elektronika

1

B - ELEKTRONIKA

• Literatura:

J. Grilec, D. Zorc: ″Osnove elektronike″, Školska knjiga, Zagreb.

T. Šurina: ″Tranzistorska tehnika″, Tehnička knjiga, Zagreb.

P. Biljanović: ″Elektronički sklopovi″, Školska knjiga, Zagreb.

P. Biljanović: ″Mikroelektronika″, Školska knjiga, Zagreb.

J. Millman, A. Grabel: ″Microelectronics″, Mc. Graw Hill.

• ELEKTRONIKA se bavi vo ñenjem struje kroz poluvodi če, plinove i vakuum, te pripadnim elementima i sklopovima.

ELEKTRONIČKI ELEMENTI, SKLOPOVI, UREðAJI

• Podru čja:

Opća elektronika (elementi, sklopovi, integrirani sklopovi)

Analogna – digitalna – računalna (informacijska)

Visokofrekventna, mikrovalna tehnika, optoelektronika, energetska elektronika, itd.

Po namjeni: avionika, automobilska, biomedicinska, itd.

Profesionalna elektronika - Potrošačka elektronika

2

• SADRŽAJ

Elektronički elementi: diode, tranzistori, tiristori

Elektronički sklopovi: ispravljači, stabilizatori napona, pojačala, povratna veza, oscilatori, tranzistorske sklopke

Operacijska pojačala

Digitalni integrirani sklopovi: logički sklopovi, bistabili, memorije

Mikroračunala

Dodatna poglavlja za kolegij Elektronika (mehatroničari): Linearni integrirani sklopovi: primjena operacijskih pojačala, regulatori napona, pojačala snage, vremenski sklopovi

Senzori, akvizicija signala, A/D i D/A pretvornici, aktuatori

Programabilni logički kontroleri

Elektronička instrumentacija

3

POLUVODIČI

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

slobodni elektron šupljina

Generiranje parova elektron-šupljina i rekombinacija Dodavanje 3 ili 5-valentnih primjesa povećava vodljivost n-tip(5-valentna primjesa): mnogo slobodnih elektrona, mnogo nepokretnih + iona, malo šupljina (manjinski nosioci ) p-tip(3-valentna primjesa): mnogo šupljina, mnogo - iona, malo elektrona (manjinski nosioci)

4

ZAPORNI SLOJ

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

- - -

- -

-

-

-- -

n p

Difuzija

5

Q

V

+-

V∆

difuzni napon iznosi oko 0.7V za silicij, 0.3V za germanij

6

POLUVODIČKA DIODA

p n

A K

p n

p n

+

+

p n

+

+

7

KARAKTERISTIKA DIODE

A

V

+ -

[ ]kVUz

zoUϑ

1 5,0

ϑ

[ ]AI p

[ ]AI z µ

[ ]VUppoU 1 2

2

4

20

10

• Propusno podru čje, zaporno podru čje, podru čje proboja

Idealna dioda? Dioda je nelinearni element ->grafičko rješavanje strujnog kruga

8

ISPRAVLJA ČI

~~=

+

−

ISTOSMJ.TROŠILO

u~ R

u = uD + uR

2

T T t

u

MU

efU

srU

DMAXU

napon na trošilu:

2)(

1

2)(

1

0

2

sin.

0

MT

Ref

efMT

Rsr

Udttu

TU

UUdttu

TU

==

===

∫

∫ ππ

9

Filtriranje ispravljenog napona

~

i

uC

R

u

SRU ′

SRU

2/T Tt

C

bez C

PUNOVALNI ISPRAVLJA Č Graetzov mostni spoj

+ -~+

u

MU

T t

napon na trošilu :

2

2

Mef

Msr

UU

UU

=

=π

10

TROFAZNI POLUVALNI ISPRAVLJA Č R

S

T

0

R

12

T

12

5T t

u

R S T R S ...MU

],0[1

0

TdtuT

UT

sr ∫=

∫ ===⋅=12/5

12/

17,183,02

332sin

13

T

T

efMMMsr UUUtdtT

UT

Uπ

π

11

TROFAZNI PUNOVALNI ISPRAVLJA Č A

B

RST

12

T

125T t

u

R S T R S ...MU

( ) ( )

efefMSR

MSmR

T

T

SR

T

BASR

UUUU

tT

UutT

Uu

dtuuT

dtuuT

U

34,26333

3

22sin,

2sin

611 4/

12/0

00

===

−==

−⋅=−= ∫∫

ππ

πππ

12

ZENER DIODA

I

UR =

- statički R

i

ur

∆∆=

- dinamički R

rS /1=

ZI

I∆

DU

DI

U∆ZU

V7,0

ZZ

Z rI

U=

∆∆

- Zenerov otpor

Zenerova dioda radi u području proboja. Probojni napon ovisi i o temperaturi (temperaturni koeficijent) Simboli:

K

A

ZI

K

A

13

• STABILIZACIJA NAPONA

TI

GU STUG S T

( )

TT

STG

G

STST

TGST

II

UU

U

UU

IUfU

∆∂

∂+∆∂∂=∆

= ,

.konstIST

G

TU

U

=

∂∂

=σ

- faktor stabilizacije

konstUT

ST

GI

U

=

∂∂=ρ

- unutrašnji otpor (negativan)

GU

STU.stbez

TI

STU

.stbezvelik σmali ρ

14

STABILIZATOR SA ZENER-DIODOM (PARALELNI)

GU

SR

TRU

Gi

Zi

Ti

+-

GU

SR

U

GUU

SR

GI

GU

S

G

R

U

S

G

G

G

GSGG

R

UI

U

U

URIUU

+=

+=

1

:

Grafičko rješenje IT=I G - IZ konstrukcijom točku po točku:

