n s m is y jn e j. W ty m c e lu k o n ie c z n e je s t o k r e ś le n ie ! s t a n u l o g i c z n e g o w e jś c ia ( S T E ) in d y w id u a ln ie d la i k a ż d e g o u r z ą d z e n ia k o m u n ik a c y jn e g o . W y s o k i s ta n •' l o g i c z n y t e g o s y g n a ł u
p o w o d u je o d b lo k o w a n ie
^ M IS O u rz ą d z e n ie n a d rz ę d n e
do r e a liz a c ji z a d a ń k o m u n ik a c ji lo k a ln e j o z a s ię g u d o 2 0 m p o m ię d z y u r z ą d z e n ia m i D T E i u r z ą d z e n ia m i k o
MOSI
MOSI
M IS O ^
SCLK
SCLK.
, u rz ą d z e n ia p o d p o rz ą d k o w a n o
. I j .fu n k c ji k o m u n ik a c y jn y c h u r z ą d z e n ia p o d p o r z ą d k o '• • . 'W a n e g o i z a b l o k o w a n i e f u n k c ji k o m u n ik a c y jn y c h . i u r z ą d z e n ia n a d r z ę d n e g o . Z k o le i n is k i s t a n lo g ic z n y ,te g o s y g n a łu p o w o d u je z a b lo k o w a n ie fu n k c ji k o m u ' j jn ik a c y jn y c h u r z ą d z e n ia p o d p o r z ą d k o w a n e g o i o d -
m u n ik a c y jn y m i tr a n s m is ji d a n y c h D C E ( a n g . D a t a C o m m u n i c a t i o n E q u i p m e n t ) z e ś r e d n im i p r ę d k o ś c ia m i transm isji (d o 2 5 6 k b /s )
(tab.
1
na następnej stronie).
N a p r z y k ła d p r o t o k ó ł s t o s o w a n y je s t d o w y m ia n y in
form acji p o m i ę d z y d w o m a s y s te m a m i m ik r o k o m p u t e r o w y m i, d o z a d a ń s t e r o w a n ia i p o m ia r ó w w u r z ą d z e niach la b o r a t o r y jn y c h , d o tra n s fe r u p o z y c ji m y s z y k o m p u t e r o w y c h itp .
Rys. 2. S c hem at procesu w ym iany inform acji pomiędzy u rządzeniem nad rzędnym i podporządkowanym w kom un ikacji s zereg o w ej standardu SPI
W z r e d u k o w a n e j w e r s ji p r o t o k o łu k o m u n ik a c ja je s t r e a liz o w a n a w j e d n y m k a n a le k o m u n ik a c y jn y m p o m ię dzy d w o m a r ó w n o p r a w n y m i u r z ą d z e n ia m i k o m u n ik a c y jn y m i A i B
(rys.
1
na następnej stronie).
W y m ia n a
in fo rm ac ji n a s tę p u je je d n o k ie r u n k o w y m i lin ia m i d a n y c h T X D i R X D . K a ż d a lin ia d a n y c h łą c z y w y jś c ie d a n y c h
4.4 Układy cyfa,,,^
296 Tab. 1. Zasady komunikacji RS 232
7
¿.4 Układy cyfrowe
297
Błąd ra m k i w y s t ę p u je w ó w c z a s , g d y w a r to ś ć lo g ic z na o d e b r a n e g o b itu S T O P je s t r ó w n a
L .p .
0 (rys. 1).
Zasada
b it STAR T
b it STOP
Biąd p a r z y s to ś c i w y s t ę p u je w ó w c z a s , g d y w c z a s ie 1
in t e r f e js k o m u n ik a c y jn y z g o d n y z p r o t o k o łe m
o d b io ru r a m k i w y z n a c z o n a w a r t o ś ć l o g i c z n a b itu
R S 2 3 2 je s t p r z e z n a c z o n y
d o je d n o c z e s n e j , a s y n c h r o n ic z n e j, d w u k ie r u n k o w e j k o m u n ik a c ji s z e r e g o w e j p o m ię d z y
'
' k o n tr o ln e g o j e s t r ó ż n a o d w a r t o ś c i r z e c z y w iś c ie
(rys. 2).
d w o m a u r z ą d z e n ia m i k o ń c o w y m i t ra n s m is ji d a n y c h .
o d e b ra n e j
2
D a n e p r z e s y ła n e s ą w r a m k a c h .
gląd p r z e p e łn ie n ia w y s t ę p u je w ó w c z a s , g d y m ik r o -
3
K a ż d a r a m k a s k ł a d a s ię z b itó w d a n y c h , b itó w s y n c h r o n iz a c ji i b itu k o n tro li.
4
T r a n s m is ja k a ż d e j r a m k i z a c z y n a s ię w y s t ą p ie n ie m n is k ie g o p o z io m u b itu S T A R T .
5
S t a n d a r d o w a lic z b a b itó w d a n y c h w y n o s i 8 .
zgodnej z z e s ta n d a rd e m R S 2 3 2 , s to s o w a n ą w ro d z in ie
6
N a jm ło d s z y b it d a n y c h w y s y ła n y je s t j a k o p ie r w s z y .
m ik ro k o n tro le ró w M C S - 5 1 p r z e d s ta w io n o n a
Rys. 1. Btąd ramki występuje wówczas, gdy bit stopu przyjmuje wartość logiczną 0
• ko n tro le r n ie z d ą ż y d o k o n a ć o d c z y t u o d e b r a n e g o zn a k u p r z e d o d b io r e m n a s tę p n e g o . Typ o w ą a r c h it e k t u r ę u k ła d u tr a n s m is ji s z e r e g o w e j,
b it STOP
b it STAR T
rys. 3.
Układ tra n s m is ji s z e r e g o w e j, z w a n y t a k ż e u k ła d e m
7
K a ż d a r a m k a k o ń c z y s ię je d n y m , 1 ,5 lu b d w o m a b ita m i S T O P .
8
T r a n s m is ja k a ż d e j r a m k i k o ń c z y s ię w y s t ą p ie n ie m w y s o k ie g o p o z io m u b itu S T O R
•
9
W y k o r z y s t a n ie b itu k o n tr o li p o p r a w n o ś c i tr a n s m is ji je s t o p c jo n a ln e .
UART lu b USART,
w y p o s a ż o n y je s t w ty m p r z y p a d k u
w d w a o ś m io b ito w e re je s try r ó w n o le g le :
biorczy
i
rejestr nadawczy.
rejestr od
O b u r e je s tro m p r z y p o
Rys. 2. Błąd parzystości występuje wówczas, gdy stan logiczny bitu kontrolnego P przyjmuje wartość różną od oczekiwanej
rz ą d k o w a n y je s t t y lk o je d e n a d r e s s y m b o lic z n y w p rz e s trz e n i a d r e s o w e j ( S B U F ) . A d r e s o w a n ie r e je
T X D j e d n e g o u r z ą d z e n i a k o m u n ik a c y jn e g o z w e j
strów d o k o n y w a n e je s t p o ś re d n io p r z e z a n a liz ę r o d z a -
ś c ie m d a n y c h R X D d r u g ie g o u r z ą d z e n ia . P r o c e d u r a w y m ia n y i n f o r m a c ji p o m i ę d z y u r z ą
urządzenie ko m u nikacyjne
d z e n ia m i k o ń c o w y m i w s t a n d a r d z ie R S 2 3 2 p r z e
(A )
fazę przygotowa nia urządzeń DCE do transmisji i właściwą fa zę transmisji.
;
TXD ----------------------------- ► RXD
urządzenie 's kom unikacyjne
XD 1XD • ł ------------R---------------1T xn
(B )
\
|u o p e ra cji z w ią z a n e j z tą lo k a c ją p a m ię c i. J e ś li rejestr SB U F je s t z a p is y w a n y , to a d r e s o w a n y je s t b u fo r nad aw czy; jeśli o d c z y ty w a n y , to a d r e s o w a n y je s t b u fo r odbiorczy. R e je s tr s ta n u i s te r o w a n ia S C O N p o z w a la
w id u je d w ie z a s a d n ic z e f a z y :
na u s ta w ia n ie i k o n tro lę p a r a m e tr ó w tra n s m is ji. N a d a
Rys. 1. Schemat procesu wymiany Informacji pomiędzy urządzeniami komunikacyjnymi
wanie in fo rm a c ji n a s tę p u je a u to m a ty c z n ie p o w p is a n iu każdej n o w e j z a w a r to ś c i d o b u fo r a n a d a w c z e g o .
W f a z ie p r z y g o t o w a n ia u r z ą d z e ń D C E d o t ra n s m is ji
W ów czas z a w a r to ś ć t e g o b u fo r a p r z e p is y w a n a je s t d o
n a s t ę p u je p r z y g o t o w a n ie i p o t w ie r d z e n ie g o t o w o ś c i
rejestru p r z e s u w n e g o , t a m u z u p e łn ia n a o d o d a tk o w e
d o r e a liz a c ji tr a n s m is ji p r z y p o m o c y s y g n a łó w s te r u
bity s te ru ją c e i k o n tro ln e , a n a s tę p n ie z g o d n ie z t a k
ją c y c h i s y g n a łó w s ta n u (R T S , C T S , D T R , C T R ) . S t o
tem z e g a r o w y m w y p r o w a d z a n a s e k w e n c y jn ie n a z e
s o w a n ie ty c h s y g n a łó w je s t o p c jo n a ln e . D la z a c h o
wnątrz. P o d o b n ie , in fo rm a c ja w e jś c io w a je s t k o m p le
V
w a n ia k la r o w n o ś c i w y w o d u o p is ty c h s y g n a łó w z o
/ M C T D 2 Y ^ X P 3 X ó iY D Ś y ó r )(
p
/ bit STOP
b it START
s t a n ie p o m in ię ty . W f a z ie tr a n s m is ji u r z ą d z e n ia k o
n ie p r z y w y k o r z y s t a n i u s t a n d a r d o w e g o k o d u w y
D 0 -D 7
- k o le jn e b ity ro z w in ię c ia b in a rn e g o p rze syła n e g o kodu - b it n a jb a rd z ie j z n a czą cy - b it k o n tro ln y
m ia n y in fo r m a c ji ( r o z d z . 4 . 4 .2 .2 ) .
D7 P
K a ż d y p r z e s y ła n y z n a k k o d u je s t u z u p e łn ia n y o d o
Rys. 2. Ramka transmisyjna znaku w protokole RS 232
d a t k o w e b it y s y n c h r o n i z a c j i ( S T A R T i S T O P o r a z o b it k o n tr o li p o p r a w n o ś c i p r z e s y ła n e j in fo r m a c ji
transmisyjną.
(rys. 2).
z e g a r p rę d k o ś c i tra n s m is ji UART
p o rt
re je s lr p rz e s u w n y
RXD
ZZEH
P 3.0
SBUF (c z y ta n ie )
SBUF (w p is y w a n ie )
SCON
nym, a n a s tę p n ie p o o d r z u c e n iu b itó w k o n tr o ln y c h
T a k u t w o r z o n y z e s p ó ł b itó w n a z y w a n y je s t
ramką
B it s y n c h r o n iz a c ji S T A R T m a z a w s z e w a r to ś ć l o g ic z n ą r ó w n ą 0 . B it s y n c h r o n iz a c ji S T O P m a
z a w s z e w a r t o ś ć lo g ic z n ą r ó w n ą 1 . S t a n d a r d t ra n s m is ji d o p u s z c z a w ię k s z ą lic z b ę b itó w s t o p u (n p . 2 ). Bit
S ta n d a rd R S 2 3 2 w w a r s tw ie fiz y c z n e j
d e f in iu je p o
Rys. 3. Architektura układu transmisji szeregowej rodziny MCS-51
ziom y n a p ię c io w e s y g n a łó w i t o le r a n c je ty c h p o z io m ów
(rys. 4).
Z a k r e s ty c h n a p ię ć z n a c z n ie p r z e k r a
cza z a k r e s s y g n a łó w n a p ię c io w y c h s t o s o w a n y c h w s y s te m a c h m ik r o k o m p u t e r o w y c h . D la z a c h o w a n ia z g o d n o ś c i z e s t a n d a r d e m n a p ię c io w y m , a t a k ż e d la s e p a r a c ji u k ł a d ó w
m i k r o p r o c e s o r o w y c h o d lin ii
konwertery napięć z w a n e sterownikami magistrali (rys. 5). tra n s m is y jn y c h s t o s o w a n e s ą s p e c ja ln e
k o n tr o ln y m a w a r to ś ć lo g ic z n ą z a l e ż n ą o d r e a liz o w a n e g o a lg o r y t m u k o n tr o ln e g o . N a jb a r d z ie j p o p u la r n y m a lg o r y t m e m k o n tr o li tr e ś c i r a m k i je s t
algorytm kontroli parzystości.
A lg o r y tm ten
I
T xD
>TXD
p r z y p o r z ą d k o w u je b ito w i k o n tr o ln e m u w a r to ś ć lo g ic z n ą r ó w n ą lo g ic z n e j a lte r n a ty w ie w y łą c z n e j w szystkich w a r to ś c i w s z y s t k ic h b itó w k o d u p r z e s y ła n e g o z n a k u .
— RXD
B ity s y n c h r o n iz u ją c e o r a z b it k o n tr o ln y p o z w a la ją n a d e t e k c ję n ie k t ó r y c h b łę d ó w , k tó r e m o g ą p o ja w ić się w t r a k c ie tr a n s m is ji in fo r m a c ji. D o p o d s t a w o w y c h b łę d ó w tr a n s m is ji n a le ż ą : i
btąd przepełnienia.
błąd ramki, btąd parzystości
: m ik ro k o n tr o le r
s te r o w n ik R S 2 3 2
Rys. 5. Miejsce sterownika magistrali RS232 w układzie mikrokomputerowym
TX D
—► P3.1
i syn ch ro n izacji p r z e p is y w a n a d o b u fo r a o d b io r c z e g o .
m u n ik a c y jn e w y s y ła ją n ie z a le ż n ie in fo r m a c je w o b u k ie r u n k a c h . In f o r m a c je p r z e s y ła n e s ą a s y n c h r o n ic z
towana s u k c e s y w n ie w o d b io r c z y m re je s trz e p r z e s u w
szyny s y s te m o w e
Rys. 4. Zakres poziomów napięciowych sygnałów standardu RS232
■Ł.•.-U,V*i 4.4 U kia d ycvfrn
298
K o m u n ik a c ja r ó w n o le g ła je s t d o c h w ili o b e c n e j j e d
D-ł-
(a n g . U n iv e r s a l S e r ia l B u s ) je s t
u rz ą d z e n ie
s ta n d a rd o w y m , d w u k ie r u n k o w y m , s z e r e g o w y m a s y n c h r o n ic z n y m
k o m u n ik a c y jn e
p r o t o k o ł e m k o m u n ik a c y jn y m ,
(h o st)
urządzenia' k o m u n ik a c y jn e
p r z e z n a c z o n y m d o j e d n o c z e s n e j k o m u n ik a c ji p o
P r o to k ó ł z o s t a ł o p r a c o w a n y d o r e a liz a c ji z a d a ń k o
nym z n a jp o w s z e c h n ie j s to s o w a n y c h s p o s o b ó w k o
iih.łf • VĄ nS^litth1^ , u rz ą d z e n ie k o m u n ik a c y jn e n a d rz ę d n e
m u nikacji, z w ła s z c z a z u r z ą d z e n ia m i w y m a g a ją c y m i d użej p r z e p ły w n o ś c i b in a r n e j ( d r u k a r k i, p lo te r y ,
u rz ą d z e n ie k o m u n ik a c y jn e p o d rz ę d n e
gm ulatory s y s te m ó w m ik r o k o m p u t e r o w y c h itp .).
m ię d z y u r z ą d z e n ia m i k o m u n ik a c y jn y m i ( t a b . 1 ). Rys, 1, S c h em at p rocesu w ym iany inform acji pomiędzy u rządze niam i standardu USB
m u n ik a c ji lo k a ln e j o z a s ię g u d o 5 m z d u ż y m i p r ę d k o ś c ia m i t r a n s m is ji ( 1 , 5 lu b 1 2 M b / s w U S B
299
K o m u n ik a c ja r ó w n o l e g ł a
K o m u n ik a c ja s z e r e g o w a ( U S B ) P ro to k ó ł U S B
**
4 4 Układy cyfrowe
1 .1
i 4 8 0 M B /s w U S B 2 . 0 ) . S t o s o w a n y je s t p o w s z e c h
K o m u n ik a c ja r ó w n o l e g ła r e a l iz o w a n a j e s t p r z e z Rys. 1. S c h em at procesu w ym iany Inform acji w stan d a rd zie kom unikacji ró w noległe j
w y s p e c ja liz o w a n e u k ła d y lu b m o d u ły s y s te m ó w m ik r o k o m p u t e r o w y c h z w a n e p o r t a m i r ó w n o l e głym i.
n ie w u r z ą d z e n ia c h e le k tr o n ik i k o n s u m p c y jn e j i p r o
Typowy p o r t r ó w n o le g ły je s t p o r t e m p r z e z n a c z o n y m d o tr a n s m is ji r ó w n o le g łe j 8 - b ito w y c h b a jt ó w in fo rm a c ji.
f e s j o n a l n e j ( m o n it o r y e k r a n o w e , k a m e r y c y f r o w e ,
Transfer d a n y c h s t e r o w a n y je s t p r z y p o m o c y 4 linii s t e r u ją c y c h o r a z 5 linii s t a n u u r z ą d z e n ia ( r y s . 1 ) . P r o t o
p a m i ę c i p r z e n o ś n e , u k ł a d y a k w iz y c ji d a n y c h itp .).
kół tra n s m is ji r ó w n o le g łe j z o s t a ł o p r a c o w a n y d o r e a liz a c ji z a d a ń k o m u n ik a c ji lo k a ln e j o z a s i ę g u d o 5 m
W y m ia n a in fo rm a c ji n a s t ę p u je d w o m a je d n o k i e r u n
z d u ż y m i p r ę d k o ś c ia m i tra n s m is ji.
k o w y m i lin ia m i d a n y c h D + i D - ( r y s . 1 ). S t a n d a r d U S B je s t s t a n d a r d e m d e f in iu ją c y m s ie ć lo
Zw ykle p o r t tra n s m is ji r ó w n o le g łe j m o ż e p r a c o w a ć w k ilk u t r y b a c h p r a c y ( t a b . 1 ) . P rz y k ła d t r a n s f e r u i n f o r m a c ji w t r y b i e s t a n d a r d o w y m
k a ln ą u r z ą d z e ń k o m u n ik a c y jn y c h o w ie l o p o z i o m o w e j a r c h it e k t u r z e d r z e w ia s te j ( r y s . 2 ) . K o le jn e p o z io : m y s tr u k tu r y t w o r z o n e s ą p r z e z r o z g a ł ę ź n i k i s i e c i : ( a n g . h u b ) u m o ż liw ia ją c e e k s p a n s ję s ie c i i d o lą c z a ■n ie t e r m in a ln y c h u r z ą d z e ń k o m u n ik a c y jn y c h n a z w a m y c h w ę z ł a m i ( a n g . n o d e s ) . S t r u k t u r a d r z e w ia s t a p o z w a la n a p r o s t ą i w y g o d n ą r o z b u d o w ę s ie c i. K a ż d e u r z ą d z e n ie k o m u n ik a c y jn e d o łą c z o n e d o s ie
W w ielu s y s te m a c h m ik r o k o m p u t e r o w y c h s t o s o w a n y je s t t r y b p o d s t a w o w y p o r t u r ó w n o l e g ł e g o . T r y b te n um ożliw ia w y łą c z n ie je d n o k ie r u n k o w y p r z e p ły w in fo rm a c ji o d u r z ą d z e n ia n a d r z ę d n e g o d o u r z ą d z e n ia p o d rzędne go. S t o s o w a n y je s t d o s te r o w a n ia u r z ą d z e ń w y ś w ie t la ją c y c h i d r u k u ją c y c h , w k tó r y c h z a c h o d z i p o tr z e ba je d n o k ie r u n k o w e g o tra n s fe r u d a n y c h z p r ę d k o ś c ia m i tra n s m is ji (d o 1 5 0 k B /s ).' D a n e p r z e s y ła n e w p o r c ja c h (słowach) 8 - b ito w y c h w y s t a w ia n e s ą n a lin ie d a n y c h ( r y s . 1 n a n a s t ę p n e j s t r o n i e ) . O p a d a j ą c e z b o c z e s y g n a łu s te ru ją c e g o S T R O B Ę p o w o d u je z a p is a n ie s ta n u linii d a n y c h w u r z ą d z e n iu p o d p o r z ą d k o w a n y m . P o p rz y ję c iu Tab. 1. Tryby pracy ko m u n ikacyjn ego portu ró w noległego
c i w y m a g a id e n ty fik a c ji i r e je s tra c ji. Z a r ó w n o id e n t y fik a c ja , c zy li r o z p o z n a n ie , ja k i re je s tra c ja u r z ą d z e n ia k o m u n ik a c y jn e g o , c z y li d o łą c z e n ie lo g ic z n e u rz ą d z e n ia di
Tryb s t a n d a r d o w y
T r y b s t a n d a r d o w y je s t t r y b e m k o m p a t y b iln y m z t r y b e m o r y g in a ln e g o in te rfe js u
s ie c i, s ą r e a liz o w a n e a u to m a ty c z n ie . P r o c e d u r a id e n ty fik a c ji i re je s tra c ji z o s ta ła p r z e d s ta w io n a w t a b . 2 .
( c o m p a tib ility m o d e )
r ó w n o le g łe g o C e n t r o n i c s . In te rfe js C e n tr o n ic s z o s t a ł o p r a c o w a n y d o w y m ia n y in fo rm a c ji z d r u k a r k a m i ig ło w y m i o r a z s t a r s z y m i m o d e la m i d r u k a r e k la s e r o w y c h . W tr y b ie t y m m o ż liw a je s t w y łą c z n ie je d n o k i e r u n k o w a t r a n s m is ja in fo rm a c ji.
Tab. 1. Z as ad y i w łaściw ości kom un ikacji USB L .p . 1
Zasada
Tryb p o d z ia łu b a jtu
T r y b s p e c ja ln y p o r tu u m o ż liw ia ją c y r e a liz a c ję d w u k ie r u n k o w e j w y m ia n y in fo rm a c ji
( n ib b le m o d e )
p o m ię d z y u r z ą d z e n ie m n a d r z ę d n y m i u r z ą d z e n ie m p o d r z ę d n y m . D o tra n s fe r u in fo rm a c ji z u r z ą d z e n ia p o d p o r z ą d k o w a n e g o d o u r z ą d z e n ia n a d r z ę d n e g o
In te rfe js k o m u n ik a c y jn y z g o d n y z p r o t o k o łe m U S B je s t p r z e z n a c z o n y d o je d n o c z e s n e j,
w y k o r z y s t y w a n e s ą 4 lin ie s ta n u u r z ą d z e n ia . W r e z u lta c ie p r z e s ła n ie j e d n e g o b a jtu
a s y n c h r o n ic z n e j i s y n c h r o n ic z n e j d w u k ie r u n k o w e j k o m u n ik a c ji s z e r e g o w e j p o m ię d z y
w y m a g a je g o p o d z ia łu n a je d n o s t k i 4 - b it o w e (n i b b l e ) .
u r z ą d z e n ia m i tra n s m is ji d a n y c h . 2
S a m o id e n t y f ik a c ja u r z ą d z e ń k o m u n ik a c y jn y c h .
3
A u t o m a t y c z n a r e je s t r a c ja u r z ą d z e ń w s y s te m ie .
4
S t r u k t u r a t o p o lo g ii d r z e w ia s te j (d o 1 2 7 u r z ą d z e ń U S B 1 .1 ) .
5
M a g is tr a la U S B p o s ia d a 4 p r z e w o d y : d w ie lin ie d a n y c h i d w ie lin ie z a s ila ją c e .
6
M a g is tr a la u m o ż liw ia z a s ila n ie u r z ą d z e ń z e w n ę t r z n y c h ( m a k s y m a ln ie 2 , 5 W ).
7
T y p o w y m k a b le m s y g n a ło w y m je s t s k r ę t k a o im p e d a n c ji c h a r a k te r y s ty c z n e j 9 0 Q .
8
M a k s y m a ln y c z a s p r o p a g a c ji s y g n a łu w l i n i i t r a n s m is y jn e j n ie m o ż e p r z e k r a c z a ć 7 0 ns.
9
M a k s y m a ln a p r ę d k o ś ć tra n s m is ji w y n o s i 4 8 0 M b /s ( U S B 2 .0 ) .
Tryb tra n s m is ji
T r y b p r a c y p o r tu u m o ż liw ia ją c y r e a liz a c ję d w u k ie r u n k o w e j w y m ia n y in fo rm a c ji
d w u k ie ru n k o w e j
p o m ię d z y u r z ą d z e n i e m n a d r z ę d n y m i u r z ą d z e n i e m p o d r z ę d n y m . D o tra n s fe r u
(b y te m o d e )
in fo rm a c ji w y k o r z y s t y w a n e je s t 8 linii d a n y c h p o r tu .
Tryb z a a w a n s o w a n y
Z a a w a n s o w a n y t r y b p r a c y p o r tu u m o ż liw ia ją c y r e a liz a c ję s z y b k ie j d w u k ie r u n k o w e j
(E C P m o d e )
w y m ia n y in fo rm a c ji p o m ię d z y u r z ą d z e n ie m n a d r z ę d n y m i w ie lo f u n k c y jn y m u r z ą d z e n ie m p o d r z ę d n y m . Z a s t o s o w a n ie k o n tr o le r a b e z p o ś r e d n i e g o d o s tę p u d o p a m ię c i D M A o r a z u k ła d ó w b u f o r ó w F IF O d o k o le jk o w a n ia d a n y c h p o z w a la n a p r z e s y ła n ie d a n y c h
Tab. 2. Procedura identyfikacji I rejestracji urząd ze n ia ko m u n ikacyjn ego w p ro tokole UBS 1.
z p r ę d k o ś c ią d o 2 M B /s . Is to tn ą z a le t ą t e g o t r y b u je s t
m o ż liw o ś ć r e a liz o w a n ia k ilk u w ir t u a ln y c h k a n a łó w k o m u n ik a c y jn y c h je d n o c z e ś n ie w ty m s a m y m k a n a le fiz y c z n y m .
U r z ą d z e n ie k o m u n ik a c y jn e z o s t a je z i d e n t y f ik o w a n e a u t o m a t y c z n ie p r z e z o p r o g r a m o w a n ie ty p u „ k lie n t’’ z a in s t a lo w a n e w s ie c io w e j je d n o s t c e n a d r z ę d n e j (h o s t).
2
Z o s ta je z a in ic jo w a n e p o łą c z e n ie p o m ię d z y u r z ą d z e n ie m k o m u n ik a c y jn y m a je d n o s t k ą n a d r z ę d n ą o t w ie r a ją c e k a n a ł k o m u n ik a c y jn y .
3.
D a n e z u r z ą d z e n ia k o m u n ik a c y jn e g o p o s f o r m a t o w a n iu ( z g o d n ie z e s p e c y f ik a c ją p ro to k o łu
Tryb r ó w n o le g ły
Z a a w a n s o w a n y u n iw e r s a ln y t r y b p r a c y p o r tu u m o ż liw ia ją c y r e a liz a c ję s z y b k ie j
ro z s z e rz o n y
d w u k ie r u n k o w e j w y m ia n y in fo r m a c ji p o m i ę d z y u r z ą d z e n ie m n a d r z ę d n y m
(E P P m o d e )
i w ie lo f u n k c y jn y m u r z ą d z e n ie m p o d r z ę d n y m . U m o ż liw ia p r a c ę p o r tu z a r ó w n o
U S B ) s ą p r z e k a z y w a n e d o je d n o s t k i n a d r z ę d n e j p o d k o n tr o lą o p r o g r a m o w a n ia je d n o s tk i
w try b ie z b liż o n y m d o t ry b u ECFJ ja k r ó w n ie ż p r a c ę w t r y b ie s t a n d a r d o w y m .
n a d r z ę d n e j i u r z ą d z e n ia k o m u n ik a c y jn e g o .
P r ę d k o ś ć p r z e s y ła n ia d a n y c h
w t y m tr y b ie w y n o s i o d 5 0 0 k B /s d o 2 M B /s .
300
4.4 Układy cyfrowe
d a n y c h p r z e z u r z ą d z e n ie p o d p o r z ą d k o w a n e n a s tę p u je ich p r z e tw a rz a n ie . W c z a s ie p r z e tw a r z a n ia o tr z y m a n e j in fo rm a c ji u r z ą d z e n ie p o d p o r z ą d k o w a n e m o ż e n ie
w w a r u n k a c h s iln y c h z a k ł ó c e ń e l e k t r o m a g n e t y c z lin ie danych
b y ć z d o ln e d o u d z ia łu w tra n s m is ji p r z e z p e w ie n c z a s . W ty m c z a s ie , z w a n y m c z a s e m z a j ę t o ś c i , u r z ą d z e n ie p o d p o r z ą d k o w a n e z g ła s z a s ta n s w o je j z a ję to ś c i w y
BUSY STRO BE
— | Y
nych. R o b o t p r z e z n a c z o n y je s t g łó w n ie d o p r o w a
_ _
=>ea'
v._
J —
_
s t a w ia ją c s y g n a t s ta n u B U S Y . P o z a k o ń c z e n iu p r z e t w a r z a n ia o s t a t n io o t r z y m a n y c h d a n y c h u r z ą d z e n ie
ACK
nii p o t w ie r d z e n ia o d b io r u d a n y c h A C K . O d te j c h w ili
y p r o s z c z o n y s c h e m a t b lo k o w y u k ła d u s t e r o w a n ia k o n s tru k c y jn ą u k ła d u s t e r o w a n ia je s t je g o j e d n o s t k a c en traln a. J e d n o s t k a c e n t r a ln a o r a z p o z o s t a łe e l e
n a s tę p n e g o tra n s fe ru p r z e z u s ta w ie n ie linii s ta n u B U p o r z ą d k o w a n e g e n e r u je kró tki im p u ls ( 5 - 1 2 p s ) n a li
d z e n ia p r a c i n s p e k c y jn y c h , a t a k ż e d o c e l ó w b a d aw c z y c h i d y d a k t y c z n y c h .
n a p ę d u m in ir o b o ta p r z e d s t a w io n o n a r y s . 1 . O s ią
p o d p o r z ą d k o w a n e p r z e c h o d z i w s ta n g o t o w o ś c i d o S Y w s ta n lo g ic z n y 0 . J e d n o c z e ś n ie u r z ą d z e n ie p o d
301
m enty u k ta d u s t e r o w a n ia z a s ila n e s ą z u k ła d u z a s i
Rys. 1. Schemat sterowania procesu wymiany Informacji w trybie standardowym
lania. U k ła d t e n p o z w a l a n a z a s i la n ie s t e r o w n ik a w b a rd zo (g_
s z e r o k im
48V D C ) .
z a k r e s ie
w a rto ś c i
n a p ię ć
U k ła d y s t e r o w a n ia s iln ik ó w p o z w a la ją
m o ż liw e je s t z a in ic jo w a n ie n a s tę p n e g o tra n s fe r u d a
na r e a liz a c ję p r a c y n a w r o t n e j w t r y b ie s t e r o w a n ia
n y c h . S c h e m a t a lg o r y tm u tra n s fe ru in fo rm a c ji w p o r c ie
i r e g u lo w a n ą p r ę d k o ś c ią . P r ę d k o ś ć o b r o t o w a s iln i
r ó w n o l e g ły m
ków m ie r z o n a je s t p r z e z p r z e tw o r n ik i o b r o t o w o - im p u ls o w e . K o m u n ik a c ję r o b o t a z e ś r o d o w is k ie m z e w n ę t r z
p r a c u ją c y m w t r y b ie s t a n d a r d o w y m
p r z e d s ta w io n o n a r y s . 2 .
nym z a p e w n ia ją tr z y o p c jo n a ln e k a n a ły t ra n s m is ji s z e r e g o w e j. Jed n o s tk ę c e n tr a ln ą t w o r z y p o je d y n c z y u k ła d m ik r o k o n t r o le r a j e d n o m o d u t o w e g o . J ą d r e m m ik r o k o n t r o le r a
4.4.7 Przykłady zastosowań mikrokomputerów w urządzeniach mechatronicznych______
jest s z e s n a s t o b ito w a j e d n o s t k a a r y t m e t y c z n o - lo g ic z n a o a r c h it e k t u r z e o r t o g o n a ln e j z e z r e d u k o w a n ą lis tą ro zkazó w . M ik r o k o n t r o le r p o s ia d a w e w n ę t r z n ą r e p r o g r a m o w a ln ą p a m ię ć p r o g r a m u ty p u f l a s h o p o je m n o ś c i 60 K B o r a z 2 K B p a m ię c i o s w o b o d n y m d o s tę p ie t y p u R A M . U k ład s t e r o w a n ia m in ir o b o t a z a o p a t r z o n o w t r z y o p c jo n a ln e in te rfe js y t ra n s m is ji s z e r e g o w e j: R S 4 8 5 , CAN 2 .0 B , R S 2 3 2 C . D w a p ie r w s z e p r z e z n a c z o n e s ą
M in i r o b o t m o b i ln y
do z a s t o s o w a ń p r z e m y s ł o w y c h , o s t a t n i d o b a d a ń
Z a s t o s o w a n ie n i e w ie lk ic h g a b a r y t o w o , z a s i la n y c h
la b o ra to ry jn y c h . In te rfe js u m o ż liw ia d w u k ie r u n k o w ą ,
z w e w n ę t r z n e g o ź r ó d ła z a s ila n ia , m in ir o b o tó w m o
n a p rz e m ie n n ą tr a n s m is ję s z e r e g o w ą d a n y c h z p r ę d
b iln y c h w y m a g a z a s t o s o w a n ia e n e r g o o s z c z ę d n y c h ,
kościam i tra n s m is ji w z a k r e s ie 1 2 0 0 - 7 6 8 0 0 B d . In
n i e z a w o d n y c h , o d p o r n y c h n a w p iy w y ś r o d o w is k a ,
terfejs u m o ż l iw ia s p r z ę ż e n ie j e d n o s t k i s t e r o w a n ia
m in ia tu r o w y c h u k ła d ó w s t e r o w a n ia . P r z y k ła d t a k ie g o
n a p ę d a m i z z e w n ę t r z n ą je d n o s t k ą n a d r z ę d n ą d r o g ą
ro b o ta p r z e d s t a w io n o n a r y s . 3 . R o b o t a w y p o s a ż o
rad io w ą ( m o d e m
n o w p r o f e s jo n a ln e k a n a ły k o m u n ik a c y jn e u m o ż li
p o łą c z e n ie k a b lo w e . W w a r s tw ie a p lik a c y jn e j z a im
w ia j ą c e j e g o z d a l n e ( r y s . 4 ) i lo k a l n e s t e r o w a n ie
p le m e n to w a n o o g ó ln ie z n a n y i z w e r y fik o w a n y w w a
r a d io w y ) lu b p r z e z b e z p o ś r e d n ie
ru n k a c h p r z e m y s ł o w y c h p r o t o k ó ł k o m u n ik a c y jn y M O D B U S - R T U , z a p e w n i a j ą c y d o s t a t e c z n ie w y s o k i p o ziom b e z p ie c z e ń s t w a tr a n s m it o w a n y c h d a n y c h .
Rys. 2. Algorytm sterowania przepływu Informacji w trybie standardowym portu równoległego
S y s te m d o b a d a n i a s t a t e c z n o ś c i ż u r a w i b u d o w la n y c h K o n stru kcje m o b iln y c h m a s z y n b u d o w la n y c h ( ż u r a wi) p r z y s t o s o w a n e s ą d o p r z e n o s z e n ia ła d u n k ó w n a z n a c z n e w y s o k o ś c i p r z y j e d n o c z e s n y m o p e r o w a n iu na z n a c z n y m w y s ię g u . D u ż e w y s o k o ś c i p o d n o s z e nia i w y s ię g u , w y s o k o p o ło ż o n y ś r o d e k m a s y , m a ty
R L « O
-
G p g q
-
ro zstaw p o d p ó r p o d w o z ia , n a p ó r w ia t r u , s t w a r z a ją w a ru n k i p o w s t a n i a n ie r ó w n o w a g i m a s z y n y ( u tr a t y s ta te c z n o ś c i). Z a p e w n i e n i e p r a w id ło w e j s t a t e c z n o ści je s t s z c z e g ó ln ie t r u d n e z w ła s z c z a w d u ż y c h ż u raw iach p o s a d o w io n y c h n a p o d w o z ia c h s a m o c h o d o w y c h ( r y s . 2 ) . M a s z y n y t a k ie z b u d o w a n e s ą n a ty p o w y m p o d w o z iu s a m o c h o d u c ię ż a r o w e g o o d o brym r e s o r o w a n iu i z w y k le k ilk u o s ia c h s k r ę tn y c h .
Rys. 3. Minirobot mobilny IARTUS R1
p ro m ie ń w y s ię g u . d łu g o ś ć ra m ie n ia w y s ię g u ką t w y s ię g u m a s a o b c ią ż e n ia rz e c z y w is te g o w ra z z m a są k o n s tru k c ji m e c h a n iz m ó w o b ro to w y c h i w y s ię g n ik a zre d u k o w a n y c h d o k ie ru n k u p o d n o s z e n ia ła d u n k u m a s a k o n s tru k c ji n ie ru c h o m e j m a szyn y ro z s ta w p o d p ó r żu ra w ia o d le g ło ś ć ś ro d k a c ię ż k o ś c i m a szyn y o d kra w ę d zi w yw ro tu o d ie g io ś ć ś ro d k a c ię ż k o ś c i ła d u n k u o d kra w ę d zi w yw ro tu .:
G ra n ic z n y w a ru n e k z a c h o w a n ia s ta te c z n o ś c i m a s z y n y w yraża z a le żn o ść G „ = O , = O • q.
Rys. 2. Schemat obciążeń statycznych żurawia samojezdnego
■-i-W 302
4-4 Uk|adycvfm^Q Z te g o
misji c y fr o w e j z g o d n e j z p r o t o k o łe m M O D B U S - R T U .
w z g lę d u ż u r a w ie b u d o w la n e w y p o s a ż a n e s ą
K o n w e rte r s t a n d a r d u R S 4 8 5 n a R S 2 3 2 u m o ż l iw ia
ogranicznikam i
s p rz ę ż e n ie s ie c i z je d n o s t k ą n a d r z ę d n ą (p r z e n o ś n y
z r y z y k ie m u tra ty
w s p e c ja l n e u r z ą d z e n ia z w a n e
303
przetw o rn iki p o m ia r o w e t w o r z ą s ie ć o p a r t ą n a t r a n s
P r z e k r o c z e n ie u d ź w ig u d o p u s z c z a ln e g o w ią ż e s ię
stateczności maszyny.
a 4 Układy cyfrowe_______________________________________
SP
w
K o m p u te r o s o b is t y ) . J e d n o s t k a t a , p o z a o b s ł u g ą
udźwigu.
sieci p o m i a r o w e j, w y k o n u j e z a d a n i a z w i ą z a n e z e z b ieran iem i p r z e t w a r z a n ie m d a n y c h p o m ia r o w y c h .
O g r a n ic z n ik i In fo r m u ją o p e r a t o r a m a s z y n y o s to p n iu
O b słu g a s ie c i p o l e g a g łó w n ie n a s e k w e n c y jn y m o d
z b liż e n ia s ię d o u d ź w ig u d o p u s z c z a l n e g o i o e w e n tu a ln y m
czycie w y n ik ó w p o m ia r ó w z p o s z c z e g ó ln y c h p r z e
n ie b e z p ie c z e ń s tw ie u tra ty s ta te c z n o ś c i
tworników .
p r z e z m a s z y n ę . W p r z y p a d k u p r z e k r o c z e n ia u d ź w i g u d o p u s z c z a l n e g o u r z ą d z e n ia t e w y łą c z a ją a u t o
Ustawnik pozycyjny
m a t y c z n ie m o ż liw o ś ć d a l s z e g o p r z e m i e s z c z e n i a ł a d u n k u p o z a s t r e fę b e z p ie c z n ą . Z u w a g i n a b e z p ie
E lem enty w y k o n a w c z e a u t o m a t y k i
c z e ń s tw o p r a c y k a ż d a n o w o s k o n s t r u o w a n a m a s z y
p ro ce sach te c h n o lo g ic z n y c h d o b e z p o ś r e d n ie g o
n a p o w in n a b y ć p o d d a n a b a d a n io m e k s p e r y m e n t a l
s te ro w a n ia s t r u m ie n i m a t e r ia l o w o - e n e r g e t y c z n y c h .
(rys. 1)
Pełnią f u n k c ję e l e m e n t ó w p o ś r e d n ic z ą c y c h p o m i ę
n y m o k r e ś la ją c y m c h a r a k te r y s ty k i u d ź w ig u w w a r u n k a c h tz w .
prób stateczności.
dzy r e g u la to r a m i a o b ie k t a m i s t e r o w a n ia
.W a r u n k ie m p o m ia r u u d ź w ig ó w g r a n ic z n y c h je s t k o n ie c z n o ś ć w y z n a c z e n ia o b c ią ż e ń d z ia ła ją c y c h n a p o d po: ry ż u r a w ia . W t r a k c ie b a d a ń z a k ł a d a s ię , ż e ż u r a w p o s a d o w io n y je s t n a p o d p o r a c h w ta k i s p o s ó b , ż e przejim u ją o n e w c a ło ś c i o b c ią ż e n ia w y n ik a ją c e z m a s y ż u r a w ia i ła d u n k u . N a
s to s o w a n e s ą w
rys. 2
p r z e d s ta w io n o sch em at
p r z y k ła d o w e g o s y s te m u p o m ia r o w e g o d o b a d a ń s t a t e c z n o ś c i s t a t y c z n e j ż u r a w i.
(rys. 1).
Typowe p r z e m y s ło w e u r z ą d z e n ie w y k o n a w c z e a u t o matyki s k ła d a s ię z m e m b r a n o w e g o s iło w n ik a p n e u m a ty c z n e g o , u s t a w n ik a p o z y c y jn e g o o r a z z a w o r u r e g u la c y jn e g o
(rys. 2 ).
S iło w n ik p n e u m a ty c z n y
p rz e k s z ta łc a w e jś c io w y s y g n a ł c iś n ie n io w y n a p r z e m ie s z c z e n ie lin io w e g r z y b a z a w o r u r e g u la c y jn e g o .
W s k ła d s y s te m u w c h o d z ą c z t e r y t e n s o m e t r y c z n e p r z e tw o r n ik i m a s y o z a k r e s ie p o m ia r o w y m 5 0 t. Każdy z p r z e t w o r n ik ó w m a s y s p r z ę ż o n y je s t z w ła s n y m p r z e t w o r n ik ie m p o m ia r o w y m z w y jś c ie m c y fr o w y m . Prze tw o r n ik t e n s o m e t r y c z n y m a s y i p r z e t w o r n ik p o m ia r o w y t w o r z ą ł ą c z n ie u r z ą d z e n ie p o d p o r z ą d k o w a n e lokal n e m u s y s te m o w i s ie c io w e m u .
Rys. 1. Miejsce elementu wykonawczego w układzie automatyki
U staw nik p o z y c y jn y , n a z y w a n y r ó w n ie ż p o z y c jo n e rem, p e łn i f u n k c ję u k ła d u r e g u la c ji n a d ą ż n e j tlo c z y s k a siłownika. W e jś c io w y m s y g n a łe m u s ta w n ik a je s t s y gnał n a s ta w ia ją c y C V g e n e r o w a n y p r z e z r e g u la to r . W yjścio w ym s y g n a łe m u s t a w n ik a je s t s y g n a ł c iś n ie nia p o d a w a n y d o k o m o r y s iło w n ik a p n e u m a t y c z n e go. Z a d a n ie m u s t a w n ik a je s t t a k ie s t e r o w a n ie s iło w nika p n e u m a t y c z n e g o , a b y g r z y b z a w o r u n a d ą ż a ł w ie rn ie z a s y g n a ł e m
r e g u la to r a n ie z a le ż n ie o d
zm ie n n ych w a r u n k ó w z e w n ę t r z n y c h , t a k ic h ja k t e m peratura, s iły ta r c ia , s iły h y d r o s ta ty c z n e i h y d r o d y n a m iczne o d d z ia ły w u ją c e n a g r z y b z a w o r u . U s ta w n ik peini z a t e m fu n k c ję lo k a ln e g o u k ła d u r e g u la c y jn e g o .
Rys. 2. Typowy elektropneumatyczny element wykonaw czy automatyki I jego konstrukcja,mechanlczna
Zaw ór r e g u la c y jn y s te r u je p r z e p ły w e m p ły n u r o b o czego z g o d n ie z e s w o ją c h a r a k te r y s ty k ą p r z e p ły w o wą
(rys. 3).
C h a r a k t e r y s t y k i p r z e p ły w o w e z a w o r ó w
są z a le ż n e o d g e o m e tr ii z a w o r ó w .
Ustawnik pozycyjny nie jest stosowany we wszyst kich pneumatycznych urządzeniach wykonawczych. Wówczas sygnałem wejściowym elementu wyko nawczego jest sygnat ciśnieniowy. Sygnał ten naj częściej generowany jest przez przetwornik elektro pneumatyczny dokonujący konwersji elektrycznego sygnału wyjściowego regulatora na sygnat ciśnie nia. Jednakże w tym przypadku charakterystyka sta tyczna sterowania elementu wykonawczego z regu ły jest nieliniow a, a ponadto n iejed no znaczna (rys. 1 na następnej stronie).
0
20
40
60 y ro/ 1
1 80
100
o tw a r c ie z a w o ru
Rys. 3. Standardowe charakterystyki przepływowe zaworów regulacyjnych
4.4 Układy cyfrnMln
304
p n e u m a t y c z n y m , w y n ik a ją c e z o d d z ia ł y w a n i a p o p r z e c z n y c h sil n a c is k u n a p o r u s z a ją c e s ię .t ło c z y s k o s iło w n ik a . U d z ia ł sit t a r c ia m o ż e o s ią g a ć p o z io m d o c h o d z ą c y n a w e t d o k ilk u d z ie s ię c iu p r o c e n t w a r to ś c i sity c z y n n e j r o z w ija n e j p r z e z s iło w n ik .
110 100 90 80 70 60 50 40 30
1 6 . W jaki — -
P r a c u ją o n e w w y s o k ic h t e m p e r a t u r a c h , w w a r u n
s V
10
o k n o m in a ln y 36,1 m m — lw ó r D N 8 0
'
- 'V '
0 0
k a c h w y s o k ic h c i ś n i e ń i w ib r a c ji, c z ę s to w a t m o s f e
h is te re z a 1 o% ■ ■ f | .. 1—
S
20 W a ru n k i p ra c y u k ła d ó w w y k o n a w c z y c h s ą tru d n e .
10
20
30
40
50
60
w o łu ją is to tn e z m ia n y w a r to ś c i sił t a r c ia w z e s p o le n a w c z e g o b e z u s ta w n ik a je s t z a t e m
70
80
9 0 100 110 120
c iś n ie n ie z a s ila n ia w (kPaj
r z e k o r o z y jn e j. T r u d n e i z m ie n n e w a r u n k i p r a c y w y w y k o n a w c z y m . C h a r a k te r y s ty k a e le m e n tu w y k o
Rys. 1. Charakterystyka statyczna elementu wykonawczego bez ustawnika pozycyjnego
80
p rz e m ie s z c z e n ie w z g lę d n e - tio c z y s k a w [% ]
6 0
23.
Na czym polega faza kwantyzacji w przetwarzaniu analogowo-cyfrowym?
24.
Czy przetwarzanie analogowo-cyfrowe wiąże się ze stratą Informacji? warunkach konieczne jest stosowanie układów próbkujących z pamięcią?
30. Dlaczego stosowane są zarówno pamięci statyczne, jak I dynamiczne?
------------------------------
4 0 ------------------------------- ----------------------------------------------------------
2 0
^
—
Jest podstawowa rola układu mikroprocesorowego?
34. Czy urządzenia zewnętrzne są niezbędnym elementem składowym każdego systemu mikroprocesorowego? .
10
20
30
40
50
60
70
80
90
są podstawowe elementy składowe układu mikroprocesorowego?
33. Jaką funkcję w uktadzle mikroprocesorowym pełnią magistrale?
-----------------------------------------------
o
0
100
s y g n a ł w a rto ś c i z a d a n e j S P w [% ]
35. Opisz cykl von Neumanna. 36.
Czy każdy procesor jest mikrokontrolerem?
37. Jakie są zasadnicze różnice pomiędzy architekturą von Neumanna I architekturą typu Harvard? 38. Jakie warunki musi spełniać architektura, aby możliwe było stosowanie przetwarzania potokowego programu?,
U s ta w n ik p o z y c y jn y , p o z a fu n k c ja m i r e g u la c y jn y m i, z d a ln e s t e r o w a n ie i d i a g n o z o w a n ie e le m e n t u w y k o
. W jakim celu stosujemy kodowanie Informacji cyfrowych?
22. Czy transkoder może być zrealizowany na drodze programowej?
32 . Jakie
z y (ry s . 2 ).
p e łn i r ó w n ie ż f u n k c je k o m u n ik a c y jn e u m o ż liw ia ją c e
21
3 1 . Jaka
c e s t e r o w a n ia j a k n a r y s . 1 p o z w a l a n a u z y s k a n ie c h a r a k te r y s ty k i lin io w e j b e z w y r a ź n e j s tr e fy h is te r e -
. w jakim celu wprowadzana jest hlstereza napięciowa w przerzutnlku Schmitta?
