2
3
4
5
PREDGOVOR Napisano je mnogo knjiga o elektronici, a većina njih se može svrstati u jednu od sljedeće dvije kategorije: knjige upućene amaterima hobistima i knjige upućene profesionalcima. Drugim riječima rečeno postoje dvije vrste knjiga o elektronici: elektronika na „težak“ način (pisane za učenike i studente odnosno profesionalce) i elektronika na „lak“ način (pisane za amatere hobiste). Karakteristika knjiga upućenih profesionalcima je da se materija, često i bespotrebno, opisuje na jako komplikovan način dok se u knjigama upućenim amaterima mnoga poglavlja ne obrañuju premda bez njihovog obrañivanja prikaz elektronike ostaje nedorečen, jer autori ta poglavlja smatraju neprikladnim za amatere. Ova škola elektronike je negdje „na pola puta“, jer prikazuje elektroniku na lak način, ali ipak daje cjelovit prikaz elektronike. U tom smislu ova knjiga je pogodna za širok krug čitalaca počev od učenika osnovnih škola pa do inženjera – pogotovo je korisna za inženjere grañevinske, saobraćajne i mašinske struke, a takoñer i za medicinsko osoblje koje rukuje ureñajima medicinske elektronike. Takoñer oni kojima je elektronika hobi u knjizi mogu pronaći mnoštvo interesantnih informacija i shema za samogradnju ureñaja. I pored svih nastojanja moguće je da se u knjizi potkrala i poneka greška te se u tom smislu izvinjavam čitaocima. Sve dobronamjerne primjedbe na sadržaj knjige će biti uvažene sa zahvalnošću.
Zenica, 2008.
Autor
Svi projekti i savjeti prikazani i objavljeni u ovoj knjizi izrañeni su na temelju iskustva i stručnog znanja autora s namjerom da pomognu čitateljima, ali u slučaju neuspjeha autor ne preuzima nikakvu odgovornost. Takoñer, autor ne preuzima nikakvu odgovornost u slučaju štetnih posljedica nastalih primjenom navoda datih u knjizi.
Nijedan dio ove knjige ne smije se umnožavati bez prethodne suglasnosti autora. Sva prava pridržana. © 2008 Amir Halep
6
SADRŽAJ R.b. Naslov 0 Uvod
Stranica 4
-Elektricitet -El. struja -El. kola jednosmjerne struje -El. kola sinus. izmjenične struje
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
-Radionica elektroničara -Elektronika kao profesija -Elektronika kao hobi Otpornici Kondenzatori Zavojnice i transformatori Diode Elektronske cijevi Katoda, displej i plazma Kamera, mikrofon, sl. i zvučnik Bipolarni tranzistori Unipolarni tranzistori Releji Tiristori i triaci Tehnologija Električna pojačala Regulaciona pojačala snage Audio pojačala Jednosmjerna pojačala VF pojačala Oscilatori Modulatori i demodulatori Ispravljači i stabilizatori Brojni sistemi i logičke operacije Logička kola Multivibratori Familije logičkih kola Flip-flopovi, brojači i registri Memorije i mikroprocesori Programabilne komponente i ureñaji Analogna integrisana kola Mjerni instrumenti Dizajniranje i održavanje elektronskih ureñaja
7
14 18 22 27 32 37 41 46 52 58 65 72 78 82 89 95 100 106 112 117 122 127 132 139 144 150 154 159 163 171
UVOD Elektronika je jedan ogranak elektrotehnike te je prije proučavanja elektronike potrebno upoznati osnovne principe elektrotehnike i fizike. U ovom uvodnom poglavlju će biti objašnjeni upravo ti principi, a takoñer i date osnovne upute iz oblasti elektrotehnike i elektronike. Elektricitet Osnovna električna pojava je djelovanje privlačnih i dobojnih sila izmeñu tijela koja su naelektrisana (nabijena elektricitetom). Prostor u kome djeluju spomenute sile se zove električno polje. Npr. posmatrajmo dvije metalne ploče prikazane na slici 1. uz pretpostavku da je jedna od njih nabijena pozitivnim, a druga negativnim elektricitetom.
Sl. 1. Električno polje Te dvije ploče se privlače, a izmeñu njih je prisutno električno polje. Jačina električnog polja E se računa po formuli:
gdje je U napon izmeñu ploča, a d razmak izmeñu ploča. Npr. ako je napon izmeñu dvije ploče 10V, a razmak 1cm tada je jačina električnog polja E=U/d=10V/0,01m=1000V/m. Napon se mjeri u voltima V. Sila F kojom se ploče meñusobno privlače se računa po formuli:
gdje je C kapacitet kondenzatora koga čine spomenute ploče. Kapacitet kondenzatora C se računa po formuli:
gdje je S površina ploča, a ε dielektrična konstanta izolatora koji se nalazi izmeñu ploča.