ZI

Zr

USTU

ZGT III −= T

T R

UI =

Minimalni ulazni napon:

)1(0T

SZG R

RUU +≥

U

TI

TR

αctgRT =

α

TI

USTU GU

TI

GI

ZI

15

TRANZISTOR S EFEKTOM POLJA = FIELD- EFFECT TRANSISTOR, FET (JFET)

G

D

S

DSU

DI

GSU

p p

n

S: source - izvor, uvod

D: drain - odvod G: gate – vrata (upravljačka elektroda)

G

D

S

kanaln −

0≅GI

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

Naponsko upravljanje - visok ulazni otpor (109 Ω)

16

[ ]VUGS 2− 1− 0 10 20

10

20

[ ]VUDS

[ ]mAI D

[ ]VUGS

ulazna izlazna0

1−

5,0−

5,1−

2−5,2−

VUDS 10=

.constUGS

DDSU

IS =∆

∆=

MOSFET (Metal-Oxide-Silicon FET)

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

DI

GSU

DI

DSU

[ ]VUGS

1

2

3

4

5

a)

SG

D

DI

GSU

DI

DSU

[ ]VUGS

b)

0

1

1−2−

2

SG

D

17

BIPOLARNI TRANZISTOR

(Transfer Resistor)

B

E

C

n

n

p

EI−

CI

BI

npn

pnp

Primjer: IE = 10.2 mA IC = 10.0 mA IB = 0.20 mA

[ ]VUCE

[ ]mAIC

[ ]mAI B

1

2

izlaznakarakteristika

0 10 20 30

100

200

[ ]VUBE

[ ]mAI B

ulaznakarakteristika

0 5.0

1

2

IC = B IB

(B manjeg iznosa u zasićenju)

B

BEu

B

BEu

I

Ur

kI

UR

∆∆

=

Ω= 5do,

18

TRANZISTOR KAO SKLOPKA

BBU

R

I

BBS UU

I

== 0

0

max

=

==

S

BB

UR

UII

S

R

IC

UBBIB

BR

U

B

II

URIU

BBCB

CECBB

==

+=

maxmin

[ ]VUCE

[ ]mAIC

min.CI

maxCBB IR

U =

BBCE UU =max

A

B

BI

0

CEzasCE UU =min

• Usporedba s obi čnom sklopkom:

tranzistor je istosmjerna sklopka

vrijeme preklapanja kratko –> mogućnost regulacije

vijek trajanja

elektromagnetske smetnje – bez iskrenja

Tipično: UCE min ≈ 0,2 V ... 0.5 V, IC min < 1µA

19

POJAČANJE

(Odnos istovrsnih fizikalnih veličina na izlazu i ulazu)

u

i

X

XA =

- statičko pojačanje

uX iX

u

i

X

XA

∆∆

= - dinamičko

pojačanje

iU

uU

u

i

U

UtgA == α

α

zasićenje

zasićenje

A

0 df gf f

istosmjernopojačalo izmjeničn

o

Pojačanje kaskadno vezanih poja čala

1uX 1iX 2uX 2iX1A 2A 21

2

1

1

2 AAX

X

X

XA

u

i

u

i ⋅=⋅=

Logaritamska jedinica: Bel [ ]u

i

P

PBA log=

[ ]

i

ii

u

uu

u

i

R

UP

R

UPuz

P

PdBA

22

;;log10 ===

[ ]

u

i

u

i

i

u

u

iv R

R

U

U

R

R

U

UdBA log10log20log10

2

2

−=⋅=

20

PRILAGOðENJE OTPORA IZMEðU POJAČALA

U

I

E

iR uR

( )u

ui

IRU

RRIE

=+=

Pojačalo 1 Pojačalo 2

• Optimalni odnos R i i Ru za razli čite kriterije

Naponsko prilagoñenje: što veći napon

iu

u

i

RR

R

RE

U >>⇒+

=1 (prednost FET-a)

Prilagoñenje prema korisnoj snazi: što veća snaga

( ) u

ui

uK RRR

ERIP

2

22

+==

ekstrem pojačanja

snage: ui

u

K RRdR

dP =⇒= 0

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

21

TRANZISTORSKO POJA ČALO

Za pojačanje signala može se koristiti bipolarni tranzistor ili FET

∆+∆−

GSU DI RI D ⋅

DSU iU

DI

GSU

DSUBU

DSU∆GSU∆

0A0A

A A

DI∆

R

U B

( )

RSU

RIA

U

I

U

IS

RIURIIUUU

RIUU

U

UA

u

D

u

D

GS

D

DiDDBii

DBi

u

i

′−=∆∆−=⇒

∆∆=

∆∆=′

∆−=∆→∆+−=∆+−=

∆∆=

DSi UU =R

BU

DI

GSu UU =

22

POJAČALO NAPONA (BIP. TRANZISTOR)

10 20

10

20

[ ]VUCE

[ ]mAIC [ ]AI B µ

204080100 30

10

20

40

60

80

100

5,0

6,0

7,0

[ ]VU BE

[ ]AI B µ

0A

a) Jednostavno pojačalo

RR

UUI BEB

B

−=12 ϑϑ >

1ϑ

pomak radne točke (drift)

Definiranje statičke radne točke A0 pomoću otpora R

Odjeljivanje stupnjeva pojačala pomoću kondenzatora

23

b) Pojačalo s stabilizacijom radne točke

RR

UUUI EBEB

B

−−=BU

Stabilizirajuće djelovanje

∆+∆−

CI EU

BI CI

ϑ

c) Poboljšano pojačalo s stabilizacijom radne točke

1R

BU

2R

BI

CR

ER

Preporuča se IR2>>I B (IR2=10 IB) UE ≥ 1V

URC =UCE

d) Pojačalo s FET-om

GSU

1R2R 2RI D

DI

24

- Zajednička točka (masa ) - Odreñivanje radne točke:

UGS+I DR2= 0 (IG=0) -UGS= I DR2

-rješava problem DRIFT-a

POVRATNA VEZA

A

µ

pA

uX iX

iXµ

1||

11

1

;

≤

−=

−=

=+

=

µ

µµ

µ

AA

AA

X

XA

XX

XA

p

u

ip

iu

i

a) 0<µ<1/A → Ap>A → pozitivna povratna veza povećana nestabilnost, osjetljivost na poremećaje b) µ<0 → Ap<A → negativna povratna veza. stabilnost, neosjetljivost na smetnje, linearnije pojačalo Za A >>1 (Ap ≈ -1/µ) neovisnost o promjenama A

25

RAČUNSKO POJAČALO

(Operacijsko pojačalo)

+

−−U

+U

( )( )6101 doA

AUUUAU i

>>>

=−= −+

0V

U

U je uvijek vrlo malen («virtualna nula»).

Ulazni otpor vrlo velik. Izlazni otpor mali.

Izlazni raspon Ui – ograničen naponom baterije

Matematički model nepotrebna grafička rješenja.

• Invertiraju će pojačalo (invertor)

+

−R

0RI

uU

iU

( ))2(

)1(

0RR

UUI

IRUAU

ui

ui

+−=

+−=

Uvrštenjem (2) u (1) i separacijom varijabli :

uiui UR

RUU

A

RRR

RU 0

0

0 −≅+

+−=

26

• Neinvertiraju će pojačalo

+

−

R 0R

uU iU

( )

0RR

UI

IRUAU

i

ui

+=

−=

R

R

U

UA

u

ip

01+==

I

• Zbrajatelj (sumator)

+

−

1R

0R1U

iU

2U

3U

I2R

3R

n

nn

nni

i

R

UUI

IRUU

AUU

−=

−=−=

∑0

∑−≈→<<≈n n

ni R

URU

AU 01

1,0

U

• Integrator

)( IRUAU ui +−= (1)

C

qIRUU ui ++=

(2)

+

−

R

uU

iU

C

U

I

∫= Idtq (3)

Uvrštavanjem (3) u (2 ) te I iz(1) u (2) dobije se:

∫

+−=

+ dtA

UU

RCU

Ai

ui

111

27

∫−≈→<<<< dtU

RCUU

A

U

A uiui 1

;11

iU

uU

• Zamjenom mjesta R i C →→→→ derivator:

dt

dURCU u

i −≈

28

OSCILATOR

Pojačalo s pozitivnom povratnom vezom i µ =1/A

)0(1

1 =∞→⇒−

== upu

ip XA

AX

XA

µ

C L

+

LCf

π2

1=

LC oscilator

+

+

Svojstva: valni oblik, frekvencija, stabilnost frekvencije

Mehatroni čki oscilator - njihalo

+− +−

+ U

1L 2L

N S

29

VAKUUMSKA TRIODA

ak

g

g

a

k

a - anoda k - katoda g - rešetka

0

aU

gkU−

gkU

aU

aI

Koristi se za velike snage (napone) ili za specijalne namjene

30

VISOKOFREKVENTNO ZAGRIJAVANJE

• Induktivno zagrijavanje

metalni predmet zagrijava se zbog vrtložnih struja i eventualno gubitaka histereze

V.F. Generator

gustoća inducirane struje eksponencijalno pada prema unutrašnjosti predmeta (f =100 kHz do 15 MHz)

δx

eJJ−

⋅= 0

x

037,0 J

δ

0J

δ - dubina prodiranja: fK

r ⋅=

µρδ

31

• Dielektri čko zagrijavanje

u dielektriku dolazi do pomaka elementarnih dipola, unutarnje "trenje", porast temperature ϑ↑

.

..

Gen

FVR C

CI

RI

I

U

δ

RC

C

URU

I

Itg

C

R

ω

ω

δ 1

1

=== δω tgCUR

UP 2

2

==

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

32

TIRISTOR (SCR: Silicon Controlled Rectifier)

p

n

p

n

A

K

G

A

K

G

A

K

G

IA

UAK

IGIA0

Upa

b

c

d

a – karakteristika blokiranja b – prekretni napon:

Up = f(IG) c – karakteristika voñenja d – zaporna karakteristika

~

~

~

33

TIRISTORSKI ISPRAVLJA Č

GENERATORIMPULSA

M

AC

π π2

u

MU

α βtω

α ≤ 180° - kut paljenja, okidanja

β - kut voñenja, protjecanja

( ) ( )

( )22sin

2sin

21

cos12

sin21

22 ααππ

ωωπ

απ

ωωπ

π

α

π

α

+−==

=+==

∫

∫

MMef

T

srsr

MMsr

UtdtUU

R

UI

UtdtUU

Primjer jednostavnog okidnog sklopa

TU1D

2D

C

R

~

t

u

Cu

34

TIRISTORSKO PALJENJE MOTORA S UNUTRAŠNJIM IZGARANJEM

Mehanička sklopka

Tiristorska sklopka

== /

1k

V12 V400

1R

2k2R

1C 2C

i dt

diMe −=

35

TRIJAK (TRIODE A.C. SWITCH)

pn

p

n

n n

n

A1G

A2

A2

A1G

AI

AI−

GI

GI−12 AAU− 12 AAU

36

FAZNA REGULACIJA IZMJENI ČNE SNAGE

~

i Polaritet Ug

1GAU

12 AAU

+−

+ −

TU

1D C

R

~Diac

t

iu,

α

2

2sin

2

2

2sin

2

ααππ

ααππ

+−=

+−=

Mef

Mef

II

UU

Služi za regulaciju snage otpornih trošila i univerzalnih motora

37

TOPLINSKI OVISAN OTPORNIK - TERMISTOR

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

[ ]ΩR

][ Coϑ0 200

10

100

1

ϑ

ϑ

ϑ

B

AeR = - konstante izvedbe: A [Ω] B [°K]