29. Jakie są różnice pomiędzy pamięcią EEPROM i pamięcią typu FLASH?
/ x^ ^ ------------
s ty k i e le m e n t u w y k o n a w c z e g o . R o lę t a k ą o d g r y w a c y jn e g o w u k ła d z ie w y k o n a w c z y m o c h a r a k te r y s ty
19
20. Wymień przynajmniej trzy systemy liczbowe stosowane w technice cyfrowej.
28. Czym się różni pamięć PROM od OTPROM? 100 i—| —j—i—j——i—i—j—i—i —\r— — i— i— i— i— i....i— i— i....r™"t.... •]—i—i—i———r j- r t
w e . W ó w c z a s k o n ie c z n e s ta je s ię z a s t o s o w a n ie d o
u s t a w n ik p o z y c y jn y . Z a s t o s o w a n ie u s t a w n ik a p o z y
18 Czy technikę modulacji szerokości Impulsu PWM można zastosować do zmiany strumienia świetlnego diody lumlnescencyjnej?
27. Czy pamięć DRAIVI jest pamięcią ulotną?
s t o s o w a n ie t a k ie g o e l e m e n t u w y k o n a w c z e g o w w ie
c ję n ie je d n o z n a c z n o ś c i i z m ia n w c z a s ie c h a r a k te r y
sposób można zrealizować dzielenie liczby całkowitej przez 3?
jest różnica pomiędzy przerzutniklem stabilnym a astabllnym?
26. Jakie są podstawowe parametry techniczne charakteryzujące przetwornik cyfrowo-analogowy?
c h a r a k te r y s ty k ą z m ie n n ą w c z a s ie e k s p lo a ta c ji. Z a
d a t k o w e g o e le m e n t u , p o z w a l a ją c e g o n a k o m p e n s a
1 7 . Jaka
2 5 . W jakich
d o d a tk o w o
lu u k ła d a c h r e g u la c ji a u t o m a t y c z n e j j e s t n i e m o ż li
305
^5 . Na czym polega operacja adresowania lokacji pamięci?
Z a s a d n ic z ą p r z y c z y n ą w y s tę p o w a n ia n ie je d n o z n a c z n o ś c i c h a r a k te r y s ty k i s ą s iły t a r c ia w s iło w n ik u
4.4 Układy cyfrowe
Rys. 2. Charakterystyka statyczna elementu wykonawczego z ustawnlklem pozycyjnym
n a w c z e g o p r z e z s y s te m s t e r o w a n ia n a d r z ę d n e g o . R e a liz a c ja t a k z ło ż o n y c h z a d a ń je s t m o ż liw a p r z e z z a s t o s o w a n ie s p e c ja liz o w a n e g o , p r z y s to s o w a n e g o do p r a c y w w a r u n k a c h p r z e m y s ło w y c h s y s te m u m ik r o k o m p u t e r o w e g o , w y p o s a ż o n e g o w o d p o w ie d n ie funkcje
39. Dlaczego w architekturze typu RISC stosowana jest ortogonalność Instrukcji? 40. Scharakteryzuj podstawowe różnice pomiędzy magistralami równoległymi I szeregowymi. 41. Wymień podstawowe parametry techniczne magistrali. 42. Czy magistrala dwukierunkowa może pełnić funkcję magistrali jednokierunkowej? 43. Czy pojęcia magistrala I szyna są równoważne?
p ro g ra m o w e .
44. Czy wszystkie magistrale w systemie mikrokomputerowym muszą być magistralami dwukierunkowymi? 45. Na czym polega mechanizm bezpośredniego dostępu do pamięci DMA? .
i
‘z ' ' " 1
'__ 1 '* ’ ' '
^ 1
1. Na czym polega różnica pomiędzy sygnałem ciągłym a cyfrowym?
46. Jakie są podstawowe rodzaje operacji wejścia-wyjścia? 47. Czy stan gotowości może być sygnałem przerwania urządzenia wejścia-wyjścia?
3. Czy informacja i wiadomość są pojęciami równoważnymi?
48. Jakie są zasadnicze różnice w zakresie zastosowań kompensacyjnych i Integracyjnych przetworników analogowo-cyfrowych? 49. Wymień podstawowe tryby pracy mikrokomputera.
4. Czym się różni kodowanie informacji I interpretacja wiadomości?
50. Czym jest zadanie krytyczne czasowo?
5. Czy informacja może mleć wartość o ułamkowej wartości bitowej?
51. Czym różni się priorytet zadania programowego od priorytetu przerwania?
6. Wymień podstawowe typy reprezentacji liczb całkowitych.
52. Na czym polega arbitraż zadań programowych?
7. Czy wartość liczby jest zależna od sposobu Jej interpretacji?
53. W Jakim celu stosowany jest tryb hibernacji mikrokomputera?
2. Jakie są podstawowe elementy składowe bloków funkcjonalnych?
8. Czy znaki diakrytyczne należą do zbioru znaków alfanumerycznych?
54. W jaki sposób można wydłużyć żywotność ogniwa zasilającego system mikrokomputerowy?
9. Czy instrukcja Jest informacją?
55. Wymień grupę potencjalnych aplikacji, w których istotną rolę odgrywa tryb sterowania mocą mikrokom putera?
, 10. Wyjaśnij różnicę pomiędzy kodem instrukcji a kodem mnemonicznym Instrukcji. 11. Jaka jest rola pamięci programu? 12. Wymień podstawowe parametry techniczne charakteryzujące element pamięciowy.
56. Czym różni się algorytm od implementacji?
13. Jakie są podstawowe wyróżniki charakteryzujące rejestr pamięci?
58. Co to jest system operacyjny?
14. Czy rejestry przesuwne są układami sekwencyjnymi?
59. Jakie są podstawowe obiekty języków programowania?
57. Podaj klasyfikację programów.
' 306 60.
________ _____________________________________________________________ _
4.4 Układy cyjrn^, _ _
307
5 Układy pneumatyczne
Czym różni się błąd syntaktyczny od biędu semantycznego?
; 61. Dlaczego stosowane są zarówno języki niskiego, jak i wysokiego poziomu? i 62. Jakie zadania spełniają translatory skrośne? 63. Czy produktem końcowym procesu translacji i kompilacji jest kod maszynowy?
pneumatyka
j i 64. Czym się różni instrukcja od makroinstrukcji?
to t e c h n ic z n e z a s t o s o w a n ia s p r ę ż o n e g o p o w ie tr z a , p r z e w a ż n ie o c iś n ie n iu w y ż s z y m n iż c iś n ie
nie a t m o s f e r y c z n e , n ie k ie d y t a k ż e o c iś n ie n iu n iż s z y m o d c iś n ie n ia a t m o s f e r y c z n e g o .
t i 65. Czym jest przestrzeń adresowa? ■ 1 66. Czy pojęcia argumentu instrukcji 1operandu są równoważne?
Obszary zastosowań pneumatyki:
i 67. Wymień podstawowe tryby adresowania. 68. Czy w tym samym systemie mikrokomputerowym można się spodziewać, że adresowanie implikowane będzie • zrealizowane w krótszym czasie niż adresowanie natychmiastowe? {
g Układy pneumatyczne
_
•
n a p ę d y o b r o t o w e (s iln ik i p n e u m a t y c z n e ) d o w k r ę c a n ia , w ie r c e n ia , s z lifo w a n ia ,
•
n a p ę d y lin io w e (s iło w n ik i p n e u m a t y c z n e ) d o p o d a w a n ia , m o c o w a n ia , p r z e s u w a n ia , w y r z u c a n ia , p o d n o s z e n ia ,
•
n a p ę d y u d a r o w e d o d łu t o w a n ia , w y c in a n ia , p r a s o w a n ia , w y t ła c z a n ia i n ito w a n ia ,
•
d y s z e d o w y d m u c h iw a n ia d e ta li i w ió r ó w ,
70. W jakich obszarach stosowane są procesory sygnałowe? 71. Podaj główne fazy realizacji programu.
•
u r z ą d z e n ia d o c h w y t a n ia i p r z e m i e s z c z a n i a e le m e n t ó w ,
•
w t e c h n ic e o b r ó b k i p o w ie r z c h n io w e j d o n a p y la n ia , m a lo w a n ia n a t r y s k o w e g o , p ia s k o w a n ia ,
72. Dlaczego czas realizacji zadań obsługi przerwań powinien być jak najkrótszy?
•
u r z ą d z e n ia p o m ia r o w e i k o n tr o ln e , n p . w t e c h n ic e k o n tr o li w y m ia r ó w ,
•
w t e c h n ic e t r a n s p o r t o w e j d o t r a n s p o r t u m a t e r ia łó w s y p k ic h ,
69. Do operacji na jakich strukturach danych wygodna jest funkcja autoinkrementacji?
73. Czym się różni procedura od zadania programowego?
•
74. Jaki wpływ ma programista na kształtowanie hierarchii przerwań?
'
'
u r z ą d z e n ia o s z c z e g ó ln y c h w ła ś c iw o ś c ia c h , n p . o g u m ie n ie p n e u m a t y c z n e p o ja z d ó w , p o d u s z k i p n e u m a t y c z n e , n a d m u c h iw a n e m a t e r a c e , p o n to n y , z b io r n ik i, p o m ie s z c z e n ia , b a lo n y , p n e u m a t y c z n e s p r ę
75. Jaka jest rola układu nadzorującego typu watchdog?
ż y n y , tłu m ik i d r g a ń , w ib r o iz o la to ry , a m o r t y z a t o r y , ł o ż y s k a i p r o w a d n ic e p n e u m a t y c z n e , k e s o n y w y k o
76. Opisz mechanizm realizacji programu obsługi przerwania.
r z y s t y w a n e w b u d o w n ic t w ie p o d w o d n y m .
77. Czy dwukierunkowa transmisja jednoczesna może być realizowana w trybie transmisji szeregowej? S z c z e g ó ln ie w a ż n e z n a c z e n ie t e c h n ic z n e m a ją p n e u m a t y c z n e u k ła d y n a p ę d o w o - s t e r u ją c e , w y k o r z y s t y w a n e
78. Jaka Jest różnica pomiędzy transmisją synchroniczną I asynchroniczną?
do w p r a w ia n ia w r u c h e le m e n t ó w m a s z y n lu b t a k ż e d o w y w ie r a n ia o d p o w ie d n ic h sil n a te e le m e n t y , z w a n e
79. Jaka jest różnica pomiędzy transmisją izochroniczną i anizochronlczną?
dalej p n e u m a ty c z n y m i u k ła d a m i s t e r o w a n ia .
80. Czemu służy protokół komunikacyjny? 81. Podaj ograniczenia techniczne komunikacji szeregowej zgodnej ze standardem
IIC .
82. Czy programista ma możliwość dowolnej konfiguracji adresów urządzeń standardu IIC?
P neum atyczne u k ła d y s te ro w a n ia składają się z części s t e r u ją c e j i części e n e r g e t y c z n e j, z w a n e j t a k ż e u k ła d e m n a p ę d o w y m lu b n a p ę d e m
83. Czy sieć IIC jest siecią typu master-slave'! 84. Czy jest możliwe, aby sieć IIC była wykorzystywana do komunikacji z pamięciami typu EEPROM kart płatniczych? 85. Jakie są zasadnicze różnice pomiędzy protokołem IIC I SPI?
i
c z ę ś ć s te ru ją c a
(rys.
1 ).
in te rfe js
c z ę ś ć e n e rg e ty c z n a
86. Czy sieć SPI może być skonfigurowana w układzie multimaster? 87. Czy możliwe jest zrealizowanie w sieciach IIC I SPI dwukierunkowej komunikacji jednoczesnej? 88. Dlaczego komunikacja szeregowa zgodna z RS232 nie jest przeznaczona do zastosowań przemysłowych? 89. Wymień możliwe błędy transmisji ramki znakowej w komunikacji zgodnej z RS232. <
90. Czemu służy bit kontroli parzystości w ramce transmisyjnej w protokole RS232?
;
91. Czy sygnał magistrali RS232 o wartości 0 V jest sygnałem dopuszczalnym?
I'
92. Czy magistrala RS232 może łączyć tylko dwa urządzenia? 93. Dlaczego standard komunikacji szeregowej USB wypiera stopniowo standard RS232? 94. Czy liczba urządzeń w sieci USB jest ograniczona? 95. Jakie są zalety komunikacji równoległej w stosunku do komunikacji szeregowej?
j ! i ‘| j ;j > Ii
96. Czy oryginalny standard komunikacji równoległej Centronics jest standardem umożliwiającym dwukierunkową transmisję danych? 97. Jaka jest różnica pomiędzy rozszerzonym (EPP) i zaawansowanym (ECP) trybem pracy komunikacyjnego portu równoległego? 98. Scharakteryzuj podstawowe wymagania dla mikrokontrolera możliwego do zastosowania w stymulatorze serca? 99. Jakie moduły funkcjonalne powinien posiadać mikrokontroler przeznaczony do zastosowania w zegarze naściennym ze wskazówkami napędzanymi silnikiem skokowym?
I I 1 00. Podaj powody, dla których w nowoczesnym sprzęcie audiofonicznym stosowane są procesory !f ■ sygnałowe. ! '■
Rys. 1. Schemat blokowy pneumatycznego układu sterowania Część sterująca służy do przyjmowania i przetwarzania sygnałów zewnętrznych. W części energetycznej sygnały wyjściowe części sterującej, po wzmocnieniu (interfejs) za pośrednictwem elementów nastawiają cych (zawory robocze), sterują elementami napędowymi (siłowniki, silniki), wprawiającymi w ruch elementy maszyn i wytwarzającymi odpowiednie siły lub momenty.
W zastosowaniach praktycznych korzystnymi cechami pneumatyki są: • • • •
powietrze, jako czynnik roboczy urządzeń pneumatycznych, jest wszędzie dostępne, przejezdne sprężarki umożliwiają użycie sprężonego powietrza w dowolnym miejscu, sprężone powietrze może być transportowane przewodami i magazynowane w zbiornikach, urządzenia pneumatyczne praktycznie są niewrażliwe na wahania temperatury, działanie pól ; elektromagnetycznych, promieniowania, . • urządzenia pneumatyczne mogą być wykorzystywane w obiektach zagrożonych eksplozją i pożarem, • prędkości tłoka siłowników pneumatycznych mogą osiągać duże wartości, do 4,m/s, . :
5.1 Fizyczne podstawy zachowania sprężonego powietrza
308
• !
5 -I Fizyczne podstawy zachowania sprężonego powietrza
A b y n a p o d s ta w ie w s k a z a n ia m a n o m e t r u w y z n a c z y ć w a r to ś ć c iś n ie n ia a b s o lu t n e g o , n a le ż y w y k o r z y s t a ć
m o ż liw e s ą d o o s ią g n ię c ia p r ę d k o ś c i o b r o t o w e d o 3 0 0 0 0 o b r /m in w p r z y p a d k u s iln ik ó w p n e u m a ty c z -
w zory:
n y c h i d o 4 5 0 0 0 0 o b r /m in w p r z y p a d k u m a ły c h tu r b in , p r ę d k o ś c i i sity m o g ą b y ć n a s ta w ia n e b e z s to p n io w o , : •
309
m a s z y n y i u r z ą d z e n ia z n a p ę d e m p n e u m a t y c z n y m s ą o d p o r n e n a p r z e c ią ż e n ia i m a ją
duży 'm o m e n t
ro z ru c h o w y ,
.
w p r z y p a d k u n a d c iś n ie n ia : p abs = p n (m p md,
•
w p r z y p a d k u p o d c iś n ie n ia : p abs = p a,m- p poć.
■ y l p r a k ty c z n y c h o b lic z e n ia c h p r z y jm u je s ię , ż e p„,„, =
•
n a p ę d y p n e u m a t y c z n e m a ją m a t ą m a s ę p r z y p a d a ją c ą n a je d n o s t k ę m o c y ,
•
u r z ą d z e n ia p n e u m a t y c z n e c h a r a k t e r y z u ją s ię w y s o k ą t r w a ło ś c ią , s ą o d p o r n e n a u s z k o d z e n ia i tatw e
1 bar.
„ciśnienie względne”, p W2g ( w z g lę d e m c iś n ie n ia a t m o s f e r y c z n e go); w a r to ś ć t e g o c iś n ie n ia w in n a b y ć p o d a w a n a w r a z z e z n a k ie m p lu s - d la c iś n ie ń w y ż s z y c h o d a t m o s f e W p ra k ty c e w y k o r z y s t u je s ię t a k ż e p o ję c ie
d o n a p ra w y .
ryczn e g o i m in u s - d la c iś n ie ń n iż s z y c h o d a t m o s f e r y c z n e g o , n p .: M o ż liw o ś c i z a s t o s o w a ń n a p ę d ó w p n e u m a t y c z n y c h s ą o g r a n ic z o n e g t ó w n ie p r z e z
ściśliwość powietrza
i ni
s k ie c iś n ie n ie c z y n n ik a r o b o c z e g o , p r z e w a ż n ie m n ie js z e n iż 1 0 b ar.
• je ż e li p mg = + 3 b a r, t o z n a c z y , ż e p nad = 3 b a r o r a z p abs = 4 b a r , • jeżeli p ,«ff = - 0,3 b at; to z n a c z y , że pp0£/= 0,3 b a r o r a z p oils = 0,7
: A; i j i ;
bar
Niekorzystne cechy pneumatyki: •
s p r ę ż a r k i i s z u m y w y p ły w a j ą c e g o p o w ie t r z a w y m a g a j ą n a k ła d ó w n a o c h r o n ę p r z e d h a ła s e m ,
•
m g t a o le jo w a z 'p o w i e t r z a w y p ły w a j ą c e g o z u r z ą d z e ń p n e u m a t y c z n y c h z a n ie c z y s z c z a o t o c z e n ie m ie j-'
i Tab. 1. Jednostki ciśnienia
s c a p ra c y , •
r u c h y s ą s iln ie z a l e ż n e o d o b c ią ż e ń ,
•
t r u d n o ś c i z w ią z a n e z u z y s k a n ie m n ie w ie lk ic h i s ta ły c h p r ę d k o ś c i r u c h ó w ,
•
z e w z g lę d u n a z a k r e s c iś n ie ń p o w ie t r z a r o b o c z e g o , w c e lu u z y s k a n ia d u ż y c h sil, t r z e b a w y k o rz y s ty
N azw a je d n o s t k i
O z n a c z e n ie
w a ć s iło w n ik i o d u ż y c h ś r e d n ic a c h , •
W y m ia r , k r o t n o ś ć je d n o s t k i
J e d n o s tk i Si
d o k ła d n e d o p r o w a d z e n ie r u c h o m e j c z ę ś c i s iło w n ik a d o p o ż ą d a n e g o p o ł o ż e n ia (p o z y c jo n o w a n ie ) w y m a g a z a s t o s o w a n ia t w a r d e g o z d e r z a k a ,
•
k o n ie c z n o ś ć s t o s o w a n ia u r z ą d z e ń ła g o d z ą c y c h ( a m o r ty z u ją c y c h ) z d e r z e n ia z e s p o łu r u c h o m e g o n a
paskal
Pa
p ę d u z e z d e r z a k ie m lu b p o k r y w a m i s iło w n ik a .
5.1 Fizyczne podstawy zachowania sprężonego powietrza 5 .1.1 Powietrze,jako medium robocze .
\
O t a c z a ją c a k u lę z ie m s k ą a t m o s f e r a je s t m ie s z a n in ą g a z ó w , z w a n ą p o w ie tr z e m . W p o b liż u Z ie m i 7 7 ,1 % o b ję
1 Pa = 1 — = 1 -!^ S _ m3 m -s 3
h ektopaskal
hPa
1 h P a = 1 0 0 Pa
kilopaskal
kPa
1 k P a = 1 0 0 0 Pa
m egap askal
MPa
1 M P a = 1 0 0 0 0 0 0 Pa
to ś c i p o w i e t r z a a t m o s f e r y c z n e g o s t a n o w i a z o t , 2 0 , 8 % - t le n , 1,1 % - p a r a w o d n a , 0 , 9 % - a r g o n ; p o zo sta łe 0 , 1 % z a jm u je w o d ó r , d w u t le n e k w ę g la i g a z y s z la c h e t n e : n e o n , h e l, k s e n o n i r a d o n . A k tu a ln y s k ła d p ow ie t r z a w d a n y m m ie js c u u le g a c ią g ły m z m ia n o m w s k u t e k w a h a ń z a w a r to ś c i p a r y w o d n e j i d w u t le n k u w ę g la .
D o d a t k o w a je d n o s t k a le g a ln a
C iś n ie n ie a t m o s f e r y c z n e je s t w y n ik ie m p r z y c ią g a n ia p r z e z Z ie m ię c z ą s t e k g a z ó w z a w a r ty c h w po w ietrzu . W s k u t e k z m ie n ia ją c e g o s ię p r z e s t r z e n n e g o r o z k ła d u m a s p o w ie tr z a c iś n ie n ie a t m o s f e r y c z n e w d a n y m m iejscu
bar
bar
1 b a r = 1 0 0 0 0 0 Pa
u le g a c ią g ły m z m ia n o m . Ś r e d n ia w a r to ś ć c iś n ie n ia a t m o s f e r y c z n e g o n a p o z io m ie m o r z a w y n o s i 1 ,0 1 3 bar. W r a z z e w z r o s t e m w z n ie s ie n ia n a d p o z io m
m o r z a c iś n ie n ie a t m o s f e r y c z n e m a le je ; n a w y s o k o ś c i około J e d n o s t k i u ż y w a n e p r z e d w p r o w a d z e n i e m je d n o s t e k S I
5 5 0 0 m je s t ju ż o p o io w ę m n ie js z e . J e d n y m z p o d s t a w o w y c h p a r a m e t r ó w p o w ie t r z a j a k o c z y n n ik a r o b o c z e g o u k ła d ó w p n e u m a ty c z n y c h jest je g o c iś n ie n ie ( t a b . 1 n a n a s t ę p n e j s t r o n i e ) . W z a le ż n o ś c i o d m a s y p o w ie tr z a z a w a r t e g o w d a n y m zbiorniku
atm osfera te c h n ic z n a
at
1 at =
cm 3
» 98 100 Pa « 1 bar
w y w ie r a o n o m n ie js z y lu b w ię k s z y n a c is k n a ś c ia n y z b io r n ik a . P o c a łk o w it y m w y p o m p o w a n iu p o w ie tr z a ze z b io r n ik a (p o u z y s k a n iu p r ó ż n i w z b io r n ik u ) p a n o w a ł o b y w n im c iś n ie n ie o w a r to ś c i z e r o . W p r o w a d z a ją c do
metr stu p a w o d y
m H 20
t a k ie g o z b io r n ik a s t o p n io w o p o w ie tr z e , c iś n ie n ie n a r a s ta ło b y , p o c z ą w s z y o d w a r to ś c i z e r o w e j - je s t to tzw.
1 m H 2O > = 9 8 1 0 P a » 0 , 1 b a r
c iś n ie n ie a b s o lu t n e ( b e z w z g lę d n e ) , p a b s . milimetr s łu p a w o d y W z a s t o s o w a n ia c h p r a k t y c z n y c h w a r to ś ć c iś n ie n ia p a n u ją c e g o w d a n y m z b io r n ik u m o ż e b y ć p o d a w a n a
m m H 20
1 m m H 20
9,8 1 P a
w r ó ż n y s p o s ó b ; Z e w z g lę d u n a to , ż e m a n o m e t r m ie r z ą c y c iś n ie n ie w d a n y m z b io r n ik u p o d a je je d y n ie , w a r to ś ć r ó ż n ic y p o m i ę d z y w a r to ś c ią c iś n ie n ia a b s o lu t n e g o p abs a w a r to ś c ią c iś n ie n ia a tm o s fe r y c z n e g o . p 0,m , w s k a z a n ie m a n o m e t r u n a z y w a m y : •
w p r z y p a d k u c iś n ie ń w y ż s z y c h o d a t m o s f e r y c z n e g o - n a d c i ś n i e n i e m , p n ad ,
•
w p r z y p a d k u c i ś n i e ń n iż s z y c h o d a t m o s f e r y c z n e g o - p o d c i ś n i e n i e m , p p o d .
m ilim etr s łu p a rtęci, to r (g
Hg=
1 3 5 9 5 k g /m 3)
m m H g , Tr
1 mmHg
1 3 3 ,4 P a
•
i.,’ ^ 5.1 Fizyczne podstawy zachowania sprężonego powietrza
310
5,1 Fizyczne podstawy zachowania sprężonego powietrza
311
5 .1.2 Podstawowe prawa gazowe
02
Oi
J a k j u ż w s p o m n ia n o , p o w ie tr z e w z a m k n ię t y m z b io r n ik u w y t w a r z a n a c is k n a j e g o ś c ia n y ; w ie lk o ś ć te g o na c is k u w y r a ż a m y p r z e z p o d a n ie w a r to ś c i c iś n ie n ia (a b s o lu t n e g o ).
Stan fizyczny powietrza : •
w z a m k n ię t y m z b io r n ik u
(rys. 1)
-0,-1----
- 0 2——
j e d n o z n a c z n i e o k r e ś la ją tr z y p a r a m e tr y ;
t e m p e r a t u r a T (w k e lw in a c h ),
•
c iś n ie n ie p (w p a s k a la c h ) ,
•
o b ję t o ś ć V (w m 3).
Rys. 1. Przepływ lamlnarny
Rys. 3. Natężenie przepływu objętości
J e ż e li o b ję t o ś ć t e g o p o w ie t r z a z o s t a n ie z m n ie js z o n a
p a ra m e tre m o k r e ś la ją c y m w ie lk o ś ć p r z e p ły w u w p r z e w o d z i e je s t n a t ę ż e n ie p r z e p ły w u o b ję t o ś c i (s tr u m ie ń
o d w a r to ś c i V , d o V2 z z a c h o w a n ie m n ie z m ie n io n e j
ob jętości) O :
t e m p e r a t u r y ( p r z e m ia n a i z o t e r m ic z n a ) , to c iś n ie n ie i w z r o ś n ie o d p o c z ą t k o w e j w a r t o ś c i P i d o p 2. T a k a n a z y w a s ię
przemianą izotermiczną.
P2t^2
Z a le ż n o ś ć p o
O
=
■ p r ę d k o ś ć s tru g i,
A
v.
m ię d z y p a r a m e t r a m i s t a n u p o c z ą t k o w e g o i k o ń c o w e g o p r z e m ia n y iz o te r m ic z n e j w y r a ż a
n a t ę ż e n ie p r z e p ły w u o b ję t o ś c i = p o w ie r z c h n ia p r z e k r o ju p r z e w o d u
p rz e m ia n a I iz o te rm lc z n a
P t ', V ,
; z m ia n a s ta n u z a w a r te j w z b io r n ik u ilo ś c i p o w ie tr z a
prawo Boy-
kow e
p i Tń =P 2
praw o
lu b ,
le’a ’ i M ariotte’a2.
p
(rys. 3),
p r z y z m ia n ie p o w ie r z c h n i p r z e k r o ju p r z e w o d u z a c h o d z i:
Boyle'a-Marlotte'a :
U = o o n s t.
O g r z e w a n ie p o w ie tr z a w z b io r n ik u , w w y n ik u c z e g o 0
: w z r o ś n ie t e m p e r a t u r a o d w a r to ś c i T , d o T2, p r z y z a -
iz o b a ry c z n a
; w z r o s tu t e m p e r a t u r y . T a k a z m ia n a s t a n u p o w ie tr z a
(Pi =Pa)
przemianą izobaryczną.
■ w e g o p r z e m ia n y iz o b a r y c z n e j w y r a ż a
p ra w o C h a r łe s a i G a y -L u s s a c a
lesa3 i Gay-Lussaca4.
4 r = \A |
S to su n ek p o w ie r z c h n i p r z e k r o jó w p r z e w o d u je s t o d w r o t n ie p r o p o r c jo n a ln y d o s t o s u n k u p r ę d k o ś c i p ł y n ą c e go c z y n n ik a .
tury, T a k a z m ia n a s ta n u p o w ie tr z a n a z y w a s ię
u zup ełn ić o w a r to ś ć c iś n ie n ia , p r z y ja k im o d b y w a s ię p r z e p ły w . N p . p r z e p ły w p o w ie tr z a o w a r to ś c i O = 1 m 3/s i n a d c iś n ie n iu 5 bar, t o p r z e p ły w d u ż o w ię k s z e j m a s y p o w ie tr z a n iż p r z e p ły w p o w ie tr z a o w a r to ś c i 0
= 1 m 3/s
czeniu n a c iś n ie n ie tz w . z n o r m a liz o w a n e j a tm o s f e r y o d n ie s ie n ia 1 p al)s = 1 bar.
n ia w z b io r n ik u p r o p o r c jo n a ln y d o w z r o s tu t e m p e r a
prze
t-L
CU /
/
W y m ie n io n e tr z y p r a w a , o p is u ją c e z m ia n y s ta n u g a
22 J
/
j~ " f 2
ci je d n e g o r ó w n a n ia , z w a n e g o o g ó ln y m r ó w n a n ie m
iu b
(V, =V2)
/ 7 /y ~ 7
£ i - El
z u w z a m k n ię t y m z b io r n ik u , m o ż n a w y r a z ić w p o s ta
p rz e m ia n a iz o c h o ry c z n ą
P u h P
prawo Gay-Lussaca.
c ie p ło
k
,
O/
Z a l e ż n o ś ć p o m ię d z y p a r a m e
tra m i s t a n u p o c z ą t k o w e g o i k o ń c o w e g o p r z e m ia n y
Przykład:
,
O b lic z m y , j a k ą o b ję t o ś ć z a jm ie 1 m 3 p o w ie t r z a o n a d c iś n ie n iu 5 b a r p o r o z p r ę ż e n iu d o c iś n ie n ia z n o r m a liz o w a n e j a t m o s f e r y o d n ie s ie n ia . U w a g a ! W p r a k t y c z n y c h o b lic z e n ia c h z a k ła d a s ię , ż e c iś n ie n ie a t m o s f e r y c z n e j e s t r ó w n e c iś n ie n iu z n o r m a -
[ 2. p ra w o G a y -L u s s a c a
~ r = const
ii z o w a n e j a t m o s f e r y o d n i e s i e n i a . R o z w ią z a n ie :
Nadciśnieniu p m d ~ 5 bar odpowiada ciśnienie absolutne pate = 6 bar. Korzystając z prawa Boyle'a i Mariotte'a,
s ta n u g a z u
h
lu b
! ciśnieniu a tm o s f e r y c z n y m . D la t e g o te ż p r z y ję to p o d a w a ć in fo r m a c ję o w a r to ś c i s tr u m ie n ia o b ję to ś c i w p r z e li
p r z y n ie z m ie n n e j o b ję t o ś c i, p o w o d u je w z r o s t c iś n ie
Pi • V\
A z - v2
Aby in fo rm a c ja o w ie lk o ś c i p r z e p ły w u , p o d a w a n a ja k o s tr u m ie ń o b ję to ś c i, b y ła je d n o z n a c z n a , n a le ż a ło b y ją
1.
prawo Char-
W z r o s t t e m p e r a t u r y p o w ie t r z a o d w a r to ś c i T , d o T2,
iz o c h o r y c z n e j w y r a ż a
«A, • Vi =
Z a le ż n o ś ć p o -
; m ię d z y p a r a m e t r a m i s t a n u p o c z ą t k o w e g o i k o ń c o -
mianą izochoryczną.
O , = Q 2,
Az przem iana
! w o d u je w z ro s t je g o o b ję to ś c i p r o p o r c jo n a ln y d o n a z y w a s ię
= c o n s t,
c ie p ło
: c h o w a n iu s ta łe j w a r to ś c i c iś n ie n ia w z b io r n ik u , p o -
P2 ' V2 r2
lu b
= c o n s t.
Rys. 1. ilustracja przemian gazowych
dla p, = 6 bar, p 2 = 1 bar,
= 1 m3, otrzymujemy
Vz = V, • & = 6 m3 .
P2
5 .1.3 Rodzaje i parametry przepływu gazu
>
Zatem przepływ o wartości O = 1 m3/s powietrza w warunkach nadciśnienia 5 bar jest równoważny, co do ilości płynącego powietrza, przepływowi 0 = 6 m3/s przy ciśnieniu znormalizowanej atmosfery odniesienia.:
przepływy laminarne (uwarstwione) i turbulentne (rys. 1 na następnej stronie) s ą s ie d n ie w a r s tw y g a z u lub c ie c z y p ły n ą r ó w n o le g le d o s ie b ie , n ie m ie s z a ją c s ię z e s o b ą . P r z e p ły w t u r b u le n t n y (rys. 2 na następnej stronie) o d b y w a s ię z s iln y m i z a w ir o w a n ia m i, z c z y m z w ią z a n e s ą w ię k s z e s tr a ty c iś n ie n ia . W p rz e w o d a c h
R o z r ó ż n ia s ię d w a r o d z a je p r z e p ły w ó w g a z u iu b c ie c z y :
(burzliwe). W
p r z y p a d k u p r z e p ły w u l a m in a r n e g o
Podając wartość natężenia przepływu w przeliczeniu na ciśnienie znormalizowanej atmosfery odniesienia, po jednostce należy zamieszczać symbol (ANR)2, np. O = 6 m3/s (ANR).
u k ła d ó w p n e u m a t y c z n y c h w y s t ę p u ją z w y k le p r z e p ły w y t u r b u le n t n e . P r z e p ły w y la m in a r n e m o g ą w ystąpić w c ie n k ic h i d łu g ic h p r z e w o d a c h lu b k a n a ła c h , p r z y n ie w ie lk ic h r ó ż n ic a c h c iś n ie ń . 1 R o be rt B oyle (1627 -1 69 1 ) - ang ie lski ch om ik, fizyk i liiozo f; 2 Edm ó M ariotta (1 6 20 -1 60 4 ) - fizyk francuski; (1746 -1 82 3 ) - francuski fizyk i ch em ik; * L ou is J o se p h G ay-Lussac (1770 -1 85 0 ) - fra ncu ski fizyk i ch o m ik -
3 Ja cqu es A leksandrę CftarW
Warunki zn orm alizow an e j a tm o slo ry odn ie sie nia okre śla n orm a P N -92/M -73703 „N a p ę d y i sterow ania p ne um atyczn e. Znorm a lizo w an a atm os'' je st o d p o w ie d n ikie m n o rm y m ięd zyn a ro d o w e j ISO 8778. W a ru n ki z n o rm alizow an e j a tm osfe ry odn ie sie nia : tem peratura C, w ilg o tn o ść w zg lę d n a 65% , ciśn ie nie a b so lu tn o 100 kPa (1 bar); > ANR - z franc. A tm osp h oro N orm aio d o R oforenco
¿eUPPSlĄ ; 1 ' >i
5,1 Fizyczne podstawy zachowania sprężonego powietrza
5.1 Fizyczne podstawy zachowania sprężonego powietrza
312
5.1.4 Parametry charakteryzujące stan powietrza roboczego
"tab. 1. Klasy zawodnienia
\
313 Tab. 2. Klasy zaolejenia
Klasa
Największy ciśnieniowy punkt rosy °C
Klasa
Największe stężenie oleju* mg/m3
1 2
-70 -40
1 2
0,01
3 4
-20
3 4 5
D o w y tw a r z a n ia s p r ę ż o n e g o p o w ie tr z a p o b ie r a n e je s t p o w ie tr z e a tm o s fe r y c z n e . Z a w ie r a o n o r ó ż n e z a n le c z y s z c z e n ia w p o s ta c i c z ą s te k c ia l s ta ły c h (k u rz ,, s a d z a , p y tk i), w o d y , ro z tw o r ó w s u b s ta n c ji c h e m ic z n y c h . Ponadto w t r a k c ie .s p r ę ż a n ia d o s p r ę ż o n e g o p o w ie tr z a d o s ta ją s ię p e w n e ilo śc i o le ju u ż y t e g o d o s m a r o w a n ia sprężarki. Z a n ie c z y s z c z e n i a p r z e d o s t a ją c e s ię w r a z z e s p r ę ż o n y m p o w ie tr z e m d o u k t a d ó w p n e u m a ty c z n y c h m o g ą b y ć p r z y c z y n ą z a k ł ó c e ń w p r a c y u r z ą d z e ń i p r z e b ie g u p r o c e s ó w p r o d u k c y jn y c h .
+3 +7
W z a le ż n o ś c i o d z a s t o s o w a n ia u r z ą d z e ń i u k ł a d ó w p n e u m a t y c z n y c h w y n ik a ją r ó ż n e w y m a g a n ia d o ty c z ą c e
5
c z y s to ś c i s p r ę ż o n e g o p o w ie tr z a . In n e w y m a g a n i a b ę d ą s t a w ia n e p o w ie tr z u z a s ila ją c e m u m a s z y n y b u d o w la
6
+ 10
n e , in n e m a ją c e m u k o n ta k t z ż y w n o ś c ią , in n e w p r z e m y ś le f a r m a c e u t y c z n y m i c h e m ic z n y m .
7
n ie o k re ś la się
0 ,1
1 5 25
' P rz y c iś n ie n iu a b s o lu tn y m 1 b a r i te m p e ra tu r z e + 2 0 ° C .
W c e lu u je d n o lic e n ia p r z e k a z y w a n ia in fo rm a c ji o w y m a g a n e j c z y s to ś c i s p r ę ż o n e g o p o w ie tr z a n o r m a P N -IS O 8 5 7 3 - 1 1 o k r e ś la k la s y c z y s to ś c i s p r ę ż o n e g o p o w ie tr z a , p r z y c z y m r o z r ó ż n ia s ię tr z y p o d s ta w o w e rodzaje
Atmosferyczny punkt rosy
c z y n n ik ó w z a n i e c z y s z c z a ją c y c h s p r ę ż o n e p o w ie tr z e : s u b s ta n c je s ta le , w o d ę i o le j.
w ie trz a s t a ła b y s ię n a s y c e n ie m .
je s t t o w y r a ż o n a w ° C t e m p e r a t u r a , w k tó r e j d a n a w ilg o t n o ś ć a b s o lu t n a p o
W m ia rę w z r o s tu c iś n ie n ia p o w ie tr z a lin ia p u n k tu r o s y o b n iż a s ię w s t o s u n k u d o p o k a z a n e j n a
Klasy zanieczyszczeń substancjami stałymi o k r e ś la tab. 1, klasy zawodnienia - tab. 1 na następnej stronie i klasy zaolejenia - tab. 2 na następnej stronie.
poprzedniej stronie
Ciśnieniowy punkt rosy
Tab. 1. Klasy zanieczyszczeń substancjami stałymi
rys. 1 na
linii a t m o s f e r y c z n e g o p u n k tu ro sy.
je s t t o w y r a ż o n a w ° C t e m p e r a t u r a , w k tó r e j d a n a w ilg o t n o ś ć a b s o lu t n a p o w ie -
trza s p r ę ż o n e g o s t a ła b y s ię n a s y c e n ie m .
Klasa
Największy wymiar cząstki zanieczyszczenia pm
Największe stężenie masowe zanieczyszczeń* mg/m3
0,1
0,1
1 2
1
1
3
5
5
4
15
8
5
40
10
In fo rm a c ja o w ilg o t n o ś c i s p r ę ż o n e g o p o w ie tr z a w f o r m ie c iś n ie n io w e g o p u n k tu r o s y w y r a ż a fa k t, ż e z p o w ie trza o d a n y m c iś n ie n iu m o ż e w y k r a p la ć s ię w o d a d o p ie r o p o o z ię b ie n iu t e g o p o w ie tr z a p o n iż e j t e m p e r a t u r y c iś n ie n io w e g o p u n k tu rosy.
Zgodnie z normą P N -IS O 8573-1 informację o w ym aganej czystości powietrza podaje się w nastę pującej formie ( p r z y k ła d o w e w y m a g a n ie ) : „K lasa c z y s to ś c i s p r ę ż o n e g o p o w ie tr z a : k la s a z a n i e c z y s z c z e n ia s u b s ta n c ja m i s ta ły m i 2 .; k la s a z a w o d n i e nia 3'.; k la s a z a o le je n ia s u m a r y c z n e g o (k r o p le , a e r o z o le i p a r y ) 4 ." Z a le c a n e k la s y ja k o ś c i s p r ę ż o n e g o p o w ie tr z a d la r ó ż n y c h z a s t o s o w a ń p o d a je
tab. 3.
* P rz y c iś n ie n iu a b s o lu tn y m 1 b a r i te m p e ra tu r z e + 2 0 ° C .
Tab. 3. Zalecane klasy jakości sprężonego powietrza W je d n o s t c e o b ję t o ś c i p o w ie t r z a o d a n y m c iś n ie n iu
Zastosowanie
i w d a n e j t e m p e r a t u r z e m o ż e z n a j d o w a ć s ię ty lk o o g r a n ic z o n a ilo ś ć p a r y w o d n e j . M a k s y m a l n a ( g r a n ic z n a ) ilo ś ć
pary wodnej,
ja k ą m o ż e p r z y ją ć 1 m 3
p o w ie t r z a o d a n y m c iś n ie n iu i w d a n e j t e m p e r a t u r z e , n a z y w a s ię
nasyceniem.
N a d m ia r p a r y p o w y ż e j
n a s y c e n ia s k r a p la s ię .
Z a l e ż n o ś ć g r a n ic z n e j z a w a r t o ś c i p a r y w o d n e j w p o w ie t r z u a t m o s f e r y c z n y m p r z e d s t a w ia w y k r e s n a
rys. 1.
L in ia n a t y m w y k r e s ie n a z y w a n a je s t
( n a s y c e n ia ) o d te m p e ra tu ry
linią punktu rosy;
n a d m ia r p a r y pow yżej
te j linii w y k r a p la s ię w p o s ta c i ro s y . J a k w id a ć , n a s y c e n ie m a le je w r a z t e m p e r a t u r ą .
Zawartość pary wodnej w powietrzu atmosferycznym • •
wilgotność absolutną wilgotność w zględną te m p e r a t u r z e : ę =
f
m o ż n a w y r a z ić w r ó ż n y s p o s ó b , a m ia n o w ic ie jako:
f [ g /m 3],
r p - w y r a ż o n y w % s t o s u n e k w ilg o t n o ś c i a b s o lu t n e j f d o n a s y c e n ia fma>, w d a n e j ■
100 % ,
atmosferyczny punkt rosy. 1 P N -IS O 8573-1 „S p rę żon o pow ietrze o g ó ln e g o stosow ania. Zanieczyszcze nia i kla sy czystości"
,
Klasa zanieczyszczenia substancjami stałymi
Klasa zawodnienia
Klasa zaolejenia sumarycznego
B u dow nictw o, g ó rn ic tw o
4
5
5
Małe silniki p n e u m a ty c z n e
3
3 -1
3
Ciężkie silniki p n e u m a ty c z n e
4
6 -1
5
M aszyny o b u w n ic z e , o d le w n ic z e
4
6
5
M aszyny p a k u ją c e , te k s ty ln e
4
4
N a rzę d zia p n e u m a ty c z n e
4
4
O brabiarki
5
4
3 -2 •
5 5
O b ró b ka film ó w fo to g ra fic z n y c h
1
1
1
P iasko w an ie
-
4
3
Siłowniki p n e u m a ty c z n e
5 -3
4
5
Transport a rty k u łó w s p o ż y w c z y c h
5 -3
4
1
Transport m a te ria łó w s y p k ic h
2
4
3
T w biny p n e u m a ty c z n e
2
2
3
I
j. i
5.2 Budowa uktadu pneumatycznego
314
1. Wymień obszary zastosowań pneumatyki. 2. Jakie są korzystne cechy pneumatyki? 3. Jakie są wady pneumatyki? 4. Co nazywamy ciśnieniem absolutnym, ciśnieniem względnym, nadciśnieniem, podciśnieniem? 5. Wymień legalne jednostki ciśnienia I określić za leżności między nimi. 6. Wymień rodzaje przemian gazowych i sformułuj opisujące je zależności.
7 " ........... — T -T T " " " la 7. W jakich jednostkach wyrażamy wartość natężę-•; nia przepływu? , 8. Jakie rodzaje zanieczyszczeń występują w sprężo.ł nym powietrzu? 9. Co to jest wilgotność absolutna oraz wilgotność względna? 10. Co to jest linia punktu rosy? 11. Co to jest atmosferyczny punkt rosy?
14
5,2 Budowa układu pneumatycznego
315
iji/ u k ł a d z i e w y t w a r z a n i a s p r ę ż o n e g o p o w i e t r z a s p r ę ż a r k a z a s y s a p o w ie t r z e z a t m o s f e r y i s p r ę ż a je . P o w ietrze o g r z a n e w w y n ik u s p r ę ż a n ia je s t s c h ła d z a n e w c h ło d n ic y . W y t r ą c a ją c y s ię k o n d e n s a t w o d n y je s t o d p ro w a d z a n y p r z e z o d d z ie la c z . S p r ę ż o n e p o w ie tr z e w p ły w a n a s t ę p n ie d o z b io r n ik a , s k ą d p r z e z s ie ć p r z e w o dów d o p r o w a d z a n e je s t d o p o s z c z e g ó ln y c h u k ła d ó w s t e r o w a n ia . K a ż d y u k ła d s t e r o w a n ia je s t w y p o s a ż o n y w tzw . z e s p ó ł p r z y g o t o w a n i a p o w i e t r z a , w k tó r y m , z a n im p o w ie tr z e d o t r z e d o z a w o r u g łó w n e g o u k ta d u s te ro w a n ia , je s t o n o p r z e f ilt r o w a n e , p o d d a n e p r o c e s o w i r e g u la c ji c iś n ie n ia i c z ę s t o , w c e lu s m a r o w a n ia u rz ą d z e ń p n e u m a t y c z n y c h , n a s y c a n e m g t ą o le jo w ą . p o g lą d o w y s c h e m a t in s t a la c ji p n e u m a t y c z n e j z j e d n y m
u k ła d e m
s te r o w a n ia p o k a z a n o n a r y s . 1 n a
p o p r z e d n ie j s t r o n i e . W p r z e d s ta w io n y m n a r y s u n k u u k ła d z ie s t e r o w a n ia d e t a l z o s t a je z a m o c o w a n y z a p o
12. W jakiej postaci należy formułować informację o wymaganej czystości powietrza?
m ocą s iło w n ik a j e d n o s t r o n n e g o d z ia ła n ia , a n a s tę p n ie w y g in a n y p r z e z s iło w n ik d w u s t r o n n e g o d z ia ła n ia . VI/ p ra k ty c e b u d o w ę u k ła d ó w p n e u m a ty c z n y c h p r z e d s t a w ia s ię z w y k o r z y s t a n ie m s y m b o lic z n y c h o z n a c z e ń
5.2 Budowa Układu pneumatycznego
p o s z c z e g ó ln y c h e le m e n t ó w f u n k c jo n a ln y c h u k ła d u . T a k i s c h e m a t s y m b o lic z n y p o k a z a n y je s t n a r y s . 1 n a
Z w y k le w z a k ła d z ie p r z e m y s ło w y m , n a u ż y t e k w s z y s t k ic h w y k o r z y s t y w a n y c h w n im p n e u m a ty c z n y c h ukła d ó w s t e r o w a n ia , p r a c u je je d e n u k ła d w y t w a r z a n ia s p r ę ż o n e g o p o w ie tr z a ( r y s . 1 ) .
p o p r z e d n ie j s t r o n i e o b o k s c h e m a t u p o g lą d o w e g o . S y m b o le g r a f ic z n e d o t w o r z e n ia s c h e m a t ó w s y m b o li c z n y c h u k ł a d ó w p n e u m a t y c z n y c h p o d a j e n o r m a PN IS O 1 2 1 9 - 1 1, a z a s a d y r y s o w a n ia s c h e m a t ó w - n o r m a
s c h e m a t p o g lą d o w y
schem at s y m b o lic z n y
P N - I S O 1 2 1 9 - 2 2.
5.2.1 Uktad wytwarzania sprężonego powietrza
s iło w n ik je d n o s tro n n e g o d z ia ła n ia
Sprężarki S p rę żarki s p r ę ż a ją z a s y s a n e z a t m o s f e r y p o w ie tr z e d o ż ą d a n e g o c iś n ie n ia r o b o c z e g o . F iltr s s a w n y o d d z ie la kurz i in n e c z ą s tk i o d z a s y s a n e g o p o w ie tr z a .
e le m e n ty napędow e s iło w n ik \ 1 d w u s tro n n e g o ' i d z ia ła n ia
JP
&
t--t>
Ze w z g lę d u n a s p o s ó b s p r ę ż a n ia r o z r ó ż n ia s ię s p r ę ż a r k i w y p o r o w e i p r z e p ł y w o w e ( t a b . 1 n a n a s t ę p n e j
S
i
stro n ie). S p rę ż a r k i w y p o r o w e d z ia ła ją n a z a s a d z ie z a s s a n ia p o w ie t r z a d o k o m o r y s p r ę ż a n ia , z a m k n ię c ia , s p r ę ż e n ia
I
M:
i p r z e tto c z e n ia s p r ę ż o n e g o p o w ie tr z a d o z b io r n ik a .
v e le m e n t ste ru ją c y
S p rę ż a r k i w y p o r o w e t ł o k o w e j e d n o s t o p n io w e s ą s t o s o w a n e d la c iś n ie ń r o b o c z y c h d o 1 0 b a r i w y d a jn o ś c i zaw ór ro zd z ie la ją c y
■zawór d ła w ią c o -z w fo łn y
do 1 0 0 m 3/ h (A N R ) .
3/2
z a w o ry -(ro z d z ie la c z e )-
^
Dla s t a n d a r d o w y c h w a r to ś c i c iś n ie ń r o b o c z y c h 7 - 1 0 b a r, p r z y k tó r y c h p r a c u je w ię k s z o ś ć u k ła d ó w p n e u m a
za w ó r g łó w n y
tyczn yc h , s to s u je s ię s p r ę ż a r k i t ło k o w e d w u s t o p n io w e z c h ło d z e n ie m . P r z y c h ło d z e n iu n iię d z y s t o p n io w y m
r u k ła d s te r o w a n ia
s m a ro w n ic a
po w ie trz e o g r z a n e w w y n ik u s p r ę ż a n ia w s t ę p n e g o z o s t a je s c h ło d z o n e , m o ż liw ie d o t e m p e r a t u r y z a s y s a n ia , przed d o p r o w a d z e n ie m d o d r u g ie g o , w y s o k ie g o s t o p n ia s p r ę ż a n ia .
W
~
za w ó r ro z d z ie la ją c y
3/2
S p r ę ż a r k i w y p o r o w e m e m b r a n o w e s p r ę ż a ją p o w ie tr z e z a p o m o c ą s z c z e ln e j, n a p ię t e j m e m b r a n y . N a d a ją się o n e s z c z e g ó ln ie d o w y t w a r z a n ia s p r ę ż o n e g o p o w ie t r z a p o z b a w i o n e g o z a n i e c z y s z c z e ń o le je m , n p . d o
¥
z e s p ó ł p rz y g o to w a n ia p o w ie trz a
z a s to s o w a ń w p r z e m y ś le s p o ż y w c z y m i d o z a s ila n ia s p r z ę t u m e d y c z n e g o . O s ią g a n e c iś n ie n ia r o b o c z e - d o 10 bar. S p r ę ż a r k i m e m b r a n o w e s ą w z a s a d z ie b e z o b s lu g o w e .
filtr ssa w n y
u k ła d w y tw a rz a n ia s p rę ż o n e g o p o w ie trz a
za w ó r b e z p ie c z e ń s tw a
S p rę ż a rk i r o t a c y j n e p r a c u ją b a r d z o c ic h o i p r z y s p r ę ż a n iu d w u s t o p n io w y m z c h ło d z e n ie m m ię d z y s to p n io w y m w ytw arzają c iś n ie n ia r o b o c z e d o o k o ło 7 bar. J e ż e li p o d c z a s s p r ę ż a n ia w p r o w a d z a n y je s t o le j d o k o m ó r s p r ę ż a nia, to w je d n o s t o p n io w y c h s p r ę ż a r k a c h r o ta c y jn y c h ś r u b o w y c h i w ie lo k o m o r o w y c h m o ż n a o s ią g a ć c iś n ie n ia do 1 0 bar. W tr y s k iw a n y o le j s łu ż y d o c h ło d z e n ia , s m a r o w a n ia i u s z c z e ln ia n ia w ir n ik a w z g lę d e m o b u d o w y . S p r ę ż a r k i ś r u b o w e s k ła d a ją s ię z d w ó c h w z a je m n ie s p r z ę ż o n y c h w a ló w z p r o file m ś r u b o w y m ( r y s . 1 n a n a s tę p n e j s t r o n i e ) . P o d c z a s o b r o t u o b a p r o file o b t a c z a ją s ię , u s z c z e ln ia ją c s ię w z a je m n ie i p r z y ty m p r z e - , ilacza ją p o w ie t r z e p r z y ś c i a n a c h k o r p u s u o d s t r o n y s s a w n e j d o s t r o n y c i ś n i e n i o w e j .
Rys. 1. Pneumatyczny uktad sterowania z układem wytwarzania sprężonego powietrza I zespołem przygotowania powietrza ___________
’ PN-ISO 1219-1 „N a p ę d y i starow ania h ydrau liczn e i p n e um atyczn o. S ym b o lo g ra ficzn a i sch em aty układ ó w . S ym b o le gra ficzne "; PN -ISO 1 2 1 9-2 „N a p ę d y i sterow ania h ydrau liczn o I p n e um atyczn o. S ym b o le g ra ficzne i sch em aty układ ó w . S che m a ty u kła d ó w "
5,2 Budowa układu pneumatycznego
5.2 Budowa układu pneumatycznego
316 Sprężarki rotacyjne wielokom orowe
p o w ie tr z a w y s o k ie g o c iś n ie n ia z o s t a je w y łą c z o n y s iln ik e le k t r y c z n y . P o o b n iż e n iu c iś n ie n ia d o z a ło ż o n e j
z a s y s a ją p o
w ie t r z e p r z e z filtr s s a w n y i z a w ó r s s a w n y
(rys. 2).
317
I
w a rto ś c i m in im a ln e j ( m n ie js z e j o d w a r to ś c i m a k s y m a ln e j o 0 , 2 - 0 , 4 b a r ) s p r ę ż a r k a p o n o w n ie je s t u r u c h a m ia na. E k o n o m ic z n a c z ę s to ś ć w łą c z e ń - p o n iż e j 2 0 w łą c z e ń n a m in u tę .
P o d c z a s s p r ę ż a n ia d o k o m ó r s p r ę ż a r k i w tr y s k iw a n y je s t o le j w c e lu s m a r o w a n ia i c h ło d z e n ia . Z a n im p o
yy p r z y p a d k u s p r ę ż a r e k o d u ż e j w y d a jn o ś c i, z e w z g lę d u n a ic h d u ż y m o m e n t r o z r u c h o w y , s t o s u je s ię , p o
w ie t r z e z o s t a n ie p r z e k a z a n e d o s ie c i, o le j je s t o d d z ie
o s ią g n ię c iu c iś n ie n ia m a k s y m a ln e g o ,
la n y o d p o w ie tr z a w z b io r n ik u p o w ie tr z n o -o le jo w y m
a lb o
w
k tó r y m s p r ę ż a r k a p r a c u je z z e r o w ą
nie o tw a r c ia , p o d c z a s g d y s iln ik n a d a l p r a c u je .
w tr y s k iw a n y p o p r z e filtro w a n iu i w y c h ło d z e n iu .
Sprężarki przepływowe
przełączanie na bieg jałowy,
w y d a jn o ś c ią . W ty m c e lu a lb o z a m y k a n y je s t p r z e w ó d s s a w n y , a lb o z a w ó r s s a w n y u t r z y m y w a n y je s t w s t a
i w d o k ła d n y m o d d z ie la c z u o le ju . J e s t o n p o n o w n ie
Odprowadzanie ciepła
sprężarki turbinowe
p o n ie w a ż p r z y s p r ę ż a n iu e n e r g ia n a p ę d u s p r ę ż a r k i p r z e t w a r z a n a je s t n ie ty lk o n a e n e r g ię s p r ę ż o n e g o p o
z a s y s a ją i r o z p ę d z a ją p o w i e t r z e a t m o s f e r y c z n e z a
w ie trz a , l e c z t a k ż e n a e n e r g ię c ie p ln ą , k o n ie c z n e je s t o d p r o w a d z a n ie d u ż y c h ilo ś c i c ie p ła w
p o m o c ą k ó ł z ł o p a t k a m i a l b o z a p o m o c ą ś m i g ła .
dzystopniowej
W p r z y łą c z o n y m z b io r n ik u k in e t y c z n a e n e r g ia s tr u
i
chłodnicy wyjściowej
chłodnicy mię-
(w in s t a la c ja c h z o d z y s k ie m c ie p ła p o n a d 9 0 % te j ilo ś c i c ie p ła z o
staje p r z e t w o r z o n e w c ie p ło u ż y t e c z n e - d o o g r z e w a n ia ) .
m ie n ia p r z e k s z t a łc a s ię w e n e r g ię p o t e n c ja ln ą s p r ę ż o n e g o p o w ie tr z a .
Wydzielanie kondensatu
sprężarek o działaniu przepływowym (d y sprężarki osiowe i sprę żarki promieniowe. S ą to s p r ę ż a r k i o d u ż e j w y d a j
W s p r ę ż a r k a c h i c h ło d n ic a c h p r z e k r o c z o n y je s t s ta n n a s y c e n ia s p r ę ż o n e g o p o w ie tr z a p a r ą w o d n ą . W y d z i e
W ś ró d
lając y s ię w s k u t e k t e g o k o n d e n s a t w o d n y m u s i b y ć u s u w a n y p r z e z u r z ą d z e n ie s p u s to w e . P o n ie w a ż r o z p r o
n a m ic z n y m ) r o z r ó ż n ia s ię
•
n o ś c i.
p r z y p a d k u m a ły c h i ś r e d n ic h s p r ę ż a r e k s t o s u je
s ię z w y k le s t e r o w a n ie d w u s t a w n e p r z e z
napędu.
g ro ż o n e k o r o z ją .
Zbiornik sprężonego powietrza:
Sterowanie sprężarkami W
w a d z a n e d a le j s p r ę ż o n e p o w ie tr z e c ią g le j e s z c z e je s t n a s y c o n e p a r ą w o d n ą , p r z y łą c z o n e u r z ą d z e n ia s ą z a -
wyłączenie
P o o s ią g n ię c iu w z b io r n ik u s p r ę ż o n e g o
•
g r o m a d z i s p r ę ż o n e p o w ie tr z e i z a b e z p ie c z a u tr z y m a n ie s t a łe g o c iś n ie n ia r o b o c z e g o w u k ła d a c h s te ro w a n ia ,
•
w y c h ła d z a s p r ę ż o n e p o w ie tr z e w w y n ik u w y p r o m ie n io w a n ia c ie p ła p r z e z ś c ia n y z b io r n ik a ,
•
z a p e w n ia w y tr ą c a n ie i u s u w a n ie k o n d e n s a t u p o p r z e k r o c z e n iu s ta n u n a s y c e n ia p a r ą w o d n ą (linii p u n k tu r o s y ).
W ie lk o ś ć z b io r n ik a s p r ę ż o n e g o p o w ie tr z a d o b ie r a s ię w z a le ż n o ś c i o d w ie lk o ś c i i r o d z a ju z a p o tr z e b o w a n ia na s p r ę ż o n e p o w ie tr z e . J e g o p o je m n o ś ć p o w in n a o d p o w i a d a ć c o n a jm n ie j 1 0 % ilo ś c i p o w ie tr z a d o s ta r c z a n e g o p r z e z s p r ę ż a r k ę w c ią g u m in u ty . Z b io rn ik i s p r ę ż o n e g o p o w ie tr z a k o n tr o lo w a n e s ą p r z e z in s ty tu c je d o z o r u t e c h n ic z n e g o .
Osuszacz sprężonego powietrza W z b i o r n ik u s p r ę ż o n e g o p o w i e t r z a i p r z e w o d a c h s p r ę ż o n e p o w i e t r z e je s t d o 1 0 0 %
w y lo t p o w ie trza
n a s y c o n e p a rą
w o d n ą . K a ż d y s p a d e k t e m p e r a t u r y , n p . w w y n ik u
Rys. 1. Sprężarka śrubowa
w y p r o m ie n io w a n ia c ie p ła , p o w o d u je w y tr ą c a n ie s ię w y m ie n n ik cie p ła p o w ie trz e /p o w ie trze
k o n d e n s a tu . K o n d e n s a t w o d n y z m y w a w u r z ą d z e s p rę ż o n o ,
zaw 6r
zaw ór
filtr
n iach , z a w o r a c h i s iło w n ik a c h w a r s tw ę s m a r n ą , c o p ro w a d z i d o s z y b s z e g o z u ż y c ia i w y w o łu je k o r o z ję . D la te g o n o w o c z e s n e in s t a la c je p n e u m a t y c z n e w y p o s a ż o n e s ą w o s u s z a c z e p o w ie tr z a .
Metody osuszania: przez oziębianie, przez ab sorpcję i przez adsorpcję. W procesie osuszania przez oziębianie
s p rę żo n e
p o w ie trz e je s t o z ię b ia n e z a p o m o c ą a g r e g a tu c h ło d n ic z e g o d o c iś n ie n io w e g o p u n k tu ro s y + 2 ° C
(rys.
1 ).
O d p o w ia d a to k la s ie z a w o d n ie n ia 4 . w e d łu g n o r m y a g re g a t c h ło d n ic z y
PN IS O 8 5 7 3 - 1 , o k r e ś la ją c e j k la s y c z y s to ś c i s p r ę ż o n e g o p o w i e t r z a . S p r ę ż o n e p o w i e t r z e o k l a s ie z a w o d n ie n ia 4 . je s t s t o s o w a n e n p . w o b r a b ia r k a c h , u r z ą d z e n ia c h p a k u ją c y c h i w u r z ą d z e n ia c h p r z e m y
Rys. 2. Sprężarka rotacyjna wielokomorowa
słu te k s t y ln e g o .
Rys. 1. Osuszacz oziębiający
5.2 Budowa układu pneumatyozneg0
: I 318
5,2 Budowa układu pneumatycznego
319
W p r o c e s i e o s u s z a n i a a b s o r p c y j n e g o s p r ę ż o n e p o w ie tr z e p r z e p ły w a p r z e z s ta ły ś r o d e k o s u s z a ją c y . ś ro
N o m in a ln e ś r e d n ic e p r z e w o d ó w u s ta ła się n a p o d
d e k te n w c h ła n ia (a b s o r b u je ) z a w a r t ą w p o w ie tr z u w ilg o ć i o le j.
stawie n ie z b ę d n e g o z a p o tr z e b o w a n ia , o p o ró w p r z e tła
W p r o c e s i e o s u s z a n i a a d s o r p c y j n e g o w p ie r w s z y m s to p n iu o s u s z a c z a z a p o m o c ą w ę g la a k ty w o w a n e g o
ści p rz e w o d ó w , c iś n ie n ia r o b o c z e g o i d o p u s z c z a ln e g o
czania w p r z e w o d a c h z a in s ta lo w a n e j a rm a tu ry , d łu g o
¡ z o s t a ją o d filt r o w a n e p a r y o le ju . W d r u g im s t o p n iu n a s tę p u je o d s y s a n ie ( a d s o r p c ja ) p a r y w o d n e j ’p r z e z w kład z ż e lu (ż e l s y lik a to w y , a lu m in io w y , k r z e m io n k o w y ) - w k a p ila r a c h t e g o ż e lu .
spadku c iś n ie n ia w p r z e w o d a c h . przy in s t a lo w a n iu p r z e w o d u g ł ó w n e g o (tw o r z ą c e g o o bw ód z a m k n ię t y ) z a c h o w u je s ię s p a d e k o k o ło 1 %
. z a w ó r b e zp ie cze ń stw a ¡•stopień n is k o c iś n ie n io w y v
, , s t0 PJ®n . w y s o k o c iś n ie n io w y
c h ło d n ic a w y jś c io w a
sp rę ż o n e pow ietrze I
z a w ó r o d c in a ją c y .
— IX -
&
C
D
- o —
z b io rn ik sp rę ż o n e g o p o w ie trz a
o d d z ie la c z ko n d e n s a tu
vi/ k ieru n ku p rz e p ły w u , a b y w y tr ą c a ją c y s ię k o n d e n s a t grom adził s ię w n a jn iż s z y m m ie js c u , s k ą d m ó g łb y b y ć
W
-
==>'■
o s u sza cz p o w ie trz a
usunięty (r y s . 1). Ze w z g lę d u n a k o n d e n s a t r o z g a ł ę z i e n i a p r z e w o d u g łów nego d la o d b io r u p o w ie tr z a w y p r o w a d z a n e s ą o d góry, n a to m ia s t r o z g a łę z ie n ia d o o d p r o w a d z a n ia k o n densatu d o d o tu . N ie s z c z e ln o ś c i w s ie c i s p r ę ż o n e g o p o w ie tr z a p o w o
s iln ik n a p ę d z a ją c y
kondensat
c h ło d n ic a m ię d z y s to p n io w a
filtr ssa w n y
dują d u ż e stra ty e n e rg ii. Z te g o p o w o d u s ie ć s p r ę ż o n e go p o w ie tr z a w in n a b y ć r e g u la r n ie s p r a w d z a n a p o d
<$>
w zg lęd em s z c z e ln o ś c i.
p o w ie trz e z a sysa n e
5.2.2 Uktad przygotowania powietrza roboczego
Rys. 1. Wytwarzanie sprężonego powietrza (schemat symboliczny)
Cząstki rd z y tra n s p o r to w a n e r u ro c ią g ie m m o g ą p o w o d o w a ć z a k łó c e n ia p r a c y u r z ą d z e ń i d la te g o m u s z ą b y ć z p o wietrza o d filtro w a n e . O p r ó c z t e g o c iś n ie n ie z a s ila n ia m u s i b y ć z r e d u k o w a n e d o c iś n ie n ia r o b o c z e g o d a n e g o o d -
O p is a n y p r o c e s w y tw a r z a n ia s p r ę ż o n e g o p o w ie tr z a je s t p r z e d s ta w io n y w p o s ta c i s c h e m a tu n a r y s 1 . S p rężone p o w ie tr z e p ły n ie z e z b io r n ik a d o o d b io r n ik ó w p o p r z e z s ie ć p r z e w o d ó w ru ro w y c h . J a k o p r z e w o d y ru ro w e stosuje
. biornika, a ta k ż e , je ś li je s t to w y m a g a n e z e w z g lę d u n a s m a r o w a n ie e le m e n tó w u k ła d u , n a le ż y s p r ę ż o n e p o w ie trze n a s y c ić m g łą o le jo w ą .
s ię b e z s z w o w e , c ią g n io n e rury s ta lo w e , m ie d z ia n e lu b z P C W . Z re g u ły g t ó w n e p r z e w o d y r o z p r o w a d z a ją c e tworzą o b w ó d z a m k n ię t y . S p a d e k c iś n ie n ia w p r z e w o d a c h , z a g ię c ia c h i w a rm a tu rz e , p rz y z w y k łe s to s o w a n y m ciśnieniu
Z e s p ó ł p r z y g o t o w a n ia p o w ie tr z a s k ła d a s ię z r e g u ły z filtru, z a w o r u re d u k c y jn e g o i s m a r o w n ic y (r y s . 2 ).
r o b o c z y m , n ie p o w in ie n p r z e k r a c z a ć 0,1 bar. Ś r e d n ic ę g łó w n e g o p r z e w o d u r o z p r o w a d z a ją c e g o m o ż n a w y z n a c z y ć z a p o m o c ą n o m o g ra m u (r y s . 2 ).
Ffltr powietrza
Zawór redukcyjny g rz y b e k z a w o ru
p o k ry w a d łu g o ś ć ru ry w m — ►
1
2
10 2 0
50 100200
w lo t powietrza
5 0 0 1 00 0
2 5 (1 ")
dane: * c iś n ie n ie ro b o c z e : z a p o trz e b o w a n ie :
i « í1!") 5 0 (2 ” )
I
60
5 ^
8 0 (3 ")
I
1 0 0 (4 ” )
/
ciśn ie nie re g ulo w a ne
k o rp u s s m a ro w n ic y
p rz e w ó d sie ci s p rę ż o n e g o p o w ie trz a filtr p o w ie trz a
d łu g o ś ć ru ro c ią g u :
d o p u s z c z a ln y s p a d e k ciśn ie n ia :
20 30
1 2 5 (5 " )
z 0,001
0,005 0,01
0,05 0,1
z:
p łyta o d d z ie la ją ca z b io rn ik
/
1 5 0 (6 " )
200 m
w yznaczam y punkt 3
7!
50
z
0,1 b a r
100
15
spust ' k o n d e n s a tu
zaw ór re d u k c y jn y
ś ru b a n asta w cza
Rys. 2. Przygotowanie sprężonego powietrza
w yznaczam y p un kt 4 szu kan e: ś re d n ic a ru ry w mm
W f iltr z e p o w ie t r z a w p ły w a ją c e z b o k u p o w ie trz e z o s ta je z a w ir o w a n e . D u ż e z a n ie c z y s z c z e n ia , ja k c z ą s tk i rdzy, krople w o d y lu b o le ju , p o d w p ły w e m siły o d ś ro d k o w e j w y r z u c a n e s ą n a ś c ia n y z b io r n ik a i p ły tę o d d z ie la ją c ą i m o gą b y ć w y d a lo n e p r z e z z a w ó r s p u s to w y z n a jd u ją c y s ię w s p o d z ie z b io rn ik a . W e w k ła d z ie filtru ją c y m z o s ta ją z a
ro zw ią z a n ie - p u n k t 5 57
sm a ro w n ic a p n e u m a ty c z n a
7 bar 1 Q m 3/m in
w y z n a c z a m y p u n k ty 1 i 2
70
J
sz cze lin a p ie rś c ie n io w a
InstaTacjazespoiu przygotowania powietrza
Przykład odczytania:
32
s
w y lo t p o w ie trz a
c iś n ie n ie n ie- \ re g u lo w a n e
Smarownica pneumatyczna
ś re d n ic a : 7 0 m m
trzy m a n e in n e z a n ie c z y s z c z e n ia , o d p o w ie d n io d o w ie lk o ś c i p o ró w . W y m ie n n e w k ła d y filtru ją c e w y k o n y w a n e s ą lako siatki z b rą z u , m o s ią d z u lu b stali, a d la w y ż s z y c h w y m a g a ń z e s p ie k u m e ta lo w e g o , s p ie k a n e g o s z tu c z n e g o tw o rzyw a lu b c e ra m ik i.
s p a d e k ciśn ie n ia w p rz e w o d a c h w b a ra c h “
c iś n ie n ie robocze__ p „ w b a ra c h
Rys. 2. Nomogram do wyznaczania średnicy przewodów pneumatycznych
Z a d a n ie m z a w o r ó w r e d u k c y jn y c h je s t d o s ta r c z e n ie d o o d b io r n ik a s p r ę ż o n e g o p o w ie tr z a o s ta ły m c iś n ie n iu . D ziałanie re g u la c y jn e d o k o n u je s ię d z ię k i m e m b r a n ie , n a k tó rą z je d n e j s tro n y d z ia ła c iś n ie n ie ro b o c z e , z d ru g ie j
5.2 Budowa uktadu pneumatycznego
320
5.2 Budowa układu pneumatycznego
321
siłowniki membranowe siłowniki jednostronnego działania i dwustronnego działania.
- sita s p r ę ż y n y n a s ta w ia n a z a p o m o c ą g w in to w a n e g o trz p ie n ia . K ie d y c iś n ie n ie r o b o c z e s p a d n ie p o n iż e j nasta
N a jc z ę ś c ie j s to s o w a n y m i s iło w n ik a m i d o r e a liz a c ji p r z e m i e s z c z e ń s ą
w io n e j w a rto ś c i, s p r ę ż y n a , n a c is k a ją c ku g ó r z e m e m b r a n ę p r z e z p o p y c h a c z , o d s u w a g r z y b e k o d g n ia z d a . PrzS2
p rzy c z y m r o z r ó ż n ia s ię
i
tłokowe,
p o w ię k s z o n ą s z c z e lin ę p ie r ś c ie n io w ą w p ły w a d o d a tk o w e p o w ie tr z e , d o p ó k i n ie o s ią g n ie p o n o w n ie w ła ś c iw e j war W
to ś c i. W p r z y p a d k u n a d m ie r n e g o w z ro s tu c iś n ie n ia r o b o c z e g o m e m b r a n a o d d a la s ię o d p o p y c h a c z a , otwierając o tw ó r d o a tm o s fe ry
(zawór redukcyjny z otworem odpowietrzającym).
W a r to ś ć c iś n ie n ia r o b o c z e g o jest poka
z y w a n a p r z e z m a n o m e tr.
Smarownice pneumatyczne
Symbol szczegółowy
s łu ż ą d o w p r o w a d z a n ia
siłownikach jednostronnego działania
s p r ę ż o n e p o w ie tr z e o d d z ia łu je ty lk o n a je d n ą s t r o n ę tło k a lu b
j
m e m b r a n y (s iło w n ik i m e m b r a n o w e b u d o w a n e s ą ty lk o ja k o j e d n o s t r o n n e g o d z ia ła n ia ); m o g ą o n e w y k o n y -
|
w a ć p r a c ę p o d c z a s r u c h u w j e d n y m ty lk o k ie r u n k u .
W siłownikach membranowych
s p r ę ż o n e p o w ie tr z e o d k s z t a łc a m e m b r a n ę
(rys. 1).
D r o g a o d k s z ta łc e n ia
ś ro d k a , s m a r n e g o d o s p r ę ż o n e g o p o w ie tr z a . D z ia ła ją
s ta n o w i s k o k tlo c z y s k a . R u c h p o w r o t n y d o k o n u je s ię d z ię k i s p r ę ż y s to ś c i m e m b r a n y , p o d w p ły w e m o d d z ia
n a z a s a d z ie z w ę ż k i V e n t u r ie g o , tz n . w w y n ik u z m n ie j
ły w a n ia s il z e w n ę t r z n y c h lu b s p r ę ż y n y p o w r o t n e j .
s z e n ia p r z e k r o ju p r z e w o d u ( z w ę ż e n ia ) z w ię k s z a s ię
D iu g o ś ć s k o k u s iło w n ik ó w m e m b r a n o w y c h o s ią g a
p r ę d k o ś ć s tru m ie n ia p o w ie tr z a , w s k u te k c z e g o w stru
w a r to ś ć d o 4 0 m m , a w p r z y p a d k u s i ło w n i k ó w z
m ie n iu tw o rz y s ię p o d c iś n ie n ie . E fe k t te n p o w o d u je z a
m e m b r a n ą p r z e w ija n ą - d o 8 0 m m . S iło w n ik i m e m
s s a n ie o le ju z e z b io r n ik a d o rurki ro z p y la c z a , z któ rej
b r a n o w e p r a k t y c z n ie s ą u r z ą d z e n ia m i b e z o b s lu g o -
w y c ie k a o n d o s tru m ie n ia p o w ie trz a , g d z ie z o s ta je ro z
w y m i. S ą w y k o r z y s t y w a n e n p . w u r z ą d z e n ia c h m o
Symbol uproszczony
H
U
n ie w ie lk ie g o z a k r e s u r u c h ó w . s iło w n ik m e m b ra n o w y
(mgła olejowa).
r® 1
S z c z e g ó ł o w y i u p r o s z c z o n y s y m b o l z e s p o łu p r z y
Do r e a liz a c ji r u c h ó w o w ię k s z y m z a k r e s ie s t o s u je s ię siło w n iki t to k o w e je d n o - i d w u s t r o n n e g o d z ia ła n ia .
|| i}
m e m b ra n a p rz e w ija n a \
\jf| a J JjL
c u ją c y c h , d o t ło c z e n ia i n it o w a n ia , w y m a g a j ą c y c h
p y lo n y . Z a p o m o c ą z a w o r u d o z u ją c e g o m o ż n a n a s ta w ia ć lic z b ę kro p li o le ju w p r o w a d z a n y c h d o s tru m ie n ia p o w ie tr z a
m e m b ra n a \
•
4H
s iło w n ik z m e m b ra n ą p rze w ija n ą
Rys. 1. Siłowniki membranowe
g o t o w a n ia p o w ie tr z a , z a w ie r a j ą c e g o filtr z , r ę c z n y m s p u s te m k o n d e n s a t u , z a w ó r r e d u k c y jn y z m a n o m e tre m
i s m a r o w n ic ę p n e u m a t y c z n ą , w g
1 2 1 9 - 1 , p r z e d s t a w ia
P N -IS O
rys. 1.
Rys. 1. Symbole zespołu przygotowania powietrza (pionowa strzałka oznacza spust kondensatu)
5.2.4.1 Budowa siłownika tłokowego Siłowniki jednostronnego działania W p r a k t y c e z n a jd u ją z a s t o s o w a n ie s iło w n ik i j e d n o s t r o n n e g o d z ia ła n ia o d z ia ła n iu p c h a ją c y m i c ią g n ą c y m .
5.2.3 Pneumatyczny układ riapędowy W siłowniku pchającym (rys. 2) Głównymi zespołami pneumatycznych układów napędowych, zwanych krócej napędami pneumatycznymi, są elementy napędowe (siłowniki i silniki pneumatyczne) oraz elementy nastawiające (zawory robocze).
s p r ę ż o n e p o w ie tr z e je s t w p r o w a d z a n e o d s tr o n y p o k r y w y t y ln e j, c o p o w o
d u je w y s u w a n ie t lo c z y s k a i u g ię c ie s p r ę ż y n y p o w r o t n e j. P o o d łą c z e n iu s iło w n ik a o d ź r ó d ła s p r ę ż o n e g o p o w ie trz a n a s tę p u je , d z ię k i s p r ę ż y n ie p o w r o t n e j lu b s ile z e w n ę t r z n e j d z ia ła ją c e j n a t lo c z y s k o , ru c h p o w r o tn y tło k a i t lo c z y s k a . Z e w z g lę d u n a d łu g o ś ć z a b u d o w y s p r ę ż y n y p o w r o t n e j s k o k t a k ic h s iło w n ik ó w z w y k le n ie
Siłowniki i silniki pneumatyczne,
w p r a w i a j ą c w r u c h e le m e n t y m a s z y n i w y t w a r z a ją c o d p o w ie d n ie sity lub
p rz e k ra c z a 1 0 0 m m .
m o m e n t y , p r z e t w a r z a ją e n e r g ię p n e u m a t y c z n ą ( e n e r g i ę s p r ę ż o n e g o p o w ie t r z a ) w e n e r g ię m e c h a n ic z n ą
W siłowniku ciągnącym
( e n e r g ię r u c h u ).
s p r ę ż o n e p o w ie tr z e je s t w p r o w a d z a n e o d s tr o n y p o k r y w y p r z e d n ie j, p o w o d u ją c
w c ią g a n ie t lo c z y s k a d o w n ę t r z a c y lin d r a .
Zawory robocze
d o s t a r c z a ją d o e l e m e n t ó w n a p ę d o w y c h n i e z b ę d n e d o ic h d z ia ła n ia s p r ę ż o n e p o w ietrze,
w s p o s ó b z a le ż n y o d s ta n u s y g n a łó w s t e r u ją c y c h , z a p e w n i a j ą c u z y s k a n ie p o ż ą d a n e g o k ie r u n k u i p a ra m e
u sz c z e ln ie n ie tło k a
tlo c z y s k o
tr ó w r u c h u lu b s iły d o c is k u .
u m u :
W zależności od zastosowanego elementu napędowego rozróżnia się: • n a p ę d y o r u c h u p o s u w is t o - z w r o t n y m - w y k o r z y s t u ją siłowniki pneumatyczne, • n a p ę d y o b r o t o w e o o g r a n ic z o n y m z a k r e s ie o b r o t u - w y k o r z y s t u ją siłowniki o ruchu wahadłowym (s iło w n ik i o b r o t o w e ) , •
p o k ry w a p rz e d n ia
n a p ę d y o b r o t o w e o n ie o g r a n ic z o n y m z a k r e s ie o b r o t u - w y k o r z y s t u ją
silniki pneumatyczne.
c y lin d e r
tlo k
W s iło w n ik u d w u s tr o n n e g o d z ia ła n ia k o m o r y p o o b u s tro n a c h tło k a z a s ila n e s ą n a z m ia n ę s p r ę ż o n y m p o w ie trz e m
(rys. 1 na następnej stronie). (o r u c h u p o s u w is t o - z w r o t n y m )
sp rę żyn a
Siłowniki dwustronnego działania
5.2.4 Siłownik pneumatyczny Siłowniki pneumatyczne
o tw ó r
-25E°wiiI5?]{©t_PflVirslOS.. Rys. 2. Siłownik tłokowy jednostronnego dzlatanfa
wykorzystuje się do:
D z ię k i te m u s iło w n ik m o ż e w y k o n y w a ć ru c h y ro b o c z e w o b u k ie ru n k a c h .
W s to s u n k u d o s iło w n ik ó w je d n o s tr o n n e g o d z ia ła n ia m a ją o n e s z e r e g z a ie t: o s ią g a ją s k o k i d o 2 m , r u c h d o p r z o
•
r e a liz a c ji r u c h ó w p r o s t o lin io w y c h , t a k ic h ja k p r z e s u w a n ie , p o d n o s z e n ie , p r z e s t a w ia n ie d e ta li i n a rz ę d z i
du n ie je s t h a m o w a n y p r z e z s p r ę ż y n ę , ru c h p o w ro tn y je s t s z y b k i i ró w n o m ie rn y . P o n a d to p rę d k o ś c i ru c h u w o b u
( w p r z y p a d k u s ito w n ik ó w d o r e a liz a c ji p r z e m ie s z c z e ń ) ,
k ie ru n k a c h m o g ą b y ć n a s ta w ia n e . O g r a n ic z n ik a m i s k o k u s iło w n ik a s ą z w y k le z d e r z a k i tło k a w c y lin d rz e . N ie k o -:
•
w y t w a r z a n ia sil d o c is k a ją c y c h ( w p r z y p a d k u s ito w n ik ó w d o c is k o w y c h ),
rzystne z ja w is k a z w ią z a n e z w y h a m o w a n ie m d u ż y c h m a s o d u ż y c h p rę d k o ś c ia c h p r z e z tw a r d e z d e r z a k i m o ż n a
•
w y t w a r z a n ia sit u d e r z e n io w y c h (w p r z y p a d k u s iło w n ik ó w u d a r o w y c h ).
z ła g o d z ić p r z e z s t o s o w a n ie n ie n a s t a w n y c h t łu m ik ó w ( z d e r z a k ó w ) e la s ty c z n y c h w k ła d e k .
(rys. 2 na następnej stronie)
w p o s ta c i
...... 5.2 Budowa układu pneumatycznegi
322 - T łu m ik i n a s ta w n e u m o ż liw ia ją ła g o d n e o s ią g a n ie p o -
za w o ry d ta w iq c o -z w ro !n e
; z ycji k r a ń c o w y c h .
5.2 !
v
„x jt'jfc .; -
B u d o w a u k ła d u p n e u m a ty c z n e g o
323
k ie m , p r z e s u w a ją c y s ię w s z c z e lin ie c y lin d r a . U s z c z e ln ie n ie c y lin d r a w z d łu ż s z c z e lin y z a p e w n i a c i e n k a s t a lo w a ta ś m a , p r z y k r y w a ją c a s z c z e lin ę o d s tr o n y w e w n ę t r z n e j n a c a te j d łu g o ś c i. P o m ię d z y u s z c z e lk a m i tło k a s ta lo w a t a ś m a je s t o d g in a n a i p r o w a d z o n a o b o k ł ą c z n ik a . D r u g a s t a lo w a ta ś m a , u s z c z e ln ia ją c a s z c z e lin ę o d
; W n ie w ie lk ie j o d le g ło ś c i o d k o ń c a s k o k u c z o p tłu m ik a ,
s tro n y z e w n ę t r z n e j, z a b e z p ie c z a p r z e d w n ik a n ie m z a n i e c z y s z c z e ń . O b ie t a ś m y p r z y t r z y m y w a n e s ą p r z e z
j o s a d z o n y n a tlo c z y s k u , z a g łę b ia się w p o k ry w ę cylin -
|
m a g n e s y s ta le , u m ie s z c z o n e w z d tu ż s z c z e lin y .
I d r a i u n ie m o ż liw ia s z y b k i w y p ły w p o w ie tr z a p o z o s ta łe ; g o w p ie rś c ie n io w e j p rz e s trz e n i p o m ię d z y tło k ie m i p o -
j
. k r y w ą (ry s. 1 ). P o w ie tr z e to. je s t p r z e z tło k s p r ę ż a n e ,
i
S iło w n ik i s z c z e lin o w e m o g ą m ie ć s k o k i r o b o c z e d o 5 m . Ł ą c z n ik t ło k a m o ż e p r z e n o s ić d u ż e m o m e n t y : z g in a ją c e i s ity p o p r z e c z n e .
J c o p o w o d u je w y h a m o w a n ie tło k a p r z e d k o ń c e m s k o •: k u . A b y tło k m ó g ł d o t r z e ć d o p o z y c ji k o ń c o w e j, p o -
k o m o ra p o d tlo k o w a
T ło k s i ł o w n i k a z e s p r z ę ż e n i e m
j d u s z k a p o w ie tr z n a w o ln o ro z ła d o w u je s ię p r z e z z a w ó r ;; d la w ią c o -z w r o tn y . P rz y w p r a w ia n iu tło k a w ru c h w kieru n k u p r z e c iw n y m
p r z e p ły w
p r z e z z a w ó r d la w ią -
j c o - z w r o tn y n ie je s t d ła w io n y , d z ię k i c z e m u n a s tę p u je
m a g n e ty c z n y m
(ry s . 1 ) je s t w y p o s a ż o n y w s to s s iln y c h m a g n e s ó w k o m o ra nadtlokow ą
Rys. 1. Siłownik dwustronnego działania z dwoma nastawnymi tłumikami
j s z y b k ie d o s ta r c z e n ie s p r ę ż o n e g o p o w ie tr z a d o k o m o -
z a b ie ra k
m a g n e s y z a b ie ra k a
trw a ły c h . W o k ó t c y lin d r a je s t u m i e s z c z o n y p r z e s u w
j
ny e le m e n t (z a b ie r a k ) z a w ie r a ją c y r ó w n ie ż s to s p ie r ś c ie n io w y c h
m agnesów
L
t r w a ły c h . D z ię k i s ilo m
s p r z ę ż e n ia m a g n e t y c z n e g o p o m i ę d z y m a g n e s a m i
: j ry p o d tło k o w e j,
tło k a i z a b i e r a k a z a b ie r a k n a ś la d u je r u c h y tło k a . m a g n e s y tło k a
i S iło w n ik i z d w u s t r o n n y m t lo c z y s k ie m , d z ię k i d w u s tr o n n e m u p o d p a r c iu tlo c z y s k a , m o g ą p rz e n o s ić w ię k s z e silj p o p rz e c z n e (rys. 2 ). U r u c h a m ia n e p r z e z tlo c z y s k o e le m e n ty s y g n a liz u ją c e , w p r z y p a d k u b ra k u m ie js c a lub zagro
A b y u m o ż liw ić s p r z ę ż e n ie m a g n e t y c z n e p o m i ę d z y m a g n e s a m i t ło k a i z a b ie r a k a , c y lin d e r s iło w n ik a m u
: ż e n ią z a n ie c z y s z c z e n ie m p o je d n e j s tro n ie , m o g ą b y ć u m ie s z c z a n e p o d ru g ie j s tro n ie c y lin d ra .
Rys. 1. Siłownik ze sprzężeniem magnetycznym
si b y ć w y k o n a n y z m a t e r ia łu n i e m a g n e t y c z n e g o .
5.2A3 Budowa siłownika beztłokowego (tnuskut pneumatyczny) G łó w n y m e l e m e n t e m
m u s k u iu p n e u m a t y c z n e g o
(ry s. 2 ) je s t o d k s z ta lc a ln a g u m o w a ru ra 3 , o p le c io n a e la s ty c z n ą s ia tk ą , r o z c ią g liw ą w k ie r u n k u p r o m ie n io w ym . K o ń c e ru ry s ą z a c iś n ię te p o m ię d z y d w o m a e le m e n ta m i m o c u ją c y m i 1 i 2 , s t a n o w ią c y m i z a k o ń c z e nia (g ło w ic e ) m u s k u iu . W o b u g ło w ic a c h s ą w y k o n a ne g w in t o w a n e o t w o r y u m o ż l iw ia ją c e m o c o w a n i e , p rzy c z y m je d e n z n ic h je s t p r z e lo to w y , s łu ż ą c y d o w p r o w a d z a n ia s p r ę ż o n e g o p o w ie tr z a d o w n ę t r z a rury.
Rys. 2. Siłownik z dwustronnym tloczyskiem z nlenastawnymi tłumikami W w y n ik u w z r o s t u
5.2A2
ludowa siłownika ezttoczyskowego
c y c h m u s k u l z m n i e js z a s ię j e g o d ł u g o ś ć w r a z z e w z ro s te m c iś n ie n ia , m a k s y m a ln ie o o k o ło 2 0 % d ł u g o ś ci s p o c z y n k o w e j ( p r z y m a k s y m a ln y m
O g r a n ic z o n a w y t r z y m a ło ś ć t lo c z y s k a s iło w n ik a t ło
c iś n ie n iu
tu le ja ru ra g u m o w a z a c is k o w a z o p lo te m s ia tk o w y m , s k o k
6 b a r ). Z a t e m s k o k m u s k u iu ( s k r ó c e n ie p r z y b r a k u
k o w e g o n a w y b o c z e n l e p r a k t y c z n ie u n ie m o ż l iw ia k o n s t r u o w a n i e s i ło w n i k ó w z t l o c z y s k i e m
c iś n ie n ia m u s k u l p ę c z n ie je
i w p r z y p a d k u b r a k u z e w n ę t r z n y c h sit r o z c i ą g a j ą
z e w n ę t r z n y c h s il r o z c i ą g a j ą c y c h ) j e s t w p r o s t p r o
o skoku
p o r c jo n a ln y d o d łu g o ś c i z a s t o s o w a n e j rury.
p r z e k r a c z a ją c y m 1 m . O g r a n ic z e n ie to z n ik a w p r z y p a d k u s iło w n ik ó w b e z t lo c z y s k o w y c h .
D ą ż ą c d o z m n ie js z e n ia d łu g o ś c i, m u s k u l m o ż e w y
Rys. 3. Siłownik cięgnowy W s i ło w n i k u c i ę g n o w y m
tw o r z y ć s iłę c i ą g n ą c ą , k ilk a k r o t n ie w ię k s z ą n iż s i
( r y s . 3 ) tlo c z y s k o je s t z a
ta śm a ze w n ę trzn a
ło w n ik t ło k o w y o ta k ie j s a m e j ś r e d n ic y . M u s k u l je s t
s t ą p i o n e p r z e z c i ę g n o l in o w e lu b t a ś m o w e , k t ó r e .je s t p r o w a d z o n e p r z e z k r ą ż k i, u m i e s z c z o n e n a k o ń -
k s z ta łt w s ta n ie spoczynku
k s z ta łt p o w p ro w a d z e n iu s p rę ż o n e g o p o w ie trz a
w ię c s iło w n ik ie m j e d n o s t r o n n e g o d z ia ła n ia , c ią g n ą
m a g n e s stały
c ym , p r z y c z y m w y t w a r z a n a s iła c ią g n ą c a n ie je s t
j.c a c h s iło w n ik a . K o ń c e c ię g n a s p ię t e s ą łą c z n ik ie m ,
s t a ła . P o d o b n i e j a k w r o z c i ą g n i ę t e j s p r ę ż y n i e ,
k t ó r y p r z e n o s i s i lę t ł o k a n a e l e m e n t n a p ę d z a n y .
Rys. 2. Wluskui pneumatyczny
w m ia r ę s k r a c a n ia s ita c i ą g n ą c a m a le je .
¡ Ł ą c z n i k s iło w n ik a p o r u s z a s ię w k i e r u n k u p r z e c i w n y m n iż tlo k .
M u s k u t p n e u m a t y c z n y je s t k o n s tr u k c ją c a łk o w ic ie s z c z e ln ą , b e z c z ę ś c i w y m a g a ją c y c h u s z c z e ln ie ń ś liz ta śm a w e w n ę trz n a
W s i ło w n i k u s z c z e l i n o w y m ( r y s . 4 ) c y lin d e r n a c a
c y lin d e r
łe j d łu g o ś c i s k o k u m a s z c z e lin ę . D o w y p r o w a d z e n ia n a z e w n ą t r z s iły tło k a s łu ż y łą c z n ik z w ią z a n y z tlo -
tto k
g o w y c h . D la t e g o m o ż e b y ć w y k o r z y s t y w a n y w m ie js c a c h n a r a ż o n y c h n a z a n ie c z y s z c z e n ia i z a p y le n ia , g d z ie s iło w n ik i t r a c ą s w o je w ła ś c iw o ś c i, n p . w t a r ta k a c h , s z lifie rn ia c h , c e m e n t o w n ia c h , k o p a ln ia c h , itp.
Rys. 4. Siłownik szczelinowy M u s k u ły p n e u m a t y c z n e w y k o r z y s t y w a n e s ą t a k ż e d o n a p ę d u r o b o t ó w o r a z p r o t e z k o ń c z y n lu d z k ic h .
5.2 Budowa układu pneumatyczny
324
5.2.4.4 Dane techniczne i symbolika oznaczeńsiłowników pneumatycznych
325
5,2 Budowa układu pneumatycznego
o o k o ło 1 0 % . D a ls z e 1 0 % strat p o w o d u je ta rc ie . W p r z y p a d k u s iło w n ik ó w d w u s tr o n n e g o d z ia ła n ia n a w s p ó łc z y n nik s p ra w n o ś c i w p ły w a ją ty lk o s traty n a ta r c ie
(tab. 2 na stronie poprzedniej).
S iło w n ik c h a ra k te ry z u ją : b u d o w a , s p o s ó b m o c o w a n ia , g w in ty p r z y łą c z e n io w e , w ie lk o ś ć (ś r e d n ic a i sko k) o raz zu ż y c ie p o w ie tr z a
(tab. 1).
D o b ó r r o d z a ju s iło w n ik a i je g o w y k o n a n ia k o n s tru k c y jn e g o z a le ż y o d s p o s o b u i m iejsca
przy w y z n a c z a n iu siły p o r u s z a ją c e g o s ię tło k a s iło w n ik a d w u s tr o n n e g o d z ia ła n ia n a le ż y z a s to s o w a ć w s p ó łc z y n n ik sp raw n o śc i, k tó ry u w z g lę d n ia w p ły w n a s tę p u ją c y c h c z y n n ik ó w : d ła w ie n ie c iś n ie n ia r o b o c z e g o w p r z e w o d a c h d o
je g o z a s to s o w a n ia .
p ro w a d z a ją c y c h , w k a n a ła c h z a w o r ó w i s iło w n ik a , n ie r ó w n o m ie r n y s p a d e k c iś n ie n ia w k o m o r z e o p ró ż n ia n e j si łow nika, ta rc ie tto k a o ś c ia n ę c y lin d ra i tlo c z y s k a w p ro w a d n ic y , r ó ż n o r o d n e o p o ry ta rc ia p o r u s z a n e g o p r z e z si
Tab. 1. Parametry siłowników
łownik o b ie k tu .
Średnica cylindra w mm
16
12
20
Średnica tloczyska w mm
25
32
40
50
63
80
100
125
160
200
10
12
16
20
20
25
25
32
40.
40
G 3/ b
G1/2
G 112
G%
Gwinty otworów przyłączeniowych
M5
M5
G ’/o
GVa
GVo
G1/4, Gt/4
G3/ g
Siła p cha ją ca p rzy
50
96
151
241
375
644
1560 2530 4010
58
106
164
259
422
665
1040 1650 2660 4150 6480 10600
54
79
137
216
364
560
870
siłownik jednosłron. dział.
1 “ P/siei - 6 b a r w N siłownik dwustron. dział. S iła c ią g n ą c a p rz y siłownik dwustronnego 1 - P m i = 6 b a r w N działania
10, 25, 50
siłownik jednostron. dział.
Skoki w mm
do 160
siłownik dwustron. dział.
Rodzaje mocowania siłowników
do 320
do 200
Wyznaczanie średnicy cylindra Przykład 1: Siłow nik je d n o s tr o n n e g o d z ia ła n ia p o w in ie n p rzy ciśn ie n iu p m d = 6 b a r w y tw o rz y ć silę c z y n n ą F = 1 6 0 0 N . J a k ą ś re d n ic ę p o w in ie n m ie ć cylin d er, je ż e li z o s ta n ą u w z g lę d n io n e łą c z n e s tra ty 2 0 % (>j -
16600
0 ,8 ) - d o s tę p n e s ą ś re d
tabl. 1 ną poprzedniej stronie.
nice c y lin d ró w z
1480 2400 3890 6060 9960 15900 Rozwiązanie:
25, 50,80, 100
Pnad' V
10, 25, 50, 80,100, 160, 200, 250, 320, 400, 500......2000
A -
1600 N - m 2
_
A ~
6- 1 0 5 N - 0 ,8
"
1600 N - 1 0 6 m m 2 6- 1 0 5 N - 0 , 8
= 3333 mm
u z a le ż n io n e s ą o d '4 - 3 3 3 3 m m 2 ----------------------------
fu n k c ji i m o ż liw o ś c i z a b u d o w y w n a p ę d z a n y m u r z ą
__ 65 m m
. =£>
w y b ra n o : d
,
__
= 80 mm.
d z e n iu lu b m a s z y n ie . S iło w n ik m o ż e b y ć p r z y s to s o w a
U4=rm=j±J
n y d o je d n e g o lu b kilk u s p o s o b ó w m o c o w a n ia . R o z r ó ż n ia się
mocowania sztywne,
n p . m o c o w a n ie k o ł
mocowanie gwintowe
mocowanie na łapach
n ie r z o w e , m o c o w a n ie n a ła p a c h , m o c o w a n ie g w in to w e o ra z
mocowania wahllwe,
n p . m o c o w a n ie w a h liw e
Wyznaczanie zużycia powietrza
ty ln e (k o łn ie rz z u c h e m ), m o c o w a n ie w a h liw e p r z e d n ie P o n iew aż d a n e d o ty c z ą c e ilości p o w ie tr z a n a o g ó l o d n o s z o n e s ą d o c iś n ie n ia a tm o s fe r y c z n e g o , p rz y o k re ś la n iu
( p r z e g u b c z o p o w y ), m o c o w a n ie w a h liw e z p r z e g u b e m c z o p o w y m p o ś ro d k u
zu ży c ia p o w ie tr z a o b lic z a s ię o b ję to ś ć s k o k o w ą s iło w n ik a i p r z e lic z a z g o d n ie z p r a w e m E 3 o y le 'a - M a r i o t t e ’a
(rys. 1).