PTC (pozitivni temperaturni koeficijent)

][ Coϑ

[ ]ΩR

100

101

102

103

104

može se koristiti za nad-temperaturnu zaštitu

38

NADTEMPERATURNA ZAŠTITA

~2k

1k

T

R

PTC

+

M

Beskontaktna sklopka (proximity switch)

+++

+ +

1T

2T

3T

1C

2C1R

2R

R U

1U

+

∆+

∆− 1U

2BU2CI

2CU 3BU 3CI

U 2BU

HU

39

FOTOOTPORNIK

CdS

LDR

lx

E

RΩα−= AER

Ω÷=Ω>

÷=

30030

10

9,07,0

1000 xl

D

R

MR

α

100

101

102

103

100 101 102 103

A= konst.

Brojač predmeta na tekućoj vrpci:

1T 2T

RI

U+

E

FR

1BI2BI RI

N

FR

40

FOTODIODA I FOTOELEMENT (FOTOČLANAK)

• Fotodioda

FI

[ ]lxE

[ ]AI F µ

[ ]lxE

[ ]vUz0 20 40

50

100

1503000

2000

1000

0

+

U

-vrijeme porasta = 1 ns

- osjetljivostE

IS F

∆∆=

• Fotoelement: izvor napona (»sun čane baterije»)

[ ]lxE

pasivni element:fotodioda

aktivnifotoelement

40

FI

[ ]mVU F

3000

2000

1000

41

FOTOTRANZISTOR

lx

AS

µ10≈

Srodne komponente:

- fotoFET

- fotoTiristor

- fotoTRIAC

SVJETLEĆA DIODA – LED

UUp

I

Uz0 ≈ 10 V Up = 1.3 ÷ 3.5 V

I [mA]

[ ]lmφ

• Poluvodi čki materijali od kojih se izra ñuje LED:

Galij-arsenid (GaAs), Galij-arsen-fosfid (GaAsP), itd.

Postoje izvedbe za sve osnovne boje RGB + IR + UV + bijela

42

• Usporedba LED (diode) i sijalice:

LED ima veću trajnost,

LED je dinamički pogodnija (vrlo brzo uključivanje i isključivanje),

LED emitira uzak spektar svjetlosti za razliku od sijalice koja pokriva daleko širi spektar (vidljiva svjetlost + infracrveno zračenje + ultraljubičasto zračenje)

• Primjena LED:

Signalizacija, rasvjeta,

Optospojke,

I.R. komunikacija

Pokaznici (display)

7 - segment display:

Alfanumerički, matrica točaka

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

OPTOSPOJKA (OPTO-COUPLER)

UIiI

5,1doI

I

U

i

GALVANSKO ODJELJIVANJE

43

INTEGRIRANI KRUGOVI (IC)

• Minijaturizacija:

manji utrošak prostora, manji utrošak energije,

veće brzine

• Integriraju se i sklopovi neizvedivi u diskretnoj izvedbi.

• Mnoštvo tehnologija: monolitni, hibridi

• SSI, MSI, LSI, VLSI, ULSI (> 10 6 tranzistora)

• Digitalni, analogni i mješoviti integrirani krugovi

ANALOGNI IC (linearni)

operacijska (računska) pojačala

komparatori napona

generatori funkcija, VCO

stabilizatori napona, referentni izvori

specijalni IC za video, audio, komunikacije

analogne sklopke i multiplekseri

senzorski IC ...

IC za upravljanje snagom

44

MJEŠOVITI IC (mixed signal)

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

analogni meñusklopovi (analog interface circuits)

vremenski sklopovi (timer-i)

meñusklopovi za LAN mreže, radio, mobitele, itd.

DIGITALNI IC

osnovni logički sklopovi (I, ILI, NE, NILI, NI..)

aritmetički sklopovi, komparatori

dekoderi, multiplekseri

spec. namjena (buffers, drivers, transceivers, PLL)

multivibratori (bistabil, monostabil, Schmitt okidni skop...)

brojila, registri

memorije (RAM, ROM)

programabilni logički nizovi (PLA, PAL, CPLD, FPGA)

mikroprocesori, mikrokontroleri, meñusklopovi itd.

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

45

OSNOVNI LOGIČKI SKLOPOVI

• Logi čka stanja:

DA (1) ⇔ (zatvorena sklopka)

NE (0) ⇔ (otvorena sklopka)

• Logi čki I (AND)

A BZ

A

B

( )+ H

BAZ ⋅=

AB

BAZ ⋅=

Z = 0: nema spoja

Z = 1: zatvoren krug

H: napon napajanja (+)

L: napon 0V ili ≈ 0V

&

A B Z A B Z 0 0 0 L L L 0 1 0 L H L 1 0 0 H L L 1 1 1 H H H

46

• Logi čki ILI (OR)

A

BA+B

A

B A+B

A

B

A+B

OR

A B Z 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1

1≥

• Eksluzivno ILI (EX-OR) : A=1, B=1 Z=0

• Logi čki NE (NOT)

A Z 0 1 1 0

AZ =A

+

47

• Logi čki NE I (NAND, NI)

A B AB AB 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0

A

B

BAZ ⋅=

• Logi čki NE ILI (NOR, NILI)

A B A+B BA+ 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0

A

B

BAZ +=

48

SLOŽENI LOGIČKI SKLOPOVI

• POLUZBRAJALO

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

HA

B

S

P

- teže se proširuje

• ZBRAJALO

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

F

A

B

S

PsP

- lako se proširuje na višebitne brojeve

49

• KOMPARATOR

A0

A1

A2

A3

B0

B1

B2

B3

A<B A>BA=B

A, B su 4-bitni binarni brojevi

(bit = binarna znamenka)

0000(2) … 0(10)

0001(2) … 1(10)

0010(2) … 2(10)

0011(2) … 3(10) … 1001(2) … 9(10)

• DEKODER / DEMULTIPLEKSER

0

15

0A1A2A3A

E

Dekoder: E (enable) je konstantan. Demultiplekser: Serijska informacija s E pojavljuje se na izlazu adresiranom preko A0.. A3.