P i'V t = P 2 '^ 2 • Z u ż y c ie p o w ie tr z a O , n a je d e n cyk l p r a c y s iło w n ik a d w u s tr o n n e g o d z ia ła n ia w y z n a c z a s ię z e w zo ru :
W p r z y p a d k u m o c o w a n ia w a h liw e g o i d u ż e g o s k o k u s iło w n ik a p o w s ta je n ie b e z p ie c z e ń s tw o w y b o c z e n ia tlo
kołnierz z tylu
kołnierz z przodu
„
c z y s k a p o d d z ia ła n ie m o b c ią ż e n ia . W ta k ic h p r z y p a d
_
2 ' A'
s-pabs
Ot
• Patm
k a c h n a le ż y w y z n a c z y ć d o p u s z c z a ln e o b c ią ż e n ie z e w z g lę d u n a w y b o c z e n ie i e w e n tu a ln ie z w ię k s z y ć ś r e d
A
- p o w ie rz c h n ia c z y n n a tło k a ,
pote
- c iś n ie n ie r o b o c z e a b s o lu tn e ,
s
-s k o k ,
potm
- c iś n ie n ie a tm o s fe ry c z n e ,
.
n ic ę tlo c z y s k a . W p r z y p a d k u s iło w n ik ó w je d n o s tr o n n e g o d z ia ła n ia w e w z o r z e p o m ija s ię w s p ó łc z y n n ik 2.
Gwinty otworów przyłączeniowych siłownika
z a le ż ą
o d ś r e d n ic y c y l i n d r a i w y m a g a n e j p r ę d k o ś c i tło k a . N ie
mocowanie wahliwe tylne (kołnierz z uchem)
mocowanie wahliwe przednie (przegub czopowy)
k tó r e s iło w n ik i w y p o s a ż o n e s ą w p r z y łą c z a o d w ó c h r ó ż n y c h w ie lk o ś c ia c h d la u m o ż liw ie n ia r o z s z e r z e n ia
Przykład 2: , S iło w n ik d w u s tro n n e g o d z ia ła n ia (d = 4 0 m m ,
Rys. 1. Rodzaje mocowania siłowników
iPabs = 7 b a r). L ic z b a cyk li p ra c y je s t
z a k r e s u o s ią g a n y c h p rę d k o ś c i.
Wyznaczanie parametrów siłownika Średnicę cylindra
w y z n a c z a się n a p o d s ta w ie ż ą d a n e j
sity tło k a . S ita F tło k a w s p o c z y n k u -
siła czynna
z a le
ż y o d c iś n ie n ia r o b o c z e g o p natf, p o w ie rz c h n i c z y n n e j
Sposób pracy siłownika
S iła c z y n n a tło k a : F = p m d ■A •
s
Rozwiązanie: ^
Q
=
O , ■n =
1
------------- —
= 8 0 m m ) b ę d z ie z a s ila n y p o w ie trz e m o c iś n ie n iu p „ aci -
--------------- — =
4 ■ p„lm
'
2 - 0 ,4 0 2 d m 2 ' j r - 0 , 8 0 d m ' 7 b a r - 5 0 ------------------------ -— r r -------------:
4 - 1 b a r -m in
|
=
70,37
siłownikach jednostronnego działania
z e s p rę ży
n ą p o w r o t n ą s iła s p r ę ż y n y z m n i e j s z a s ilę c z y n n ą
wykorzystywana siła w trakcie ruchu siłownik dwustronnego działania
'
7- (ANR).' min 1
-
Współczynnik sprawności 0,8 0,9
v-::' '
Po d o d a n iu d o w y z n a c z o n e j w a rto ś c i O strat w w y s o k o ś c i o k o ło 2 0 % , o trz y m u je się p rz y b liż o n ą w a rto ś ć c a ł k o w ite g o z u ż y c ia p o w ie tr z a b e z k o n ie c z n o ś c i u w z g lę d n ia n ia s tr a t w p r z e w o d a c h , o b ję to ś c ia c h m a rtw y c h s iło w n ik a i o b ję to ś c i tlo c z y s k a .
W
6 bar s
= 5 0 /m in . J a k ie b ę d z ie z u ż y c ie p o w ie tr z a w l/m in ?
2 - d 2 - n ‘ S - p a bs- n
Tab. 2. Współczynniki sprawności siłowników pneumatycznych
wykorzystywana siła czynna: siłownik Jednostronnego działania siłownik dwustronnego działania
tło k a A i w s p ó łc z y n n ik a s p r a w n o ś c i r;.
n
0,5-0,6
S y m b o le p n e u m a ty c z n y c h e le m e n tó w n a p ę d o w y c h p r z e d s ta w io n o w
tab. 1 na następnej stronie.
■ '
326
5.2 Budowa układu pneumatycznego
5,2 Budowa układu pneumatycznego
327
5.2.5 Zawór pneumatyczny W y k o r z y s ty w a n e w p n e u m a ty c z n y c h u k ła d a c h s t e r o w a n ia e le m e n t y s t e r u ją c e c iś n ie n ie m , n a t ę ż e n ie m p r z e pływ u , k ie r u n k ie m p r z e p ły w u , o t w ie r a n ie m i z a m y k a n ie m d r o g i p r z e p ły w u c z y n n ik a r o b o c z e g o n a z y w a n e s ą o g ó ln ie z a w o r a m i p n e u m a t y c z n y m i . P o d s t a w o w ą g r u p ę z a w o r ó w p n e u m a t y c z n y c h s t a n o w ią tz w . z a w o r y r o z d z i e l a j ą c e , k tó r e p o d w p ły w e m s y g n a łó w s t e r u ją c y c h u m o ż liw ia ją o t w ie r a n ie i z a m y k a n ie d r ó g p r z e p ły w u lu b z m ia n y d r ó g p r z e p ły w u c z y n n ik a r o b o c z e g o . Z e w z g lę d u n a k o n s tr u k c ję r o z r ó ż n ia s ię z a w o r y g n i a z d o w e i z a w o r y s u w a k o w e . Z a w o ry w y k o r z y s t y w a n e w c z ę ś c i s t e r u ją c e j p n e u m a t y c z n e g o u k ła d u s t e r o w a n ia n a z y w a n e s ą z a w o r a m i s t e r u ją c y m i; z a w o r y w y k o r z y s t y w a n e w c z ę ś c i e n e r g e t y c z n e j n a z y w a n e s ą z a w o r a m i r o b o c z y m i. T a k ie s a m e z a w o r y w j e d n y c h u k ia d a c h m o g ą p e łn ić fu n k c ję z a w o r ó w s t e r u ją c y c h , w in n y c h - z a w o r ó w r o b o c z y c h . N a o g ó l z a w o r y r o b o c z e s ą p r z y s to s o w a n e d o w ię k s z y c h p r z e p ły w ó w c z y n n ik a r o b o c z e g o n iż z a w o r y s te ru ją c e .
5.2.5.1 Budowa zaworu rozdzielającego tulejoWo-gniazdowego E le m e n t a m i k o n s t r u k c y j n y m i z a w o r u t u l e j o w o - g n ia z d o w e g o (ry s . 1 ) s ą k o rp u s , p o k ry w y b o c z n e i trz p ie ń z n ie r u c h o m o o s a d z o n y m i n a n im d w o m a t u le ja m i i e l e m e n t e m
z a m y k a ją c y m
(p ie r ś c ie ń
u s z c z e ln ia ją c y w ś r o d k u t r z p ie n ia ) . O tw o r y 1 2 i 1 4 w p o k r y w a c h b o c z n y c h s łu ż ą d o w p r o w a d z a n i a s y g n a łó w s t e r u j ą c y c h ; n a z y w a n e s ą o t w o r a m i ( w e j ściam i) s t e r u ją c y m i. Do o tw o ru 1 w k o r p u s ie d o p r o w a d z a s ię s p r ę ż o n e p o w ie trz e ( z a s ila n ie ) , k tó r e w z a le ż n o ś c i o d p o ł o ż e n ia z e s p o ł u
s te r u ją c e g o
k ie r u n k ie m
p r z e p ły w u
(trz p ie n ia z tu le ja m i) m o ż e b y ć k ie r o w a n e a lb o d o o tw o ru 4 ( ja k n a r y s u n k u ) a lb o d o o t w o r u 2 . Z a w ó r t a k i z w y k le j e s t w y k o r z y s t y w a n y d o s t e r o w a n ia s i ło w n i k i e m
d w u s t r o n n e g o d z i a ła n ia . P o w ie t r z e
z o tw o ru 4 p ły n ie d o n a p e łn ia n e j k o m o r y s iło w n ik a , p o d c z a s g d y k o m o r a o p r ó ż n ia n a p o ł ą c z o n a je s t z o t w o rem 2 , s k ą d ,p o w i e t r z e w y d o s t a je s ię d o a t m o s f e r y p r z e z o t w ó r 3 . O tw o r y z a w o r u , p r z e z k tó r e p r z e p ły w a c z y n n ik r o b o c z y d o e le m e n t ó w w y k o n a w c z y c h , n a z y w a n e s ą d r o g a m i. W p r o w a d z e n ie s y g n a łu s t e r u ją c e g o d o o t w o r u 1 2 p o w o d u je z m ia n ę p o ł o ż e n ia z e s p o łu s t e r u ją c e g o k ie r u n kiem p r z e p ły w u - z a s ila n ie z o s t a n ie s k ie r o w a n e d o o t w o r u 2 , w y w o łu ją c ru c h p o w r o t n y s iło w n ik a ; p o w ie tr z e z k o m o r y s iło w n ik a p o łą c z o n e j z o t w o r e m 4 b ę d z ie w y p ły w a ć d o a tm o s f e r y p r z e z o tw ó r 5 . O z n a c z e n ie o tw o ru s te ru ją c e g o lic z b ą 1 2 w s k a z u je n a to , ż e p o p o d a n iu s y g n a iu s t e r u ją c e g o d o t e g o o tw o ru o tw ó r z a s ila n ia 1 z o stanie p o łą c z o n y z o t w o r e m 2 ; a n a lo g ic z n ie o z n a c z e n i e o t w o r u s t e r u ją c e g o 1 4 . Do z m ia n y p o ło ż e n ia z e s p o łu s t e r u ją c e g o k ie r u n k ie m p r z e p ły w u (w s k r ó c ie m ó w i s ię : d o z m ia n y p o ło ż e n ia z a w o ru ) w y s t a r c z y k r ó t k o t r w a ły im p u ls o d p o w i e d n i e g o s y g n a łu s t e r u ją c e g o , p o c z y m z a w ó r z a c h o w u je u z y s k a n e p o ło ż e n ie a ż d o p o ja w ie n ia s ię s y g n a łu p r z e c iw n e g o - t a k ie p o ło ż e n ia z a w o r u n a z y w a ją s ię p o ło ż e n iam i s t a b iln y m i. P o d s t a w o w y m i c e c h a m i z a w o r u r o z d z ie la ją c e g o s ą : lic z b a d r ó g , lic z b a p o ło ż e ń , lic z b a p o ło ż e ń s ta b il n y c h . Z a w ó r p o k a z a n y n a ry s . 1 je s t z a w o r e m p ię c io d r o g o w y m , d w u p o lo ż e n io w y m , b is t a b iln y m (s k r ó to w o m ó w i s ię , ż e je s t t o z a w ó r b is ta b iln y 5 / 2 ) . W p o k a z a n y m z a w o r z e , o p r ó c z s t e r o w a n ia p n e u m a t y c z n e g o , is tn ie je m o ż liw o ś ć s t e r o w a n ia r ę c z n e g o : p o ło ż e n ie z e s p o łu s t e r u ją c e g o p r z e p ły w e m m o ż e b y ć z m ie n ia n e z a p o m o c ą p o p y c h a c z y u m i e s z c z o n y c h w p o k ry w a c h b o c z n y c h . M o ż liw o ś ć o d d z ia ły w a n ia n a s ta n z a w o r u r ó ż n y m i s y g n a ła m i s t e r u ją c y m i n a z y w a s ię s te r o w a n ie m m ie s z a n y m . D z ia ła n ie z a w o r ó w n a s c h e m a t a c h p n e u m a t y c z n y c h p r z e d s t a w ia s ię z a p o m o c ą s y m b o li. S y m b o l z a w o r u r o z d z ie la ją c e g o s k ła d a s ię z ty lu k r a t e k , ile z a w ó r m a p o ło ż e ń . P r z y je d n e j z n ic h u m ie s z c z a s ię s y m b o le p r z e w o d ó w p r o w a d z ą c y c h d o d r ó g z a w o r u ( s y m b o le p r z y łą c z y ) w r a z z n u m e r a c ją d r ó g , d o k tó r y c h p r a w a -
>328
5.2 Budowa układu pneumatycznego
d z i d a n y p r z e w ó d . Z le w e j i p r a w e j s tr o n y z e s t a w u k w a d r a t ó w u m ie s z c z a s ię s y m b o lic z n e o z n a c z e n ia o b u ro d z a j ó w s t e r o w a n ia : p n e u m a t y c z n y c h s y g n a łó w s t e r u ją c y c h (lin ie p r z e r y w a n e z t r ó jk ą t a m i s k ie r o w a n y r r
5.2 Budowa układu pneumatycznego
329
g,g,g;3 Budowa
o s t r z e m w s tr o n ę s y m b o lu w r a z z c y fr o w y m i o z n a c z e n ia m i w e jś ć s t e r u ją c y c h ) i s t e r o w a n ia r ę c z n e g o . p r z e d s ta w io n y n a
rys. 1 zawór talerzowo-gniazdowy
je s t z a w o r e m t r ó jd r o g o w y m , d w u p o lo ż e n io w y m , m o -
1
W k ra tk a c h s y m b o lu , n ie k ie d y o z n a c z a n y c h lite ra m i ja k n a rys. 1 n a p o p rz e d n ie j s tro n ie , w ry s o w u je się połączę
n o s ta b iln y m ( m o n o s t a b iln y z a w ó r 3 / 2 ) , s t e r o w a n y m m e c h a n ic z n ie t r z p ie n ie m . D o o tw o ru
n ia p o m ię d z y d r o g a m i z a w o r u u z y s k a n e w w y n ik u d z ia ła n ia t e g o s y g n a łu s te r u ją c e g o , k tó r e g o s y m b o l znajduje
z a s ila n ie , o t w ó r 3 je s t w y lo t e m d o a tm o s fe r y . W s ta n ie n o r m a ln y m c iś n ie n ie z a s ila n ia i s p r ę ż y n a p o d p o r o w a
s ię p r z y d a n e j k r a tc e . N p . w k r a tc e „b" je s t w r y s o w a n y s ta n p o łą c z e ń p o m ię d z y d r o g a m i’ z a w o r u , u z y s k a n y pod w p ły w e m im p u ls u s y g n a łu s t e r u ją c e g o w p r o w a d z o n e g o d o w e jś c ia
12 : z a w ó r łą c z y
d ro g ę
1 z 2 o r a z d ro g ę 425 .
d o p r o w a d z a s ię
d o c is k a ją t a le r z d o g n ia z d a , z a p e w n ia ją c s z c z e ln e z a m k n i ę c i e p r z e p ły w u p o w ie tr z a z a s ila ją c e g o ; k a n a ł w y j ś c io w y 2 je s t p o łą c z o n y z a t m o s f e r ą p o p r z e z w y d r ą ż e n ie w p o p y c h a c z u i o tw ó r 3 .
d r o g ę 3 z a m y k a p r a w a tu le ja - s ta n z a m k n ię c ia d ro g i ( o z n a c z e n ie s ta n u z a m k n ię c ia - T ) . S trz a łk i w s k a z u ją kieru W a ż n ą c e c h ą p r z e d s ta w io n e j k o n s tr u k c ji je s t tz w .
ru n a jp ie r w z a m y k a n y je s t o d p ły w d o a tm o s fe r y , p o c z y m d o p ie r o o d s u w a s ię t a le r z o d g n ia z d a , u m o ż liw ia jąc p r z e p ły w p o w ie tr z a z k a n a łu
'
praca bezprzeciążeniowa
n e k p r z e p ły w u c z y n n ik a r o b o c z e g o . A b y o d c z y ta ć s ta n p o łą c z e ń u z y s k a n y c h p o d w p ły w e m im p u ls u sygnału s t e r u ją c e g o 1 4 , n a le ż y w m y ś li p r z e s ta w ić k r a tk ę „ a ” w m ie js c e k ra tk i „b" z z a z n a c z o n y m i p rz y łą c z a m i.
1d o
k a n a łu
- p o d c z a s p r z e łą c z a n ia z a w o
2.
Z a w o r y g n i a z d o w e c h a r a k t e r y z u ją s ię m a ły m s k o k ie m e l e m e n t u s t e r u ją c e g o k ie r u n k ie m p r z e p ły w u o ra z o d p o r n o ś c ią n a z a n ie c z y s z c z e n ia .
W n ie k tó r y c h p r o s t s z y c h k o n s tr u k c ja c h z a w o r ó w g n ia z d o w y c h w t r a k c ie p r o c e s u p r z e łą c z a n ia w y s t ę p u je
Z e w z g lę d u n a to , ż e w k a ż d y m p o ło ż e n iu s ta b iln y m c iś n ie n ie z a s ila n ia p o w o d u je d o c is k e le m e n tu z a m y k a ją c e g o (w z a w o r z e n a rys.
1
p r z e jś c io w o s ta n p o łą c z e n ia w s z y s t k ic h d r ó g z a w o r u , c z e g o r e z u lta te m s ą s t r a ty p o w ie tr z a .
n a p o p rz e d n ie j stro n ie - p ie rś c ie n ia u s z c z e ln ia ją c e g o o s a d z o n e g o n a trzp ien iu ) d o gniazda,
; w p r z y p a d k u z a w o r ó w p r z y s to s o w a n y c h d o w ię k s z y c h p r z e p ły w ó w siły n ie z b ę d n e d o p r z e łą c z e n ia s ą z b y t duże.
S.2.5.2 Budową zaworu rozdzielającego suwakowego W zaworach suwakowych
e le m e n t e m s t e r u ją c y m k ie r u n k ie m p r z e p ły w u je s t t ło c z e k lu b s u w a k p la s k i. Z m ia
n y p o łą c z e ń p o m ię d z y d r o g a m i z a w o r ó w s u w a k o w y c h d o k o n u ją s ię w w y n ik u o s io w y c h r u c h ó w s u w a k a . Pokazany na
rys. 1 zaw ór suwakowy tłoczkow y
je s t z a w o r e m
d w u p o lo ż e n io w y m , s te ro w a n y m m e
sym bol
c h a n ic z n ie t r z p ie n ie m . P o p r z y ł o ż e n i u p e w n e j s iły ( m e c h a n ic z n y s y g n a ł s te r u ją c y ) d o t r z p ie n ia w y s t a
z
7 / / 7 I 17
j ą c e g o n a z e w n ą t r z k o r p u s u , t ło c z e k u g in a s p r ę ż y
-w
n ę p o j e g o p r a w e j s tr o n ie i z a jm u je p o ło ż e n ie p r a
i
n
w e . Z a n i k s y g n a łu s t e r u j ą c e g o p o w o d u j e , d z i ę k i
p o ło ż e n ie b: 1 - z a m k n ię te 2 - o d p o w ie trz o n e
z a n im 1 zo sta n ie o tw a rte , z a m y k a s ię 3 (o d p o w ie trz e n ie b e zp rz e c ią ż e n io w e )
p o ło ż e n ie a: 2 - p o ią c z o n e z z a s ila n ie m 1 3 - za m k n ię te
Rys. 1. Proces przełączania zaworu talerzowo-gniazdowego bezprzeclążenlowego
s p r ę ż y n ie , n a t y c h m ia s t o w y p o w r ó t t ło c z k a w p o ł o ż e n i e le w e . Z a t e m p r z y b r a k u s y g n a łu s t e r u ją c e g o
□ o b u d o w u ją c r ó ż n e e l e m e n t y o d d z ia ły w a n ia n a t r z p ie ń s te r u ją c y , n p . p r z y c is k , p e d a ł, d ź w ig n ię , d ź w ig n ię
e l e m e n t s t e r u ją c y k ie r u n k ie m p r z e p ły w u p r z y jm u je j e d n o o k r e ś lo n e p o ło ż e n ie . T a k ie z a w o r y n a z y w a ją s ię
monostabllnymi.
Rys. 1. Zawór suwakowy tłoczkowy sterowany mecha* nlcznle (monostabilny zawór rozdzielający 5/2)
z ro lk ą , o t r z y m u je s ię r ó ż n e m o ż liw o ś c i o d d z ia ły w a n ia n a s ta n z a w o r u . Z a w o r y g n i a z d o w e w y k o r z y s t y w a n e s ą z a r ó w n o j a k o z a w o r y s t e r u ją c e , p r z e t w a r z a ją c e s y g n a ły m e c h a n ic z n e n a p n e u m a t y c z n e , ja k i z a w o r y r o b o c z e - d o s t a r c z a ją c e s p r ę ż o n e p o w ie tr z e d o e le m e n t ó w w y k o - ;
P o ło ż e n ie z a w o r u w s t a n ie , k ie d y n ie d z i a ła ją n a n ie g o s y g n a ły s t e r u ją c e , n a z y w a s ię
położeniem
normalnym.
naw czych. suw ak p ła s k i
2 II
3 A
;
I
4 A
sym bol
5.2,5.4 Zawory rozdzielające sterowane bezpośrednio i pośrednloy.^)'^.^--// N a s y m b o la c h z a w o r ó w m o n o s t a b iln y c h o z n a c z e
77777?.
n ia p r z y łą c z y u m i e s z c z a s ię z w y k le p r z y k r a t c e p o k a z u ją c e j p o łą c z e n ia p o m ię d z y d r o g a m i z a w o r u w s t a n ie n o r m a ln y m . P r z y t y m p o lu u m i e s z c z a s ię s y m b o l s p r ę ż y n y w y m u s z a ją c e j to p o ło ż e n ie .
W
za w o ra c h z
suwakiem płaskim (rys. 2)
wm
e le m e n t
mm
W z a w o r a c h p r z e d s ta w io n y c h w p o p r z e d n ic h r o z d z ia ła c h s y g n a ły w e jś c io w e ( s te r u ją c e ) b e z p o ś r e d n io o d
IV 14
d z ia ły w a ły n a r u c h o m y e le m e n t z a w o r u , p o w o d u ją c y z m ia n ę p o łą c z e ń p o m i ę d z y d r o g a m i. T a k i s p o s ó b o d d z ia ły w a n ia s y g n a łó w s te r u ją c y c h n a s ta n z a w o r u n a z y w a s ię
sterowaniem bezpośrednim.
J e s t o n p rzy
d a tn y w p r z y p a d k u z a w o r ó w m a ły c h (o n ie w ie lk ic h p r z e p ły w a c h ) , w y k o r z y s t y w a n y c h g łó w n ie ja k o z a w o r y s te r u ją c e lu b ja k o z a w o r y r o b o c z e d o s t e r o w a n ia e le m e n t a m i w y k o n a w c z y m i o n ie w ie lk im z u ż y c iu c z y n n ik a ro b o c ze g o .
s t e r u ją c y k ie r u n k ie m p r z e p ły w u s k ł a d a s ię z t ło k a , n a k tó r y o d d z ia łu ją s y g n a ły s t e r u ją c e i s u w a k a p ła s k ie g o , z m ie n ia j ą c e g o p o ł ą c z e n ia p o m i ę d z y d r o g a
Rys. 2. Zawór bistabllny z suwakiem płaskim (zawór rozdzielający 4/2), sterowany pneumatycznie
m i za w o ru .
1 K o n s tr u k c je
P r z y k ła d z a w o r u m o n o s t a b il n e g o 3 / 2 s t e r o w a n e g o e l e k t r y c z n i e b e z p o ś r e d n i o p o k a z a n o n a
następnej stronie. W
rys. 1 na
s ta n ie n o r m a ln y m (n ie p ły n ie p r ą d p r z e z c e w k ę ) s u w a k z a w o r u z a m y k a p r z y łą c z e z a
s ila n ia 1, p r z y łą c z e w y jś c io w e 2 je s t p o łą c z o n e z a t m o s f e r ą p r z e z o t w ó r 3 . P o p o d a n iu s y g n a łu e le k t r y c z n e z s u w a k ie m p ła s k im s ą s t o s o w a n e w p r z y p a d k u z a w o r ó w p r z y s t o s o w a n y c h d o d u ż y c h n atę-
g o n a c e w k ę c e w k a w y t w a r z a p o le m a g n e t y c z n e w c ią g a ją c e s u w a k d o w n ę t r z a c e w k i; p r z y łą c z e w y jś c io w e
2 u z y s k u je
ż e ń p r z e p ły w u .
p o łą c z e n ie z z a s ila n ie m i z a m y k a s ię w y lo t d o a tm o s fe r y .
W z a w o r a c h s u w a k o w y c h c iś n ie n ie z a s ila n ia n ie w y t w a r z a s k ła d o w e j s iły d z ia ła ją c e j w z d łu ż o s i s u w a k a . S y m b o le m s t e r o w a n ia e l e k t r y c z n e g o b e z p o ś r e d n ie g o je s t p r o s t o k ą t z u k o ś n ą k r e s k ą .
D z ię k i t e m u s iły n i e z b ę d n e d o p r z e s t e r o w a n ia s ą n ie d u ż e .
W .t"
» ii
330
5.2 Budowa układu pneumatyczny
5.2 Budowa układu pneumatycznego
331
p o w ie tr z e p r z e p ł y w a d o w y jś c ia z d o w o l n e g o w e j ś c ia lu b g d y d o p r o w a d z o n e je s t j e d n o c z e ś n i e d o o b u w e jś ć . P r z e ł ą c z n i k o b i e g u r e a liz u je z a t e m
lo
p rz e łą c z n ik o b ie g u 2,
g ic z n ą f u n k c ję a lte r n a ty w y (L U B ).
Zawór podwójnego sygnału
z a w ó r p o d w ó jn e g o s y g n a łu
2
i f iV n
(rys. 1 ), p o d o b n i e ja k
/
p r z e łą c z n ik o b ie g u , m a d w a w e jś c ia ( 1 0 i 1 1 ) i j e d n o
'A
w y jś c ie (2 ), S łu ż y d o w y t w a r z a n ia s y g n a łu w y jś c io w e g o ty lk o w te d y , k ie d y d o o b u w e jś ć d o p r o w a d z o ne je s t s p r ę ż o n e p o w ie tr z e ( k ie d y je d n o c z e ś n i e Ist n ieją o b y d w a s y g n a ły w e jś c io w e ) . Z a w ó r p o d w ó jn e g o s y g n a łu r e a l i z u j e z a t e m
sym bol 10
— O - *— ^
lo g ic z n ą fu n k c ję k o -
n lu n kcji (I). Z a w o r y t e s ą p r z y d a t n e d o w y t w a r z a n ia s y g n a łó w s t e r u j ą c y c h , k t ó r e m o g ą z a i s t n ie ć t y lk o
Rys. 1. Zawór przełącznik obiegu I zawór podwójnego sygnału
w p r z y p a d k u j e d n o c z e s n e g o s p e łn ie n ia k ilk u w a r u n ków , n p . s y g n a ł u r u c h a m ia ją c y n a p ę d p r a s y p o w i nien s ię p o ja w ić ty lk o w te d y , k ie d y o p e r a t o r n a c is k a ł W
b ę d z ie je d n o c z e ś n i e d w a p r z y c is k i.
u k ła d a c h n a p ę d o w y c h z e le m e n t a m i w y k o n a w
c z y m i, w y m a g a ją c y m i d o s ta r c z a n ia d u ż y c h ilo ś c i p o w ie tr z a , n ie z b ę d n e s ą z a w o r y r o b o c z e d o s to s o w a n e d o w y m a g a n y c h w ie l k o ś c i p r z e p ł y w ó w . P o n ie w a ż
cew ka e le k tro m a g n e s u
fj
p rz y łą c z e 3. z a w o ru w s p o m a g a ją c e g o
sym bol
s u w a k z a w o ru \ w sp o m a g a ją -
Zawór dławląco-zwrotny (rys. 2)
ż e n i a e le m e n t ó w s t e r u ją c y c h k ie r u n k ie m p r z e p ły w u s ą d u ż e , w y p o s a ż a s ię j e w je d e n lu b d w a (w z a l e ż
c z e n ie z a w o r ó w d ł a w i ą c e g o i z w r o t n e g o . P o d c z a s
zaw ór w s p o m a g a ją c y
n o ś c i o d lic z b y s y g n a łó w s t e r u ją c y c h ) tz w . z a w o r y w s p o m a g a ją c e . S y g n a ły s t e r u ją c e o d d z ia łu ją n a z a w o r y w s p o m a g a ją c e , k t ó r e p r z e ł ą c z a j ą w ła ś c iw y z a w ó r g łó w n y . Z a w o r y t a k ie n a z y w a n e s ą
sterowanymi pośrednio.
zaworami
p r z e p ły w u w k ie r u n k u z g o d n y m z k ie r u n k ie m p r z e
p rz y łą c z e 1. ' za w oru w s p o m a g a ją c e g o
w o d z e n ia z a w o r u z w r o t n e g o p o w i e t r z e p r z e p ł y w a
p rz y łą c z e 2, za w oru w s p o m a g a ją c e g o
W k ie r u n k u p r z e c iw n y m p o w ie tr z e m o ż e p r z e p ły w a ć
P r z y k ła d z a w o r u s t e r o w a
n e g o p o ś r e d n io e le k t r y c z n ie p o k a z a n o n a
je s t k o n s tr u k c ją
o d w ó c h p r z y łą c z a c h , z a w ie r a ją c ą r ó w n o le g le p o ł ą
w t a k ic h z a w o r a c h s iły n ie z b ę d n e d o z m ia n y p o ło
z a r ó w n o p r z e z z a w ó r z w ro tn y , ja k i p r z e z s z c z e lin ę z a w o ru d ła w ią c e g o ; je s t to p r z e p ły w s w o b o d n y . tylko p r z e z s z c z e lin ę z a w o r u d ł a w i ą c e g o ( p r z e p ły w d ła w io n y ). Z a w o r y d l a w i ą c o - z w r o t n e w y k o r z y s t y w a
rys. 2.
n e s ą g łó w n ie d o o g r a n ic z a n ia p r ę d k o ś c i e l e m e n tów w y k o n a w c z y c h .
5 2 5 5 Przegląd 1 budowa zaworów specjalnego przeznaczenia Zawór zwrotny
w ie t r z a ty lk o w j e d n y m k ie r u n k u c z a 1 d o 2. W
Zawór czasowy (rys. 3)
(rys. 3)
m y k a ją c y p o d w p ły w e m
- o d p r z y łą
r ó ż n ic y c iś n ie ń i s p r ę ż y n y
Rys. 2. Zawór rozdzielający monostabllny 3/2 sterowany elektrycznie pośrednio
:
Jednym
n ie m s y g n a łu w y jś c io w e g o , o t w ó r 3 - w y lo t e m d o p rz y k ła d z a s to s o w a n ia
z z a s t o s o w a ń z a w o r ó w z w r o t n y c h je s t
u m i e s z c z a n ie ic h w p r z e w o d a c h d o p r o w a d z a ją -
p rze z z a w ó r d la w ią c o -z w r o tn y . O d m o m e n tu p o ja w ie n ia s ię c iś n ie n ia n a w e jś c iu 1 2 c iś n ie n ie w k o m o
s t e r u ją c y c h s iło w n ik a m i d o c is k o w y m i w c e lu z a
rze s te r u ją c e j n a r a s ta z p r ę d k o ś c ią z a l e ż n ą o d n a
b e z p i e c z e n i a p r z e d z m n ie js z e n ie m s iły d o c is k u ,
jza:
w p r z y p a d k u n a g ły c h s p a d k ó w c iś n ie n ia z a s ila -
WV
n ia (ry s . 3 ).
p rz e d n a g łym s p a d k ie m
k ie ru n e k z a p o ro w y
c iś n ie n ia
m a d w a w e jś c ia ( 1 0 i 1 1 ) i je d n o w y jś c ie ( 2 ). S łu ż y p r z e k a z y w a n ia
z dw óch
s ta w y d ł a w i e n i a z a w o r u d l a w i ą c o - z w r o t n e g o . P o
z a b e zp ie cze n ie
Przełącznik obiegu (rys. 1 na następnej stronie), s y g n a łó w
a tm o s fe ry . O tw ó r 1 2 d o w p r o w a d z a n i a s y g n a łu w e j ś c io w e g o j e s t p o ł ą c z o n y z k o m o r ą s t e r u j ą c ą p o
k ie ru n e k p rz e p ły w u s w o b o d n e g o
■ -c y c h s p r ę ż o n e p o w ie tr z e d o z a w o r ó w r o b o c z y c h
do
G łó w n y m z e s p o łe m z a w o r u c z a s o w e g o je s t m o n o s ta b iln y z a w ó r 3 / 2 , w k tó r y m d o p r z y łą c z a 1 d o p r o w a d z a s ię z a s ila n ie , p r z y łą c z e 2 je s t w y p r o w a d z e
p o d p o r o w e j u n ie m o ż liw ia p r z e p ły w . .
o p ó ź n ie n ie m
w s to s u n k u d o s y g n a łu w e jś c io w e g o .
p r z y p a d k u p o ja w ie n ia s ię w k a n a le
2 w ię k s z e g o c iś n ie n ia n iż w k a n a le 1 , e l e m e n t z a
w y t w a r z a n a w y jś c iu s y
g n a ł p o j a w ia j ą c y s ię z n a s t a w ia n y m
u m o ż liw ia p r z e p ły w s p r ę ż o n e g o p o
sym bol
pochodzących
—
o s ią g n ię c iu w a r to ś c i n ie z b ę d n e j d o p r z e łą c z e n ia z a w o ru g łó w n e g o p o ja w ia s ię n a w y jś c iu s y g n a ł o p ó ź n io n y w s t o s u n k u d o s y g n a łu w e jś c io w e g o o c z a s n ie z b ę d n y d o o s ią g n ię c ia o k r e ś lo n e g o c iś n ie n ia
------
w k o m o r z e s t e r u ją c e j. P o z a n ik u s y g n a łu w e jś c io w e g o k o m o r a s t e r u ją c a r o z ła d o w u je s ię s z y b k o p r z e z z a w ó r d t a w ią c o - z w r o t n y . Z m ie n ia ją c n a s ta w ę z a w o r u d l a w i ą c o - z w r o t n e g o , m o ż n a u z y s k a ć c z a s y o p ó ź n ie n ia
n ie z a le ż n y c h ź r ó d e ł d o d a ls z e j c z ę ś c i
lu b
u k ł a d u . P r z e ł ą c z n i k i o b i e g u u m o ż l iw ia ją n p . u r u
od u ła m k a s e k u n d y d o k ilk u m in u t. M o ż liw e je s t w y d łu ż e n ie c z a s u o p ó ź n ie n ia p r z e z d o łą c z e n ie d o d a tk o w e j
c h a m i a n i e i z a t r z y m y w a n ie e l e m e n t u w y k o n a w c z e
k o m o r y d o k o m o r y s te r u ją c e j.
g o z d w ó c h s t a n o w is k s t e r o w n ic z y c h . S p r ę ż o n e
Rys. 3. Zawór zwrotny
332
5.2 Budowa układu pneumatyczna^
5.2 Budowa układu pneumatycznego
333
i Z a w o r y c z a s o w e s t o s u je s ię w s z ę d z i e t a m , g d z i e
P r z y łą c z a p r z y r z ą d ó w o z n a c z a s ię c y fra m i, d a w n ie j
I r o z p o c z ę c ie c z y n n o ś c i w in n o n a s t ą p ić z o p ó ż n ie -
ta k ż e lite ra m i ( ta b . 1 ). P rz y łą c z e z a s ila n ia o z n a c z a się
■; n ie m w s t o s u n k u d o o k r e ś lo n e g o s y g n a łu , n p . w y c o f a n ie s iło w n ik a p o p e w n y m c z a s ie o d o s ią g n ię c ia
z
z
z
sym bol
^ 3
T a b. 1.
w y k o n a w c z y c h ) o z n a c z a się c y fra m i p a rz y s ty m i 2 , 4 a l
p o z y c ji w y s u n ię t e j. Z a w ó r s z y b k i e g o s p u s t u ( r y s . 1 ) s łu ż y d o s z y b k ie -
ro z d z ie la ją c y c h p r z y łą c z e m a o z n a c z e n ie 1 2 , k ie d y je R y s . 1 . Z a w ó r s z y b k ie g o s p u s t u
go u a k ty w n ie n ie p o w o d u je p o w s ta n ie p o łą c z e n ia p rz y
; n ia p r ę d k o ś c i t ło k a . J e s t t o z a w ó r t r ó jd r o g o w y , p r z y
łączy 1 i 2 , a o z n a c z e n ie
! c z y m d r o g a 3 . je s t s z e r o k im w y lo t e m d o a tm o s fe r y .
cze n ie cyfro w e
1
P
14
- g d y je g o u a k ty w n ie n ie
przyłą cza ro b ocze
2 ,4 ,6
A, B, C
p rzyłą cza rob ocze
3, 5 , 7
R, S, T
przyłącza s yg na łó w sterujących
10, 1 1 ,1 2 ,1 4
X, Y, Z
p o w o d u je p o łą c z e n ie p r z y łą c z y 1 i 4 . S y m b o la m i 10 i
. w o r u r o z d z i e la ją c e g o ) d o p r z y ł ą c z a 2 ( i d a le j, n p .
wlot, przyłącze ciśnienia zasilania
P oprzednie ozna
cze n ie cyfro w e
o tr z y m u ją o z n a c z e n ia d w u c y fr o w e , n p . w z a w o r a c h
; g o o d p o w ie t r z a n ia o k r e ś lo n y c h c z ę ś c i u k ła d u p n e u -
P o d c z a s p r z e p ły w u p o w ie tr z a o d p r z y łą c z a 1 ( z z a -
A ktu a ln e o z n a
R o d za j p rzyłą cza
bo 6 . O d p o w ie tr z e n ia o z n a c z a n e s ą c y fra m i n ie p a r z y s ty m i 3 , 5 a l b o 7 . P r z y łą c z a s y g n a łó w s t e r u ją c y c h
i m a t y c z n e g o , n p . k o m o r y s iło w n ik a w c e lu z w ię k s z e -
O z n a c z e n ia p r z y łą c z y e le m e n t ó w p n e u m a t y c z n y c h I h y d r a u lic z n y c h
cyfrą 1. P r z y łą c z a r o b o c z e ( p r o w a d z ą c e d o e le m e n tó w
T a b . 1 . S y m b o lik a z a w o r ó w
11
o z n a c z a się p r z y łą c z a c iś n ie n io w e , n p . w z a w o r z e
p o d w ó jn e g o s y g n a łu .
Z a w o ry o k ilk u w y ró ż n io n y c h p o ło ż e n ia c h
d o n a p e łn ia n e j k o m o r y s iło w n ik a ) p o w ie tr z e o p ły w a
Z a w o r y m o g ą b y ć s t e r o w a n e s i łą m ię ś n i, m e c h a n ic z n ie , e le k t r y c z n ie , c i ś n i e n i e m lu b w s p o s ó b m ie s z a n y . iic z b a p ó l = lic z b ie p o ło ż e ń
e le m e n t p r z e łą c z a ją c y i d o c is k a g o d o g n i a z d a w y lo tu d o a tm o s fe r y . Z - c h w ilą z a n ik u c iś n ie n ia n a w e j
S y m b o le o z n a c z a ją c e s p o s ó b s te r o w a n ia s ą z n o r m a liz o w a n e i s ą u m ie s z c z a n e n a z e w n ą tr z s y m b o lu z a w o ru p ro
ś c iu 1, p o d w p ły w e m c iś n ie n ia w k a n a le 2 , e le m e n t
s to p a d le d o p rz y łą c z y (ta b . 2 ).
p r z e łą c z a ją c y z o s t a je d o c iś n ię t y d o g n i a z d a p r z y łą c z a 1, p o c z y m n a s t ę p u je s z y b k i w y p ły w p o w ie tr z a
z a w ó r o 2 p o ło ż e n ia c h
z a w ó r o 3 p o ło że n ia ch T a b . 2 . O z n a c z e n ia s p o s o b ó w s t e r o w a n ia e le m e n t ó w p n e u m a t y c z n y c h i h y d r a u lic z n y c h w g P N IS O 1 2 1 9
d o a tm o s fe ry p r z e z o tw ó r 3 . s trz a łk i w lin ia ch o z n a c z a ją c y c h p rz e w o d y
5.2.S.6 Dane techniczne j symbolika oznaczeń zaworów ■ pneumatycznych
S te ro w a n ie m e c h a n ic z n e
S te ro w a n ie s ilą m ię ś n i
■c
w y p ły w : d o zb io rn ik a , o d p o w ie trz e n ie
*£
s y m b o l o g ó ln y
K :
p rz y c is k ie m
d ź w ig n ią
m l p e d a łe m
popychaczem łu b p rz y c is k ie m
sp rę żyn ą
p rz y c is k ie m z ro lk ą
Z a k r e s in fo rm a c ji p o d a w a n y c h w k a t a lo g a c h , d o t y c z ą c y c h d a n y c h t e c h n i c z n y c h , z a l e ż y o d r o d z a ju o p is y w a n e g o z a w o r u .
h y d ra u lic z n y
p n e u m a ty c z n y l
z a w ó r z 3 p rzyłą cza m i i 2 p o ło ż e n ia m i
ż e ń , p o ło ż e ń s t a b iln y c h , r e a liz o w a n y c h p o ł ą
S te ro w a n ie e le k tr y c z n e
I
Xa 0 fb
in fo r m a c je t e o b e jm u ją : r o d z a j s p e łn i a n e j f u n k c ji: l ic z b a d r ó g , p o ł o
z a p a d k a , d o łą c z o n a w c e iu u trz y m y w a n ia o k re ś lo n e g o p o ło ż e n ia
za w ó r ro zd z ie la ją c y 4/3
W p r z y p a d k u z a w o r ó w r o z d z ie la ją c y c h
•
d źw ig n ią ła m a ną z ro lką
MI
/I
a = p o ło ż e n ie p o p rz e łą c z e n iu b == p o ło ż e n ie p o c z ą tk o w e
z a m k n ię c ie
® =C
e le k tro m a g n e s e m z d w o m a ce w k a m i d z ia ła ją c y m i p rz e c iw s o b n ie
e le k tro m a g n e s e m z je d n ą c e w k ą
p o łą cze nie p rze w od ó w
4 X1
siln ik ie m e le k try c z n y m
c z e ń p o m ię d z y d r o g a m i (w p o s ta c i s y m b o lu ) , •
o z n a c z e n i a i g w in ty p r z y łą c z y ,
•
w y m ia r y , m a s ę , s p o s ó b m o n t a ż u ,
. • •
z a k r e s c iś n ie ń r o b o c z y c h , w y m a g a n i a d o t y c z ą c e c z y s to ś c i i s m a r o w a n ia
u s y tu o w a n ie p rz y łą c z y
1 -r a
c z y n n ik a r o b o c z e g o , : •
r o d z a j s t e r o w a n ia i p a r a m e t r y s y g n a łó w s t e r u
z a w ó r ro z d z ie la ją c y 2/2
nn—I
a b f
S te ro w a n ie c iś n ie n io w e s te ro w a n ie b e z p o ś re d n ie h y d ra u lic z n e
a = p o ło ż e n ie p rz e p ły w u (p o ło ż e n ie p o prze łącze n iu) b = p o ło ż e n ie za m kn ięcia (p o ło ż e n ie p o czą tko w e )
[4 m
s te ro w a n ie p o ś re d n ie h y d ra u lic z n e
p n e u m a ty c z n e p rze z w z ro s t ciśn ie n ia
p n e u m a ty c z n e p rz e z w z ro s t c iśn ie n ia w z a w o rze g łó w n y m , w y w o ła n y p rze z z a w ó r w s p o m a g a ją c y
- C
- - C
--m
--4 I
ją c y c h , •
w ie lk o ś ć p r z e p ły w u c z y n n ik a r o b o c z e g o ,
•
w a r u n k i p r a c y , g łó w n ie z a k r e s te m p e r a t u r y ,
‘ •
U k ła d p o łą c z e ń z a w o ru tró jp o lo ż e n io w e g o
tr w a ło ś ć ,
•
r o d z a j e m a t e r ia ł ó w , z k t ó r y c h w y k o n a n e s ą
•
z g o d n o ś ć z n o r m a m i.
ul" If, Vl Xa
T ? T t bA
e le m e n t y z a w o r u ,
s ta n p o łą c z e ń w p o ło że n iu p o c z ą tk o w y m 0
s tan p o łą cze ń w p o ło ż e n iu b
p rze z s p a d e k ciśn ie n ia
-H I
S te ro w a n ie m ie s z a n e h y d ra u lic z n e
p n e u m a ty c z n e
rziE
m >
C
p rze z e le k tro m a g n e s i z a w ó• r w s p o m a g a ją c y iz p rze z e le k tro m a g n e s a lb o za w ó r w s p o m a g a ją c y
ce n tro w a n ie ciśn ie n ie m
pw ce n tro w a n ie za p o m o c ą sp rę żyn
'{ Z a s a d y k o n s tr u o w a n ia s y m b o li z a w o r ó w r o z d z i e la j ą c y c h p r z e d s ta w io n o w t a b . 1 .
p rz e z s p a d e k ciśn ie n ia w z a w o rze g łó w n y m , w y w o ła n y p rze z z a w ó r w s p o m a g a ją c y
T J T - - r |- r — - y i j i
* -'r*
_t_
stan p o łą c z e ń w p o ło ż e n iu a
p rze z e le k tro m a g n e s a lb o p rz y c is k rę czn y ze s p rę ż y n ą p o w ro tn ą
¡334
5.3 Podstawowe układy sterowania siłownikiem pneumatycznym
5.3 Podstawowe układy sterowania siłownikiem pneumatycznym
335
Tab. 1. Ś red nie p rędkości tło k a sile w nika pne u m aty czn eg o osiąg an e przy częś cio w ym o b c iążen iu , p rzy ciśnieniu zasilani a 6 bar
j
1. Z jakich głównych urządzeń sktada się układ wytwarzania sprężonego powietrza?
j.
2. Wymień rodzaje sprężarek.
| ' ; 3. Opisz sposoby sterowania pracą sprężarek.
Ś r e d n ic a
Ś r e d n ic a
c y lin d r a
n o m in a ln a
[m m ]
p r z y łą c z y
; : 4. Dlaczego w wyniku sprężania powietrza wydziela się z niego kondensat?
O b c ią ż e n ie t ło c z y s k a w % s i ły c z y n n e j 0
20
40
60
80
300
P r ę d k o ś ć t ło k a w m m /s
[m m ]
! ■ ■ 5. Opisz metody osuszania sprężonego powietrza.
6. Jakie funkcje spełnia zbiornik sprężonego powietrza?
25
4
580
530
450
380
7. Opisz zasady instalacji rurociągu sprężonego powietrza.
35
7
980
885
785
690
600
8. Do czego służy i z jakich elementów składa się zespół przygotowania powietrza?
50
7
480
440
400
360
320
9. Co to jest układ napędowy?
70
7
230
215
200
180
150
70
9
530
470
425
380
310
11. Opisz zasady działania siłowników beztłoczyskowych.
100
7
120
110
90
80
60
12. Opisz budowę i działanie muskułu pneumatycznego.
100
9
260
230
205
180
130
10. Opisz budowę siłownika jednostronnego I dwustronnego działania.
13. Czym różnią się zawory gniazdowe od zaworów suwakowych? 14. Wymień główne cechy charakteryzujące właściwości zaworów rozdzielających. 15. Jak są zbudowane i co wyrażają symbole zaworów rozdzielających? 16. Opisz zasady oznaczania przyłączy zaworów rozdzielających. 17. Opisz budowę i działanie zaworu zwrotnego.
140
9
130
120
110
90
70
140
12
300
260
230
200
170
200
9
65
60
55
50
40
200
12
145
130
120
105
85
200
19
330
300
280
250
215
250
19
240
220
185
165
115
18. Opisz budowę I działanie przełącznika obiegu. ' 19. Opisz budowę i działanie zaworu podwójnego sygnału. 20. Opisz budowę i działanie zaworu dlawiąco-zwrotnego. 21. Opisz budowę i działanie zaworu czasowego. , 22. Opisz budowę I działanie zaworu szybkiego spustu.
5.3.2 Bezpośrednie sterowanie siłownikiem tłokowym ■ ■
:l$ ; ■ jednostronnego działania ..r.:
W y k o r z y s ta n ie d o s te r o w a n ia s iło w n ik ie m z a w o r u r o boczego
5.3 Podstawowe układy sterowania Siłownikiem pneumatycznym
s te ro w a n e g o
s ilą m ię ś n i ( n p . z a w o r y
z p r z y c is k ie m , d ź w ig n ią , p e d a łe m ) lu b m e c h a n ic z n ie (n p . z a w o r y s t e r o w a n e t r z p ie n ie m , d ź w ig n ią z ro lk ą ) n a z y w a s ię s t e r o w a n ie m b e z p o ś r e d n i m ( r y s . 1 ). S t e r o w a n ie b e z p o ś r e d n ie s to s u je s ię w p r z y p a d k u s i ło w n i k ó w o m a ł y c h p o j e m n o ś c i a c h c y l in d r ó w , k ie d y w y s t e r o w a n ie s iło w n ik a n ie je s t u z a
D o b ó r e le m e n t ó w p n e u m a t y c z n e g o u k ła d u n a p ę d o w e g o w y n ik a z a n a liz y fu n k c ji, ja k ą m a s p e łn ia ć p ro
l e ż n io n e o d i n n y c h s y g n a łó w p o z a b e z p o ś r e d
j e k t o w a n y u k ła d , w y m a g a n y c h p a r a m e t r ó w t e c h n ic z n y c h i w a r u n k ó w p r a c y .
n im o d d z ia ły w a n ie m n a z a w ó r r o b o c z y .
Rys. 1. S terow anie b e zp o śred n ie siłow nikiem Jednostronnego d ziała nia
D o s t e r o w a n ia s iło w n ik ie m j e d n o s t r o n n e g o d z ia ła n ia p r z y d a tn y je s t z a w ó r m o n o s ta b iln y 3 / 2 . W s ta n ie , k ie d y : W
p r z y p a d k u r o z w a ż a n y c h p o n iż e j t y p o w y c h u k ł a d ó w p n e u m a t y c z n y c h p o d s t a w ą d o b o r u s iło w n ik a są:
z a w ó r n ie je s t w y s t e r o w a n y (w s ta n ie n o r m a ln y m ) , s p r ę ż o n e p o w ie tr z e n ie d o c h o d z i d o s iło w n ik a ; s p r ę ż y n a
1 ¡ w a r to ś ć d o s t ę p n e g o c iś n ie n ia z a s ila n ia o r a z w a r to ś ć sity c z y n n e j lu b s iły w t r a k c ie r u c h u , j a k ą w in ie n w y tw a -
p o w r o t n a s iło w n ik a d o c is k a tło k d o p o k r y w y t y ln e j. P o p r z e łą c z e n iu z a w o r u s p r ę ż o n e p o w ie tr z e n a p ie r a n a
< :r z a ć s iło w n ik , w y m a g a n y z a k r e s r u c h ó w . Z g o d n i e z m e t o d y k ą p o d a n ą w p . 5 . 2 .4 .4 w y z n a c z a s ię ś re d n ic ę
tło k ; t lo c z y s k o s iło w n ik a w y s u w a s ię . Z w o ln ie n ie n a c is k u n a e le m e n t s t e r u ją c y z a w o r u p o w o d u je p o w r ó t z a
: ¡ c y lin d r a s iło w n ik a , c o p o z w a la n a w y b ó r o d p o w i e d n i e g o s iło w n ik a z k a ta lo g u .
w o r u d o p o ł o ż e n ia n o r m a ln e g o . S p r ę ż o n e p o w ie tr z e z k o m o r y s iło w n ik a u c h o d z i d o a tm o s fe r y . T ło k s iło w n i k a p o d w p ły w e m s p r ę ż y n y p o w r o t n e j w r a c a d o p o z y c ji p o c z ą tk o w e j.
’ j
W y b ó r r o d z a ju z a w o r ó w w y n ik a z w y m a g a n e g o s p o s o b u s t e r o w a n ia d o b r a n y m s iło w n ik ie m .
! ( Is to tn ą s p r a w ą je s t w ła ś c iw y d o b ó r w ie lk o ś c i z a w o r u r o b o c z e g o , d o s t a r c z a ją c e g o s p r ę ż o n e p o w ie tr z e d o si] R ó w n ik a . P o d s t a w ą d o b o r u je s t in fo r m a c ja o w y m a g a n e j p r ę d k o ś c i tło k a s iło w n ik a , u m o ż liw ia ją c a w y b ó r w iel; ! | jk o ś c i z a w o r u , o k r e ś la n e j p r z e z ś r e d n ic ę n o m in a ln ą p r z y łą c z y , n a p o d s t a w ie o d p o w ie d n ic h n o m o g r a m ó w 1 .lu b ta b lic ( t a b . 1 n a n a s t ę p n e j s t r o n i e ) o p r a c o w a n y c h p r z e z p r o d u c e n t ó w e le m e n t ó w p n e u m a ty c z n y c h .
5.3.3 Pośrednie sterowanie siłownikiem tłokowym jednostronnego działania W u k ła d a c h s t e r o w a n i a p o ś r e d n i e g o z a w o r y r o b o c z e s ą s t e r o w a n e p n e u m a t y c z n ie . Z e w n ę t r z n e s y g n a ły s t e r o w n ic z e n ie o d d z ia łu ją b e z p o ś r e d n io n a z a w ó r r o b o c z y , le c z n a z a w o r y s t e r u ją c e , k tó r y c h s y g n a ły w y j ś c io w e s t e r u ją z a w o r a m i r o b o c z y m i.
336
5,3 Podstawowe układy sterowania siłownikiem pneumatycznym
5.3 Podstawowe układy sterowania siłownikiem pneumatycznym i
S t e r o w a n ie p o ś r e d n ie s to s u je s ię w p r z y p a d k u s iło w
337
W y k o r z y s tu ją c d o s t e r o w a n ia s iło w n ik ie m d w a m o n o s ta b iln e z a w o r y r o b o c z e 3 / 2 ( r y s . 2 c n a p o p r z e d n i e j
n ik ó w o d u ż y c h p o je m n o ś c ia c h , w y m a g a ją c y c h u ż y
s t r o n i e ) , m o ż n a s iło w n ik w p r o w a d z ić w je d e n z c z t e r e c h s t a n ó w p r a c y . W s ta n ie p o c z ą tk o w y m o b ie k o m o r y
c ia o d p o w ie d n io d u ż y c h z a w o r ó w r o b o c z y c h i p r z y
s iło w n ik a s ą o p r ó ż n io n e ; n a tlo k n ie d z ia ła ż a d n a s iła c iś n ie n io w a . W c e lu w y s u n ię c ia tto c z y s k a n a le ż y w y
łą c z y o d u ż y c h ś r e d n ic a c h , a t a k ż e k ie d y w y s t e r o w a
s te r o w a ć z a w ó r P. P o z w o ln ie n iu n a c is k u n a z a w ó r P p o n o w n ie n a t lo k n ie d z ia ła s iła c iś n ie n io w a . W c e lu s p o w o d o w a n ia w y c o f a n ia t ło k a n a le ż y w y s t e r o w a ć z a w ó r L; p o j e g o z w o ln ie n iu z n ó w n a t ło k n ie d z ia ła sita
n ie s iło w n ik a z a le ż y o d k ilk u n ie z a le ż n y c h s y g n a łó w . 12
N a r y s . 1 p o k a z a n o u k ła d p o ś r e d n ie g o s t e r o w a n ia
w
s iło w n ik ie m j e d n o s t r o n n e g o d z ia ła n ia w s t a n ie p o
c iś n ie n io w a . W u k ła d z ie ty m is tn ie je m o ż liw o ś ć w p r o w a d z e n i a c iś n ie n ia d o o b u k o m ó r s iło w n ik a . D z ię k i ró ż :
n y m p o w ie r z c h n io m c z y n n y m tło k a m o ż n a w te n s p o s ó b s p o w o d o w a ć p o w o ln y ru c h tło k a .
c z ą t k o w y m i p o p r z e łą c z e n iu z a w o r u s t e r u ją c e g o . , in n e j e s z c z e w ła ś c iw o ś c i m ia łb y u k ła d w y k o r z y s t u ją c y d w a z a w o r y 3 / 2 n o r m a ln ie p r z e w o d z ą c e . |
Z a l e t ą s t e r o w a n ia p o ś r e d n ie g o je s t to , ż e d o o d z n a c z n ie m n ie js z e s ity n iż w p r z y p a d k u s t e r o w a
A
A
n ia b e z p o ś r e d n i e g o ; z a w o r y s t e r u j ą c e s ą e l e m e n t a m i o m a ł y c h r o z m ia r a c h , m a j ą p r z y ł ą c z a o n ie w ie lk ic h ś r e d n ic a c h .
D o b e z p o ś r e d n ie g o s t e r o w a n ia s iło w n ik a m i d w u s t r o n n e g o d z ia ła n ia w y k o r z y s t y w a n e s ą c z ę s to z a w o r y s te ro w a n e r ę c z n ie d ź w ig n ią w y p o s a ż o n ą w z a p a d k ę ( r y s . 2 d , e n a p o p r z e d n i e j s t r o n i e ) . D z ię k i z a p a d c e , p o d
d z i a ły w a n ia n a z a w o r y s t e r u j ą c e s ą p o t r z e b n e
c z a s p r z e s t a w ia n ia d ź w ig n i w y c z u w a s ię p o ło ż e n ia o d p o w i a d a j ą c e p o s z c z e g ó ln y m s t a n o m z a w o r u . S ą to s ta b iln e p o ło ż e n ia z a w o r u ( o p e r a t o r n ie m u s i s ta le u t r z y m y w a ć d ź w ig n i) . Z a p a d k i o z n a c z a n e s ą n a s y m b o
Rys. 1. Pośrednie sterowanie siłownikiem tłokowym jednostronnego działania
lach s t e r o w a n ia r ę c z n e g o w p o s ta c i w r ę b ó w ; n a d j e d n y m z n ic h u m ie s z c z o n a je s t k r e s k a w s k a z u ją c a , k tó re . p o ło ż e n ie z a w o r u je s t p o ł o ż e n ie m
n o r m a ln y m . Z a w o r y z z a p a d k a m i w y k o r z y s t u je s ię t a k ż e w u k ła d a c h
s te r o w a n ia b e z p o ś r e d n ie g o s iło w n ik a m i j e d n o s t r o n n e g o d z ia ła n ia .
5.3.4 Bezpośrednie sterowanie siłownikiem tłokowym dwustronnego działania -■ .■ W p r z y p a d k u s iło w n ik a d w u s t r o n n e g o d z ia ła n ia s p r ę ż o n e p o w ie t r z e m u s i b y ć d o p r o w a d z a n e d o d w ó c h k o
5.3.5 Rośrednie sterowanie siłownikiem tłokowym dwustronnego działania
m ó r s iło w n ik a . S t w a r z a to m o ż liw o ś ć w y k o r z y s t a n ia r ó ż n y c h s p o s o b ó w s t e r o w a n ia ( r y s . 2 ) o r a z u z y s k a n ia w ię c e j n iż d w ó c h s t a n ó w p r a c y s iło w n ik a .
J a k o z a w o r y r o b o c z e w u k ła d a c h p o ś r e d n ie g o s t e
z a w ó r ro b o c z y m o n o s ta b lln y
r o w a n ia s iło w n ik ie m d w u s t r o n n e g o d z ia ła n ia w y k o
✓
r z y s t u je s ię n a j c z ę ś c i e j d w u p o l o ż e n i o w e z a w o r y c z te ro - lu b p ię c io d r o g o w e , p r z y c z y m m o g ą to b y ć
a)
__
W
z a w o r y m o n o s ta b iln e i b is ta b iln e . U k ła d z z a w o r e m r o b o c z y m m o n o s ta b iln y m ( r y s . 1 a )
14,
z a c h o w u j e s ię a n a lo g i c z n i e j a k u k ł a d s t e r o w a n ia
I
w
b e z p o ś r e d n ie g o (ry s . 2 b n a p o p r z e d n ie j s t r o n ie ) po w łą c z e n iu z a w o r u s t e r u ją c e g o je g o s y g n a ł p o w o d u je p r z e ł ą c z e n i e z a w o r u r o b o c z e g o i w y s u n ię c ie t lo c z y s k a s iło w n ik a ; z w o ln ie n i e n a c is k u n a z a w ó r
A
s te r u ją c y p o w o d u je p o w r ó t z a w o r u r o b o c z e g o d o p o ło ż e n ia n o r m a ln e g o i w y c o f a n ie tło k a s iło w n ik a . U k ła d z z a w o r e m
ro b o c z y m
b is t a b iln y m
z a w ó r ro b o c z y b is ta b iin y
(ry s . 1 b )
nie m a s w o je g o o d p o w ie d n ik a w u k ła d a c h s t e r o w a nia b e z p o ś r e d n i e g o . D o w y w o ła n ia w y s u w a n ia tlo
b)
i
c z y s k a w y s t a r c z y k r ó t k ie o d d z ia ł y w a n i e n a z a w ó r
£
s te r u ją c y P. P o d o jś c iu t ło k a d o p o k r y w y p r z e d n ie j s iło w n ik p o z o s t a je w te j p o z y c ji d o p ó k i n ie p o ja w i 14,
się s y g n a ł z z a w o r u s t e r u ją c e g o L. P
a
W p r z y p a d k u w y k o r z y s t a n ia m o n o s t a b iln e g o z a w o r u r o b o c z e g o c z t e r o - iu b p i ę c io d r o g o w e g o ( r y s . 2 a , b) w k a ż d e j c h w ili je d n a z k o m ó r s iło w n ik a je s t w y p e łn ia n a s p r ę ż o n y m p o w ie tr z e m . P o d o b n ie ja k w p r z y p a d k u s iło w n ik a j e d n o s t r o n n e g o d z ia ła n ia , p o p r z e łą c z e n iu z a w o r u , s p r ę ż o n e p o w ie tr z e n a p ie r a n a tło k ; tto c z y s k o s iło w n ik a w y s u w a s ię . Z w o ln ie n ie n a c is k u n a e l e m e n t s te r u ją c y z a w o r u p o w o d u je b e z z w ło c z n y p o w r ó t z a w o r u d o p o ło ż e n ia n o r m a ln e g o .
e le m e n te m
w y k o n a w c z y m . N a to m ia s t w u k ła
N ❖3
S te r o w a n ie b e z p o ś r e d n ie je s t s t o s o w a n e g łó w n ie w u r z ą d z e n ia c h b a r d z o p r o s t y c h , n p . z j e d n y m
Ii
2
vq 1
2
H L Ia 1
r
d a c h w y m a g a ją c y c h p r z e t w a r z a n ia z e w n ę t r z n y c h s y g n a łó w s t e r o w a n ie p o ś r e d n ie je s t p o d s t a w o w ą m e t o d ą s t e r o w a n ia e le m e n t a m i w y k o n a w c z y m i.
Rys. 1. Sterowanie pośrednie sitownikiem dwustronnego działania
5.3 Podstawowe układy sterowania siłownikiem pneumatycznym
338
5 .3.6 Przykfady zastosowań układów sterowania siłownikiem pneumatycznym 1
5.3 Podstawowe układy sterowania siłownikiem pneumatycznym
339
P rz e d o s ią g n ię c ie m p o z y c ji w y c o f a n e j k r z y w k a s iło w n ik a 2 A n a c is k a p r z e z c h w ilę d ź w ig n ię z a w o r u 2 S 1 , k tó
\
r e g o s y g n a ł p r z e ł ą c z a z a w ó r 1 V w p o z y c ję p o c z ą t k o w ą , w y c o f a n ie s iło w n ik a 1 A i u w o ln ie n ie w y g ię t e g o d e talu. S c h e m a ty u k ła d ó w p n e u m a t y c z n y c h b u d u je s ię w s p o s ó b „ w a r s tw o w y ”. W g ó r n e j w a r s tw ie u m ie s z c z a s ię s y m b o le e l e m e n t ó w w y k o n a w c z y c h w r a z z o z n a c z e n ia m i (1 A , 2 A ). P o n iż e j u m ie s z c z a s ię s y m b o le z a w o r ó w
5.3.6.1 Stanowisko produkcyjne realizujące proces montażu przez zagniatanie tulei
r o b o c z y c h (1 V, 2 V ). W d o ln e j w a r s tw ie u m i e s z c z o n e s ą s y m b o le z a w o r ó w s t e r u ją c y c h (1 S I , 2 S 1 , 1 S 2 , 2 S 2 ) . W r z e c z y w is to ś c i z a w o r y 2 S 1 , 1 S 2 , 2 S 2 u s y tu o w a n e s ą w p o b liż u tlo c z y s k s iło w n ik ó w . A b y z a z n a c z y ć m ie j s c e u s y tu o w a n ia ty c h z a w o r ó w , p r z y s y m b o la c h s iło w n ik ó w u m ie s z c z a s ię k r e s k i z s y m b o le m d a n e g o z a w o ru s t e r u ją c e g o . Z a w o r y 2 S 1 i 1 S 2 w y tw a r z a ją s y g n a ły ty lk o w t r a k c ie n a j e ż d ż a n ia k r z y w k i n a e le m e n t s t e r u ją cy z a w o r u z j e d n e g o ty lk o k ie r u n k u ; k ie r u n e k t e n w s k a z u je s tr z a łk a u m ie s z c z o n a p r z y k r e s c e o z n a c z a ją c e j
' C z ę ś c io w o z a u t o m a t y z o w a n e s t a n o w is k o m o n t a ż o -
u m ie js c o w ie n ie z a w o r u . S ą t o tz w .
5 w e ( r y s . 1 ) s łu ż y d o z a g n ia t a n ia tu le i w o t w o r z e d e
zawory z dźwignią łamaną.
t a lu . D e ta l w k ła d a n y je s t r ę c z n ie w g n ia z d o u c h w y i tu , p o c z y m , t a k ż e r ę c z n ie , d o o t w o r u w d e t a lu je s t
I) l
; c z ę ś c io w o w s u w a n a t u le ja . S iło w n ik 1 A 1 , w y s u w a
i
f
e
t
?;
~ '” r ’
__j
j ą c s ię , w c is k a tu le ję d o o p o r u i z a g n ia t a ją s t o ż k o ! w y m s t e m p le m . W y s u w a n ie t lo c z y s k a je s t in ic jo w a -
1. Co to jest I jak się wyznacza silę czynną siłownika?
‘ n e n a c iś n ię c ie m p r z y c is k u S T A R T . W y c o f a n ie s ilo w -
2. Omów metodykę doboru siłownika do projektowanego układu pneumatycznego. 3. Jaki parametr określa wielkość zaworu pneumatycznego?
! n ik a n a s t ę p u je a u t o m a t y c z n ie p o o s ią g n ię c iu k o ń j c o w e g o p o ł o ż e n ia , w k t ó r y m
s t e m p e l n a c is k a n a
lu le ja
i r o lk ę z a w o r u 1 S 2 . 1S2 = 0
| i
P r z e d s ta w io n y u k ła d n ie s p e łn ia w y m o g ó w b e z -
l ‘ p le o z e ń s tw a p r a c y . W ła ś c iw e r o z w ią z a n ie p o w in i
n o u m o ż liw ia ć ty lk o d w u r ę c z n e u r u c h a m ia n ie si-
W
4. Omów metodykę doboru wielkości roboczego zaworu rozdzielającego do siłownika. 5. Na czym polega sterowanie bezpośrednie siłownikiem pneumatycznym?
.d e ta l p rzy c is k START
zaw ór s te r o w a n y
6. Kiedy można zastosować sterowanie bezpośrednie siłownikiem pneumatycznym? 7. Jakie są wady I zalety bezpośredniego sterowania siłownikami pneumatycznymi?
m echa'u c h w y t
1S1
I ; lo w n ik a .
8. Scharakteryzuj cechy zaworu roboczego w układzie bezpośredniego sterowania siłownikiem pneumatycznym jednostronnego działania. 9. Kiedy trzeba stosować pośrednie sterowanie siłownikiem pneumatycznym?
5 3 6 2 Stanowisko produkcyjno realizujące proces zginania elementów blaszanych
Rys. 1. Prasa do zagniatania tulei
10. Jakie są wady I zalety pośredniego sterowania siłownikami pneumatycznymi? 11. Przedstaw metody bezpośredniego sterowania siłownikiem pneumatycznym dwustronnego dzlatanla i scharakteryzuj właściwości poszczególnych metod. 12. W jakim celu wykorzystuje się zawory z zapadkami w układach ze sterowaniem bezpośrednim?
C z y n n o ś c i z w ią z a n e z r e a liz o w a n y m p r o c e s e m r o z p o c z y n a ją s ię o d r ę c z n e g o w ło ż e n ia e le m e n t u p rz e z n a c z o n e g o d o w y g ię c ia w o d p o w i e d n i e m ie js c e i m a d ła , p o c z y m o p e r a t o r n a c iś n ię c ie m p r z y c is k u z a w o ru
13. Na czym polega sterowanie pośrednie siłownikiem dwustronnego działania?
s t e r u ją c e g o 1 S 1 ( r y s . 2 ) in ic ju je c y k l a u t o m a t y c z n y .
14. Naszkicuj uktad pośredniego sterowania siłownikiem pneumatycznym dwustronnego działania z zaworem roboczym monostabilnym.
S y g n a ł w y jś c io w y p r z y c is k u 1 S 1 p r z e ł ą c z a z a w ó r 1V, w w y n ik u c z e g o s iło w n ik 1'A d o s u w a s z c z ę k ę im a d ła
15. Naszkicuj układ pośredniego sterowania siłownikiem pneumatycznym dwustronnego działania z zaworem roboczym bistabllnym.
i m o c u je d e ta l. K r z y w k a z w ią z a n a z tlo c z y s k ie m s iło w n ik a 1 A , z b liż a ją c s ię d o p o z y c ji k o ń c o w e j, n ac iska p r z e z c h w ilę d ź w ig n ię z a w o r u 1 S 2 , k tó r y w c z a s ie te j c h w ili w y t w a r z a s y g n a ł p r z e łą c z a ją c y z a w ó r 2V. S iło w n ik 2 A w y k o n u je w y g ię c ie d e t a lu . W k r a ń c o w e j p o z y c ji t io c z y s k a z w ią z a n a z n im k r z y w k a w łą c z a z a w ó r 2S2, k t ó r e g o s y g n a ł p o w o d u je p r z e łą c z e n ie z a w o r u 2 V w p o z y c ję p o c z ą t k o w ą i w y c o f a n ie s iło w n ik a 2 A .
16. Przedstaw różnice w działaniu układów sterowania pośredniego z zaworem roboczym monostabllnym w stosunku do ukfadu z zaworem roboczym bistabllnym. 17. Dlaczego w układach sterowania napędem pras, nltownic, gilotyn należy stosować dwuręczne uruchamianie napędu? 18. W jakim celu stosuje się zawory z dźwignią tamaną? 19. Omów zasady rysowania schematów układów pneumatycznych.
1 „
6 Układy hydrau|jcznB
340
6.1 Fizyczne podstawy zachowania cieczy pod ciśnieniem
341
6,1.2 Ciecz płynącą
6 Układy hydrauliczne ro z u m ie s ię d z ie d z in ę te c h n ik i p ły n o w e j z a jm u ją c ą się r e a liz a c ją , z a p o ś re d n ic tw e m
C ie c z p o d c iś n ie n ie m je s t d o b r y m p o ś r e d n ik ie m d o p r z e n o s z e n ia e n e rg ii (s iła r a z y p r z e m ie s z c z e n ie ) lu b p r z e
c ie c z y p o d c iś n ie n ie m , p r z e m ie s z c z e ń i sil (m o m e n tó w ) w z e s p o ła c h m a s z y n . R z a d z ie j o z n a c z a o n a m a g a z y n o
k a z y w a n ia m o c y (s iła r a z y p r ę d k o ś ć ) . W y k o r z y s tu je s ię te w ła ś c iw o ś c i m .in . w u r z ą d z e n iu p r z e d s ta w io n y m n a r y s . 1.
P o d p o ję c ie m
„hydraulika"
w a n ie e n e rg ii lu b tłu m ie n ie u d e r z e ń i d r g a ń . G łó w n e o b s z a r y z a s to s o w a n ia to : s k a rk i),
hydraulika mobilna
hydraulika stacjonarna
(n p . w try
(n p . k o p a r k i) itp. H y d r a u lik a z n a jd u je z a s to s o w a n ie w p r z e m y ś le c ię ż k im , o kręto w -
J e ż e li t ło k p o m p y p o d w p ły w e m
d z i a ł a n i a s iły F ,
n ic tw ie i lo tn ic tw ie . P r a k ty c z n ie w s z ę d z ie t a m , g d z ie w y m a g a n e s ą z n a c z n e sity i s to s u n k o w o d u ż a p rę d k o ś ć
p r z e s u n ie s ię w d ó ł o w a r to ś ć x , t o z je j c y lin d r a z o
d z ia ła n ia .
s ta n ie p r z e t lo c z o n a c ie c z o o b ję to ś c i
Właściwości hydrauliki: ■• • •
A V = A j x
le k k ie i m a ło g a b a r y t o w e e le m e n t y m o g ą c e re a li
l e p k o ś ć o le jó w h y d r a u lic z n y c h z a le ż y o d t e m p e
z o w a ć z n a c z n e siły,
ra tu ry ,
s z y b k a , p r e c y z y jn a i b e z s t o p n io w a z m ia n a p r ę d
p r z e c ie k i o le ju p o w o d u ją straty ,
k o ś c i s iln ik ó w i s iło w n ik ó w ,
s tr a ty
p r o s t e z a b e z p ie c z e n i e p r z e d p r z e c ią ż e n ie m z a
w c ie p ło ,
w o r a m i o g r a n ic z a ją c y m i c iś n ie n ie ,
t e n d e n c ja d o d r g a ń i h a ła s u .
d o c y lin d r a p o d n o ś n ik a i je g o tło k p r z e s u n ie s ię d o z w ią z a n e
z
p r z e p ły w e m
g ó r y o w a r t o ś ć y, b o w ie m p r z y n ie ś c iś liw e j c ie c z y z a m ie n ia ją się
o b o w ią z u je z a le ż n o ś ć
•
A V = A , x = ,4a y
6.1 Fizyczne podstawy zachowania cieczy pod ciśnieniem
i s tą d
Rys. 1. Przetłaczanie cieczy
6.1.1 Ciecz stojąca J e ż e li o d b y w a s ię t o w c z a s ie f, c z y li tlo k p o m p y p r z e s u w a ł s ię z p r ę d k o ś c ią
:W h y d r a u l i c e s t o j ą c a c i e c z m o ż e p r z e n o s i ć s i lę i e n e r g ię . P r z y k ła d e m je s t p r z e k ła d n ia s iły
(rys. 1),
k tó r e j z a s a d ę d z ia ła n ia w y k o r z y s t u je s ię d o z w ię k s z a n ia s iły m .in . w h y d r a u lic z n y m
y, = j
,
a t ło k p o d n o ś n ik a z p r ę d k o ś c ią
to w y w o ła n e z o s t a ło
m ochodow ym .
1
F M
1,
AV
k t ó r e je s t
Q --|
je d n a k o w e w c a łe j o b ję to ś c i z a jm o w a n e j p r z e z c ie c z
(praw o P ascala).
Z a te m
d z ia ła t e ż n a p o
Li i:
c iś n ie n ie s ta tyczn e
-P-
x?7ł T~TIJ -L
O s ta tn ia z a le ż n o ś ć n a z y w a s ię
.
x
.
i~ t
równaniem ciągłości
y 7
~ V1
,
p r ę d k o ś ć p r z e p ły w u c ie c z y z a le ż y o d p r z e k r o ju p r z e p ły w o w e g o .
b y ć z r ó w n o w a ż o n a s iłą F 2. O b o w ią z u je z a le ż n o ś ć
N a p r z y k ła d p r z y jm u ją c , ż e p r z e k r ó j r u r y ł ą c z ą c e j
Rys. 1. Rozprzestrzenianie się ciśnienia w nleruchome| cieczy
v = 5
~ vz A 2.
i w y n ik a z n ie j, ż e w z a m k n ię t y m u k ła d z ie (O = c o n s t . )
w ie r z c h n ię A 2 i p o w o d u je o k r e ś lo n ą s iłę , k t ó r a m o ż e
s t ą d e f e k t z w ię k s z a n ia (m u ltip lik a c ji) s iły
j
natężenie przepływu
S i ła F , d z i a ł a j ą c a n a p o w i e r z c h n i ę <4, w y t w a r z a w c ie c z y c iś n ie n ie s t a t y c z n e p =
v2 -
s ą ,
p o d n o ś n ik u s a
(rys. 1)
w y n o s i A , t o p r ę d k o ś ć v c ie c z y w n ie j w y n o s i
je ż e li O = c o n s t o r a z A < < A h A 2 , to v > >
v2.
P r z e m ie s z c z e n ie c ie c z y je s t z w ią z a n e z w y k o n a n ie m o k r e ś lo n e j p ra c y , a z a t e m z e s t r a tą e n e r g ii W . P r ę d k o ś ć ! p r z e p ły w u p r z e z w s p o m n ia n ą r u r ę je s t z a le ż n a o d r ó ż n ic y c iś n ie ń
i
A p = p , - p 2.
Przykład: J a k ą s i łą F , n a l e ż y n a c is k a ć n o g ą n a d ź w ig n ię
T r a c o n a w z w ią z k u z p r z e p ły w e m e n e r g ia W s(ra(, k t ó r a z a m ie n ia s ię w c ie p ło i o g r z e w a c ie c z o r a z z e s p o ły !
p o d n o ś n ik a h y d r a u lic z n e g o , a b y p o d n ie ś ć c ię ż a r
u k ła d u , z a l e ż y o d A p i v 2 , c z y li
F2 =
( p o k o n a ć s ilę )
6 5 kN
(rys.
2 )? -A p •
^q2
R ozw iązan ie: R ó w n o w a g a sil n a t ł o k u p o d n o ś n ik a :
F2 =
—
- p,
Moc hydrauliczną
P w y r a ż a z a le ż n o ś ć
s t ą d p o ż ą d a n a w a r t o ś ć c iś n ie n ia p w u k ła d z ie 4
p
F2
Jt1202
R ó w n o w a g a sit n a tto k u p o m p y :
- ji102 P1= —4 'P
P r z y k ła d o w o , je ż e li n a o p o r z e h y d r a u lic z n y m (n p . z a w o r z e , r u r z e itp .), p r z e z k tó r y p r z e p ły w a n a t ę ż e n ie O ,
/ 1 \2 c 'fj? ) ' F='
w y s t ę p u je s p a d e k c iś n ie n ia A p , to n a o p o r z e je s t t r a c o n a m o c
R ó w n o w a g a m o m e n t ó w n a d ź w ig n i F f 50=
F, • 1 0 ,
s tą d
F,=
' Fa- 90,28 N.
Rys. 2. Hydrauliczny podnośnik samochodowy
P sir.
: O Ap. I
6.1 Fizyczne podstawy zachowania cieczy pod ciśnieniem
342
6.1.3 Wytwarzanie Ciśnienia i przepływu w cieczy pom p w yporow ych.
343
Do ważniejszych zadań akumulatora hydraulicznego należą:
sa.
D o w y t w a r z a n ia n a t ę ż e n ia p r z e p ły w u O n a jc z ę ś c ie j u ż y w a s ię
6.2 Budowa układu hydraulicznego
S k ła d a ją s ię o n e
z k ilk u k o le jn o d z ia ła ją c y c h k o m ó r r o b o c z y c h , k tó r e
• a k u m u la c ja e n e rg ii,
• u z u p e łn ia n ie u b y tk ó w o le ju (p rz e c ie k i),
• tłu m ie n ie d rg a ń ,
• r e z e r w a e n e rg ii d la ru c h ó w w s ta n ie a w a ry jn y m .
• w y g ła d z a n ie p u ls a c ji n a tę ż e n ia p rz e p ły w u ,
p r z y z w ię k s z a n iu s w e j p o je m n o ś c i z a s y s a ją z e z b io r n ik a c ie c z , a p r z y z m n ie js z a n iu - t ło c z ą ją d o in s ta la c ji. P o m p ę c h a r a k te r y z u je tz w .
kowa
w ydajność jednost
V [m 3/ o b r ] . J e s t to o b ję t o ś ć c ie c z y , j a k ą w y t ła
t e m p r z y n [ o b r /s ] o b r o t a c h o b ję t o ś c io w e n a t ę ż e n ie
wydajność pompy)
z a w ó r a u t o m a t y c z n e g o r o z ła d o w a n ia d z ia ła ją c y z c h w ilą w y łą c z e n ia d o p ły w u e n e r g ii d o m a s z y n y .
'■ J =
c z a p o m p a n a je d e n o b r ó t w a łk a n a p ę d o w e g o . Z a p r z e p ły w u (tz w .
A k u m u la to r y z z a s a d y p o d le g a ją p r z e p is o m U r z ę d u , D o z o r u T e c h n ic z n e g o ( r o z d z . 2 . 4 .2 ) o r a z m u s z ą m ie ć
Pi n a tę że n ie p rz e p ły w u Q -
6>1.5 Parametry charakteryzujące stan cieczy
zawór ograniczający ciśnienie L (zawór bezpieczeństwa)
w ynosi
O j m 3/s ] = V [ m 3/o b r ] • n [ o b r /s ].
rozdzielacz
Ś c iś liw o ś ć c ie c z y je s t m a t a i t r z e b a j ą u w z g lę d n ia ć w p r a k t y c e d o p ie r o p r z y w y s o k ic h c iś n ie n ia c h . C i e c z e h y d r a u lic z n e z w ię k s z a ją s w ą o b ję t o ś ć w r a z z e
W y d a jn o ś ć O p o m p y m o ż e b y ć z m ie n io n a p r z e z z m ia n ę
w y d a jn o ś c i je d n o s t k o w e j V lu b
w z r o s te m te m p e r a t u r y . O b a t e z ja w is k a o b ja ś n io n o
wydajność : jednostkowa pompy V
lic z b y
na
U p r o s z c z o n y s c h e m a t u k ła d u h y d r a u lic z n e g o p r z e d s t a w ia
z b io rn ik
rys. 1.
—
P rz y
v-
(d u ż a le p k o ś ć ) w z ra s ta ją s tra ty
P rz y
_____________
■ s traty
■A p n a r u r z e , p o t r z e b n y d o p r z e tło c z e n ia c ie c z y o d p o m p y d o p r z e s t r z e n i p o d tło k ie m . J e ż e li z a w ó r b e z p ie -
rzadkim oleju
(m a la le p k o ś ć ) z w ię k s z a ją się
spow odow ane
p o ś liz g ie m
i
p rz e c ie k a m i,
z m n ie js z a się g r u b o ś ć w a rs tw y s m a r u ją c e j, a w ię c
A p ~ v 2 ~ Q 2,
te m p e ra tu ra : t - 1 0 °C c iś n ie n ie : p „ = 0 bar o b ję to ś ć o le ju : V = 1 0 0 I
t
= 2 0 °C
t
p„= Obar V=
1 00,651
= 20 °C
p„=100bar V = 100 I
Rys. 1. Wpływ ciśnienia I temperatury na właściwości cieczy hydraulicznej
w z ra s ta z u ż y c ie .
. c z e ń s t w a je s t z a m k n ię t y , to p = A p -I- p f ,
ciśn ie n ie : p „= 0 bar o b ję to ś ć o le ju : V = 1 0 0
u k ła d u .
Rys. 1. Wytwarzanie przepływu i ciśnienia
ś c i ( e w . o b c i ą ż e n i a ) t ło k a , o r a z s p a d e k c i ś n i e n i a
';
gęstym oleju
la ją s ię b ą b e lk i p o w ie trz a , p o g a r s z a s ię s p r a w n o ś ć
o p o r u h y d r a u lic z n e g o , n a ja k i n a p o t y k a c ie c z w y t ła ją : c iś n ie n ie p 1t p o t r z e b n e d o p o k o n a n ia s iły c ię ż k o -
w r a z z p o d a n ie m o r ie n t a c y jn y c h w a r to ś c i
p r z e p ły w u i ta rc ia , u k ła d r e a g u je w o ln o , n ie w y d z ie
C iś n ie n ie p w k r ó ć c u w y jś c io w y m p o m p y z a l e ż y o d c z a n a d o in s ta la c ji. W ty m p r z y p a d k u o p ó r p o w o d u
rys. 1
lic z b o w y c h .
o b ro tó w n .
W z ro s t t e m p e r a tu r y p o w o d u je z m n ie js z e n ie le p k o ś c i. J a k o w s k a ź n ik z a le ż n o ś c i m ię d z y le p k o ś c ią a t e m p e r a
c z y li c iś n ie n ie p z a le ż y o d o b c ią ż e n ia u k ła d u i o d n a t ę ż e n ia p r z e p ły w u .
tu rą je s t u ż y w a n y
j j e ż e l i r o z d z ie la c z p o łą c z y s iło w n ik z e z b io r n ik ie m lu b tio k w y s u n ie s ię d o k o ń c a , t o c iś n ie n ie p b ę d z ie z a -
współczynnik lepkości.
Im w ię k s z a
P o d s t a w o w ą w ie lk o ś c ią f iz y c z n ą u ż y w a n ą w h y d r a u lic e j e s t c i ś n i e n i e p
z d e f i n i o w a n e p r z e z s ilę F [ N ]
je s t w a rto ś ć w s p ó łc z y n n ik a d la d a n e j c ie c z y , ty m m n ie j
i p o w i e r z c h n ię o d d z ia ł y w a n i a A [ m 2] ( r o z d z . 6 . 1 .1 ) ,
z m ie n ia s ię le p k o ś ć p r z y z m ia n a c h t e m p e r a t u r y .
ja k o p = F I A .
■ i le ż a ło , o d n a t ę ż e n ia O i c iś n ie n ia o t w a r c ia z a w o r u b e z p ie c z e ń s t w a o r a z o p o r n o ś c i linii: p o m p a - > z a w ó r I b e z p ie c z e ń s t w a - * z b io r n ik .
6;1.4 Akumulacja energii W cieczy Ś c iśliw ość cieczy
h y d r a u lic z n y c h je s t z n ik o m a
U ż y w a n e s ą t e ż in n e p a r a m e tr y , t a k ie ja k
dynamicz kinematyczny współczynnik lepkości. D a l
D r u g ą w a ż n ą w ie lk o ś c ią je s t o b j ę t o ś c io w e n a t ę ż e
ny
n i e p r z e p ł y w u Q [ m 3/ s ] o k r e ś l a n e j a k o o b j ę t o ś ć
s z e p a r a m e t r y to : g ę s to ś ć c ie c z y , w ła ś c iw o ś c i s m a r
\ / [ m 3] p r z e p ł y w a ją c a p r z e z d a n y p r z e k r ó j w je d n o s t
n e , ła tw e w y d z ie la n ie p ę c h e r z y k ó w p o w ie tr z a itp.
c e c z a s u f [s ] , c z y li O = V / 1.
lu b
Tr l T Z"'1' I " "PI1'I"1T
"r*
-r
: ' r' '
- - --
...,J
( p a t r z r o z d z ia ł 6 . 1 .5 ) . M o ż liw o ś ć a k u m u la c ji e n e r g ii w s a m e j c ie c z y (o b ję to ś ć [m 3] r a z y c iś n ie n ie [ N / m 2]
1.
=
2. Omów równanie ciągłości cieczy płynącej. 3. Podaj zależność na moc hydrauliczną.
e n e r g ia p o t e n c ja ln a
[ N m ]) je s t z a te m
b a rd zo
o g r a n ic z o n a i n ie m a p r a k t y c z n e g o z n a c z e n ia d la b ila n s u e n e r g e t y c z n e g o u k ła d u . E n e r g ię o z n a c z n e j w a r to ś c i g r o m a d z i s ię w
akumulatorach.
4. Podaj zasadę działania pompy wyporowej.
hydro-
5. Do czego służy akumulator hydrauliczny?
N a jc z ę ś c ie j w g a z o w y c h , w k tó r y c h
6. Wymień parametry charakteryzujące stan cieczy.
a k u m u la c ja o d b y w a s ię p r z e z s p r ę ż e n ie p e w n e j ilo ści g a z u (a z o tu )
jaK zachowuje się ciecz stojąca?
••
' i' '■
(rys. 2).
W z a s a d z ie e n e r g ię g r o m a d z i s ię ( ła d o w a n ie a k u m u la to r a ) w c z a s ie , g d y w y d a t e k (w y d a jn o ś ć ) p o m
6,2 Budowa układu hydraulicznego
p y j e s t w ię k s z y o d a k t u a l n e g o z a p o t r z e b o w a n i a , a o d d a je s ię ( r o z ła d o w a n ie a k u m u la t o r a ) , g d y z a p o t r z e b o w a n ie je s t w ię k s z e o d w y d a t k u .
p ę c h e rz o w y
m e m b ra n o w y
Rys. 2. Akumulatory hydrauliczne
tło k o w y
P o g lą d o w y s c h e m a t u k ła d u h y d r a u lic z n e g o p r z e d s ta w io n o n a z c z ę ś c i z a s ila ją c e j, s te r u ją c e j i w y k o n a w c z e j.
rys. 1 na następnej stronie.
S k ła d a s ię o n
6.2 Budowa układu hydraulicznego
344
6.2 Budowa układu hydraulicznego
345
Trudnopalne ciecze hydrauliczne: •
c ie c z e
HFA -
s ą to e m u ls je o le ju z u d z ia łe m w o d y o d
80
% do
90
% ; s ą ta n ie i b e z p ie c z n e d la ś ro d o w is k a , :
m a ją je d n a k z n ik o m ą le p k o ś ć i d a ją n ie w ie lk ą o c h ro n ę p r z e d z u ż y c ie m , p o w o d u ją z n a c z n e s traty o b ję to ś c io w e p r z e z p rz e c ie k i, m a ją te n d e n c ję d o p rz e c h o w y w a n ia b ak terii o r a z s ą w ra ż liw e n a m ró z; s to s o w a n e s ą tylk o w p r z y p a d k u n is k ic h c iś n ie ń ,
¡p rz e k s z ta łc a n ie e n e rg ii
HFC -
•
c ie c z e
•
c i e c z e H F D - d ro g ie , b e z w o d n e s y n te ty c z n e c i e c z e ( e s t r y k w a s u fo s fo ro w e g o ), d o b r z e c h r o n ią c e p r z e d z u
w o d n e ro z tw o ry p o lig lik o lu z d o d a tk a m i z m n ie js z a ją c y m i z u ż y c ie ,
ż y c ie m , a le z e z tą re la c ją le p k o ś ć - te m p e r a tu r a . T ru d n o p a ln e c ie c z e , o z n a c z o n e p r z e z
HF,
s to s u je się w s z ę d z ie ta m , g d z ie istn ie je g r o ź b a e k s p lo z ji lu b je s t m o ż li
w y k o n ta k t z o tw a rty m p ło m ie n ie m , n p . w g ó rn ic tw ie w ę g lo w y m lu b p rz y p ra s a c h k u ź n ic z y c h . |
s te ro w a n ie e n e rg ią
Ciecze rozkładające się biologicznie: • •
p rz e k s z ta łc a n ie e n e rć jiij
c ie c z e
HTG
n a b a z ie o le i r o ś lin n y c h (n p . o le ju r z e p a k o w e g o ) , d o b r z e r o z k ła d a ją s ię b io lo g ic z n ie , n ie
r o z p u s z c z a ln e w w o d z ie , ( ą c z ą s ię z m in e r a ln y m i, o g r a n ic z o n y z a k r e s t e m p e r a t u r y p r a c y i m a la o d p o r n o ś ć n a s t a r z e n ie , •
j p rz y g o to w a n ie c ie c z y jj
c ie c z e HPG s z t u c z n e z p o lig lik o le m , b e z w o d n e , w ła ś c iw o ś c i p o d o b n e d o o le i m in e r a ln y c h , a le n ie łą c z ą s ię z n im i,
c ie c z e
HT,
s z t u c z n e e s t e r y s y n te t y c z n e , n a jle p ie j r o z k ła d a ją s ię b io lo g ic z n ie , n i e r o z p u s z c z a ln e w w o
d z ie , w ła ś c iw o ś c i p o d o b n e d o m in e r a ln y c h . C ie c z e r o z k ła d a ją c e s ię b io lo g ic z n ie n ie z a t r u w a ją w o d y , s ą z a t e m e k o lo g ic z n ie o b o ję t n e .
Rys. 1. Budowa układu hydraulicznego
'
6.2.2 Zasady budowy układu hydraulicznego
P o m p a z a s y s a c ie c z z e z b io r n ik a i t ło c z y j ą d o in s ta la c ji. P r z y w y s t e r o w a n iu s u w a k a r o z d z ie la c z a , ja k n a ry
O d u k ł a d u h y d r a u li c z n e g o w y m a g a s ię , a b y m o ż n a b y ł o s t e r o w a ć p r ę d k o ś c i ą r u c h u t ło k a u r z ą d z e n ia >
s u n k u , c ie c z p o p r z e p ły n ię c iu p r z e z z a w ó r d ł a w ią c y d o s ta je s ię d o le w e j k o m o r y s iło w n ik a , p o w o d u ją c w y-
w y k o n a w c z e g o . Is tn ie ją d w a z a s a d n ic z e s p o s o b y r e a liz a c ji t e g o z a d a n ia : s t e r o w a n i e d l a w i e n i o w e o r a z ,
S u w t ło k a w p r a w o . J e s t t o m o ż liw e , b o w ie m p r a w a k o m o r a s iło w n ik a je s t w ó w c z a s p o łą c z o n a z e z b io rn i
s t e r o w a n ie w y p o r o w e ( o b ję to ś c io w e ) .
k ie m . G d y t ło k w y s u n ie s ię d o k o ń c a lu b s u w a k r o z d z ie la c z a z a jm ie ś r o d k o w e , o d c in a ją c e p o ło ż e n ie , to na w y jś c iu p o m p y w z r a s t a c iś n ie n ie i o t w ie r a s ię z a w ó r o g r a n ic z a ją c y c iś n ie n ie , p r z e z k tó r y c a ły w y d a t e k p o m p y w r a c a d o z b io r n ik a . P r z e s te r o w a n ie r o z d z ie la c z a w d r u g ie s k r a jn e p o ło ż e n ie p o w o d u je w s u w a n ie się tło
6,2.2.1 Budowa otwarta układu hydraulicznego (układ cHawieniowy)
k a , a c ie c z w y p ły w a ją c a z le w e j k o m o r y p r z e p ły w a g łó w n ie p r z e z z a w ó r z w r o tn y (je s t n ie d ła w io n a ). W u k ła d z ie h y d r a u lic z n y m r e a liz u ją c y m s t e r o w a n ie d la w ie n io w e ( r y s . 1 ) s to s u je s ię n a o g ó l p o m p ę s t a
ęj^pze hydrauliczna
łe g o w y d a t k u Q p = c o n s t . o r a z z a w ó r p r z e le w o w y , p r z e z k t ó r y p r z e p ł y w a n a t ę ż e n ie Q s . D o in s t a la c ji w tła c z a n e je s t n a t ę ż e n ie Q (. B ila n s n a t ę ż e ń p r z e p ły
Ż a d n a c ie c z n ie s p e łn ia j e d n o c z e ś n ie w s z y s t k ic h w y m o g ó w w y n ik a ją c y c h z w a r u n k ó w p r a c y w u k ła d z ie hy
w u m a p o s ta ć
d r a u lic z n y m . P o p r a w ę n ie k t ó r y c h w ła ś c iw o ś c i, is to tn y c h d la d a n e g o z a s t o s o w a n ia , u z y s k u je s ię p r z e z o d p o w ie d n ie d o d a tk i - d o m ie s z k i. D o c ie c z y s t o s u je s ię o z n a c z e n i a lite r o w e , p r z y c z y m z n a j d u j ą c a s ię n a k o ń c i
Op = Q s + O;.
lic z b a o k r e ś la ś r e d n ią le p k o ś ć k i n e m a t y c z n ą p r z y 4 0 ° C .
O le j e m in e r a ln e : •
H - o le je h y d ra u lic z n e p o d a tn e n a s ta rz e n ie , b e z s p e c ja ln y c h d o d a tk ó w (s u b s ta n c ji c z y n n y c h - d o d a tk ó w
•
u s z la c h e tn ia ją c y c h ), H L - o le je h y d r a u lic z n e z a w ie r a ją c e d o d a tk i u s z la c h e tn ia ją c e z w ię k s z a ją c e ic h o d p o r n o ś ć n a s ta rz e n ie i c h ro n ią c e p r z e d k o ro z ją ; s to s o w a n e w p r z y p a d k a c h w y s o k ic h te m p e r a tu r lu b z a g r o ż e n ia k o ro z ją ,
•
H L P - o le je h y d ra u lic z n e z d o d a tk a m i z m n ie js z a ją c y m i z u ż y c ie ; je s t to s z c z e g ó ln ie w a ż n e w u k ła d a c h hy d ra u lic z n y c h , k tó ry c h z e s p o ły ru s z a ją z e s ta n u s p o c z y n k u lu b z in n e g o p o w o d u z n a jd u ją się w o b s z a r z e tar
t •
c ia m ie s z a n e g o , H V - o le je h y d ra u lic z n e z d o d a tk a m i p o le p s z a ją c y m i ich z a c h o w a n ia te m p e r a tu r o w o -le p k o ś c io w e ; s ą z a le c a n e d o z a s to s o w a ń w n iskich i z n a c z n ie z m ie n ia ją c y c h s ię te m p e ra tu ra c h , n p . w m a s z y n a c h b u d o w la n y c h ,
•
O d n a t ę ż e n ia O , z a le ż y p r ę d k o ś ć t ło k a , a je j z w r o t o d w y s t e r o w a n ia r o z d z ie la c z a . W a r to ś ć O , z a le ż y o d o p o r ó w w linii „ p o m p a - s iło w n ik ” o r a z o b c ią ż e n ia tło k a . O p ó r t e n m o ż n a z m ie n ia ć n p . z a w o r e m d ł a w ią c y m . P r z y k ła d o w o , a b y z w ię k s z y ć p r ę d k o ś ć t ło ka , „ o d k r ę c a m y ” z a w ó r d ła w ią c y , c z y li z m n ie js z a m y op ó r, c o p o w o d u je w z r o s t n a t ę ż e n ia O,-. J e d n o c z e ś n ie s a m o c z y n n ie p r z y m y k a s ię z a w ó r p r z e le w o w y i z m n i e js z a s ię n a t ę ż e n ie Q s i p r z e z t o z o s t a je z a ch o w a n y w a ru n e k
H L P D - o le je h y d ra u lic z n e m o g ą c e e m u lg o w a ć w o d ę (tw o r z y ć e m u ls ję z w o d ą ), p o ja w ia ją c ą s ię w oleju i p r z e z to z a p o b ie g a ć k o ro z ji.
O p = O.., + Q i = c o n s t.