• MULTIPLEKSER I KODER

MULTIPLEKSER KODER (ENKODER)

0

OUT

A0 A2A1

7

.

.

.

Ulaz adresiran preko A0... A2 pojavi se na OUT

01

n

0 1 m

Jedan aktivan ulaz (od n) aktivira jedan m-bitni broj (kod) na izlazu

ROM = DEKODER + KODER

50

• BISTABIL

Q Q

BBU−

CCU+

1T 2T

11R

12R

21R

22R

13R23R

S R

≡

S

R

Q

Q

SR D T JK

S

R

Q

Q

Q

QD

Q

QT

Q

Q

J

K

S R Q D Q T Q J K Q

0 0 q 0 0 0 q 0 0 q

0 1 0 1 1 1 q 0 1 0

1 0 1 1 0 1

1 1 x 1 1 q

q – prethodno stanje x – nedefinirano (zabranjeno)

Sekvencijalni sklopovi: - sinkroni - asinkroni

Dijeljenje frekvencije s 2

Može zamijeniti SR, D, T

S R Q Q 0 0 q q 0 1 0 1 1 0 1 0

R

S

Q

Q

1 1 0 0

Bistabil sastavljen od NILI vrata

!!QQ =

51

• ASTABIL

R C

ui

generator pravokutnog signala

ui

t

• MONOSTABIL

Q

Q

RC

t

RCt 7,0≅

• SCHMITTOV OKIDNI SKLOP (TRIGGER)

Uu Ui

U1U2

H

L

Uu

Ui

U1

U2

H

L

Uu

Ui

t

t

52

• BROJILO

Q0 Q1 Q2 0 L L L 1 H L L 2 L H L 3 H H L 4 L L H 5 H L H 6 L H H

T T T

Q Q Q

Q0 Q1 Q2

0 1 2

R

C

7 H H H

C

1 2 3 4 5

C = Clock (ulaz) R = Reset (nadreñeni ulaz)

Binarno brojilo

Dekadsko brojilo zahtijeva dodatne povratne veze

Sinkrona brojila su općenito brža

reverzibilna i programabilna brojila

53

• REGISTAR

D D D D D DDD bit−8

Radi se o nizu bistabila koji se zajednički upravljaju

Mogućnosti:

− paralelno postavljanje i očitavanje (brisanje) − serijsko postavljanje, pomicanje lijevo - desno ←→

• MEMORIJA

0A

nAWR/

mD0D

RAMRandom Acces Memory

R/WStatička i dinamičkaOvisnost sadržaja o

napajanju

54

MIKROPROCESOR

Mikroprocesorski računalni sustav sastavljen od jedne ili više IC komponenti

RAM ROM

PIOCPUSABIRNICE adresa podataka

kontrolnih signala

tastaturaekran

disk, trakaproces

CPU, RAM, ROM, PIO - funkcionalne jedinice

CPU : RAČUNA, USKLAðUJE, KONTROLIRA

ROM: SADRŽI POHRANJENE STALNE PODATKE

RAM: PAMTI PRIVREMENO

PIO: KOMUNICIRA S OKOLINOM

55

SKUPINE DIGITALNIH INT. KRUGOVA

Tehnologije odreñuju svojstva pojedinih logičkih sklopova

Unutar skupine: direktna mogućnost spajanja krugova

• KARAKTERISTIKE

napon napajanja

temperaturno područje primjene

faktori razgranjivanja (branch)

vrijeme propagacije

impulsna svojstva

granice dozvoljenih smetnji

izbor različitih sklopova SSI, MSI, LSI, VLSI

mogućnosti prijelaza na druge skupine

potrošak snage po jediničnom sklopu

• Karakteristi čan osnovni sklop svake skupine

RTL - Resistor-Transistor-Logic

DTL - Diode-Transistor-Logic

TTL - Transistor-Transistor-Logic

HTL - High Treshold (Level) Logic

ECL - Emiter-Coupled-Logic

CMOS - Complementary MOS

56

Usporedba karakteristika pojedinih familija:

TTL bazni L S LS

HTL ECL CMOS

Napon napajanja [V] 5 5 5 5 15 -5.2 3÷15

Potrošnja jed. sklopa [mW] 10 1 20 1÷2 30 25÷60

1nW / 100 Hz

Vrijeme propagacije [ns] 10 30 3 4÷10 110 0.7÷2 20-35

Faktor razgranjivanja 10(30) 10 10 20 10 - 50

57

TTL LOGIČKA SKUPINA

Temeljni sklop: NE I (NAND)

L L H

L H H

H L H

1R 2Rk4 k6,1 4R Ω130

V5+

3R k1

2T

1T

3TiU

uU

H H L

0.2

0.4

2.0

2.4

3.3

Ui [V]

0.2 0.4 0.8 1.2 1.4 2.0 2.4 3.3

Uu [V]

tipična granicasmetnji za L

tipična granicasmetnji za H

tip. H

min. H

max. L

min. L

58

• ULAZNA STRUJA TTL SKLOPA

"H": 40 µA max u ulaz

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

• IZLAZNA STRUJA TTL SKLOPA

"H": -400 µA max - izvor (source)