6.2 Budowa układu hydraulicznego
i 346
6.2 Budowa układu hydraulicznego 347
IW
b a r d z ie j z a a w a n s o w a n y c h u k ła d a c h o p ó r je s t J e ż e l i n p . d o le w e j k o m o r y ( p o w ie r z c h n ia c z y n n a t ło k a ^ l1) d o s t a r c z a n e je s t
i z m ie n ia n y p r z e z t y lk o c z ę ś c io w e p r z e s u n ię c ie s u -
n a t ę ż e n ie p r z e p ły w u Q , , t o tlo k
b ę d z ie s ię w y s u w a ł z p r ę d k o ś c ią
w a k a . S ł u ż ą d o t e g o r o z d z i e la c z e o d z ia ła n iu c ią -
j
i g ly m n a z y w a n e z a w o r a m i (r o z d z ie la c z a m i) , p r o p o r v =
' p jo n a ln y m i.
Q 1/A },
w ty m c z a s ie z p r a w e j k o m o r y b ę d z ie w y p ły w a ło n a t ę ż e n ie C e c h ą c h a r a k te r y s ty c z n ą u k ła d ó w o t w a r t y c h je s t . to , ż e c a ły s t r u m ie ń p r z e n o s z ą c y e n e r g ię o d p o m p y d o s iło w n ik a
O2 “ A
(o d b io r n ik a ) p r z e p ły w a
ą
V.
p r z e z z b io r n ik .
G.2.2.2 Budowa zamknięta układu ; v Hydraulicźrtesjó (Uktócł wyporowy)
P o n ie w a ż ,4 , * A 2 , w ię c O , * 0 2, c o o z n a c z a , ż e p r z y w y s u w ie z e s p ó l „ g r o m a d z i" c ie c z (m n ie j w y p ły w a n iż w p ły w a ).
Rys. 1. Schemat uktadu zamkniętego (przekładnia hydrostatyczna)
W p r a k t y c e s iła F je s t z m n ie js z o n a o sitę ta r c ia , a r o z w ija n a p r ę d k o ś ć tło k a - m n ie js z a z p o w o d u p r z e c ie k ó w ,
S t r u k t u r ę u k ła d u z a m k n i ę t e g o p r z e d s t a w ia , z a p o
6-2.3.1 Budowa siłownika tłokowego
m o c ą s y m b o li g r a f ic z n y c h , r y s . 1 . S t o s u je s ię n a : o g ó l p o m p ę o z m i e n n e j w y d a j n o ś c i tj. O p =
v a r, Z a s a d n ic z e e le m e n t y s iło w n ik a d w u s t r o n n e g o d z ia ła
a z a w ó r b e z p ie c z e ń s t w a w t r a k c ie n o r m a ln e j p r a c y
nia z je d n o s t r o n n y m t lo c z y s k ie m p o k a z a n o n a r y s . 1.
je s t z a m k n ię ty . N ie m a z a w o r u d ła w ią c e g o . P o n ie w a ż v ~
0 / =
i=>,
P o m p a n a p ę d z a n a s i ln i k i e m
/
u s z c z e ln ie n ie
p o k ry w a
tio k a
g ó rn a
S5SSSS
c ia ż m o ż liw y j e s t t e ż n p . w y s u w p o d w p ły w e m c i ś n ie n ia , a w s u w n a s k u te k s iły z e w n ę t r z n e j d z i a ła ją
ś c io w y n a p ę d z a o d p o w ie d n ie u r z ą d z e n ie t e c h n o lo
E3-
-0
c e j n a tlo c z y s k o . C z ę s t o , w k o ń c o w e j f a z ie , r u c h t ło
g i c z n e . J e ż e l i o b c i ą ż e n i e s i ln i k a h y d r a u l i c z n e g o ’ ( p o m p a - > s iln ik ) n a s tą p i n a d m ie r n y w z r o s t c iś n ie
tlo k
w p ły w e m c iś n ie ń w o d p o w ie d n ic h k o m o r a c h , c h o
e le k tr y c z n y m tto c z y
c i e c z d o s iln ik a h y d r a u li c z n e g o , k t ó r e g o w a l w y j
p r z e k r o c z y o k r e ś l o n ą w a r t o ś ć , t o w lin ii t ło c z n e j
c y lin d e r
d o lf
W y s u w i w s u w t ło k a o d b y w a s ię n a j c z ę ś c ie j p o d
s iln ik a (w yjście )
' s iln ik a n . '
p o k ry w a
wal
Q p , w ię c z m ie n ia ją c O p , z m ie n ia m y o b r o ty
k a je s t t łu m io n y w c e iu m in im a liz a c ji s iły u d e r z e n i a tio k a o p o k ry w y .
Rys. Z. Schemat uktadu zamkniętego z pompą (3) uzupełniającą przecieki
n ia i o t w o r z y s ię z a w ó r b e z p ie c z e ń s t w a , p r z e z k tó ry
S iiy t a r c ia z m n ie js z a ją c e s ilę c z y n n ą z a l e ż ą m .tn . o d
c z ę ś ć c ie c z y d o s ta n ie s ię d o linii s s a w n o - z i e w o w e j .
u s z c z e ln ie n le p ro w a d n ic e tlo c z y s k o p ro w a d n ic e p ie rś c ie ń
lic z b y i r o d z a ju u s z c z e ln ie ń t ło k a i tio c z y s k a .
tio k a
S iln ik z a t r z y m a s ię lu b z w o ln i o b r o ty . Z a w ó r z w r o tn y c h r o n i s iln ik p r z e d w y s o k im c iś n ie n ie m w k r ó ć c u z le w o -
tło k ą
t io c z y s k a
z g a r n ia ją c y
w y m . U k ia d m a s e n s t e c h n i c z n y , j e ż e l i c h ł o n n o ś ć s i l n i k a r ó ż n i s i ę o d w y d a j n o ś c i j e d n o s t k o w e j p o m p y . N ie 'u c h r o n n e p r z e c ie k i c ie c z y n a z e w n ą t r z u k ta d u s ą u z u p e łn ia n e p r z e z p o m p ę 3 ( r y s . 2 ) . Z a w ó r b e z p ie c z e ń s t w a
1
m a t a k ie s a m e z a d a n ia , j a k n a ry s .
1,
Rys. 1. Siłownik hydrauliczny dwustronnego działania
n a t o m ia s t z a w ó r p r z e le w o w y 2 u trz y m u je
Budowa siłownika nurnikowego i teleskopowego
i w lin ii s s a w n e j p o m p y s t a le c iś n ie n ie . Z z a s a d y j e d n a lu b o b i e m a s z y n y w y p o r o w e ( p o m p a , s iln ik ) są m a s z y n a m i z m ie n n e g o ( n a s t a w ia ln e g o ) w y d a t k u lu b c h ło n n o ś c i. P o z w a la t o n a p ły n n e s t e r o w a n ie o b ro ta m i
S c h e m a t y i d e o w e t y c h s i ło w n i k ó w p o k a z a n o n a ry s . 2 .
s iln ik a h y d r a u lic z n e g o p r z y s ta ły c h o b r o t a c h s iln ik a e l e k t r y c z n e g o . C e c h ą u k ła d ó w z a m k n ię t y c h je s t to , ż e ty lk o c z ę ś ć o g ó ln e g o s t r u m ie n ia p r z e p ły w a p r z e z z b io r n ik . ;
n u rn ik o w y
U k ła d o s t e r o w a n iu d l a w i e n i o w y m m a n is k ą s p r a w n o ś ć ( s t e r o w a n i e o d b y w a s ię p o p r z e z c e lo w o tw o r z o
S ą t o z e s p o ły w y k o n a w c z e , n a o g ó t j e d n o s t r o n n e g o
n e s tr a ty - d ła w ie n ie ) , a le m a z a to d o b r e w ła ś c iw o ś c i d y n a m ic z n e ( s z y b k o r e a g u je n a s y g n a ły s te r u ją c e ).
d z ia ła n ia . W s u w t ło k a (tło k ó w ) o d b y w a s ię p r z e w a ż
U k ła d o s t e r o w a n iu w y p o r o w y m d z ia ła w o ln ie j, a le je s t b a r d z ie j e k o n o m ic z n y w e k s p lo a ta c ji.
n ie p o d w p ły w e m z e w n ę t r z n e j siiy. J e ż e li je s t t o s iła
te le s k o p o w y
~
-
c ię ż k o ś c i, t o w y m a g a n a je s t p io n o w a p o z y c ja p r a c y s iło w n ik a .
6.2.3 Siłowntkhydrauliczny
\ W s iło w n ik u n u r n ik o w y m p r ę d k o ś ć w y s u w u v n u r n i
. i J e s t t o n a jp r o s t s z y i n a jc z ę ś c ie j s t o s o w a n y z e s p ó l
z d w u s tro n n y m tlo c z y s k ie m
ka z a le ż y o d
i ' w y k o n a w c z y o r u c h u lin io w y m ( r y s . 3 ) .
d o s ta rc z o n e g o
n a tę ż e n ia O i p o
w ie r z c h n i c z y n n e j A , c z y li
I;
Rys. 2. Schematy budowy siłowników nurnikowego
i •; R o z w ija n ą p r z e z s iło w n ik s ilę F w y lic z a s ię d la s ilo w | j n ik ó w z je d n o s t r o n n y m t lo c z y s k ie m w e d łu g z a l e ż
ni i
ności
j F — P i <4i - P
I13 I
I teleskopowego z je d n o s tro n n y m tlo c z y s k ie m
g d z ie p % i p 2 o z n a c z a ją c iś n ie n ia w k o m o r a c h .
fi I - I iilO ttiiiń
j
2A 2 , Rys. 3. Rodzaje siłowników tłokowych
Rozwijana sita F zależy od ciśnienia p w komorze i wynosi F = p
-A .
; Jeżeli siłownik teleskopowy jednostronnego działania ma stale obciążenie ■ wają się razem obydwa tłoki z prędkością
F ab,
to na początku wolno wysu-
i
6.2 Budowa układu hydraulicznego
»348
349
6.2 Budowa układu hydraulicznego
Tab. 1. S y m b olika ozna czeń s iło w n ikó w hyd raulicznych u
■■■1
Q ( A ) -I- A 2)
I w k o m o r z e p a n u je n is k ie c iś n ie n ie
N azw a ,
ł~ob
P1 ~
Sym bol
siłownik nurnikow y
sita d ziała tylko w je d n ym kierunku, je d n a kow a średn ica tłoka i tloczyska, zastoso w anie - np. jako cylinder h am u l cow y tłoka
(A , + A z ) -
J e ż e li z e s t a w t ło k ó w p r z e s u n ie s ię o s k o k w ię k s z e g o tło k a , to z a c z n ie s ię w y s u w a ć tto k m n ie js z y z w ię k s z ą o d p o p r z e d n ie j p r ę d k o ś c ią
a w k o m o r z e w y tw o r z y s ię w ię k s z e c iś n ie n ie
6.2.3.3 Budowa siłowników o ruchu wahadłowym S iło w n ik i o ru c h u w a h a d ło w y m s to s u je się d o w y tw a r z a
U w agi
siłownik je d n o stronnego d ziała nia z jednostron nym tloczyskiem
sita d ziała tylko w je d nym kierunku, pow rót p o w o d u je siła z e w nętrzn a
siłownik d w u stronnego d ziała nia z jed n o stro n nym tloczyskiem
sita d ziała w o bu kie runkach, nierów ne p ow ierzchnie czynne, pow szech n y
N azw a
Sym bol
U w ag i rów ne pow ierzchnie
siłow nik d w u s tronneg o d ziała nia z dw ustron nym tloczyskiem
czynne
zastoso w anie np. w u kładach w s p o m a g an ia kierownicy m ala długość, d u ży skok <
siłow nik telesko pow y
zastoso w anie np. w w y w rotkach, ; kilka pow ierzchni ■ ; czynnych dla ruchów jałow ych i roboczych
siłownik specjalny
A
zastoso w anie np. w p r a s a c h
B
6.2.4 Silniki hydrauliczne.- przegląd rozwiązań
n ia ru c h ó w o b ro to w y c h w z a k re s ie k ą ta o b ro tu o d 5 0 ° d o 3 6 0 ° . S ą to u r z ą d z e n ia zw a rte , o m a ły c h w y m ia ra c h ,
D z ia ła n ie s iln ik ó w h y d ra u lic z n y c h je s t „ o d w r o t n e ” d o
p rz e n o s z ą c e n ie z a le ż n ie o d k ą ta o b ro tu d u ż e m o m e n ty .
p rz e w ó d c iś n ie n io w y
p rz e w ó d s p ły w o w y (zlew o w y)
d z i a ł a n i a p o m p . D o p r o w a d z a s ię d o n ic h c i e c z ,
W z a le ż n o ś c i o d ro z w ią z a n ia k o n s tru k c y jn e g o ro z ró ż n ia
a w ię c i m o c h y d r a u lic z n ą ( n a t ę ż e n ie O p o d c iś n ie
się siłow niki ło p a tk o w e , ś ru b o w e i z ę b a tk o w e (r y s . 1 ).
n ie m p ) , a n a w ą tk u s iln ik a o t r z y m u je s ię m o c m e
S iło w n ik i o ru c h u w a h a d ło w y m w y k o r z y s ty w a n e s ą d o
c h a n ic z n ą ( m o m e n t M ■ p r ę d k o ś ć k ą t o w ą to ). C h a r a k
o t w i e r a n ia - z a m y k a n ia z a w o r ó w , r u c h ó w t r a n s p o r t o
t e r y s t y c z n y m p a r a m e t r e m je s t
w y c h , d o c z y n n o ś c i z a c is k a n ia i m o c o w a n ia .
o k r e ś la o b ję to ś ć c ie c z y , ja k ą n a le ż y p r z e tlo c z y ó p r z e z
chłonność
V, k tó ra
k o m o ra 1
silnik, a b y je g o w a te k w y k o n a ł je d e n p e łn y o b ró t. M o m e n t M i o b ro ty w a lk a n w y r a ż a ją s ię z a le ż n o ś c ia m i:
M ■,
o
p - v .
' 2 it
V •
k o m o ra 2
E .2.3.4 Pane techniczne l symbolika oznaczeń siłowników hydraulicznych W z a s a d z ie k a ż d ą p o m p ę n ie z a w ie r a ją c ą z a w o r u m o ż n a „ o d w r ó c ić ” . O tr z y m u je s ię w te d y , n a o g ó l,
Gtówne dane techniczne siłowników to: j •
ś r e d n ic a t ło k a i t lo c z y s k a , c z ę s to w y r a ż a n e t e ż p r z e z s t o s u n e k p o w ie r z c h n i c z y n n y c h - z a l e c a s ię sto -
z e s p ó l o w ła ś c iw o ś c ia c h a k u r a t o d w r o t n y c h d o
!
s o w a n ie ś r e d n ic z n o r m a liz o w a n y c h ,
p o ż ą d a n y c h w u r z ą d z e n ia c h p r z e m y s ło w y c h . D la
r •
m in im a ln y i m a k s y m a ln y s k o k t ło k a - z a l e c a s ię s t o s o w a n ie w a r to ś c i z n o r m a ln e g o s z e r e g u lic z b i d o -
I ;! b ie r a n ie s k o k u z e w z g lę d u n a g r o ź b ę w y b o c z e n ia ,
te g o silniki r ó ż n ią s ię k o n s tr u k c y jn ie o d p o m p .
I •
r o d z a j m o c o w a n ia c y lin d r a i z a k o ń c z e n i a tlo c z y s k a , t łu m ie n ie w k o ń c o w e j f a z ie r u c h u , w y m a g a n i a o d n o ś n ie m a t e r ia łu u s z c z e ln ie ń z e w z g lę d u n a s t o s o w a n ą c ie c z lu b e k s tr e m a ln e p r ę d k o ś c i tlo c z y s k a .
p rz e w ó d c iś n ie n io w y
P r z y k ła d e m
s iln ik a s z y b k o o b r o t o w e g o
(o d 7 5 0
( r y s . 1 ) . M a o n c z t e r y n a p r z e c iw s ie b ie r o z m ie s z
p rz e w ó d z le w o w y
m ożna
d o z a s ila n ia d o ł ą c z y ć p a r ę p ie r w s z y c h k o m ó r , p a r ę S y m b o le g r a f ic z n e s iło w n ik ó w o r a z u w a g i o w ła ś c iw o ś c ia c h i p r z y k ła d o w y c h z a s t o s o w a n ia c h z e s ta w io n o
o b ro to w a za suw a
o b r / m i n d o 3 0 0 0 o b r / m i n ) j e s t s i ln i k ł o p a t k o w y c z o n e k o m o r y c iś n ie n io w e . R o z d z ie la c z e m
tab. 1 na następnej stronie.
k o rp u s c y lin d ró w
.
? • i •
w
Rys. 1. S iln ik ło p atko w y
s iln ik w y s o k o o b r o to w y o m a ły m m o m e n c ie . C z y li
ta rc z a krz y w k o w a
d r u g i c h lu b w s z y s t k ie . W p ł y w a s ię w t e n s p o s ó b (s k o k o w o ) n a o b r o t y i m o m e n t .
Rys. 2. S iln ik h yd ra uliczny z zew n ętrzn ym oparciem ttoków
K o n s tru k c ję i w y n ik a ją c ą z n ie j z a s a d ę d z ia ła n ia s iln ik a w o ln o o b r o t o w e g o (o d 0,1 o b r /m in d o 7 5 0 o b r /m in ) t ło k o w e g o p r z e d s ta w io n o n a
rys. 2.
S iln ik i t e m a ją d u ż y m o m e n t r o z r u c h u , d o b r ą s p r a w n o ś ć o r a z r ó w n o m ie r n e o b ro ty .
6.2 Budowa układu hydraulicznego
348
Q (A , + A z )
¡ .w k o m o r z e p a n u je n is k ie c iś n ie n ie
6.2 Budowa układu hydraulicznego
Tab. 1. S y m b o lika o z n a czeń s iło w n ikó w hyd raulicznych
Nazwa
Symbol
siłownik nurnikow y P i
=
'
J e ż e li z e s t a w t ło k ó w p r z e s u n ie s ię o s k o k w ię k s z e g o tło k a , to z a c z n ie s ię w y s u w a ć t ło k m n ie js z y z w ię k s z ą o d p o p r z e d n ie j p r ę d k o ś c ią
.
0 Ao ’
a w k o m o r z e w y tw o r z y s ię w ię k s z e c iś n ie n ie
P2 ■
6.2.3.3 Budowa ślfówników o ruchu wahadłowym S iło w n iki o ru ch u w a h a d ło w y m s to s u je się d o w y tw a r z a n ia ru c h ó w o b ro to w y c h w z a k re s ie k ą ta o b ro tu o d 5 0 ° d o 3 6 0 ° . S ą to u r z ą d z e n ia zw a rte , o m a ły c h w y m ia ra c h , p rz e n o s z ą c e n ie z a le ż n ie o d k ą ta o b ro tu d u ż e m o m e n ty .
Uwagi sita d ziała tylko w je d nym kierunku, je d n a kow a średn ica tłoka i tloczyska, zasto so w an ie - np. jako cylinder h am ul cow y tłoka
(A-i + Aj)
v2
349
siłownik je d n o stronnego d ziała nia z jed n o stro n nym tloczyskiem siłownik d w u stronneg o d z ia ła nia z jed n o stro n nym tloczyskiem
yJ ^
ZL ~J~ "T
siła d zia ła tylko w je d nym kierunku, pow rót p o w o d u je sita z e w nętrzn a sita d ziała w o bu klerunkach, nierów ne po w ierzc h n ie czyn ne, pow szech n y
Symbol
N azw a
siłow nik d w u stronneg o d ziała nia z dw ustron nym tloczyskiem
I —|J g
U
siłow nik telesko pow y
Uwagi rów rie pow ierzchnie czyn ne zastoso w anie np. w u kładach w s p o m a g an ia kierownicy m ala długość, d u ży skok zastoso w anie np. w w yw rotkach, kilka pow ierzchni czyn nych d la ruchów jałow ych i roboczych
siłow nik specjalny
zastoso w anie np. w prasach
6.2.4 Silniki hydiraullczne - przegląd rozwiązań D z ia ła n ie s iln ik ó w h y d ra u lic z n y c h je s t „ o d w r o t n e ’’ d o d z ia ła n ia p o m p . D o p r o w a d z a s ię d o n ic h c ie c z ,
W z a le ż n o ś c i o d r o z w ią z a n ia k o n s tru k c y jn e g o ro z ró ż n ia
a w ię c i m o c h y d r a u lic z n ą (n a t ę ż e n ie O p o d c iś n ie
się siło w n iki ło p a tk o w e , ś ru b o w e i z ę b a tk o w e (ry s . 1 ).
n ie m p ) , a n a w ą tk u s iln ik a o t r z y m u je s ię m o c m e
S iło w n ik i o ru c h u w a h a d ło w y m w y k o r z y s ty w a n e s ą d o
c h a n ic z n ą ( m o m e n t M • p r ę d k o ś ć k ą t o w ą w ) . C h a r a k
o t w ie r a n ia - z a m y k a n ia z a w o r ó w , r u c h ó w t r a n s p o r t o
t e r y s t y c z n y m p a r a m e t r e m je s t
w y c h , d o c z y n n o ś c i z a c is k a n ia i m o c o w a n ia .
o k r e ś la o b ję to ś ć c ie c z y , ja k ą n a le ż y p r z e tlo c z y ć p r z e z
chłonność
p rz e w ó d c iś n ie n io w y
p rz e w ó d s p ły w o w y (zlew ow y)
I
f
V, k tó ra
k o m o ra 1
silnik, a b y je g o w a te k w y k o n a ł je d e n p e łn y o b ró t. M o m e n t M i o b r o ty w a lk a n w y r a ż a ją s ię z a le ż n o ś c ia m i:
k o m o ra 2
6.2.3.4 Dane techniczne I symbolika oznaczeń siłowników hydraulicznych W z a s a d z ie k a ż d ą p o m p ę n ie z a w ie r a ją c ą z a w o r u m o ż n a „ o d w r ó c ić ”. O tr z y m u je s ię w te d y , n a o g ó l,
; Główne dane techniczne siłowników to:
s iln ik w y s o k o o b r o to w y o m a ły m m o m e n c ie . C z y li
i •
ś r e d n ic a t ło k a i tto c z y s k a , c z ę s to w y r a ż a n e t e ż p r z e z s t o s u n e k p o w ie r z c h n i c z y n n y c h - z a l e c a s ię s to -
z e s p ó l o w ła ś c iw o ś c ia c h a k u r a t o d w r o t n y c h d o
. ,
s o w a n ie ś r e d n ic z n o r m a liz o w a n y c h , •
: ’
m in im a ln y i m a k s y m a ln y s k o k t ło k a - z a l e c a s ię s t o s o w a n ie w a r to ś c i z n o r m a ln e g o s z e r e g u lic z b i d o b ie r a n ie s k o k u z e w z g lę d u n a g r o ź b ę w y b o c z e n ia ,
: • •
r o d z a j m o c o w a n ia c y lin d r a i z a k o ń c z e n i a t lo c z y s k a , t łu m ie n ie w k o ń c o w e j f a z ie r u c h u ,
i--'« w y m a g a n i a o d n o ś n ie m a t e r ia łu u s z c z e ln ie ń z e w z g ię d u n a s t o s o w a n ą c ie c z lu b e k s tr e m a ln e p r ę d k o ś c i •j
p o ż ą d a n y c h w u r z ą d z e n ia c h p r z e m y s ło w y c h . D la te g o silniki r ó ż n ią s ię k o n s tr u k c y jn ie o d p o m p .
t lo c z y s k a .
P r z y k ła d e m o b r /m in
(rys.
s iln ik a s z y b k o o b r o t o w e g o
(o d 7 5 0
d o 3 0 0 0 o b r / m i n ) j e s t s i ln i k ł o p a t k o w y
1 ) . M a o n c z t e r y n a p r z e c iw s ie b ie r o z m ie s z
c z o n e k o m o r y c iś n ie n io w e . R o z d z ie la c z e m
m ożna
d o z a s ila n ia d o ł ą c z y ć p a r ę p ie r w s z y c h k o m ó r , p a r ę ¡ S y m b o le g r a f ic z n e s iło w n ik ó w o r a z u w a g i o w ła ś c iw o ś c ia c h i p r z y k ła d o w y c h z a s t o s o w a n ia c h z e s ta w io n o
d r u g i c h lu b w s z y s t k ie . W p ł y w a s ię w t e n s p o s ó b
iw tab. 1 na następnej stronie.
(s k o k o w o ) n a o b ro ty i m o m e n t.
K o n s tru k c ję I w y n ik a ją c ą z n ie j z a s a d ę d z ia ła n ia s iln ik a w o ln o o b r o t o w e g o (o d 0,1 o b r /m in d o 7 5 0 o b r /m in ) t ło k o w e g o p r z e d s ta w io n o n a
rys. 2.
, S iln ik i te m a ją d u ż y m o m e n t r o z r u c h u , d o b r ą s p r a w n o ś ć o r a z r ó w n o m ie r n e o b ro ty .
iM M ifl 6.2 Budowa uktadu hydraulicznego
350
6.2.5 Zawór hydrauliczny
6.2 Budowa układu hydraulicznego
351
R o z d z ie la c z e , n a jc z ę ś c ie j s u w a k o w e , s iu ż ą d o o tw ie r a n ia lu b z a m y k a n ia k a n a łó w ł ą c z ą c y c h w u k ła d z ie i h y d r a u lic z n y m i p r z e z to w p ły w a ją n a p r ę d k o ś ć lu b p o z y c ję c z ło n ó w w y k o n a w c z y c h - n p . s iło w n ik ó w ; : 'lii
P r z y k ła d y r o z d z ie la c z y i ic h s y m b o le p o d a n o n a r y s . 1 , n a t o m ia s t s y m b o le s t o s o w a n y c h s p o s o b ó w ic h s t e r o w a n ia n a r y s . 2 .
|= j^
r ę c z n ie ( o g ó ln ie ) d ź w ig n ią r ę c z n ą z z a p a d k ą
® = j^
n a c is k ie m n a r o lk ę
/ż = Q
p e d a łe m
-+ ” {^
h y d r a u lic z n ie
"■ ^ "{2
p n e u m a t y c z n ie
Rys. 1. Zawory gniazdowe Z a w o r y s tu ż ą w h y d r a u lic e d o s t e r o w a n ia c iś n ie n ie m o r a z w a r t o ś c ią i k ie r u n k ie m n a t ę ż e n ia p r z e p ły w u , a tym e le k t r o m a g n e t y c z n ie
s a m y m : p o ło ż e n ie m , p r ę d k o ś c ią i r o z w ija n ą p r z e z z e s p o ły h y d r a u lic z n e s ilą ( m o m e n t e m ) . P o w s z e c h n e s ą k o n s tr u k c je g n i a z d o w e ( r y s . 1 ) i s u w a k o w e ( r y s . 2 ) .
-A J
D o z a le t k o n s tr u k c ji g n ia z d o w y c h n a le ż y ic h s z c z e ln o ś ć i n ie w r a ż liw o ś ć n a z a n ie c z y s z c z e n ia , d o w a d : M
d u ż e s ity p o t r z e b n e d o p r z e s t e r o w a n ia .
rt
e le k t r o m a g n e t y c z n ie , p o w r ó t - s ita s p r ę ż y n y
M , e le k t r o m a g n e t y c z n ie , T l
c e n t r o w a n ie s u w a k a s p r ę ż y n a m i
K o n s tr u k c je s u w a k o w e s ą n ie s z c z e ln e , w r a ż liw e n a z a n i e c z y s z c z e n ia , a le z p o w o d u c iś n ie n io w e g o z r ó w e le k t r o h y d r a u lic z n e d w u s t o p n io w e
n o w a ż e n i a ( p o d t o c z e n ia w tu le i) sity s t e r u ją c e s ą m a t e .
Rys. 2. Symbole sposobów sterowania
£.2.5.1 Zasady budowy zaworów rozdzielających P o d s t a w o w e k o n s tr u k c je t y c h z a w o r ó w , z w a n y c h p o w s z e c h n ie r o z d z ie la c z a m i, p r z e d s ta w io n o n a r y s . 3 .
■2.5.2Budowa zaworu rozdzielającego suwakowego S c h e m a t y b u d o w y r o z d z ie la c z y 4 / 3 s t e r o w a n y c h e le k t r o m a g n e t y c z n ie o r a z ic h s y m b o le g r a f ic z n e p r z e d s ta w ia r y s . 3 .
s u w a k z a w o ru
e le k tro m a g n e s
sym bol
pierw szy s top ie ń (pilot, za w ór w sp om ag a jący)
e le k tro m a g n e s
■pH l T a ) g n ia z d o w e
A
h r T 1,
P
b ) suw akow e o d p ro w a d z e n ie 1 1| p rz e c ie k ó w
pf Aj j
rcteeń m a g n e s u
cew ka rę czn e (aw aryjne)
Rys. 3. Zasady budowy rozdzielaczy sym bol g
dH:
X
Ii
—
ji w s to p ie ń g łó w n y
H F
P
O m a w i a n e tu r o z d z i e la c z e m a j ą s k o ń c z o n ą lic z b ę
r o z d z ie la c z 2 /2
r o z d z ie la c z 3 /2
u s t a lo n y c h p o ło ż e ń . D z ia ła ją ja k o p r z e łą c z n ik i. N i e
lic z b ie u s ta lo n y c h p o ło ż e ń n p . s u w a k a . K a ż d y k w a d r a t p o k a z u je , o d p o w ia d a ją c y te m u
p o ło ż e n iu ,
s c h e m a t p o łą c z e ń k r ó ć c ó w r o z d z ie la c z a . P r z y k ła d y s y m b o li o r a z z a s a d y o z n a c z a n ia p o k a z a n o rys. 4.
T
r o z d z ie la c z 4 /3
Rys. 3. Zawory rozdzielające (rozdzielacze)
Rys. 4. Zawór rozdzielający dwustop niowy (sterowany pośrednio)
4 / 2 -ro z d z ie la c z
z a le ż n ie o d ic h k o n s tr u k c ji s y m b o l g r a f ic z n y je s t z e s t a w io n y z k w a d r a t ó w , k t ó r y c h l ic z b a o d p o w i a d a
P
T
W ię k s z o ś ć z n ic h je s t w y p o s a ż o n a w p r z y c is k s t e r o w a n ia r ę c z n e g o , k t ó r e g o u ż y w a s ię w s t a n a c h a w a r y j P T A, B L X, V
p o d łą c z e n ie p o d łą c z e n ie p o d łą c z e n ie p o d łą c z e n ie p o d łą c z e n ie
z a s ila n ia z b io r n ik a ro b o c z e d ia p rz e c ie k ó w s te ro w a n ia
na
Rys. 4. Oznaczanie rozdzielaczy
- lic z b a u s ta lo n y c h
n y c h (n p . b r a k z a s ila n ia w e le k t r y c z n y m o b w o d z ie s t e r u ją c y m ) lu b w c z a s ie u s ta w ia n ia m a s z y n y .
p o ło ż e ń - lic z b a p o d łą c z e ń (k ró ć c ó w )
G d y ś r e d n ic a r o z d z ie la c z a je s t w ię k s z a n iż 1 6 m m , to z e w z g lę d u n a w ię k s z e s iły p o t r z e b n e d o s te r o w a n ia s u w a k ie m , s to s u je s ię r o z d z ie la c z e w ie lo s t o p n io w e . B u d o w ę i s y m b o l r o z d z ie la c z a d w u s t o p n io w e g o p r z e d s ta w ia r y s . 4 .
• f
6.2 Budowa układu hydraulicznego
■352
ę.2.5.3 Budowa zaworufozdzielającego proporcjonalnego
6.2 Budowa układu hydraulicznego
353
S e rw o z a w ó r (s e rw o ro z d z ie la c z ) s k ła d a s ię n a jc z ę ś c ie j z d w ó c h s to p n i. P ie rw s z y m s to p n ie m je s t b a r d z o c zu ty
i Z a p o m o c ą d o t y c h c z a s o m a w ia n y c h r o z d z ie la c z y s te r o w a n y c h d w u p o lo ż e n io w y m i e le k t r o m a g n e s a m i m o ż -
w z m a c n ia c z t y p u d y s z a - p r z y s lo n a w y s t e r o w y w a n y
i n a k a n a ł p r z e p ły w o w y c a łk o w ic ie o t w o r z y ć lu b z a m k n ą ć . N ie s ą m o ż liw e s t a b iln e p o ś r e d n ie p o ło ż e n ia s u
p r z e z p rz e tw o rn ik e le k tr o m e c h a n ic z n y , tzw . s iln ik m o m e n to w y . W z m a c n ia c z ty p u d y s z a - p rz y s ło n a s k ła d a
w a k a , tj. z a s ila n y o d b io r n ik je s t w s p o c z y n k u lu b p o r u s z a s ię z m a k s y m a ln ą p r ę d k o ś c ią .
symbol
się z d w ó c h d y s z , z k tó ry c h c ią g le w y p ły w a ją s tru g i o le Z m ie n ia ją c p r z e k r o je p r z e p ły w o w e w r o z d z ie la c z u , m o ż n a w p ły w a ć n a ilo ś ć p r z e p ły w a ją c e j c ie c z y , czyli
ju. S tru g i u d e rz a ją w p rz y s ło n ę i w z a le ż n o ś c i o d je j p o
z m ie n ia ć (o d z e r a d o w a r to ś c i m a k s y m a ln e j) p r ę d k o ś ć n p . tło k a .
ło ż e n ia p o w s ta je w p r z e w o d a c h z d y s z a m i ró ż n ic a c i śn ień p r z e s u w a ją c a s u w a k d r u g ie g o s to p n ia .
i D o a n a lo g o w e g o p r z e m ie s z c z a n ia s u w a k a s łu ż y e le k t r o m a g n e s p r o p o r c jo n a ln y (s iła p r o p o r c jo n a ln a d o p rą d u p ły n ą c e g o p r z e z u z w o je n ie e le k t r o m a g n e s u ) . O d p o w ie d n ią k o n s tr u k c ję p o k a z u je
rys. 1.
d ła w ik
za w ó r g łó w n y
M e c h a n ic z n e s p r z ę ż e n ie z w r o tn e d o p r o w a d z a w y c h y la n ą p r z y s ło n ę d o n o w e g o p o ło ż e n ia r ó w n o w a g i.
symbol Ai
iB
Pi
iT
M
p o d łą c z e n ia ‘ e le k tr y c z n e '"
p ie rw s z y (lew y) m a g n e s p ro p o rc jo n a ln y
6.2.5,5 Przegląd I budowa zaworów specjalnego przeznaczenia (rys. 1 , r o z d z . 6 . 2 .5 ) zawory zwrotne (d io d y
Z a w o ry
m o g ą b y ć s to s o w a n e
ja k o
h y d r a u lic z n e ) lu b g d y
Rys. 1. Dwustopniowy zawór ograniczający ciśnienie
m o ż liw a je s t z m ia n a u g ię c ia w s t ę p n e g o s p r ę ż y n y ja k o p r o s t e z a w o r y
bezpieczeństwa.
D o w ię k s z y c h
n a t ę ż e ń p r z e p ły w u i w c e lu z m n ie js z e n ia h ls t e r e z y s to s u je s ię r o z w ią z a n ia d w u s t o p n io w e
8^
(rys. 1). — p rz e w ó d ste ru ją c y
C iś n ie n ie o t w a r c ia g ł ó w n e g o z a w o r u z a l e ż y o d
^szcze lin a dław iąca
s iły s p r ę ż y n y i c i ś n ie n ia p a n u ją c e g o n a d t ło c z
-s u w a k z a w o ru
k ie m .
Rys. 2. Dwudrogowy zawór redukcyjny G d y w c z ę ś c i u r z ą d z e n ia h y d r a u lic z n e g o (n p . w o b c z u jn ik p o ło ż e n ia s u w a ka
w o d z ie s t e r o w a n ia lu b c h w y t a k a ) p o t r z e b n e je s t c iś
T
I 3 1'
d ru g i (praw y) m agnes p ro p o rc jo n a ln y
▲
n ie n ie n iż s z e o d w y s o k ie g o c iś n ie n ia o b w o d u r o b o c z e g o , to s to s u je s ię
k ró c łe c c iś n ie n io w y P
zawory redukcyjne (rys. 2).
_____________
J e ż e li p r z e w ó d B je s t p o d łą c z o n y d o z a m k n ię t e j k o
| 1 Rys, 1, Bezpośrednio sterowany rozdzielacz proporcjonalny ze sprzężeniem zwrotnym od położenia suwaka
m o r y ( n p . s iło w n ik a z a c i s k u ) , t o d o p ó k i c i ś n ie n ie
W ///A W y A •• / »4,* / ‘ *’ AP i
w k r ó ć c u B n ie o s ią g n ie w a r to ś c i n a s ta w io n e j s p r ę
i n i a s u w a k a , j e g o p o ło ż e n ie je s t n a b i e ż ą c o m ie r z o \ n e n p . i n d u k c y jn y m
c z u jn ik ie m p o ło ż e n ia , a o t r z y -
w io n e g o ( ż ą d a n e g o ) p o z io m u c iś n ie n ia t ło c z e k p r z e
p rz e w ó d ro b o c z y
m ie s z c z a s ię d o g ó r y i o d c in a p o ł ą c z e n ie A - > B.
j m a n y s y g n a ł p o k a z u ją c y j e g o a k t u a l n e p o ł o ż e n ie
G d y n p . z p o w o d u p r z e c ie k ó w c iś n ie n ie w B o b n iż y
t je s t p o r ó w n y w a n y z w a r to ś c ią z a d a n ą w r e g u la t o r z e
się, t o p o n o w n ie o t w o r z y s ię p o ł ą c z e n ie A - * B.
sz cze lin a d ła w ią c a
'y A
się c iś n ie n io w o k o m o r ę ) . Z c h w ilą o s ią g n ię c ia n a s ta n a s ta w a p o lo ż e n ia ża ro w eg o *
' p 2a
^y /
ż y n ą , to z A d o B b ę d z ie p r z e p ły w a ła c ie c z ( „ ta d u je ” f C z ę s t o , w c e lu p o d w y ż s z e n ia d o k ła d n o ś c i u s t a w ie -
s u w a k za w oru ró ż n ic o w e g o
P
m P3
n asta w ia ln a kryza
ś ru b a n asta w cza
symbol pełny
sym bol u p ro szczo n y
:• p o ł o ż e n ia s u w a k a . W w ie l u p r o c e s a c h t e c h n o lo g ic z n y c h w y m a g a n a
A
je s t s t a ła ( n a s t a w ia ln a ) p r ę d k o ś ć c z ło n u w y k o n a w
6.2.5.4 Budowa serwozaworu rozdzielającego;
y
p
A
'
y /.P
7a ?
c z e g o , n i e z a le ż n a o d a k t u a ln y c h sil o p o r u t e c h n o lo g ic z n e g o . A b y s p e łn ić t a k ie w y m a g a n ia , s t o s u je s ię
regulatory przepływu
suw ak _ z a w o ru
(p r ę d k o ś c i)
(rys. 3).
Rys. 3. Dwudrogowy regulator przepływu
Z a w ó r t e n , z w a n y t a k ż e s e r w o r o z d z i e la c z e m , p o O b c ią ż e n ie c z ło n u w y k o n a w c z e g o r e p r e z e n t u je c iś n ie n ie p 3 w p r z e w o d z i e r o b o c z y m A . P r z e p ły w b ę d z ie
d o b n ie ja k r o z d z ie la c z p r o p o r c jo n a ln y , u s t a w ia s u
stały, je ż e li n a k r y z ie b ę d z ie s ta ły s p a d e k c iś n ie n ia A p = p 2 - p 3. J e ż e li n p . w z r o ś n ie o b c ią ż e n ie , tz n . w z r o
w a k w s t a b iln y m p o ło ż e n iu p r o p o r c jo n a ln ie d o e l e k t r y c z n e g o s y g n a łu s t e r u j ą c e g o . C z y n i t o z n a c z n ie s z y b c ie j i d o k ła d n ie j. J e s t j e d n a k z n a c z n ie d r o ż s z y . S z k ic k o n s tr u k c ji p o k a z a n o n a
rys. 2.
zw ę ż k a '
4
Af
.4
4
Rys. 2. Serworozdzielacz dwustopniowy
ś n ie p 3, t o s u w a k p r z e s u n ie s ię w p r a w o d o n o w e g o p o ł o ż e n ia r ó w n o w a g i, z w ię k s z y s z c z e lin ę d ła w ią c ą , c o s p o w o d u je w z r o s t p 2 i u t r z y m a n ie w a r u n k u
A p ~ p 2 - p 3 ~ c o n s t.
6.2 Budowa układu hydraulicznego
354
E 2.5.6
Dane techniczne I symbolika oznaczeń zaworów hydraulicznych
6.3 Podstawowe układy sterowania siłownikowym i i silnikowym i napędam i hydraulicznymi
( (“faytttTr Ą ilth liitftiwfjbrilfci
N ie z a le ż n ie o d p r z e z n a c z e n ia z a w o r u h y d r a u lic z n e g o d o je g o g łó w n y c h d a n y c h te c h n ic z n y c h z a lic z a się:
^
;
1«
355
, ti
1. Opisz budowę uktadu hydraulicznego.
m a k s y m a ln e c iś n ie n ie p r a c y (rz a d z ie j t e ż m in im a ln e ), d o p u s z c z a ln e p r z e c ią ż e n ie i c z a s j e g o trw a n ia , m a k
2. Jakiego rodzaju ciecze stosuje się w układach I urządzeniach hydraulicznych?
s y m a ln y (r z a d z ie j t e ż m in im a ln y ) p r z e p ły w (n a t ę ż e n ie p r z e p ły w u ), ś r e d n ic ę n o m in a ln ą o r a z s p r a w n o ś ć .
3. Podaj zasadę działania otwartego układu hydraulicznego. 4. Czym różni się układ wyporowy (objętościowy) od układu dławlenlowego?
'P r z e w a ż n ie w ła ś c iw o ś c i s t a t y c z n e z e s p o łó w h y d r a u lic z n y c h , n ie ty lk o z a w o r ó w , o p is u ją ic h c h a ra k te ry s ty k i 'p r z e p ły w o w e Q ( A p ) , tj, n a t ę ż e n ie p r z e p ły w u Q w z a l e ż n o ś c i o d s p a d k u c iś n ie n ia A p w z e s p o le . D o d a l s z y c h d a n y c h n a le ż ą : s p o s ó b s t e r o w a n ia , m o c o w a n ia , w y m a g a n i a o d n o ś n ie c ie c z y r o b o c z e j ( p r z e w a ż n ie
5. Omów budowę siłowników tłokowych, nurnikowych i teleskopowych. 6. Do czego służą siłowniki hydrauliczne o ruchu wahadłowym?
c z y s to ś c i) itp .
7. Podaj zasadę budowy silnika łopatkowego.
D o n i e o d z o w n y c h e l e m e n t ó w u m ie s z c z a n y c h n a t a b lic z c e z n a m io n o w e j n a le ż y s y m b o l g r a fic z n y z e s p o łu .
9. Podaj główną różnicę działania rozdzielacza i zaworu rozdzielającego proporcjonalnego.
8. Do czego służą hydrauliczne rozdzielacze suwakowe? S y m b o le g r a f ic z n e r o z d z ie la c z y i z a s a d y ic h o z n a c z e n i a p o d a n o w r o z d z . 6 . 2 .5 .1 .
10.
Jaką rolę pełnią w układzie hydraulicznym zawory redukcyjne?
6.2.6 Osprzęt ujdadu hydraulicznego
6.3 Podstawowe układy sterowania siłownikowymi • i silnikowymi napędami hydraulicznymi
K a n a ły r ó ż n y c h w s p ó ł p r a c u j ą c y c h z e s o b ą z e s p o łó w łą c z y s ię z a p o m o c ą s z t y w n y c h m e t a lo w y c h ru r lu b ( k o n ie c z n ie , g d y z e s p o ły s ą r u c h o m e ) z a p o m o
W u k ła d a c h m a le j i ś r e d n ie j m o c y z s iło w n ik a m i n a jc z ę ś c ie j s to s u je s ię s t e r o w a n i e d ł a w i e n i o w e .
c ą e l a s t y c z n y c h w ie l o w a r s tw o w y c h p r z e w o d ó w . Ic h p r z e k r ó j w e w n ę t r z n y p o w in ie n b y ć t a k d o b r a n y , a b y
d o b re
p ł y n ą c a c i e c z n ie p r z e k r a c z a ła p r ę d k o ś c i d o p u s z W u k ła d a c h s t e r o w a n ia d ł a w le n lo w e g o , w k tó ry c h s to s u je się n a jc z ę ś c ie j p o m p y s ta łe g o w y d a tk u , c z ę ś ć w y d a tk u
c z a l n y c h , k tó r y c h w a r to ś ć z a l e ż y o d p r z e z n a c z e n i a
p o m p y z o s ta je p r z e z z a w ó r b e z p ie c z e ń s tw a o d p ro w a d z o n a z p o w ro te m d o z b io rn ik a . To o z n a c z a straty m o c y i n a
p r z e w o d u , tz n . s s ą c e g o , r o b o c z e g o w y s o k o c iś n ie
g r z e w a n ie o le ju . Z a le tą s te ro w a ń d la w ie n io w y c h je s t b e z o p ó ż n ie n io w e p rz e s te ro w a n ie z e s p o łó w w y k o n a w c z y c h
n io w e g o lu b z l e w o w e g o . K o ń c e p r z e w o d ó w s ą z a o p a trz o n e w k o ń c ó w k i -
i s to s o w a n ie ta n ic h p o m p o sta łe j w y d a jn o ś c i.
z ł ą c z a . J e ż e li s ą c z ę s t o
z m i e n i a n e p o ł ą c z e n i a W u k ł a d z i e h y d r a u li c z n y m , n p . w m a s z y n a c h r o ln ic z y c h , to s t o s o w a n e s ą tz w .
P r z y k ła d :
s z y b k o z ł ą c z a , d o k tó r y c h łą c z e n i a ( r o z łą c z e n ia ) n ie
S t e r o w a n ie p o s u w e m d o b ro
s ą p o t r z e b n e ż a d n e n a r z ę d z ia .
U k ład s te ro w a n ia p o s u w e m p o w in ie n z a p e w n ić szybki d o b ro
B a r d z o is to tn e je s t u ło ż e n i e p r z e w o d ó w . P r z y k ła d y
d o s u w n a r z ę d z ia i n a s tę p n ie o b r ó b k ę d e ta lu z n a s ta w la ln ą p rę d k o ś c ią (r y s . 1 ).
u ło ż e ń z ły c h i p r a w id ło w y c h p o k a z a n o n a r y s . 1 .
R ozwiązanie: D o o s p r z ę tu n a l e ż ą r ó w n ie ż z a w o r y o d p o w i e t r z a ją
D la w y k o n a n ia s z y b k ie g o d o s u w u o b ie p o m p y ( 1 0
c e ( r y s . 2 ) , u m ie s z c z a n e n a o g ó l w n a jw y ż e j p o ło
1 1 1 ) n a p ę d z a n e s iln ik ie m 9 tło c z ą c ie c z h y d ra u lic z
ż o n y c h p u n k ta c h u k ła d u .
n ą d o s iło w n ik a 1. T lo k w y s u w a s ię z d u ż ą p r ę d k o d o b re
C iś n ie n ie p ły n u w d o ln y m
d o b re i!
k r ó ć c u u n o s i c z ę ś c io w o
N a s tę p u je w z ro s t c iś n ie n ia w p r z e w o d z ie p o m p y 1 0
g r z y b e k d o g ó r y i je ż e li je s t t o p o w ie t r z e ( m a la le p -
i r o z d z ie la c z 8 o d łą c z a p o m p ę s z y b k ie g o d o s u w u
i k o ś ć ), w ó w c z a s „ o p ły w a " o n o g r z y b e k i z o s t a je w y -
1 1 . R e g u la to r p r z e p ły w u 3 u m o ż liw ia n a s ta w ie n ie
. t ło c z o n e z in s ta la c ji h y d r a u lic z n e j d o a t m o s fe r y . G d y w in s ta la c ji n ie m a j u ż p o w i e t r z a ( z o s t a ła o d p o w i e -
Rys. 1. Ułożenie przewodów hydraulicznych
żądanej
p rę d k o ś c i
posuwu.
P o w ró t o d b y w a się
z d u ż ą p r ę d k o ś c ią , g d y w z b u d z a n a je s t p r a w a c e w
i t r z o n a ) , to p r z e z z a w ó r z a c z y n a w y p ły w a ć c ie c z
k a r o z d z ie lc z a 4 . E le m e n t y 5 , 6 i 7 z a b e z p ie c z a ją
( d u ż a l e p k o ś ć ) , w z r a s t a ją z n a c z n ie o p o r y z w ią z a n e : z „ o p ł y w a n i e m ” , p o d g r z y b k ie m
: ś c ią . R o z d z ie la c z 2 p r z e łą c z a n a p o s u w r o b o c z y .
p r a w id ło w ą i b e z p ie c z n ą p r a c ę u k ła d u .
w z r a s t a c iś n ie n ie ,
i k tó r e p r z e s u w a g o d o g ó r n e g o , z a m y k a ją c e g o p o W s t e r o w a n ia c h o b ję t o ś c io w y c h (w y p o r o w y c h ) s to s u
.. ło ż e n ia .
je się p o m p y i silniki o z m ie n n y m w y d a tk u (ch ło n n o ś ci), ; D o n i e z b ę d n e g o o s p r z ę t u n a l e ż ą m a n o m e t r y , p o z io -
w y tw a r z a ją c e ty lk o ta k ie n a tę ż e n ie p rz e p ły w u , ja k ie g o
i: m o w s k a z y , t e r m o m e t r y - r z a d z i e j p r z e p ł y w o m ie r z e .
a k u ra t p o tr z e b u je e le m e n t w y k o n a w c z y . P r z e z o d p o w ie d n ie d o p a s o w a n i e p o s z c z e g ó l n y c h e l e m e n t ó w m o ż n a z n a c z n ie o b n iż y ć s tra ty m o c y . W a d ą je s t d łu ż
Rys. 2. Zawór odpowietrzający
s zy c z a s z a d z ia ła n ia (re a k c ji).
Rys. 1. Hydrauliczne sterowanie posuwem
6.3 Podstawowe układy sterowania siłownikowym i i silnikowym i napędam i hydraulicznym i
6.3 Podstawowe układy sterowania siłownikowym i i silnikowym i napędam i hydraulicznymi
356 I6 > 3 ł1 U M a ä
ś im iK H ÿ d ^ ü llta ir t y
357
Z a s a d n i c z a s tr u k tu r a u k ła d u s k ła d a s ię z s iln ik a e l e k t r y c z n e g o , p o m p y , z a w o r u b e z p ie c z e ń s t w a , r o z d z ie la c z a i s iło w n ik a .
M a s z y n y w y p o r o w e ( p o m p y ) p r z e t w a r z a ją e n e r g ię
Z z a ło ż e ń w y n ik a , ż e s iło w n ik m o ż e b y ć je d n o s t r o n n e g o d z ia ła n ia ( o p a d a n ie m a s y p o d w ła s n y m c ię ż a r e m ) .
m e c h a n ic z n ą n a h y d r a u lic z n ą . P r z e t w a r z a n ie „ o d
R o z d z ie la c z m u s i b y ć t y p u 3 / 3 , b o w i e m p o t r z e b n e s ą j e g o t r z y w y r ó ż n io n e p o ł o ż e n ia ( d la p o d n o s z e n ia ,
w r o tn e " r e a liz u ją s iln ik i. Ic h s y m b o le o r a z c h a r a k t e
p r z y t r z y m a n ia i o p u s z c z a n ia ) , c z y li o s tr u k tu r z e ja k n a r y s u n k u . P o m in ię to tu s p o s ó b j e g o s t e r o w a n ia - n p . m o ż e b y ć ręczn y .
ry s ty c z n e p a ra m e try p o d a n o n a ry s . 1. J e ż e jl p r z y ję t o o z n a c z e n ia : o b ję t o ś c io w e n a t ę ż e n ie
A b y p o d n o s ić m a s ę m z p r ę d k o ś c ią v , c iś n ie n ie
p r z e p ły w u ( w y d a te k ) - q v , p r ę d k o ś ć o b r o t o w a - n , m o m e n t n a w a łk u - M , c iś n ie n ie n a w y jś c iu p o m p y lu b w e jś c iu d o s iln ik a - p „ , m o c ś c io w e ), t - te o re ty c z n e , h m -
mg Q ^ P1
P , s p ra w n o ś ć
o g ó ln a - r / o r a z in d e k s y : v - w o lu m e t r y c z n e ( o b j ę t o h y d ro m e c h a n ic z n e ,
p o d t ło k ie m m u s i w y n o s ić
Rys.1. Symbole maszyn wyporowych
P max ,
g d z ie B - p o w ie r z c h n ia c z y n n a t ło k a . D o s iło w n ik a t r z e b a d o s t a r c z a ć n a t ę ż e n ie p r z e p ły w u
p 4 p o m p a , s - s iln ik , to w ła ś c iw o ś c i m a s z y n o p is u ją O = B ■v .
z a le ż n o ś c i:
i ) l ! i.’r ’
^ vp "
T a k i m a t e ż b y ć w y d a t e k p o m p y . C iś n ie n ie p 2 w k r ó ć c u w y jś c io w y m p o m p y m u s i b y ć w y ż s z e o A p o d p f ,
hvp>
C 7V li
Po= Mp'hhmp
__ Po
:;ł f i ■i
p •
p ~
Vs
p2 =
ms IJhms
p , + Ap.
S p a d e k A p w y r a ż a s tr a ty n a k r a w ę d z ia c h s t e r u ją c y c h s u w a k a , a w y z n a c z a s ię g o z k a t a lo g o w e j c h a r a k te r y s ty k i p r z e p ły w o w e j Q (A p ) w y b r a n e g o r o z d z ie la c z a . P o tr z e b n ą m o c h y d r a u lic z n ą P h w y lic z a s ię z z a le ż n o ś c i
Po Pvp PS = Po-Qm-nts ■
>!<„
ph ~
Pz
O - S ■ v (P i + A p );
g d z ie B =
. Pmax
J e ż e li p r z y ją ć , ż e ę - * 1 i w y jś c ie p o m p y je s t p o d łą c z o n e d o w e jś c ia s iln ik a , t o w u p r o s z c z e n iu
n p Vp = n s V s ,
s tą d
ns =
V jŁ ^
P r z y jm u ją c , ż e z e s t a w „ s iln ik e le k t r y c z n y + p o m p a ” m a s p r a w n o ś ć o g ó ln ą
tri/P7nnnrt
w y z n a c z a s ię m o c s iln ik a e le k -
S 1'
a w ię c o b r o t y n s m o ż n a ( p r z y n p = c o n s t ) z m ie n ia ć p o p r z e z z m ia n ę w y d a jn o ś c i j e d n o s t k o w e j Vp p o m p y iub c h ło n n o ś c i s iln ik a V s . P r z y p o d o b n y c h z a ło ż e n ia c h o t r z y m a m y r e la c je m ię d z y m o m e n t a m i
j
O b r o ty s iln ik a e le k t r y c z n e g o m u s z ą b y ć d o b r a n e z z a k r e s u z a l e c a n y c h o b r o t ó w w y b r a n e j p o m p y .
|
Z a w ó r b e z p ie c z e ń s t w a je s t d o b ie r a n y d o w y d a t k u p o m p y i je j m a k s y m a ln e g o c iś n ie n ia ,
i
W y lic z o n e w a r to ś c i n a le ż y s k o r y g o w a ć , k ie r u ją c s ię d a n y m i k a t a lo g o w y m i.
J e d n o c z e s n e , r ó ż n e z m ia n y V p i ł/s k o m p lik u ją s t e r o w a n ie , a le s t w a r z a ją m o ż liw o ś c i u z y s k a n ia n a p ę d u o p o ż ą d a n y c h w ła ś c iw o ś c ia c h .
6 .3.2 Dobór siłownika, silnika 1zaworu rozdzielającego B a r d z o u p r o s z c z o n y z a r y s d o b o r u z e s p o łó w
6.3.3 Sterowanie różnicowe sifownika tłokowego z jednostronnym tfoczyskiem
do
u k ła d u o z a d a n y m s p o s o b ie s t a t y c z n e g o d z ia ła n ia n e g o n a r y s . 2 . C z a r n y t r ó jk ą t o z n a c z a h y d r a u lic z n ą s t a c ję z a s ila n ia , s k ła d a ją c ą s ię z e z b io r n ik a , s iln ik a e l e k t r y c z n e g o , p o m p y i o s p r z ę tu .
D o realizacji d z ia ła ń różn ico w ych p o trze b n y je s t sto su n ek p o w ie rz c h n i c z y n n y c h p o o b u s tro n a c h tło k a ja k 2 : 1 .
Af
I
"“ł
P rzy je d n a k o w y m c iś n ie n iu w o b u k o m o r a c h sita w y s u
A2
I
w a ją c a tło k je s t w ię k s z a (r y s . 1 ). T a ró ż n ic a sil w o b u k o m o r a c h je s t w y k o r z y s ty w a n a d o p r z e tła c z a n ia o le ju
\%
p rzy p o łą c z o n y c h (z w a rty c h ) k o m o ra c h , z k o m o r y tło c z y s k o w e j d o tło k o w e j.
iJj
M a s a m m a b y ć p o d n ie s io n a (h y d r a u lic z n ie ) d o g ó ry , p r z e t r z y m a n a w ty m p o ło ż e n iu , a n a s t ę p n ie o p u s z c z o n a w d ó ł ( o p a d a n i e p o d w ła s n y m
c ię ż a r e m ).
P r ę d k o ś ć p o d n o s z e n ia m a w y n o s ić v (d la p r ę d k o ś c i o p a d a n ia n ie s t a w ia s ię o g r a n ic z e ń ) . C iś n ie n i e w u k ła d z i e n ie m o ż e p r z e k r o c z y ć p max. P o m ija s ię ' s tr a ty w p r z e w o d a c h , s iły t a r c ia i b e z w ła d n o ś c i.
c z e n ie p o w o d u je , ż e p r z y s to s u n k u p o w ie rz c h n i 2 : 1 tlok p o r u s z a się w o b u k ie ru n k a c h z je d n a k o w ą p r ę d ko ścią.
zawór ograniczający ciśnienie (bezpieczeństwa)
)
W p o łą c z e n iu r ó ż n ic o w y m d o k o m o r y tło k o w e j p ły n ie olej z p o m p y o r a z z k o m o r y tło c z y s k o w e j. T a k ie p o łą
CSJ li
p r z e p r o w a d z o n o p o n iż e j d l a s c h e m a t u p r z e d s t a w io
,9 Rys. 1. Połączenie różnicowe siłownika z jednostronnym tloczysklem
i l ü i M
6.3 Podstawowe układy sterowania siłownikowym i i silnikowym i napędam i hydraulicznymi
358
6.3.4 Sterowanie siłownikiem } o zm iennym obciążeniu
6.3 Podstawowe układy sterowania siłownikowym i i silnikowym i napędam i hydraulicznymi
a) p o d trz y m y w a n ie zm ie n n e o b c ią ż e n ie
i s tr u k tu r a u k ła d u , e w e n t u a ln e t łu m ie n ie p r ę d k o ś c i t ło k a w k o ń c o w e j f a z ie r u c h u , b)
t y p o w e r u c h y t e c h n o l o g i c z n e , tj. s z y b k i d o s u w n a r z ę d z ia (w a r u n k i ja k w y ż e j) , w o ln a i d o k ła d n ie r e a liz o w a n a p r ę d k o ś ć r o b o c z a , s z y b k i p o w r ó t; w f a z ie r o b o c z e j s to s u je s ię r e g u la t o r y n a t ę ż e n ia p r z e
k o w y w y s u w tio k a . P r z e c iw d z ia ła te m u z a w ó r o g r a n i
p ły w u ( r o z d z . 6 .2 .5 ,5 ) ,
c z a ją c y c i ś n ie n ie , r e a l iz u j ą c y tz w . p o d t r z y m y w a n ie
c)
( r y s . 1 ) . W y p ły w a ją c a z s iło w n ik a c ie c z h y d r a u lic z n a z a w o ru p o d tr z y m u ją c e g o ta k , a b y z o s ta ł o tw a rty p e łn y
u k ł a d y r e a l i z u j ą c e r u c h y t r a n s p o r t o w e - w y m a g a n a je s t d u ż a sita p o c z ą t k o w a ( b e z w ła d n o ś ć , s ita t a r c ia s p o c z y n k o w e g o itp .) o r a z d u ż a , a le n ie z b y t d o k ła d n ie u t r z y m y w a n a p r ę d k o ś ć ; p r o s ty s p r z ę t
P rz y z m ie n ia ją c y m się o b c ią ż e n iu m o ż e w y s tą p ić s k o
m u s i o s ią g n ą ć n a s ta w io n ą w a r to ś ć c iś n ie n ia o tw a rc ia
359
;
r u c h y z a c i s k a j ą c o - m o c u j ą c e - d u ż e p r ę d k o ś c i d o s u w u ( z a m y k a n ie ) , p o t e m z n ik o m a , a w r ę c z z e r o w a p r ę d k o ś ć ; w f a z ie „ tr z y m a n ia " s t o s u je s ię z a w o r y r e d u k c y jn e ( r o z d z . 6 . 2 .5 .5 ) ,
C ¥
d)
]
r e a l i z a c j a d o c i s k u ( s if y ) p r z y b a r d z o m a l e j p r ę d k o ś c i (w y g in a n ie , w y tła c z a n ie ) ; w f a z ie r o b o c z e j s t o s u je s ię z a w o r y r e d u k c y jn e n a s ta w ia n e e le k t r y c z n ie .
| p r z e k r ó j p r z e w o d u z l e w o w e g o . Ś c iś n ię t a p o m ię d z y . p o tn p ą a z a w o r e m o b ję to ś ć c ie c z y z m n ie js z a w a h a n ia . o b c ią ż e n ia s iło w n ik a . . S k o k o w y ru c h tło k a lu b c y lin d ra m o ż n a z m n ie js z y ć
..nr.
W p r a k t y c e n a jc z ę ś c ie j s p o t y k a n e s ą k o m b in a c je ty c h u k ła d ó w . O s o b n ą g r u p ę , n a jb a r d z ie j z a a w a n s o w a n y c h t e c h n ic z n ie u k ła d ó w s t e r o w a n ia , s t a n o w ią s e r w o m e c h a n iz m y e le k t r o h y d r a u lic z n e .
Rys. 1. Schemat układu z podtrzymywaniem
6 ,3 .6 .1- Hydrauliczna jednostka
s to s u ją c z a w ó r o g r a n ic z a ją c y c iś n ie n ie ja k o z a w ó r
napędowo-posuwowa
.p o d tr z y m u ją c y . P o d s ta w o w ą
strukturę
ta k ie j
jednostki
p r z e d s t a w ia ry s . 1
w r o z d z . 6 . 2 , m o ż e o n a r e a liz o w a ć z a d a n ia
„a"
( r o z d z . 6 . 3 .6 ) . J e ż e li n a m ie js c u z a w o r u d ł a w ią c e g o w s ta w ić r e g u la t o r n a t ę ż e n ia p r z e p ły w u ( b o c z n ik o w a n y r o z d z ie la c z e m o d c in a ją c y m t y p u 2 / 2 ) , to u k ła d r e a liz u je z a d a n ie „ b ”. N a to m ia s t g d y u m ie ś c i s ię ta m z a w ó r
redukcyjny (też
6.3,5 Zabezpieczenie napędu hydraulicznego przed przeciążeniem ,
b o c z n ik o w a n y
jak wyżej),
to z r e a liz u je s ię z a d a n ie „c", je ż e ii b ę d z ie to z a w ó r n a s ta w ia n y
e le k t r y c z n ie - to z a d a n ie „d".
O b e c n i e w y t w a r z a s ię z w a r te je d n o s t k i m e o h a t r o n ic z n e z a w ie r a ją c e w „ je d n y m ” k o r p u s ie : r o z d z ie la c z ,] ; s p e c ja ln y z a w ó r s t e r o w a n y e le k t r y c z n ie i z e s p ó l w y k o n a w c z y .
Do
zabezpieczenia urządzeń h y d r a u lic z n y c h
p rze d
6 3 6 2 Stanowisko produkcyjne ? siłownikiem mocującym przedmiot obrabiany j siłownikiem posuwowym narzędzia______________________________
p r z e c i ą ż e n i e m , tj. p r z e d n a d m i e r n y m w z r o s t e m c iś n ie n ia , s łu ż y z a w ó r b e z p ie c z e ń s t w a (ro z d z . 6 . 2 . 5 . 5 ) . P r z y k ła d o w e c h a r a k t e r y s t y k i c iś n ie n io we p
(qv)
F r a g m e n t u p r o s z c z o n e g o s t a n o w is k a p r o d u k c y jn e
p o k a z a n o n a ry s . 2,
g o p r z e d s t a w ia r y s . 1 . G d y w z b u d z o n a je s t le w a c e w k a r o z d z ie la c z a 1V1 R z e c z y w is ta
wartość
n a s ta w io n e g o c iś n ie n ia z a le ż y
p rz e p ły w q v -
o d p r z e p ły w a ją c e g o s tr u m ie n ia o le ju . N a c h y le n ie c h a ra k te ry s ty k i z a le ż y o d s ta ie j s p r ę ż y n y z a s to s o ; w a n e j w z a w o r z e . W y s t ę p u ją c a h is te r e z a p o c h o d z i
(P - » A ; B - * T ), to w y s u w a s ię tlo k s iło w n ik a 1 A 1 . C iś n ie n ie w p r z e w o d z ie A je s t w te j f a z ie n iż s z e o d
Rys. 2. Charakterystyki ciśnieniowe zaworu ograniczającego ciśnienie
o d ta r c ia e le m e n tu r u c h o m e g o .
c iś n ie n ia o t w a r c ia z a w o r u 2 V 1 . S iło w n ik 2 A 1 s to i. G d y t lo k s iło w n ik a m o c u j ą c e g o z a t r z y m a s ię ( d o c is k a d e t a l), to w z r a s ta c iś n ie n ie w in s ta la c ji i o t w ie r a s ię z a w ó r 2 V 1 . R u s z a t lo k s iło w n i
¡ P r z y k ł a d o w e u m i e js c o w i e n i e z a w o r u b e z p i e c z e ń s t w a w u k ła d z i e p o k a z a n o n a r y s . 3 .
z a b e z p ie c z e n ie p rze d p rze cią że n ie m
ka 2A 1.
P o w r ó t t ło k ó w n a s tę p u je je d n o c z e ś n i e p o w z b u d z e n iu p r a w e j c e w k i r o z d z ie la c z a .
6.3.6 Przykłady zastosowań układów sterowania siłownikiem hydraulicznym
6.3,6.3 Warianty współpracy dwóch siłowników w stanowisku produkcyjnym; synchronizacja działania i wybór prędkości ruchu 1
e > ®
P r z e z p r o s tą m o d y fik a c ję z a w o r u b e z p ie c z e ń s t w a (ry s . 1 , r o z d z . 6 .2 .5 .5 ) o t r z y m u je m y z a w ó r n a d ą ż n y (ry s . 1 n a n a s t ę p n e j s t r o n i e ) s te r o w a n y z e w n ę t r z n y m s y g n a łe m c iś n ie n io w y m w k a n a le x.
U k ła d s t e r o w a n ia z a l e ż y o d z a d a ń , ja k ie m a w y k o n y w a ć s iło w n ik h y d r a u lic z n y . Z e w z g lę d u n a b a r d z o r ó ż n o r o d n e z a s t o s o w a n ia h y d r a u lik i, a t y m s a m y m
Z a w ó r n a d ą ż n y je s t s to s o w a n y ja k o z a w ó r d o łą c z a ją c y , n p . d o s y n c h ro n iz a c ji d z ia ła n ia d w ó c h n ie z a le ż n y c h o b
I s iło w n ik ó w , m o ż n a p o d a ć n a s t ę p u ją c e p r z y k ła d y
w o d ó w h y d ra u lic z n y c h (ry s . 2 n a n a s t ę p n e j s t r o n ie ). N a p rz y k ła d : s iło w n ik p o s u w u w ie rtła m o ż e r o z p o c z ą ć ru ch
zadań:
Rys. 3. Umiejscowienie zaworu bezpieczeństwa
d o p ie r o , g d y s iło w n ik m o c u ją c y z a c is n ą ł o b r a b ia n y d e ta l.
6.3 Podstawowe układy sterowania siłownikowym i i silnikowym i napędam i hydraulicznymi
S k o r o w id z
361
Skorowidz
Z a w ó r n a d ą ż n y m o ż e b y ć w y k o r z y s ta n y r ó w n ie ż ja k o z a w ó r o d łą c z a ją c y , n p . p rz y p r z e łą c z a n iu u k ła d u n a p ę d o w e g o z p rę d k o ś c i d o s u w u (s z y b k ie j) n a p r ę d k o ś ć r o b o c z ą ( p o w o ln ą ). D la r e a liz a c ji s z y b k ie g o d o s u w u
A d a p te r 11
B a n k p am ięci 2 6 2
u k ła d , h y d ra u lic z n y p o tr z e b u je d u ż e g o n a tę ż e n ia p r z e
A d re s 281
B a rw a św iatła 174
p ły w u o n is k im c iś n ie n iu , n a to m ia s t d o p o s u w u ro b o
- d o c e lo w y 281
B a za tra n zysto ra 152
c z e g o m a łe g o n a tę ż e n ia , a le o w y s o k im c iś n ie n iu .
- efektyw n y 2 8 3
BCD 211, 253
- lokacji 2 4 7
BC N211
- sy m b o lic z n y 2 7 8
- s te ro w a n ia n a p ię c io w e g o 1 5 5
Z e w z g lę d ó w e k o n o m ic z n y c h r o z d z ie la się te d w a n a
C h a ra k te ry s ty k a p rą d o w o n a p ię c io w a d io d y 142 . - p rze n o s ze n ia 189 - p rze tw a rza n ia przetw o rn ika a n a lo g o w o -c y fro w e g o 2 5 6 - ro b o c z a ,194
tę ż e n ia , s to s u ją c p o m p ę w y tw a r z a ją c ą w y s o k ie c iś n ie
- w p a m ię c i 2 6 3
B e zp ie c ze ń s tw o I h ig ie n a p ra c y 31, 36
n ie (p o s u w ro b o c z y ) i p o m p ę , w y tw a r z a ją c ą d u ż e n a tę
-
- p ro d u k tó w 2 7
- tra n z y s to ró w b ip o la rn y c h 1 5 3
B e zp ie c zn a p ra c a n a instalacji
- w e jś c io w a tra n zy s to ra 153 , 154
danych 263
ż e n ie p r z e p ły w u (s z y b k i d o s u w ). P o m p a s z y b k ie g o d o
- - p ro g ra m u 2 6 3
s u w u z o s ta je p r z e z z a w ó r n a d ą ż n y o d łą c z o n a o d u k ła
- źró d ło w y 281 A d re s o w a n ie 281
d u z c h w ilą , g d y w z ro ś n ie o p ó r n a s iło w n ik u (n a n a r z ę
.
- b e z w z g lę d n e 2 8 1 , 2 8 3
o p o ru p o w o d u je z w ię k s z e n ie c iś n ie n ia w p r z e w o d z ie
- im p lik o w a n e 281
p o m p y . T e n w z ro s t c iś n ie n ia p r z e łą c z a
- in d e k s o w e 2 8 1 , 2 8 3
(o tw ie ra ) z a w ó r n a d ą ż n y n a b e z c iś n ie n io w y p r z e p ły w o le ju d o z b io r n ik a
- - w p o b liż u instalacji z n a jd u ją c e j się
- b e z p o ś re d n ie 2 8 1 , 2 8 2
d z iu ) w y w o ła n y p o c z ą tk ie m p r o c e s u o b r ó b k i. W z r o s t t ło c z n y m
z n a jd u ją c e j się p o d n a p ię c ie m 47
- n aty c h m ia s to w e 2 8 1 , 2 8 2
(rys. 3).
p o d n a p ię c ie m 4 6 - - z c ie c za m i hyd ra u liczn ym i 5 6 -
sys te m a m i m ec h a tro n ic zn y m i 5 7
-
u rzą d ze n ia m i elektryczn ym i 4 5 h yd ra u liczn ym i 5 5 , 5 6
- p o ś re d n ie 2 8 1 , 2 8 2
m ec h a tro n ic zn y m i 57
- rejestro w e 281
p n e u m a ty c zn y m i 53 , 55
- w e w n ę trz n e 281 -w z g lę d n e 2 8 1 ,2 8 3
s iło w n ik posuw u
A k u m u la c ja en erg ii w cie c zy 3 4 2 A k u m u la to r 65 , 3 4 2
z a w ó r n a d ą ż n y ja k o z a w ó r o d łą c z a ją c y
V
ca
m
-0 W —
Rys. 3. Zawór nadążny jako záwór odłączający
T. W układach jakiej mocy stosuje się sterowanie dtawlenlowe? .2. Opisz Istotę działania uktadu sterowania diawieniowego. !3. Opisz Istotę działania uktadu sterowania objętościowego (wyporowego), i
¡4. Naszkicuj układ sterowania diawieniowego.
; is. Naszkicuj symbole maszyn wyporowych. ’ >6. Oblicz ciśnienie (p,) potrzebne do podnoszenia masy 120 kg przy pomocy siłownika nurnikowego o średnicy i j i cylindra 63 mm. I i 7 . Jaki powinien być wydatek objętościowy pompy, aby podnoszenie w zadaniu 6 odbywało się z prędkością 0,5 m/s? i ¡8. Wyjaśnij, jakie skutki powoduje zle ułożenie przewodów hydraulicznych.
- - p rzy rzą d ó w 4 0 instalacji 54
A k w izycja inform acji 2 6 4 A lfab et 2 5 2 A lg e b ra B o o le 'a 211
p o m p a w y s o k ie g o ciś n ie n ia
- - n a rzę d zi 4 0 - -, u ży tk o w a n ie ciśnieniow ych
- hyd ra u liczn y 3 4 2 A k tuator 12
- d w u w a rto ś c lo w a 2 1 1 , 2 1 9 - logiki 211
p o m p a s z y b k ie g o dosuw u
B e z p ie c z n e o d le g ło ś c i 3 2
B H P 31 B iblio teka 2 8 0 Bilans en erg ii 131 , 3 3 8 Bit 2 1 1 ,2 3 8 B lok fu n kcjo n aln y 2 3 7
A lg o rytm 2 3 2 , 2 6 2 , 2 7 4
- pam ięci 2 6 2
- iterac yjny 251
B łąd p arzys toś ci 2 9 6
- kontroli p arzystości 2 9 6
- p rze p e łn ie n ia 2 9 6
- stały 2 3 5
- ram ki 2 9 6
'
- w y jś c io w a tra n z y s to ra 154 - w z m o c n ie n ia p r ą d o w e g o 154 , 1 5 5 C h ło d z e n ie e le m e n tó w p ó łp rz e w o d n ik o w y c h 1 7 9 C h ło d n ic a 3 1 7 - m ię d z y s to p n io w a 3 1 7 - w y jś c io w a 3 1 3 C ią g In stru kcji k o d u m a s z y n o w e g o 277 - z e g a ro w y 2 4 7 - z e ro je d y n k o w y 2 4 2 C ie c z h y d ra u lic z n a 3 4 4 - - m in e ra ln a 3 4 4 - - ro z k ła d a ją c a się b io lo g ic z n ie 3 4 5 - - tru d n o p a ln a 3 4 5 - -, w s p ó łc z y n n ik le p k o ś c i 3 4 3 - n ie ś c iś liw a 3 4 3 - p ły n ą c a 341 - s to ją c a 3 4 0 - ściśliw a 3 4 3 C IM 2 7 5 C iś n ie n ie a b s o lu tn e (b e z w z g lę d n e ) 308 - w z g lę d n e 3 0 9
- z m ie n n y 2 3 5
- s e m a n ty c zn y 2 7 5
C M O S 217
A L S -T T L 2 1 7
- s y n ta k ly c zn y 2 7 5
C T R 179
A m p litu d a 100
B o n d e ry za c ja 180
C y k l p re -fe tc h 2 6 5
A n aliza F ou riera 1 0 0
B ra m a 131 , 271
- von N e u m a n n a 262
A n o d a 142
-w e jś c io w a 131 , 271
C z a s d o s tę p u d o p a m ię c i 2 4 6
A p let 2 7 6
- w ejśc io w o -w y jś c io w a 271
- ko n w e rs ji 2 5 5
A p likacja 2 7 6
-w y jś c io w a 131 , 271
- ko n w e rs ji a n a lo g o w o -c y fro w e j 2 5 5
A rbitraż 2 7 3
B ra m k a A N D 2 1 2 , 2 1 3
- ko n w e rs ji c y fro w o -a n a lo g o w e j 2 5 5
A rch itektura C IS C 2 6 6 - R IS C 2 6 5
- lo g ic zn a 2 3 5
- n a ra s ta n ia 101
-N A N D 2 1 2 , 215
- o d c z y tu in fo rm a c ji 2 4 6
- typu H a rv a rd 2 6 4
-N O R 212, 21 6
- o p a d a n ia 101
- von N e u m a n n a 2 6 4
- N O T 212, 214
- p rz e łą c z a n ia 1 4 3 , 157 - p rz e tw a rz a n ia 2 5 5
A rg u m e n t instrukcji 281
-O R 212, 214
A S C II 2 4 0 , 2 4 4 , 2 5 3
B ufor d a n y c h 2 9 5
- rze c z y w is ty 2 7 5
A s e m b le r 2 7 8
B u rza m ó z g ó w 19
- z a ję to ś c i 3 0 0
A S -T T L 2 1 7
- z a p is u in fo rm a c ji 2 4 6
A tm o sfera w y b u c h o w a 4 2 A tom 63 A u to d e k re m e n ta c ja
282
C A D 275
C z ę s to tliw o ś ć 9 7
CA M 275
- d o ln a 1 8 9
C D 11
- g ó rn a 1 8 9
A u to in krem en tac ja 2 8 2 A u to m at 135
C C D 217
- g ra n ic z n a 1 1 7 , 1 5 7
CE 37
- k ą to w a 9 8
- M e a ly 'e g o 135
C e n tro n ics 2 9 9
- m ag is tra li 2 6 7
- M o o re 'a 135
C e w k a in d u k c y jn a 8 9 , 1 0 6
- o d c ię c ia 2 0 3
Skorowidz
362
Skorowidz
363
101
- re z o n a n s o w a 1 1 9 , 1 2 2
D w ó jn ik biern y 81
F a la p o d c z e rw o n a 175
Im p u ls d w u kieru n ko w y
- ta k to w a n ia m ag is tra li 2 6 7
- c zyn n y 81
- u ltrafioletow a 175
- je d n o k ie ru n k o w y 101
- w ła s n a 1 1 9
D y re k ty w a 3 6 , 3 7 , 2 4 5
F a z a d e k o d o w a n ia 2 5 7
- szp ilk o w y
- m ultiplikacji 2 5 7
In d u kcja e lektro staty czn a - e le k tro m a g n e ty c z n a
- w z m o c n ie n ia je d n o s tk o w e g o 2 0 3
D y sko fo n
11
C z u jn ik p o m ia ro w y 12
D z ia ła n ie c ie p ln e 99
- p rz y g o to w a n ia d o tra n sm is ji'298
C z w ó rn ik 131
D ziu ra 139
- realizacji p ro g ra m u 2 8 5
aktyw n y 188 - biern y 131
- transm isji 2 9 6
Dcl
F erro m a g n e ty k 7 0
217
- c z y n n y 132
ECP 299
Filtr 115 , 2 6 9
-.z a c is k i 188
Efekt law in o w y 144
- aktyw n y 132 , 2 0 8
- p ie z o e le k try c z n y 65
- cyfrow y 2 3 7
- p o ło w y 159
- d o ln o p rz e p u s to w y 116
D a n e p ro c e s o w e 12
- C 281
- znaku 211, 242
- Fortran 281
K o le k to r 1 5 2
- niskieg o p o zio m u 2 7 7 - Pascal 281
K o lu m n a m a try c y d io d o w e j 2 5 8 Kom enda 245
- p r o g ra m o w a n ia 2 7 6
K o m e n ta rz 2 7 8
- m a g n e ty c z n a
- sym b o lic zn y 2 7 8
K o m ó rk a p a m ię c i 2 4 7 , 281
In fo rm ac ja
- u niw ers aln y 2 7 7
101 67
74
64 12, 237 - a n a lo g o w a 12, 232 - c ią g ła 12, 235 - cyfrow a 235 -d y s k r e tn a 12, 235
- w e w n ę trzn y 2 7 7 - w y s o k ie g o p o zio m u 2 7 7 , 2 7 8
- w z b o g a c a n y 160
- n ie c ią g ła 12
16 0
D e c y b e l 189
- sta rze n ia
- g ó rn o p rz e p u s to w y 1 1 6
- n ie w a ż n a 248
■z u b a ż a n y
- p a s m o w o z a p o ro w y 117, 118
- p rze ry w a n a 12
K arkas cew ki 1 0 6
- Z e n e ra 144
- p o w ie trz a 3 1 9
K a to d a 142
E g z e k u c ja instrukcji 2 4 5 , 2 6 2
D e k o d o w a n ie instrukcji 2 6 2
- p ro g ra m u 2 7 5
- s yg n ału 2 6 9
- s k w a n to w a n a 235 - w a ż n a 248
- z n ak u 2 4 2
E lektron 6 2 , 6 3 , 137
Fo n o g raf 10
In fo rm atyka p rz e m y s ło w a
E iektro n o w o lt 137
Form alizm ję z y k a prog ram o w an ia 276
- sto s o w a n a 29
Elektron 6 2
F o to d io d a 175
In stalac ja ciśn ien io w a
- sw obodny 66
Fo to e le m e n t 65
- ele k try c z n a 41
E lek tro te c h n ik a 6 2
Fotolitografia 180
- -, c z ę ś ć c z y n n a 41
D e k o d e r 134 , 2 5 4
, D e m u ltip leks er 134, 2 3 5 D iak 173 D ia m a g n e ty k 70 D ielektryk 7 6 D io d a 145 - d w u k ie ru n k o w a 174 , - la s e ro w a 150 - L E D 1 7 6 , 177 - lu m in e s c e n c y jn a 177 v- m o c y 1 4 6 ' t o g ó ln e g o p rz e z n a c z e n ia 145 ^ ' o strzo w a 145 - p o je m n o ś c io w a 141 - S c h o ttk y 'e g o 148 , 149 - w yso kiej częstotliw ości 145 - Z e n e ra 1 4 6 < - -, p a ra m e try 147 • -, o b u d o w a 1 4 6 re zy s ta n c ja d y n a m ic z n a 148 D ipol ele k try c zn y 84 D ław ik h y d ra u lic zn y 3 4 5 - w yso kiej częs totliw ości 107 D łu g o ś ć fali 9 7 D łu g o ś ć k o d u Instrukcji 2 4 5 ., D M A 2 6 8 , 271 D o b ro ć d ła w ik a 1 1 5
E le m e n t a k ty w n y 129 - alte rn aty w y 2 1 2 , 2 1 4 - - b ip o larn y 140 - - o d z ia ła n iu u w a ru n k o w a n y m czasow o 249 - - unip o larn y 140 - d ys kretn y 131 - elektro n ic zn y 129 - h y b ry d o w y 131 - interfejsu c y fro w e g o 2 4 9 - kon iun kcji 2 1 2 , 2 1 3 - lo g ic zn y 2 3 7 - - alte rn a ty w y 2 1 2 , 2 1 6 - - kon iun kcji 2 1 2 , 2 1 5 - o b w o d u biern y 7 7 - - czynny 77
- p rz e łą c z a ją c a 221 G a lw a n ic z n e o d d z ie le n ie 4 9 G a lą ż 77 G e n e ra c ja k o d u m a s z y n o w e g o 262 G e n e ra to r elektro n ic zn y 9 7 - tró jfazo w y 124 G ę s to ś ć stru m ien ia 67 - u p a k o w a n ia 1 7 8 G ra fika b lo k o w a 2 4 3 G ra m o fo n 10 - cyfrow y 11 - elektryczn y 11
- p a m ię c i 2 2 6
G w ia z d a 1 2 4 ,1 2 5 - n a p ię ć faz o w y c h 124
- - szyb ki 2 4 6
i-k o n d e n s a to r a 1 1 4
- - w o ln y 2 4 6
H a rm o n ic z n a p o d s ta w o w a 100
- o b w o d u 122
- p a s y w n y 129
H a z a rd 134
D o k u m e n ty h a rm o n izu ją c e D H 3 7
- p ó łp rz e w o d n ik o w y 136
H G M O S 217
D o m ie s z k o w a n ie a k c e p to ro w e 1 4 0
- re a k ta n c y jn y 103
H istereza n a p ię c io w a przerzutnika
- d o n o r o w e 140
- re zystan c yjn y 103
- d y fu zy jn e 180
- s ca lo n y 131
1- p ó łp rz e w o d n ik ó w 1 3 9
- w ykonaw czy
D o p a s o w a n ie m o c y 9 1 , 9 2 - n a p ię c ia 91 i - p rą d o w e 91
12
E m is ja stru m ien ia p ro m ie n io w a n ia ś w ie tln e g o 149
250
41 41
In stru kcja 244 - b e z a rg u m e n to w a 245, 281 - ja ło w a 286 - p ro g ra m u 265 - - o rto g o n a ln a 265 - p u s ta 273 - w le lo a rg u m e n to w a 281 - z a rg u m e n te m 245 In te g rato r 207 In te lig en tn a k o m u n ik a c ja 29 Interfejs ko m u n ik a c y jn y 292 - c z lo w ie k -k o m p u te r 275 In te rp re tac ją Instrukcji 262 - w ia d o m o ś c i 237 In te rp re ter 280 In w e rs ja fazy 204 In w e rte r 204 Ip o d 12 IR 150 IR D A C 9 IR E D 177 IS O 8859 243 Izo lac je o c h ro n n e 51 Izo lato r 65, 76 t2L 217
K o m p a ty b iln o ś ć 2 7 7
- z a w o d n ie n ia 3 1 2 K latka F a ra d a y a 4 4 Klient d a n y c h 291 Kod a lfa n u m e ry c zn y 2 5 3 - A S C II 2 4 0
J e d n o s tk a ary tm e ty c z n o -lo g ic zn a
63
262
K o m p e n s a c ja c e n tra ln a 1 2 7 - g ru p o w a 1 27 - in d y w id u a ln a 1 2 7 K o m p ila c ja 2 8 0 K o m p ila to r 2 7 7 , 2 8 0 - p rz y ro s to w y 2 8 0 K o m u n ik a c ja 291 - d w u k ie r u n k o w a 291 - - je d n o c z e s n a 291 - - n a p rz e m ie n n a 291 - ró w n o le g ła 2 9 9
- B 197
- za o le je n ia 3 1 2
-
z reg u lato rem p rzep ływ u 3 5 5
- s z e re g o w a 2 9 2 , 2 9 4 - - IIC 2 9 2 --R S 2 3 2
295
- - SPI 294 - - USB 298 K o m u ta c ja 9 3 K o m u ta to r 74 K o n d e n s a to r 8 4
- b in arny 2 5 3
- bam busow y 85
- cyfrow y 2 5 3 , 2 5 6
- c e ra m ic z n y 8 6
- d w ó jk o w o -d zie s ię tn y B C D 211
- d o m o n ta ż u p o w ie rz c h n io w e g o 8 6
- d w ó jk o w y n atu raln y B C N 211
- d o s tro jo zy 8 7
- G ra y a 2 2 1 , 2 5 0
- e le k tro lity c z n y 8 5
- instrukcji 2 4 5 - liczb o w y 79
- e le k tro lity c z n y a lu m in io w y 8 5 - fo lio w y ta n ta lo w y 8 5
- m a s zy n o w y 2 7 7
- m ik o w y 8 6
- m n e m o n ic z n y 2 4 5 , 2 7 8
- n a s ta w c z y 8 5 , 8 7
- n a d m ia ro w y 2 1 2 , 2 5 3
- n a s ta w ia ln y o b ro to w y 8 7
- n u m e ry c zn y 2 5 3
- p a p ie ro w y 8 5
- o b ie k to w y 2 8 0
- p laski 8 4
- p a s k o w y ko lo ró w 7 9
- stały 8 5
- re d u n d a n tn y 2 1 2
- ta n ta lo w y s p ie k o w y 8 6
- s p e c ja ln y 2 5 3
- - e le k tro lity c z n y 8 6
- steru jący 2 4 2
- w y g ła d z a ją c y 1 8 4
- u zu p e łn ie n io w y 2 4 0
- z w a rs tw ą p o d w ó jn ą 8 8
- w y k o n y w a ln y 2 8 0
- z w ija n y 8 5
- zn a k ó w a lfa n u m e ry c zn y c h 2 4 2
K o n d e n s a t, w y d z ie la n ie 3 2 3
- ź ró d ło w y p ro g ra m u 2 8 0 - 1 z 10 2 1 2
K o n d u k ta n c ja 8 3
- 2 z 5
212
- h yd ra u liczn a n a p ę d o w o -p o s u w o w a
-5 -2 -1 - 1
212
- z e w s p ó ln y m e m ite r e m 1 5 8
359 - ste ru ją c a 262
- 8-4-2-1
212
- z e w s p ó ln y m k o le k to re m 1 5 8
- sta c jo n a rn a 3 4 0
EPP 299
H y d ro a k u m u la to r 3 4 2
D o ty k b e z p o ś re d n i 4 8
E rg o n o m ia 31
- p o ś re d n i 4 8
E rg o n o m ic z n e stan o w is ko p ra c y 32
1FT M M 9
Dryft te rm ic zn y 201
- u rz ą d z e n ie m e c h a tro n ic z n e 3 3
Im p e d a n c ja 189 Im p le m e n ta c ja alg o rytm u 2 3 6 , 2 5 9
J ę z y k a d re s ó w s ym b o liczn ych
K o der 134 , 2 5 4
277
K o n s o lid a c ja 2 8 0
K o d o w an ie info rm acji 2 3 7 , 2 5 5
K o n s o lid a to r 2 7 7
- alg o ry tm ic zn y w y s o k ie g o po zio m u
- - cyfrow ych 2 5 5
K o n w e rs ja liczb d w ó jk o w y c h d o
277, 280 - B asic 281
- z n a k ó w a lfa n u m e ry c z n y c h 211
- stan ó w 2 3 2
■ ■ ;
K o n fig u ra c ja z e w s p ó ln ą b a z ą 1 5 8 ,
- m o b iln a 3 4 0
E n e rg ia aktyw acji 138
.
- z a s tę p c z a 8 3
E m ite r 152
D o s tę p ró w n o le g ły 2 4 7
i
- je d n o k ie r u n k o w a 291
Klasy z a n ie c zy s zc ze ń sub sta n cja m i stałym i 3 1 2
J ą d r o a to m o w e
- s z e re g o w y 2 4 7
DSP 266
Klasa w z m a c n ia c z a 197 - A 197
H -T T L 2 1 7 H y d ra u lic z n a je d n o s tk a ruchu 3 5 5 H y d ra u lik a 3 4 0
Kierunek p rz e w o d z e n ia 141
- A B 198
- -, - o b c a
- m e c h a n ic z n y 10
- o p to e le k tro n ic z n y 174
319, 342
- -, - p rz e w o d z ą c a d o s tę p n a
G łę b o k o ś ć u śp ien ia 2 7 4
- n eg a c ji 2 1 2 , 2 1 4
- - z o p ó źn ie n ie m 174
F o to o g n iw o p ó łp rz e w o d n ik o w e 176
F u n k c ja lo g ic z n a 2 1 9
Kąt w y łą c ze n ia 174 - za p ło n u 174
29
Foto rezys to r 139, 175 Foto tran zysto r 159
- cyfro w y 2 4 9
K o m p a ra to r a n a lo g o w y 1 3 3 - c y fro w y 1 3 3 - e le k tro m a g n e ty c z n a 4 4
lia n a ! k o m u n ik a c y jn y 2 6 6
D e fek t e le k tro n o w y 139
201
;
po staci liczb h e k s a d e c y m a ln y c h 252
Skorowidz
Skorowidz
365
- s z e re g o w e 8 1 , 8 8 , 9 2 , 109
- c h w ilo w a 1 0 2 , 1 9 5
N o rm a e u ro p e js k a E N 37
O d s tę p e n e rg e ty c zn y 137
- d y n a m ic z n a 261
Ł ąc z n ik e le k tro n ic z n y 167
- c z y n n a 102
- P N -E N 37
O d ś w ie ż e n ie p a m ię c i 2 6 2
- EEPROM 260
- h y d ra u lic z n a 341
- P N -IC E 37
O d tw a rz a c z C D 11
- EPRO M 259
M a g is tr a la 2 6 6
- m a k s y m a ln a 195
N o śn ik m n iejszo ścio w y 140
- p likó w m p 3 12
- FLASH 2 6 0
- a d re s o w a 2 6 7
- w ięks zo ścio w y 140
- z p a m ię c ią flash 12
- nieu lo tn a 2 5 8
- a s y n c h ro n ic z n a 2 6 7
- p o z o rn a 103 - p rą d u p rz e m ie n n e g o 194
NTC80
O d w ró c e n ie fa z y 201
- o p e ra c y jn a 2 6 2
- d a n o -a d re s o w a 2 6 8
- p rą d u s ta łe g o 1 9 7
O d z ie ż o c h ro n y in d yw id u aln ej 4 0
- O TPR O M 259
- d w u k ie ru n k o w a 2 6 7
- s k u te c z n a 195
O b c ią ż e n ia fizyc zn e p ra c y 34
O g n iw o elektro lity czn e 6 5
- p o d rę c z n a 2 4 6
- je d n o k ie ru n k o w a 2 6 7
- s tr a t 1 9 6
- o rg a n iz a c ją p ra c y 3 5
- s ło n e c zn e 174
- p ro g ra m o w a ln a 2 4 6 , 2 5 9
- k o m u n ik a c y jn a 2 9 2
- s y g n a łu 1 8 8
- p ra c ą z m ia n o w ą 3 5
O g ra n ic zn ik u d źw ig u 3 0 2
- p ro g ra m u 2 4 6 , 2 6 2
- m u ltip le k s o w a n a 2 6 8
- śre d n ia 195
- p sy c h ic zn e p ra c y 3 4
O k re s 9 7
- PROM 259
- ró w n o le g ła 2 6 6
M o d e l p a s m o w y a to m u 134
- ro d z a je m p racy 3 4
- ta k to w a n ia 135
- RAM 258, 260
- sch odkow a 257
- s teru jąca 2 6 8
M o d e lo w a n ie fu n k c jo n a ln e 19
O b ra b ia rk a ste ro w a n a nu m eryc zn ie
O lej hyd ra u liczn y 3 4 4
- re p ro g ra m o w a ln a 2 5 9
K w a n ty z a c ja 2 5 5
- s y n c h ro n ic z n a 2 6 7
- ko n stru k cyjn e 19
- s z e re g o w a 2 6 6
M o n o c h ro m a ty c z n o ś ć 1 4 9
• - d z ie s ię tn y c h d o p o s tac i liczb d w ó jk o w y c h 251 • - h ek sad ecy m a ln y ch d o postaci liczb d w ó jk o w y c h 2 5 2 ko n w erter m agistrali 2 6 7 • n ap ię c ia 2 9 7 K o rekcja b łę d ó w 2 1 2 ■- s a m o c z y n n a 2 1 2 K orpus cew ki 1 0 6 K rysztai p ie zo e le k try c zn y 6 5 K rzyw a re z o n a n s o w a 123
21
- - m in eraln y 3 4 4
- ROM 258
- - k o m p u te ro w o 24
O p e ra c ja a d re s o w a n ia 2 4 7
- S IM M 2 6 2
- - p ro g ra m o w o 21
- a ry tm e ty c zn a 2 3 4
- SRAM 260
O b u d o w a d io d y 143
- b e z w a ru n k o w a 2 7 0
- stata 2 5 7 , 2 5 8 - - m o n o lity c zn a p ó łp rze w o d n ik o w a
Laser, 149
- s z e re g o w o -ró w n o le g la 2 6 6
M O S I 294
- p ó łp rz e w o d n ik o w y 149
- w e w n ę trz n a 2 6 6
M SP430
- V C S E L 151
- z e w n ę trz n a 2 6 6
M u ltip le kser 134 , 2 3 5
O b w ó d d rg a ją c y 118
- in krem en tacji 2 8 2
-, s z e ro k o ś ć 2 6 5
M u ltiplikator częstotliw ości 2 7 4
- m a g n e ty c z n y 7 1 , 7 2
- o d c zy tu 2 4 7
L ic z b a 2 3 9
M a g n e to fo n 11
M u sku l p n e u m a ty c z n y 3 2 3
- p rąd u e le k try c z n e g o 7 6
- p rze s u n ię c ia a ry tm e ty c zn e g o
- c a łk o w ita 2 4 0
- s z p u lo w y 11
- n -b ito w a 2 4 0
- k a s e to w y 11
- s ta lo p o zy o y jn a 2 4 2
M a g n e to w id 11
- u ła m k o w a 2 4 0
M a g n e to w ó d 71
- z m ie n n o p o z y c y jn a 2 4 2 L icznik a s y n c h ro n ic zn y 2 3 0 - - d w ó jk o w o -d zie s ię tn y 2 3 0
p ra c a im p u ls o w a 151
- - dwójkowy 230 - p ro g ra m u 2 7 9
283
- - p rz e m ie n n e g o 7 6 , 124
w iew o 2 4 9
258 -
ro d za je 2 5 8
- s tatyczn a 2 6 0
- - s ta łe g o 76
-
- - z m ie n n e g o 7 6
- w ejśc ia 2 7 0
- w e w n ę trz n a 2 6 3
N a d a jn ik d a n y c h 291
- prosty 7 6
- w ejśc ia -w y jś c ia 2 7 0
- za p is y w a ln a 2 5 8
M a k ro a s e m b le r 2 7 7 , 2 7 8
- info rm acji 2 6 7
- rez o n a n s o w y 118
- w try b ie p rze rw a ń 2 7 0
- ze w n ę trzn a 2 6 3
M a k ro d e fin ic ja 2 7 8
N a d c iś n ie n ie 3 0 8
-R L C 1 0 9
- w yjśc ia 2 7 0
P a m ię ta n ie inform acji 2 2 6 , 2 6 4
M akro in s tru k c ja 2 7 8 M a k s y m a ln e n a p ię c ie b ra m k a -ż ró d lo
N a d m ia ro w o ś ć 2 5 3
- ro z g a łę z io n y 7 6
- za p is u 2 4 6 , 2 4 7
P a ra k o m p le m e n ta rn a 163
N a p ę d h yd ra u liczn y 3 4 4
O c h ro n a in d yw id u aln a 4 8
- z b e zp o ś re d n im d o s tę p e m d o
- w odna 312
N a c h y le n ie ch a ra kte rys tyk i s te ro w a n ia 164
w p raw o 2 4 9
- ulo tn a 2 5 8
- - siln iko w y 3 4 4 , 3 4 6
- p rz e c iw p o ra ż e n io w a 4 7
- syn c h ro n ic zn y 2 3 0
- - d re n -ż ró d lo 164
- - s iło w n iko w y 3 4 4 , 3 4 5
- - p o d s ta w o w a 4 2 , 4 3 , 4 4 , 5 0
- z testo w a n ie m 2 7 0
P a ra m e try c z w ó rn ik o w e 157
Linia a d re s o w a 2 6 2
M a n ip u la to r p rz e m y s ło w y 2 2
- - z z a b e p ie c z e n ie m p rz e d
- - w w a ru n k a c h a w aryjn ych 5 0
O p e ra n d 2 8 2
- d y n a m ic z n e 143
- b ito w a 2 6 0
M a p a p o g lą d o w a 19
n o rm aln ych 4 9
O p ro g ra m o w a n ie u ży tk o w e 2 7 5
- g ra n ic zn e 143 , 156
- danych 262
M a s z y n a m e c h a tro n ic z n a 9
z a g ro ż e n ia 4 8 , 51
O rb ita 137
- zn a m io n o w e 143
- s ło w a 2 6 0
M ate ria! d ia m a g n e ty c z n y 7 0
Linia p u n k tu ro sy 3 1 2
- fe rro m a g n e ty c z n y 7 0
Linie p o la m a g n e ty c z n e g o
- m a g n e ty c z n ie m iękki 71
68
164
- m a g n e ty c z n ie tw a rd y 71
>
L ln k o w a n ie 2 8 0
- p a ra m a g n e ty c z n y 7 0
Lista Instrukcji 281
M a try c a d io d o w a 2 5 8
- w y s tę p o w a n ia 19
M C S -5 1
L o g ik a b in a rn a 133
M e c h a n iz m p rz e rw a ń 2 8 7
- b o o lo w s k a 1 3 3
- selekcji p rz e rw a ń 2 8 7
- d o d a tn ia 2 3 8
M e c h a tro n ik a 9
- d w u w a rto ś c lo w a 1 3 3
- m a s z y n o w a 23
- negatywna 238
- m o n ta ż o w a 23
- p o z y ty w n a 2 3 8
- p ro c e s o w a 23
- u je m n a 2 3 8
M e c h a tro n iz a c ja 12 , 2 9
L o k a c ja
281
283
M e ta liz a c ja p ró ż n io w a 1 8 0
- k o d u instrukcji 2 6 4
M g la o le jo w a 3 2 0
- pamięci 247 l-TTL 217 ■irl
M ikroinstrukcja 2 6 3
Ł a d o w a n ie k o n d e n s a to ra 94
M ik ro p ro c e s o r 2 3 6 , 2 6 3
Ł a d u n e k e le k try c zn y 6 2 - e le m e n ta rn y 6 3
M ik s e r 1 3 0 M in im a liz a c ja liczb y b ra m e k 2 2 3
Ł ą c z e n ie 2 8 0
M in iro b o t m o b iln y 3 0 0
- kaskadowe 271
M IS O 2 9 4
- p o s o b n e 271
M o c b ie rn a 1 0 3 .
r ró w n o le g łe 8 2 , 8 9 , 9 3 , 1 0 9
- c a łk o w ita strat tra n zysto ra 164
M ik ro k o m p u te r 2 3 6 M ikro k o n tro ler 2 3 6 , 2 6 3
p rz e c ią ż e n ie m 3 5 8 - p n e u m a ty c z n y 3 2 0
p am ięci 271
P a ra m a g n e ty k 7 0
N a p ię c ie c z ą s tk o w e 81
- -, środki 4 8 , 5 0
O rg a n iza c ja b a jto w a 2 6 3
P a sm o częstotliw ości 101
- fa z o w e 1 2 4 - fo to o g n iw a w s ta n ie n ie o b c ią ż o n y m
- p rz e c iw p o ż a ro w a 5 9
- o ś m io b ito w a 2 6 3
- p o d s ta w o w e 137
- p rz e d do tykid m b e z p o ś re d n im 48 ,
- sze s n a s to b ito w a 2 6 3 .