"L": 16 mA max - ponor (sink)

Postoje inačice istih logičkih struktura i rasporedom priključaka sa smanjenom potrošnjom i većom brzinom, u bipolarnoj i CMOS tehnici

59

MOSFET

S G D

NN

P

n-kanalsamozaporni

SUBSTRAT

G S

D

DI

0>GU

DSU

0

• CMOS (Complementary metal–oxide–semiconductor) – izvedba invertora:

1G

1S1T

1D2D

2T2G2S

p-kanal

n-kanal

G

1S2S

1G 2G1D

2D

+N +P+N +P

p

N substrat

+V

izlazulaz

Prijenosna karakteristika invertora

uU

iUHU

2HU

60

HLAðENJE POLUVODIČA - TOPLINSKI ODNOSI

poluvodič

kućište

hladnjak

ambijentE B C

SizaCTpo200<

[ ]]/[

][

WCR

CTWP

To

o∆=

∑−

=R

TTP ap maxmax

max

Tp TaRpk Rkh Rha

kućište hladnjak ambijent

• Za velike snage:

hlañenje strujanjem zraka

hlañenje vodom

61

DODATNA POGLAVLJA ZA KOLEGIJ ELEKTRONIKA (MEHATRONI ČARI)

Linearni integrirani sklopovi:

primjena operacijskih pojačala,

regulatori napona, pojačala snage,

vremenski sklopovi

Signali, senzori, akvizicija signala, A/D i D/A pretvornici,

Aktuatori, upravljanje snagom

Procesno računalo

Mikrokontroleri

Programabilni logički kontroleri

Elektroničke tehnologije, trendovi razvoja

Elektronička instrumentacija

62

PRIMJENE LINEARNIH INTEGRIRANIH KRUGOVA

SKLOPOVI S OPERACIJSKIM POJA ČALIMA

Diferencijsko pojačalo

+− 6

3

2107LM

1R

2R

3R4R

1V

2V OUTV

( )12

12

1

2

4231:

1

2

1

4

43

21

VVR

RV

RRiRRza

VR

RV

R

R

RR

RRV

OUT

OUT

−=

==

−

++=

Pretvornik struje u napon

+− 6

3

2107LM

1R

2R 1RIV INOUT =

INIOUTV

Pretvornik napona u struju (strujni izvor)

107LM

+

−

3

2

INV

2R

1R

K10

+V

OI

01

02

34562N

22192N

VVR

VI

IN

INO

01

≥

=

63

Referentni izvor (konstantnog) napona

+− 6

3

2OUTV

7

4

1R

2R

3R

Vzener

N

6.6_

46111

107LM

+=

2

30 1

R

RVV zout

+V

Generator pravokutnog napona

+− 6

3

2ALM101

1R

2R

OUTV

K160

K1603R

K910

1CFµ01,0

Generator funkcija k47

HzkHz 706 −

+

−+−

+−

13

12

V15+

V15−

11

4

14

k15

k8

M1

560

10

9

8

324LM

M1k470k10

sinusni

40041N

pravokutni

trokutasti

64

IZLAZNO POJA ČALO SNAGE

batU+

uU

iU

TR

batU+

iUuU

TR

batU−

1T

2T

a) emiterskoslijedilo

b) push-pullspoj

Maksimalna snaga PNP-NPN push-pull spoja (s dvije baterije):

( )T

bat

T

TM

T

ef

M R

U

R

U

R

UP

27,0

2

222 −===

Koriste se za upravljanje snage na trošilima veće snage (upravljanje motorima, audio pojačala, itd.)

batU+

uU

+−

Zvučnik

2

6

814

7,3

Spajanje integriranog audio poja čala LM380

65

STABILIZATORI NAPONA

1. Linearni stabilizator napona:

u

iiuiurefiN U

UUUU

R

RUU ≅+=

+= − ηminmin

2

11

uUTR

1T

−+

uU

21

3

uR

1R

2RREFU

+−

iU

iI

C E

B

Stabilizator

3R

2. Prekida čki (switching) stabilizator napona (ima ve ći stupanj iskorištenja i širi raspon ulaznog napona):

1R

2RTR

+

-

+-

+

- PW MuU

zU

iU

1T

CL

LI

D

T

t

3. Pretvornici: DC/DC, DC/AC, AC/DC

66

LM317HV

VIN VOUT

ADJINV

F1.0

C1

µ Ω=

1.22

R1

RT

Stabilizator struje

IZVORI NAPAJANJA S INT. STABILIZATORIMA 1. Podesivi stabilizator (linearni regulator napona) LM 317 VOUT= 1.25 · (1+ R2/R1) + IADJ · R2 IOUT = 1.25/ R1

2. Fiksni 3-terminal regulatori napona LM 78xx i LM 79xx

Stabilizirani izvor napajanja 220V AC --> + 5V, +12V, -5V, -12V

Svaki integrirani stabilizator ima ugrañeno strujno ograničenje i nad- temperaturnu zaštitu.