- p rze n o s ze n ia 1 2 2 .
50
177
- p rz e w o d z e n ia 137
- trz y d zie s to d w u b ito w a 2 6 3
- w a le n c y jn e 1 3 7
- n ie z ró w n o w a ż e n ia 201
-
- p ro g o w e 142
- p rz e z izo lac ję p o m ie s z c z e ń 4 8 , 5 2
O rto g o n a ln o ś ć 2 6 5
P a s y w a c ja 177
- p rz e m ie n n e 64
- - n ie u z ie m io n e p o łą c z e n ia lo kaln e
O s n o w a la s e ra 147
P atefon 10
O s u s z a c z s p rę ż o n e g o p o w ie trza 3 1 7
P e ndrive 12
- p rz y ło ż o n e 81
p o ś re d n im 4 8 , 51
- s z e ś ć d zie s ię c io c zte ro b ito w a 2 6 3
52 w y ró w n a w c z e 5 2 , 53
- stale 6 4
O s u s za n ie p o w ie trza 3 1 7
P ętla p ro g ra m o w a 2 8 5
- z m ie n n e 6 4
- - niskie n a p ię c ie 4 8
- - p rz e z ab s o rp c ję 3 1 8
P IN 139
N a s y c e n ie 3 1 2 N a tę ż e n ie o św ie tlen ia 3 4 , 1 7 5
- - o d d z ie le n ie g a lw a n ic z n e
- - p rz e z ad s o rp c ję 3 1 8
P lan fu n kcjo n aln y 129
- - p rz e z o z ię b ia n ie 3 1 7
PLC 275
- p o la e le k try c z n e g o 67
- - o g ra n ic z e n ie e n e rg ii ro zła d o w a n ia
- p o w ś c ią g a ją c e 71
obw odó w 49, 52 50
- p rą d u 6 3
O c h ro n n e u z ie m ie n ie 5 0
- p rzep ływ u 341
O c z k o 77
N azw a 276
- e le m e n ta rn e 77
N C 21 N e u ro ro b o ty k a 2 6 N ie k o ń c z ą c a się p ętla p ro g ra m o w a
- d a n y c h 291
O d b io rn ik 8 2
O zn a c z e n ie d io d y 143
PM O S 217
- tra n zysto ra 1 6 6
P n e u m a ty c z n y u kład stero w an ia 3 0 7
O z n a k o w a n ia d o ty c z ą c e
—
, c zę ś ć e n e rg e ty c z n a 3 0 7
—
, c zę ś ć s teru jąca 3 0 7
b e z p ie c z e ń s tw a p ra c y 3 8 , 3 9 - - m a te ria łó w n ie b e zp ie c zn y c h 38 , 6 0 , 61
P n e u m a ty k a 3 0 7 P o b ra n ie instrukcji 2 6 2 P o d c iś n ie n ie 3 0 8
- info rm acji 2 6 7
P A C 275
P o d ło że 1 6 0
285 N ie s z c z e ln o ś ć 3 1 9
O d b lo k o w a n ie p rz e rw a ń 2 8 7
P a kiet p ro g ra m o w y 2 7 5
P o d zieln ik częs totliw ości 2 7 4
O d c z y t n ien is z c z ą c y 261
P a m ię ć a d re s o w a ln a 2 6 3
P o je m n o ś ć e le k try c zn a 84
N M O S217 N o rm a ln a p o s ta ć a lte rn a ty w n a 2 1 9
- n is zc zą c y 261
- danych 246
- liczn ika 2 3 0
O d p ro w a d z a n ie c ie p ła 3 1 3
- D IM M 2 6 2
- w arstw y z a p o ro w e j 143
- - ko n iu n kcyjn a 2 1 9
O d s e p a ro w a n ie im p e d a n c y jn e 170
- D R A M 261
- z łą c z o w a 1 5 7
'1
Skorowidz
366
P o laryzac ja e lektryczn a 84 ¡ -s t a ła 146 • - w kieru n ku b lo ko w an ia 171 z a p o ro w y m 171 ; P o le c e n ie 2 4 5 P o le ele k try c zn e 62 : - e le k tro m a g n e ty c z n e 6 2 - m a g n e ty c z n e 62 , 6 8 , 71
- asy n c h ro n ic zn y R S 2 2 6
R e g u lato r 24
R o zk a z 2 4 5
- - p rz e m ie n n e g o
- cyfro w y 2 3 5
R e g u ła L e n z a 7 4 , 118
R o zła d o w a n ie k o n d e n s a to ra 94
97 96,124 Priorytet p rz e rw a ń 273 P ro c e d u ra b ib lio te c z n a 280 P ro c es arb itrażu 293 - b e zs tratn y 255 P ro c eso r 12, 236, 262
t P o łą c ze n ie m ie s za n e 83
- s y g n a ło w y
■ ■P o m ia r n ie w ia ry g o d n y 2 5 3
P ro g ra m inicjacji p rzerw ań
• P o m p a e n e rg ii 149
- n a rz ę d z io w y
Port cyfro w y 271
- o p ty m a liz u ją c y
P o s tę p o w a n ie p o w y p a d k o w e 5 8
- sys te m o w y
286, 287
280
P o ten cjał 6 4
275 - u żytko w y 275 - w y k o n y w a ln y 280 P ro g ra m a to r 260
P o te n c jo m e tr 8 0
P ro g ra m o w a n ie h y b ry d o w e
P o to k instrukcji 2 6 5
- m ik ro k o m p u te ra
P o w ie trze a tm o s fe ry c zn e 3 0 8
- n a p o z io m ie te c h n o lo g ic z n y m
.
274 259
17
P rojekt k o n w e n c jo n a ln y
- -, p a ra m e try 3 0 9
- m e c h a tro n ic z n y
P o w ło k a 137
P ro s to w n ik
P o zio m sy g n a łu 2 5 0
-
- z a łą c z e n ia 2 5 0
- - z d io d o w y m m o stkiem G ra e tz a
17
185
R o z p o z n a w a n ie b łę d ó w 2 1 2
- - cią g n ą c y 321 - - m e m b ra n o w y 321
R S 232 295
- - o ruchu w a h a d ło w y m 3 2 0
R e jes tr cyfrow y 2 3 1 , 2 3 5 , 2 3 7 , 2 4 7 -c y k lic z n y 2 4 9
- m e c h a n ic z n y 2 2 7
- danych 295
S a m o s ta b iliz a c ja 2 0 0
- - tło k o w y 321
- m o n o s tab iln y 2 4 9
- nadaw czy 297
S c h e m a t g rafic zn y u kładu
- - - d w u s tro n n e g o d zia ła n ia 321
- p n e u m a ty c z n y 2 2 7
- o d b io rc z y 2 9 7
- p o m o c n ic z y 2 2 8
- p rz e s u w n y 2 4 7 , 2 9 5
S e n so r 12
-
- S c h m itta 2 5 0 - s ty k o w o -p rz e k a ź n ik o w y 2 2 7
- ró w n o le g ły 231
- infom acji p ro c e s o w y c h 12
— , stero w an ie b e zp o ś re d n ie 3 3 5
- s z e re g o w y 231
Se kto r p a m ię c i 2 5 9
— , - p o ś re d n ie 3 3 5 , 3 3 7
- syn ch ro n iczn y J K 2 2 7
R e k o m b in a c ja 139
S e m a n ty k a 2 7 5
- -, b u d o w a 3 2 1 , 3 2 2 , 3 2 3
P rzes trzeń a d re s o w a 281
R e lu k tan cja m ag n e to w o d u 72
S e rw e r d a n y c h 291
- -, o z n a c ze n ia 3 2 4
- ro b o c z a 32
R e m a n e n c ja 71
S e rw o je d n o s tk a n a p ę d o w a 21
- -, sym b o lika 3 2 4
P rzes u n ię cie fa z o w e 9 8 , 1 0 8
R e p re z e n ta c ja Instrukcji 2 4 4
S e rw o m e c h a n izm e le k tro h y d ra u
S ło w o a d re s o w e 2 6 3
- - p o c z ą tk o w e 9 8 P rz e tw a rz a n ie an a lo g o w o -c y fro w e
- liczb 24C , 241
- - p c h a ją c y 321
stero w an ia 231
liczny 21
- - - je d n o s tro n n e g o d zia ła n ia 321 z dw u stro n n ym ttoczyskiem 3 2 2
S m a ro w n ic a p n e u m a ty c zn a 3 2 0
- - całko w itych 2 4 0
S e rw o ro zd zie la c z h yd ra u liczn y 3 5 2
S p rę ża rk a 3 1 5
-
w p o staci kod u u z u p e łn ie n io
- - d w u s to p n io w y 3 5 2
- p rze p ły w o w a (turbinow a) 3 1 6
w ego 240
- -, c h a ra kte rys tyk a 3 5 2
- - o s io w a 3 1 6
w p os tac i u zu p e łn ie n ia d w ó jk o
S e rw o za w ó r hyd ra u liczn y 3 5 2
- - p ro m ie n io w a 3 1 6
w ego 240
- - ro zd zie la ją c y 3 5 2
- ro tacyjna 3 1 5
w p os tac i z n a k -m o d u ł 2 4 0 , 241
S ie ć k o m u n ik a c y jn a 2 4 5
- - w ie lo k o m o ro w a 3 1 6
- - u ła m k o w y c h 2 4 0
Silnik hyd ra u liczn y 3 4 9
-ś ru b o w a 3 15
- znaków 242, 243
- - ło p a tk o w y 3 4 9
-w y p o ro w a 315
- cyfro w e 2 3 7 - c y fro w o -a n a lo g o w e 2 3 7 , 2 5 6
-
- p o to k o w e 2 6 5 P rzetw ornik an a lo g o w o -c y fro w y 133,
-
- - in te gracyjny 271
185
niam i elektryczn ym i 4 6
R o zw in ięcie d w ó jk o w e 2 4 0
- M aster-S lav e 2 2 8
237, 254
184 d w u p u ls o w y 184
R e g u ły b e z p ie c z n e j pracy z u rzą d ze
- - b eztlokow y (m uskuł peu m atyczny) 323
- g łó w n y 2 2 8 - JK w w yk o n a n iu e lektryczn ym 227
254
280
- ro b o c z e 3 0 8
R e z o n a n s n a p ię ć 120
- - s z y b k o o b ro to w y 3 4 9
- - m e m b ra n o w a 3 1 5
- p rą d ó w 122
- - tło k o w y 3 4 9
- - t ło k o w a 3 1 5
(
- cy fro w o -a n a lo g o w y 2 3 2 , 2 3 4 , 254
R e zystan cja 78
-
z ze w n ę trzn y m o p a rc ie m tłoków
- stero w an ie 3 1 6
j
- Im p ed an cji 2 0 6
- c ia ła 4 3
349
-, - p rze z p rze łą c za n ie na b ieg jało w y
- typ u N 1 3 9 ,1 4 0
- je d n o p u ls o w y
- typ u P 1 4 0
- tró jfazo w y z d io d o w y m m o stkiem
- kodow y 224
- d y n a m ic z n a 143, 148, 161
- - w o ln o o b ro to w y 3 4 9
P ra c a b e z p rz e c ią ż e n io w a 3 2 9
- k o d ó w cyfrow ych 251
- o d b io rn ik a 91
- -, otw a rty o b w ó d zasila n ia 3 4 5
- , - p rze z w yłą c ze n ie n a p ę d u 3 1 6
- z m ia n o w a 3 5
G ra e tz a 185 P rotokó ł k o m u n ik a c y jn y
- p o m ia ro w y 12
- s tatyczn a 148
- -, z a m k n ię ty o b w ó d zasila n ia
S p rę ż o n e p o w ie trze 3 1 5
P ra w o g a z o w e 3 1 0
P roton
- - B o y le 'a i M a rio tte 'a 3 1 0
P ró b a s tateczn o ś ci
- łąc zn o ś c i 2 2 0 , - O hm a 65 - P a s c a la 3 4 0 : - p rze m ie n n o ś c i
220
1 - ro zd zie ln o ś c i 2 2 0 ' - z a p r z e c z e n ia 2 2 0 P rąd c ie m n y 1 7 6 - e le k try c zn y 6 2 - p o d trz y m a n ia p rz e w o d z e n ia 171 . ,- p rz e m ie n n y 6 6 - p rz e w o d z e n ia 1 3 9 - ro zru c h o w y 1 2 6
• - stały 6 6 - tró jfa zo w y 1 2 4
266, 292
- ró w n o le g ło -s z e re g o w y 2 4 8
- w arstw y izolacyjn ej 52
302 P ró g z a łą c z e n ia 250 P rzeb icie ele k try c z n e 84,141 - tu n e lo w e 260 P rz e b ie g niesin u so id aln y 100 - sin u so id aln y 98 P rz e d w z m a c n ia c z 169 P rz e k a ź n ik elektro n ic zn y 179 P rzek szta łtn ik 269 P rz e łą c z n ik syg n a łu 133 P rz e m ia n a izo b a ry c z n a 310 - izo c h o ry c z n a 310 - iz o te rm ic z n a 310 P rzen ikaln o ś ć m a g n e ty c z n a 69 - - w z g lę d n a 69, 84 P rz e p ły w n o ś ć b in a rn a 292
- syg nału 2 6 9
- w e jś c io w a tra n zysto ra 154
- p n e u m a ty c zn y 3 2 0
- s z e re g o w o -ró w n o le g ly 2 4 8
- - w z m a c n ia c z a 189
- p rąd u s ta łe g o 7 4
P rzew o d n ictw o e lektryczn e 137
- w e w n ę trz n a 91
S iła c z y n n a 3 2 4
P rzep isy d o ty c z ą c e b e z p ie c z e ń s tw a
P W M 272
63
p ra c y
36
] i' -i z w a rc io w y fo to o g n iw a 177
- w yjśc io w a tra n zysto ra 154 , 161
- e le k tro m o to ry c zn a 9 0
- - , zb iornik 3 1 7
- p ó łp rz e w o d n ik ó w 138
- - w z m a c n ia c z a 190
- koercji 71
S p rz ę ż e n ie zw ro tn e 193, 194, 196
- sam o istn e p ó łp rz e w o d n ik ó w 138
- z a s tę p c z a 81
- m a g n e to m o to ry c z n a 6 9 , 71
- d o d a tn ie 196
P rz e w o d n ik 7 6
R ezystor liniow y 7 8
S iło w nik 3 2 0 , 3 4 6
- u je m n e 193 , 1 9 6
P rz e w ó d d o p ły w o w y 8 2
- nieliniow y 7 8 , 8 0
-, m o c o w a n ie 3 2 4
- - n ap ię c io w e 1 9 7
i,
- hyd ra u liczn y 3 5 4
- stały 7 8
-, - sztyw n e 3 2 4
-
j
- o ch ro n n y P E 51
- z m ie n n y 79
-, - w ah liw e 3 2 4
- - p rą d o w e 196
- - P E N 51
R e zystyw n o ść 7 6
-, śre d n ic a c ylin d ra 3 2 4
-
- o d p ły w o w y 82
R o b o t an tro p o m o rfic zn y 25
- hyd ra u liczn y 3 4 6
S tab ilizacja p un ktu pracy 1 9 2 ,1 9 9
P rz y łą c z a p rz y rz ą d ó w 3 3 3
- h u m a n o id a ln y 2 5
- - nurnikow y 3 4 7
S tab ilizato r 185
P T C 80
- in sp ekc yjn y 26
- - tło k o w y 3 4 7
- n ap ię c ia 185
P u lsac ja 9 8
- m o b iln y 2 6
- - te le s k o p o w y 3 4 7
- p rąd u 185
P u n kt p ra c y 140
- p rz e m y s ło w y 21
- - w a h a d ło w y 3 4 8
S tała c z a s o w a 94
- - tra n zysto ra 151 , 189
R o sy p u n kt 3 1 2 , 3 1 3
- -, b u d o w a 3 4 7 , 3 4 9
S tan g o to w o ści 2 6 7
- - atm o s fe ry c z n y 3 1 3
- -, s tero w an ie ró żn ic o w e 3 5 7
- ja ło w y 9 0
ró w n o leg łe 1 9 7
- n ieu stalony 9 3
R o z d z ie la c z h yd ra u liczn y 3 5 0
- - b e ztlo c zy s k o w y 3 2 2
- o d c ięcia tranzystora 167
R d z e ń cew ki 1 0 6
- - p ro p o rc jo n aln y 3 5 2
-
c ię g n o w y 3 2 2
- p a m ię ta n ia 2 5 6
- tu rb u len tn y (burzliw y)
R e ak ta n c ja 103
-
d w u sto p n io w y 351
-
s zcze lin o w y (su w ad lo w y) 3 2 2
- p rz e w o d z e n ia tranzystora 167
P rzerzutnik
- in d u kcy jn a 107
-
s tero w an y p o ś re d n io 351
-
ze s p rzę że n ie m m a g n e ty c zn y m
- śle d ze n ia 2 5 6
- p o je m n o ś c io w a 105
R o z g a łę ź n ik sieci 2 9 8
323
- w ejść 2 2 6
- astab iln y
310 226, 234, 237 250
;
s z e re g o w e 196
- lo g iczn y 2 3 8
310
‘
- m etali 137
- p n e u m a ty c zn y 3 2 0
P rz e p ły w la m in a rn y (uw arstw ion y)
z n a m io n o w y 1 2 6
310 - - , w ytw arzan ie 3 1 5
- -, - ze zm ie n n y m o b c ią ż e n ie m 3 5 8
- w s te c z n y 1 4 1 , 1 4 2 - z e ro w y 1 5 3
- -, p o d s ta w y fizyc zn e zac h o w a n ia
- -, linia 3 1 2
- o z a p o b ie g a n iu w y p a d k o m
i
- -, m e d iu m ro b o c ze 3 1 5
- - ciśn ien io w y 3 1 3
- - u p raw n ień z w ią z k o w y c h
- w p ó łp rz e w o d n ik a c h 137 - z a p o ro w y 1 4 2
346
317
R a d ia to r 145 , 179 R a m k a transm isyjna 2 9 6
36 36, 37
- w m e ta la c h 6 6 , 1 3 7
j 1
- - typu s ig m a -d e lta 133 , 271
- - z o d c z e p e m tra n sfo rm a to ra
184
. j
- - k o m p e n s a c y jn y 271
P ó łp rz e w o d n ik 7 6 , 1 3 9
, r K irchho ffa 7 7
|
287
275
- o b s łu g i p rz e rw a n ia
- - C h a rle s a i G a y -L u s s a c a 3 1 0 i . . G a y -L u s s a c a 3 1 0
,
283
283
- h y d ra u lic zn a 3 4 2
P o z o s ta ło ś ć m a g n e ty c z n a 71
i
- elektro n ic zn y 2 2 7
- d o z a s to s o w a ń uniw ers aln ych
- DSP 266
- z m a te ria ła m i n ie b e zp ie c zn y m i 6 0
367 ■ I
P rą d n ic a p rąd u s ta łe g o
i - siło w e 6 2
- w p rzy p a d k u p o ża ru 59
Skorowidz
;
i"
M I
Skorowidz
¡68* 5j
Skorowidz
369
wyjść: 134 , 2 2 6
- - h e k s a d e c y m a ln y 251
- ja k o łączn ik elektro n ic zn y 166
U ktad 132
- s tero w an ia 12, 3 1 5
W ie lk o ś ć a n a lo g o w a 2 5 4
- k lu c z u ją c y 1 6 7
- a n a lo g o w y 132
zajęto ści 2 7 0 z a tk a n ia tra n zysto ra 167
- - sz e s n a s tk o w y 251
- - m ocy 174
- re g u lo w a n a 9
- o p e ra c y jn y 2 7 5
- N M O S 260
- - g e n e ra c y jn y 133
-
z w arcia 90 S tandaryzacja syg n ału 2 6 9
- p o z y c y jn y 251
- n o rm a ln ie w y łą c z o n y 160
- - p rz e tw a rz a n ia n a p ię c ia 133
-
S y s te m m e c h a tro n ic z n y 9
- - z a łą c z o n y 160
-
S tateczność m a szyn y 3 0 2
- o p e ra c y jn y 2 7 5
- p o ło w y F E T 1 5 9
Status ko m u n ik a c y jn y 2 9 2
- p ro d u k c y jn y z in te g ro w a n y 24
- - d w u b ra m k o w y z izo lo w a n ą
u kład u 2 6 7
.
b ra m k ą 163
- u żytko w y 2 7 5
p rą d u 133
z o p ó źn ie n ie m k ą ta za p ło n u 174
- ta k to w a n ia 135
W ie rs z m atry cy d io d o w e j 2 5 8
- b in arny 133, 2 0 8
- w e jś c ia -w y jś c ia 2 6 9 , 271
W ilg o tn o ś ć ab s o lu tn a 3 1 2
- cyfrow y 133 , 131, 2 3 2
- w z m a c n ia ją c y 188
-w z g lę d n a 3 1 2
- - stało - i z m ie n n o p ro g ra m o w y 135
- - fo to o p ty c zn y 159
W irn ik 7 4
- c z a s o w y 271
- z e w sp ó ln ą a n o d ą 178
W s k a ż 98
- d e k o d u ją c y 2 3 5
-
bazą 192
W s k a źn ik L E D 1 7 8
k a to d ą 178
- - z iz o lo w a n ą b ra m k ą (IG -F E T ) 161
- d ła w le n io w e 3 4 5 , 3 5 5
S zyna 266
-
- o b ję to ś c io w e 3 4 6
- danych 267
---M O S F E T 1 6 1
- d w u w a rto ś c io w y 133
-
Ś c ie ż k a re zystan c yjn a 80
- - - V M O S F E T 164
- d ys kretn y 133
- z e w sp ó ln ym e m ite re m 192
M IS F E T 161 T M O S F E T 164
- ró żn ico w e 3 5 7
- z a d a ją c a 9
- - zasila jąc y 133
S z y b k o z łą c z e 3 5 4 .
Sterow anie h y d ra u lic zn e 3 4 5
- s te ro w a n a 9
- sterująca 9
z e s te ro w a n ie m kąta w łą c ze n ia 174
W s p o m a g a n ie m e c h a tro n ic zn e 2 7
■-, w łaśc iw ości 3 4 0
Ś c iśliw ość cie c z y 3 4 2
- p rz e łą c z a ją c y 167
- elektro n ic zn y 1 3 2
-
k o le k to re m 1 9 2
W s p ó łc zy n n ik k o m p e n s a c ji 124 - lepkości 3 4 3
• p o te n c ja ło w e 1 6 0
- p o w ie trz a 3 0 8
- u n ip o larn y 161
-filtru ją c y 132
-
źró d łe m 199
- m o c y 1 0 4 ,1 8 5
Sterow nik 12, 2 7 1 , 2 9 2
Ś ro d o w is k o 2 7 5
- - F E T 159 , 164
- h yd ra u liczn y 3 4 4
- zlic za ją c o -c za s o w y 271
• b e z p o ś re d n ie g o d o s tę p u d o
- ro b o c z e 12
- - z łą c z o w y J F E T 161
- - d la w ie n io w y 3 4 5
- zlic za ją c y 2 3 5 , 2 3 7 , 271
Ś w ia d e c tw o z g o d n o ś c i 3 7
- -, o b s z a r p racy 167
- - otwarty 3 4 5
U p ra w n ie n ia z w ią z k o w e 3 6
- te m p e ra tu ro w y 147
Ś w ia tło w id z ia ln e 174
-
- - w y p o ro w y 3 4 6
U rz ą d z e n ie k o m u n ik a c y jn e 2 5 2
- - zm ia n y n a p ię c ia Z e n e ra 1 4 7
- w y p o ro w e 3 4 6 , 3 5 5
p a m ię c i 271 • m agistrali 2 9 2 , 2 9 7
- liniow ej 167
- p rze s te ro w a n ia p rą d u b a zy 1 6 8 - skró c en ia 98
- -, - n as y c e n ia 167
- - z a m k n ię ty 3 4 6
- m e c h a tro n ic zn e 9
- tłu m ien ia 189 , 2 0 3
S topień k o ń c o w y 1 6 6
T a b lic a funkcji 221
- -, - o d c ię c ia 167
- -, o sp rzę t 3 5 4
- n a d rz ę d n e 2 9 2
- w y p e łn ie n ia 101
■w ażn o ści p rzerw ań 2 8 7
- K a rn a u g h a 2 2 3
- -, o b u d o w a 1 6 6
- in te rfejso w y 2 6 2
- p o d p o rz ą d k o w a n e 2 9 2
- w zm o c n ie n ia 188
• w z m a c n ia ją c y 169
- p ra w d y 134
- z iz o lo w a n ą b ra m k ą 161
- in w ertera 2 0 4
- p o d rz ę d n e 2 9 2
- - m a lo s y g n a lo w e g o 155
Strona k o d o w a 2 4 3
Takt m agistrali 2 6 6 , 2 6 7
- z k a n a łe m w z b o g a c a n y m 160
- k o d u ją c y 2 3 5
- p rze n o ś n e 41
- - n a p ię c io w e g o 132 , 188
Stratność cew ki 115
T echnika s y n ch ro n izacji 131
- z k a n a łe m z u b a ż a n y m 160
- ko m b in a c y jn y 134, 2 1 8
- rę c zn e 41
- - p rą d o w e g o 188
■ k o n d e n s a to ra 113
T e c h n o lo g ia c ie n k o w a rs tw o w a 181,
-, o z n a c z e n ie 166
- k o n d y c jo n u ją c y 2 6 9
- s ta c jo n a rn e 41
- - w ie ik o s y g n a lo w e g o 155
- licząc y 135
- stale 41
- zaw arto ści h arm o n ic zn y c h 191
- licznikow y 271
W tó rn ik im p e d a n c ji 2 0 6
Stężen ie d o p u s z c z a ln e 38
S traty u zw o je n ia 114
1 82
Traw ien ie m e to d ą foto lito graficzną
• w ż e ia z ie 114
- g ru b o w a rs tw o w a 181
S tro m o ść z b o c z a 101
- h y b ry d o w a 1 7 9
Triak 172
- lo g iczn y 2 1 1 , 2 3 7
- w ejśc ia-w yjśc ia 2 3 6 , 2 6 2 , 2 7 0 - w y k o n a w c z e 12
S tru m ie ń m a g n e ty c z n y 7 0
T e le o p e ra to r 25
Trójkąt 124 , 125
- m ie s z a n y z tranzystoram i
- za s ila ją c e 182
• elektryczn y 67
- ch iru rg ic zn y 25
- m o cy 1 0 4 ,1 9 5
180
un ip o larn ym i i b ip o larn ym i 2 0 0
• św ietlny 1 7 5
Term isto r 8 0 , 1 3 6
- n a p ię ć m ię d z y fa z o w y c h 124
- m ik ro p ro c e s o ro w y 2 3 7
USB 298
T e rm o e ie m e n t 65
Tryb a d re s o w a n ia 281
- n a d rz ę d n y 2 4 5
U s taw n ik p o zy c y jn y 3 0 3
Substrat 160
T e tra d a 2 5 2
- inicjacji 2 7 2
- o g ra n ic z n ik a p rą d o w e g o 188
U z w o je n ie c ew ki 1 0 6
S y n erg ia 14
Tętnienie 1 8 3
- in te rp re to w an y 2 8 0
- - p rzeciw zw ar,cio w eg o 188
- w a rs tw o w e 1 0 7
T łu m ie n ie 189
- p o d s ta w o w y po rtu ró w n o le g łe g o
- cyfrow y 2 3 8 - d w u w a rto ś c io w y 2 3 8
- inicjacji zewnętrznej 283 - o d n ie s ie n ia 2 5 7 - p rz e rw a n ia 2 7 0 tró jw arto ścio w y 2 3 8 - w z o rc o w y 2 5 7 - z e g a ro w y 271 Sym bol 276 - a lfa n u m e ry c zn y 2 4 3 - p rz e rz u tn ik a 2 2 6 - sem ig ra fic zn y 2 5 3 S y s te m d o b a d a n ia stateczności żuraw i b u d o w la n y c h 301 - fu n kcjo n aln ie p e łn y 2 2 2 - h ierarch iczn y p rze rw a ń 2 8 7 - konw ersji liczb d w ó jk o w y c h 2 4 8
T łu m ik p n e u m a ty c z n y 3 2 2
299
- n a p ię c ia 2 0 6 W y d a jn o ś ć je d n o s tk o w a 3 4 2
USAR T 297
S trzałka o d n ie s ie n ia 7 7
S y g n a ł b in a rn y 2 1 1 , 2 3 8
- zw arcio w y 132 , 157
- pom py 342 W yjście a n a lo g o w e 2 7 2 - PW M 272 W y k o n a n ie instrukcji 2 6 2 W y łą c zn ik ró żn ic o w o -p rą d o w y 5 0
- o p to izo lacji 159
- pamięciowy 1 3 5 ,
235, 237, 257
W y m u s z e n ie 71
V D R 81
- p rą d u 9 2
T ran s fo rm acja d ys k re tn a 2 3 8
- p ra c y 2 7 3
- p o d rz ę d n y 2 4 5
T ran s fo rm ato r e le k tro n ic z n y 183
- - kro ko w ej 274
- p ro g ra m o w a ln y 135 , 2 3 7
W a r ia k 107
T ra n s ko d er 2 5 3
- - m ik ro k o m p u te ra 2 7 2
- p ro sto w n iko w y 182 , 183
W a rs tw a p ro g ra m o w a 2 3 6
- p rz e rw a ń 2 7 3
- p rz e c iw s o b n y 197
- s p rzę to w a 2 3 6
Tran s lacja 2 7 5
- sek w en c yjn y 2 5 8
- re g u la to ra n a p ię c ia 133
- z a p o ro w a 141
T ranslator p o z io m ó w 2 6 9
- s tero w an ia p o b ie ra n ą m o c ą 2 7 4
- s ca lo n y 180, 2 1 4
W arto ść ch w ilo w a 100
Tran s m isja a n iz o c h ro n ic z n a 2 9 2
- u śp ien ia 2 7 4
- - b a rd z o d u ż e j skali integracji 181
- in fo rm ac yjn a 2 3 9
- a s y n c h ro n ic z n a 2 9 2
- z a m ro ż e n ia 2 7 3
- - d u ż e j skali in tegracji 181
- m ię d zy s zc zy to w a 9 7
- iz o c h ro n ic z n a 2 9 2
Trym er 80
- - m a le j skali integracji 181
- zn a m io n o w a 143
- ró w n o le g ła 2 9 2
- płytko w y 87
■- m o n o lity c zn y 1 8 0
- - n a p ię c ia w p u n k c ie p ra c y 1 4 3
- s y n c h ro n ic z n a 2 9 2
- ru rkow y 87
■se k w e n c y jn y 134 , 2 2 6
- s z e re g o w a 2 9 2
T T L 211, 217
- asy n c h ro n ic zn y 135
- sz e re g o w o -ró w n o le g ta 2 9 2
T w ierd ze n ie d e M o rg a n a 2 2 0
- au to n o m ic z n y 135
T ran s o p to r 1 7 8
Tyrystor 170 - je d n o k ie ru n k o w y w yłą c z a n y
- s y n ch ro n iczn y 135
- b e zp ie c zn e j p ra c y 3 6
- -, w łaśc iw ości 201
stabilizacji n a p ię c ia 185
W arysto r 81
- -, za s to s o w a n ia 2 0 4 -ró ż n ic o w y 2 0 1 ,2 0 6
- s c a lo n y 2 5 4
T ranzysto r b ip o larn y 152
W y s te ro w a n ie d y n a m ic zn e 98 W z m a c n ia c z 1 6 8 ,'1 8 5
- akustyczny
133
- całk u ją c y 2 0 7 - d u ży c h s y g n a łó w 194 - klasy A 197 - - A B 198 - - B 197 - n ie o d w ra c a ją c y 2 0 5 - niskiej częstotliw ości 168
- - p rą d u w p u n k c ie p ra c y 143
- o d w ra c a ją c y 2 0 4
W aru n ki b e z p ie c z n e g o zasila n ia
- o p e ra c y jn y 132 , 201
e le k try c zn e g o 41
- -, budowa 201
- - z d io d ą Z e n e ra 1 8 6
W ejście a n a lo g o w e 2 6 8
-
o b s z a r p ra c y 156
- s y m e try c z n y d w u kieru n ko w y 173
- - z re g u la to re m n a p ię c ia 187
W e k to r p rze rw a ń 2 8 9
- ró żn ic zk u ją c y 2 0 7
- - bin arn y 251
-
p a ra m e try 1 5 6
- trio d o w y b lo ku jący w ste c z n ie 170
- - z tra n zysto rem s z e re g o w y m 186
- - d e c y m a ln y 251
- -, - d y n a m ic z n e 157
W e k to ry za c ja p rze rw a ń 2 8 9 W ę z e ł 77
- sumujący 2 0 6
- - z z a s o b n ik ie m e n e rg ii 1 8 5
- - d w ó jk o w y 251
- -, - g ra n ic z n e 1 5 6 •
U A R T 297
stabilizacji p rą d u 185 , 187
- sieci 2 9 8
-
- - d zie s ię tn y 251
- -, - s tatyczn e 157
U d o s tę p n ia n ie inform acji 2 6 4
sta lo p ro g ra m o w y 135
W ia d o m o ś ć 2 3 7
W zm o c n ie n ie m o c y 188
-
d ziesiętn ych 2 3 9 , 251
- lic z b o w y 251
- - z iz o lo w a n ą b ra m k ą IG B T 165
p rą d e m b ram ki G T O 172
- z tra n zysto ram i bip o larn ym i 191 un ip o larn ym i 198
370 Z a b lo k o w a n ie żró d e t p rze rw a ń 2 8 7
- - s p e c ja ln e g o p rz e z n a c z e n ia 3 5 3
Z biorniki ciśn ien io w e
Z a d a n ie k o m u n ik a c y jn e 2 5 2
- - steru jący n a tę ż e n ie m p rzep ływ u
Z b ió r k o d ó w
353
- k rytyczn e c z a s o w o 2 8 5 ,
Z d a rz e n ie
54
253 275 , 255
- n iek ry ty c zn e c z a s o w o 2 8 5
- - suw akow y 350
Z d o ln o ś ć ro z d z ie lc z a
Z a g o s p o d a ro w a n ie m ie js c a p ra c y 3 6
-
Z e g a r cza s u rz e c z y w is te g o 271
: Z a g ro ż e n ia p ra c ą z cie c za m i
Z e ro w a n ie , sku te c z n o ś ć
- -, s ym b o lika 351
Z jaw isko strzykaw ki
h yd ra u liczn ym i 55
- p n e u m a ty c z n y 3 2 7
Z łą c z e m e ta l-p ó lp rz e w o d n ik
m e c h a tro n ic zn y m i 57
- - bistabilny 3 2 8
PN 140, 141 145
- - c z a s o w y 331
- -, p rz e g rz a n ie
| Z a k łó c e n ia z e w n ę trz n e 1 3 3 , 2 8 7
- - d la w ią c o -z w ro tn y 331
Z n a k alfa n u m e ry c zn y
i Z a m a s k o w a n ie ź ró d e ł p rze rw a ń 2 8 3
- - m o n o s tab iln y 3 2 8 , 3 3 0
¡ Z a p a s instrukcji 2 6 5
- - red u k c y jn y 3 1 9
- B 37 -CE 37
I Z a s ię g d ło n i p ra c o w n ik a 3 2
-
j
p n e u m a ty c zn y m i 53
z o tw o re m o d p o w ie trz a ją c y m 320
i - n ó g p ra c o w n ik a 3 2 r - rąk p ra c o w n ik a 32
- - ro b o c z y 3 2 0 , 3 2 7
; Z a s ila c z 182
- - ro z d z ie la ją c y 3 2 7
j Zaw ór 327, 350
-
ste ro w a n y b e z p o ś re d n io 3 2 9
|S - h yd ra u liczn y 3 5 0
p o ś re d n io 3 2 9 , 3 3 0
i *- - b e z p ie c z e ń s tw a 3 5 3
ciśn ien iem 3 3 3
j
siłą m ięśni 3 3 3
- c iśn ien io w y 3 5 2
w s p o s ó b m ie s z a n y 3 3 3
: - - g n ia z d o w y 3 5 0 ■ - - nad ążny 359
-
- - o d zia ła n iu ciąg łym 3 5 2 ;- - o d łą c z a ją c y 3 6 0
suw akow y 327 z p łaskim s u w a k ie m 3 2 8
; - - o d łą c z a ją c y 3 6 0 -
ta le rz o w o -g n ia z d o w y 3 2 9
-
tu le jo w o -g n ia z d o w y 3 2 7
{- - o d p o w ie trza ją c y 3 5 4
-
i—
- - s p e c ja ln e g o p rz e z n a c z e n ia 3 3 0
j
zw ro tn y 3 5 3
- o g ra n ic z a ją c y ciśn ien ie 3 5 3
j
d w u s to p n io w y 3 5 3
tło c z k o w y 3 2 8
243 - g rafic zn y 242 - n ie s ta n d a rd o w y 243 - sem ig raficzn y 243, 253 Z n a ki b e z p ie c z e ń s tw a 37, 38,39 - n a k a z u 38, 39 - o s trz e g a w c z e 38, 39 - p o ż a rn ic z e 38, 39 - ratu n ko w e 38, 39 - z a k a z u 38, 39 Z n ie k s z ta łc e n ia 190 - liniow e 190 - nieliniow e 169, 190 - p rzy p rz e jm o w a n iu 197 Z w arcie p rz e z ka d łu b 48
- - steru jący 3 2 7 - - s z y b k ie g o spu stu 3 3 2
Z r ó d lo en erg ii elektryczn ej
- - z d ź w ig n ią ła m a n ą 3 3 9
- n a p ię c ia o d n iesien ia
- - zw ro tn y 3 3 0
- - rzeczyw is teg o
; —
p rz e p ły w o w y 3 5 3
- -, o z n a c z e n ia 3 3 2 , 3 3 3
- n a p ię c io w e
. —
ro z d z ie la ją c y 3 5 0 , budow a 350
- -, p o d w ó jn e g o s yg n ału 331
- p rą d o w e
- -, p o ło ż e n ie n o rm a ln e 3 2 8
- p rą d u s tałeg o
-
- -
- - re d u k c y jn y 3 5 3 ; —
d w u d ro g o w y 3 5 3
243
- d iakrytyczn y
c iśn ien io w y 3 5 2
! - - p ro p o rc jo n a ln y 3 5 2 -
50
237 55
Z e s p ó l fu n kcjo n aln y
u rzą d ze n ia m i e lektryczn ym i 4 2
;
- d w u d ro g o w y 3 5 3
- -, o z n a c z e n ia 3 5 0
h yd ra u liczn ym i 5 6 -
-
reg u lato r p rz e p ły w u 3 5 3
p rz e łą c z n ik o b ie g u 3 3 0
Z b ie ż n o ś ć o p ty c z n a 1 4 9
- -
90
76
76
76 p rz e m ie n n e g o 76 z m ie n n e g o 76
272
76
A u to rz y p o d rę c z n ik a d z ię k u ją w y m ie n io n y m firm o m i in s ty tu c jo m z a u d o s tę p n ie n ie m a te ria łó w ilu stracyjn yc h p r z y k ła d ó w o p r a c o w a ń , o p r o g ra m o w a n ia i z a s to s o w a ń o p is a n y c h p rz y rz ą d ó w , u rz ą d z e ń i m a s z y n .
ABB ASEA Brown Boveri AG
Felten & Guilleaume AG
S z w a jc a ria
K o lo n ia / N ie m c y
Agilent Technologies
Festo AG & Co
B ö b lin g e n / N ie m c y
E s s lin g e n -B e rk h e im / N ie m c y
Albert Ackermann
Fluke GmbH Deutschland
G u m m e rs b a c h / N ie m c y
K a ssel / N ie m c y
Atlas-Copco
Forschungs- und Technologie-Zentrum FTZ
E s s e n / N ie m c y
D a rm s ta d t / N ie m c y
Bahco Druckluft-Hydraulikwerkzeuge
Gebr. Berger GmbH & Co. KG
D o rtm u n d / N ie m c y
S c h a lk s m ü h k e / N ie m c y
BASF AG
General Electric
L u d w ig s h a fe n / N ie m c y
USA
Baumer electric
Georg Fischer AG
F ra u e n fe ld / S z w a jc a ria
S c h a ffh a u s e n / N ie m c y
BC-Brandchemle
Gerhard Balluf GmbH & Co.
E g e ls b a c h / N ie m c y
N e u h a s e n /F ild e r / N ie m c y
Berufsgenossenschaft der Feinmechanik und Elektrotechnik
GEYER AG N o ry m b e r g a / N ie m c y
K o lo n ia / N ie m c y
Gossen-Metrawatt
Boge Kompressoren
N o ry m b e r g a / N ie m c y
B ie le fe ld / N ie m c y
Gustav Hensel GmbH & Co. KG
Bogenschütz GmbH
L e n n e n s ta d t / N ie m c y
F ra n k fu rt / N ie m c y
Gustav Merz
Bosch Rexroth AG
G a ild o rf / N ie m c y
L o h r a m M a in / N ie m c y
Hahn & Kolb
Braun AG
S tu ttg a rt / N ie m c y
K ro n b e rg / N ie m c y
HAMEG GmbH
Busch-Jaeger Elektro-GmbH
F ra n k fu rt / N ie m c y
L ü d e n s c h e id / N ie m c y
Have-Hydraulik
C.A. Weidmüller GmbH & Co
M o n a c h iu m / N ie m c y
P a d e rb o rn / N ie m c y
Hartmann und Braun AG
CH. Beha GmbH
F ra n k fu rt / N ie m c y
G lo tte rta l / N ie m c y
Hänchen Hydraulik GmbH
Cherry Mikroschalter GmbH
O s tfild e rn / N ie m c y
A u e r b a c h / N ie m c y
CMC-Instruments Deutschland GmbH
HEA Hauptberatungsstelle für Elektrizitätsanwendungen
N o ry m b e r g a / N ie m c y
F ra n k fu rt / N ie m c y
Conrad Electronic GmbH
Heinrich Kopp AG
H irs c h a u / N ie m c y
K ahl / N ie m c y
Dehn + Söhne
HELIOWATTWERKE
N e u m a r k t / N ie m c y
B e rlin / N ie m c y
Deutsche Philips GmbH
Herlon-Werke KG
H a m b u r g / N ie m c y
F e llb a c h / N ie m c y
Dipl.-lng. W. Bender GmbH + Co. KG
Hewlett-Packhard
G rü n b e r g / N ie m c y
USA
E.G.O Elektro-Geräte
Hoerbirger & Co
O b e r e r d in g e n / N ie m c y
S c h o n g a u / N ie m c y
Elektronik & Informationstechnik
Hydac
O V E / W ie d e ń / A u stria
S u lz b a c h / N ie m c y
Elektro Thaler
Instytut Ochrony Pracy
B e ra tz h a u s e n / N ie m c y
W a r s z a w a / P o ls k a
ERSA GmbH
KAISER GmbH & C,.
W e rth e im / N ie m c y
S c h a lk s m ü h le / N ie m c y
FANUC
Kathrein-Werke AG
J a m a n a s h i P re fe c tu re / J a p o n ia
R o s e n h e im / N ie m c y
Klöckner-Moelier
Polskie Centrum Badań i Certyfikacji
B o n n / N ie m c y
W a r s z a w a / P o ls k a
Knipex-Werke
RICO GmbH & Co. KG
W u p p e rta l / N ie m c y
K irc h te im u . T e c k / N ie m c y
Krauss Maffei
ROWENTA WERKE GmbH
W a rrin g to n / W ie lk a B ry ta n ia
O ffe n b a c h / N ie m c y
Leuze electronic GmbH & Co
RS Components GmbH
O w e n -T e c k / N ie m c y
M ö rfe ld e n -W a lld o rf /N ie m c y
Martonair
Siemens AG
A lp e n /N ie d e rrh e in / N ie m c y
E r la n g e n -N o r y m b e r g a -M o n a c h lu m / N ie m c y
Matsushita Automation Controls
SMC Pneumatic
J a p o n ia
J a p o n ia
Maxam Pneumatik GmbH
SORCUS GmbH
D ü s s e ld o rf / N ie m c y
H e id e lb e r g / N ie m c y
Mecman
Spectra Com putersystem e GmbH
S z to k h o lm / S z w e c ja
L e in fe ld e n -E c h te rd in g e n / N ie m c y
Meiler-Hydraulik
Sperry+Vickers
M o n a c h iu m / N ie m c y
W ie lk a B ry ta n ia
Mennekes
STIEBEL ELTRON GmbH & Co. KG
L e n n e n s ta d t / N ie m c y
H o lz m in d e n / N ie m c y
Microsoft
Texas Instruments
USA
USA
Mindjet LCC
Toshiba Electronics
USA
J a p o n ia
Moehler GmbH
Trafo Schneider
B o n n / N ie m c y
M a rc h -B u c h h e im / N ie m c y
Moog
Trumpf GmbH 7 Co
USA
D itz in g e n / N ie m c y
Museé d’art et d’historie
Tyco Valves and Controls Distribution
N e u c h â te l / S z w a jc a ria
A b e r d e e n / W ie lk a B ry ta n ia
Muzeum Techniki
Umweltbundesamt
W a r s z a w a / P o ls k a
B e rlin / N ie m c y
National Instruments Corp.
Vaillant GmbH
USA
R e m s c h e id / N ie m c y
Osram GmbH
Vtcor Europe
M o n a c h iu m / N ie m c y
G a rc h in g / N ie m c y
Otto Baier GmbH
Westinghouse
A s p e rg / N ie m c y
USA
Panasonic
Wickmann-Werke AG
J a p o n ia
W itte n -A n n e n / N ie m c y
PARATEX Marking System GmbH
Wittig Technologies AG
L e in fe ld / N ie m c y
B ö b lin g e n / N ie m c y
Phoenix Contact GmbH
Yahoo!
B lo m b e rg / N ie m c y
USA
Politechnika Warszawska
Zeiss, Carl
P o ls k a
O b e r k o c h e n / N ie m c y
»i
i
'śj 9
lk