LM317HV

VIN VOUTADJ

V28VIN ≥

F1.0

C1

µ

=F1C2 µ=

Ω= 5kR2

Ω=

240

R1

+

VOUT

Stabilizator napona

TRANSFORMER

7812

7912

7805

7905F2200µ

F2200µ

1N4007

1N4007

1N4007

1N4007

VAC 220

+

+

F1µ+

F1µ

+

F1µ+

F1µ

+V0

V12+

V5+

V5−

V12−

67

INTEGRIRANI VREMENSKI SKLOP – NE555 TIMER ASTABIL – generator pravokutnog signala

MONOSTABIL – generator jednog impulsa

Ra

555

Rb

C

3

8

6 5

2

1

4

7

Vcc+

OUTPUT

t1

t2

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

555

8

5

2

1

4INPUT

Vcc+

6

7

R

C3

OUTPUT

1.1RCt =

t

68

PROCESNO RAČUNALO

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

- digitalni ulazi i izlazi

- analogni ulazi i izlazi

ISPISNA MEMORIJA ( ROM )

ČITAJ / PIŠI MEMORIJA ( RAM )

SPECIJALNI ULAZNO / IZLAZNI

SKLOPOVI

TASTATURA

ULAZNO / IZLAZNI MEðUSKLOP

ANALOGNO

PRETVORNIK

REGULATOR

BRZINE DIGITALNI

DIGITALNI SIGNALI

uP

TAKT

ANALOGNI NAPON (0-10 V)

SENZOR

FIZIKALNA

PRETVORNIK

ANALOGNI NAPON (0-10 V)

MOTOR

DIGITALNA RIJEČ

VEZA SA DRUGIM SISTEMIMA

POKAZIVAČ DIGITALNI IZLAZI

0 1 1 1 0 0 0

9 6 D C

M

B A

DIGITALNI

VELIČINA

DIGITALNO ANALOGNI

PRETVORNIK

M ULAZI

1

69

INTEGRIRANI MIKROKONTROLER (MCU) (PRIMJER PROIZVODA)

AVR 8-Bit RISC. Atmel’s new ARM7-based flash MCUs Atmel's AVR® microcontrollers have a RISC core running single cycle instructions and a well-defined I/O structure that limits the need for external components. Internal oscillators, timers, UART, SPI, pull-up resistors, pulse width modulation, ADC, analog comparator and watch-dog timers are some of the features you will find in AVR devices.

AVR instructions are tuned to decrease the size of the program whether the code is written in C or Assembly. With on-chip in-system programmable Flash and EEPROM, the AVR is a perfect choice in order to optimize cost and get product to the market quickly.

70

SIGNALI Signali su vremenski promjenjive veličine koje nose informaciju Informatički kapacitet – količina informacije u sekundi Vremensko i frekventno područje (Fourierova analiza) Signali i smetnje - filtriranje, kompenzacija Postupci sa signalima: - generiranje signala (senzori) - prihvat signala (acquisition) - obrada signala (processing)

uzorkovanje, modulacija, kompresija, rekonstrukcija, interpretacija (prepoznavanje), manipulacija i drugo

- prijenos signala multipleksiranje, distribucija signala, prilagoñenje mediju vrste medija: optički medij, radio valovi, električki vodič,

- spremanje signala magnetski medij, optički medij, poluvodičke memorije - umrežavanje senzora (bežične mreže senzora) - prikaz signala (prezentacija) Obrada signala – analiza, interpretacija i manipula cija

- obrada analognih signala - obrada digitalnih signala - statistička obrada signala - obrada govornog signala (interpretacija - prepoznavanje) - obrada slikovnog signala (prepoznavanje uzoraka) - obrada video signala

71

Signali mogu biti analognog ili digitalnog tipa:

)(tu

t

MJ.

PO

DR

UČ

JE

)(tu

t

"1"

"0"

ANALOGNI SIGNALDIGITALNI

SIGNAL

Pretvorba signala: • Analogno / digitalni pretvornici D= konst * U

• Digitalno / analogni pretvornici U= konst * D

• Napon / frekvencija f = konst * U

• Frekvencija / napon U= konst * f

72

Analogno / digitalni pretvornici

AulU

idealnakarakteristika

111

110

101

100

011

010

001000

D

Digitalno / analogni pretvornici

D/A iU

0D

1D

1−ND

iU

D00

0

001

10 0

011

0

10 0

1

1

TAKT

A/D

Pµ

( )tUul

KRAJPRETVORBE

START

1−ND

0D

CS

73

SENZORI I PRIHVAT SIGNALA

Senzori su takvi elementi kod kojih neko električko svojstvo ovisi o jednoj fizikalnoj (neelektričkoj) veličini.

Aktivni senzori: Pasivni senzori:

- fotodioda (svjetlo) - fotootpornik

- piezokristal (sila) - zavojnica s pomičnom jezgrom

- EM – indukcija (brzina) - potenciometar (pomak)

- HALL-generator (mag. polje)

- tenzometar (deformacija)

SENZORSKI SKLOP

SENZOR

S ePrihvat iprilagoñenje

( )Sfe=

S – fizikalna veličina e – električna veličina (analogna ili digitalna)

• PODJELA:

• Digitalni senzorski sklopovi – daju digitalnu informaciju o ulaznoj veličini (koja je analogna ili digitalna)

• Analogni senzorski sklopovi – daju analognu informaciju o analognoj ulaznoj veličini

74

• DIGITALNI SENZOR - sklopka blizine (proximity switch)

N

0D

S

S 0

A+

-

refU

iU0DKOMPARATOR

pomak S

"0"

"1"

digitalni izlaz (1 bit)

Sklopka blizine služi za indikaciju približavanja predmeta (približavanje magneta Hall senzoru).

• ANALOGNI SENZOR - sklop za mjerenje rasvjete

0=&uliA

+-

0=&DU

0R

izlUEki sD ⋅=

ERk

RiUUU

s

DRDizl

⋅⋅==⋅=+=

0

00 &

Struja koju generira fotodioda linearno je zavisna od rasvjete. MOSFET operacijsko pojačalo pojačava tu vrlo malu struju i održava napon na diodi UD ≈ 0. Vrijeme odziva je reda veličine µs.

75

AKTUATORSKI SKLOPOVI

D/A

PARALELNIIZLAZ

ULAZRµ

M

M

KONTROLA

DIGITALNIAKTUATORSKI

SKLOP

ANALOGNIAKTUATORSKI

SKLOP

Aktuatori pojačavaju energetski nivo izlaznih signala i prilagoñavaju oblik energije potrošačima (kontrolnim ureñajima).

Potrebno je takoñer i galvansko odvajanje trošila.

DIGITALNI AKTUATORSKI SKLOP

PI0Rµ0D

2D

mA

Vili

1

50+

~

M

100mA

R S T

TRANZIST.SKLOPKA

RELEJ SKLOPNIK AVx 25/3803

Koriste se tranzistorske sklopke za pojačanje signala. Releji takoñer omogućuju upravljanje velike snage iz kruga male snage (uz galvansko odvajanje).

76

UPRAVLJANJE ISTOSMJERNE SNAGE

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

H – most za dvosmjerno upravljanje motora

M+ −

BU+

−

A B

CD

A B C D Funkcija

1 0 0 1

0 01 1

11 0 0

0 0 1 1

naprijed

natragkocenje

kocenje

M

BU+A B

NPN D

PNP

77

UPRAVLJANJE IZMJENI ČNE SNAGE TRIJAKOM

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

F

φ

Ω150

3022MOC

mA10

+

Trošilo

Trijak

Upravljanje pomoću optospojke – opto-trijaka radi galvanskog odvajanja upravljačkog kruga od mreže 220V

Mogu ćnosti galvanskog odvajanja

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

78

POLUVODIČKI ELEMENTI SNAGE

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

B

C

EDarlington NPN

B

C

EQuasi-DarlingtonNPN

G

D

S

MOSFET snage

G

E

C

IGBT-Insulated GateBipolar Transistor

79

PROGRAMABILNO - LOGI ČKI KONTROLER (PLC)

• U početku zamišljen kao zamjena za relejnu (kontaktnu) logiku. Danas je to univerzalna komponenta za industrijsku automatizaciju.

DIGIT.ULAZI

V220~

IZLAZI

PLC

SPOJ NA MREŽU

PROGRAMATORANALOGNI I/0 + -

1. Instrukcijske liste (Instruction Set)

LOAD I123 OR Q233 AND NOT I124 AND NOT I125 STORE Q233

123I124I 125I

233Q

233Q

80

2. LD jezik (LADDER DIAGRAM – stepenasti dijagram) 123I 124I 125I

233Q

233Q

Nazivaju se i kontaktni planovi (uobičajeni u montaži postrojenja)

3. Matematička notacija (za istu funkciju):

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

• Ugrañeni programski elementi u PLC-u:

Logičke operacije Aritmetičke operacije

AND ADD OR DIV NOT MUL XOR SUB

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

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

81

ELEKTRONIČKE TEHNOLOGIJE

Računala se koriste u svim fazama od projektiranja, proizvodnje do testiranja elektroničkih ureñaja Projektiranje elektroni čkih sklopova Simulatori na PC računalu, Projektiranje integriranih krugova Silicon compilers, PLA (Programmable logic array) Projektiranje tiskanih plo čica (PCB) Izrada sheme, automatsko odreñivanje rasporeda i spojeva Automatska montaža sklopova Automati za montažu sklopova i lemljenje spojeva Automatsko testiranje Računalo testira gotove sklopove

82

TRENDOVI RAZVOJA ELEKTRONI ČKIH UREðAJA

• Veći stupanj integracije i minijaturizacije, veće brzine rada, niže cijene

• Nove metode obrade, spremanja i prijenosa informacija • Razvoj novih algoritama za obradu informacije (kompresija,

kodiranje itd.) • Digitalizacija funkcionalnih blokova (prijenosa i obrade signala) • razvoj senzorike • Umrežavanje (Internet, GSM)

Primjeri:

• Mikroprocesori nove generacije (veća brzina – manja potrošnja energije)

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

bežične mreže) • Endoskopske kamere u obliku kapsule (koje se gutaju) • Radio-frequency identification (RFID tag) • MEMS - mikroelektromehanički sustavi (inkjet printeri, DLP

projektori, senzori pritiska, ubrzanja, žiroskopi, itd.) • Bežične mreže senzora (WSN: wireless sensor networks) • digitalizacija i kodiranje audio i video signala (High Density

DVD, DivX)

83

ELEKTRONIČKA INSTRUMENTACIJA 1. Generator funkcija Generator sinusiodalnog, pravokutnog ili trokutastog valnog oblika (oscilator frekvencije 1 Hz – 10 MHz)

2. Osciloskop Prikazuje vremensku funkciju signala (frekvencije 1 Hz – 1 GHz) Načini rada: 1. Y1, Y2 = func(t), na X ulazu je pilasti napon (vremenska baza) - okidanje (trigger): Y1/ Y2, mreža 50Hz, auto - manual 2. Y2 = func(Y1), prikazuje X-Y ovisnost, na X osi je Y1 napon Izvedbe:

• Osciloskop s katodnom cijevi - Cathode-ray oscilloscope (CRO)

• Osciloskop sa digitalnim spremanjem - Digital storage oscilloscope (DSO)

• Osciloskop na personalnom računalu - PC-based oscilloscope (PCO)

3. Akvizicijski sustavi s personalnim ra čunalom Sadrže A/D, D/A karticu i odgovarajući software. PC osigurava akviziciju, matematičku obradu, upravljanje, prikaz na ekranu i spremanje rezultata, umrežavanje

84

Tipični izgled prednje ploče osciloskopa

Interna struktura osciloskopa s katodnom cijevi Primjeri upotrebe instrumentacije mogu se naći na Internetu: http://www.doctronics.co.uk/scope.htm http://www.doctronics.co.uk/design.htm

85

<kraj dijela B>

3/19/2010