8
Električna struja U primjeru sa slike 1. izmeñu metalnih ploča se nalazio vazduh tj. izolator, ali pretpostavimo da se izmeñu ploča nalazio provodni materijal (provodnik, vodič) npr. neki metal. Tada bi kroz provodnik potekla električna struja. Jačina električne struje kroz provodnik se računa po formuli (Omov zakon):
gdje je I jačina struje, a R otpor provodnika (vodiča). Npr. ako je napon U=10V, a otpor R=2Ω tada je struja I=U/R=10/2=5A. Otpor se mjeri u omima Ω, a struja u amperima A. Njemački fizičar Georg Ohm je ovaj zakon objavio 1827. godine. Otpor R provodnika se računa po formuli:
gdje je ρ specifični otpor provodnika, S površina poprečnog prijesjeka provodnika i d dužina provodnika. Vezano za struju kroz provodnike potrebno je definisati pojam gustine struje. Odnos jačine struje koja teče kroz provodnik i površine poprečnog prijesjeka tog provodnika naziva se gustina struje i označava slovom J:
Ako je površina S=5·5=25mm2 tada je uz struju I=5A gustina struje J=5/25=0,2 A/mm2 . Gustina struje je mjerilo opterećenja provodnika. Drugim riječima rečeno što je gustina struje veća provodnik je više opterećen. Naime provodnik se može uporediti sa cjevovodom kroz koga teče voda – ako pokušamo preveliku količinu vode propustiti kroz usku cijev doći će do pucanja cijevi. Na isti način, ako kroz tanku žicu propustimo prejaku struju žica će se pregrijati i pregoriti. U provodniku se vrši konverzija (pretvaranje) električne energije u toplotnu. Npr. ako je otpor provodnika R=2Ω i struja kroz njega I=5A tada je snaga koja se pretvara u toplotu data izrazom: P=U·I=R·I2=2·52=2·25=50W Snaga se mjeri u vatima W. Kao što vidimo u ovom provodniku se 50W snage pretvara u toplotu. Ova toplota sa provodnika zrači u vanjski prostor. Dozvoljena gustina struje kroz provodnik ovisi o načinu hlañenja provodnika. Ako je hlañenje zrakom tada se može uzeti kao pravilo da je dozvoljena gustina struje kroz bakar 2,5 A/mm2. Meñutim, ako je hlañenje slabo tada je ova struja mnogo manja. Dalje, ako struja teče sa prekidima (tzv. intermitentni pogon) tada se može dozvoliti gustina do 10 A/mm2. Na slici 2. su dati vremenski dijagrami različitih struja.
Sl. 2. Različite struje
9
Kao što se vidi sa slike 2. jednosmjerna (istosmjerna) struja kakvu dobivamo npr. iz baterija i akumulatora ima konstantnu vrijednost i ne mijenja se sa vremenom. Iz električne mreže dobivamo tzv. sinusoidalnu izmjeničnu (naizmjeničnu) struju. Ova struja se naziva sinusoidalna zato što njezin vremenski dijagram ima oblik krive sinusoide. U anglosaksonskoj terminologiji jednosmjerna struja se zove DC (Direct Current), a izmjenična struja AC (Alternate Current). Električna kola jednosmjerne struje Posmatrajmo jednostavno električno kolo jednosmjerne struje prikazano na slici 3.
Sl. 3. Jednostavno električno kolo jednosmjerne struje Ovo električno kolo se sastoji od tri grane kroz koje teku struje I1, I2 i I3. Kolo ima dva čvora (čvor 1 i čvor 2). Ovo kolo je potrebno analizirati tj. izračunati struje u svim granama. Pretpostavimo da je napon baterije E=10V, otpornik R1=1Ω, a otpornik R2=2Ω. Analizu kola ćemo vršiti primjenom Kirhofovih (Kirchhoff) zakona. Njemački naučnik Gustav Kirchhoff je svoje zakone objavio 1845. godine. Prvi Kirhofov zakon kaže da je suma (zbir) struja koje ulaze u jedan čvor jednak nuli: I1=I2+I3 odnosno I1-I2-I3=0 što je logično samo po sebi. Naime ukoliko u čvor 1 utiče struja I1, a ističu struje I2 i I3 tada je logično da je I1=I2+I3. Elekrična struja se može uporediti sa tokom vode tako da je logično da iz jedne račve ističe onoliko vode koliko i utiče. Drugi Kirhofov zakon kaže da je suma napona po zavorenoj konturi jednak nuli. U biti je drugi Kirhofov zakon proširenje Omovog zakona. Kolo sa slike 3. ima tri konture kao što je prikazano na slici 4.
Sl. 4. Konture
10
Primjenimo li drugi Kirhofov zakon na konturu 1 dobivamo: E=I3·R2 odnosno E-I3·R2=0 a na konturi 3 drugi Kirhofov zakon daje: I2·R1=I3·R2 odnosno I2·R1-I3·R2=0 Da bismo analizirali kolo sa tri grane moramo postaviti tri jednačine. Naime kolo sa tri grane ima tri struje koje treba sračunati. Jezikom matematike rečeno da bi smo odredili tri nepoznate trebamo postaviti tri jednačine sukladno principima linearne algebre. Postavljamo jednu jednačinu po prvom Kirhofovom zakonu i dvije jednačine po drugom Kirhofovom zakonu: I1-I2-I3=0 E-I2·R1=0 E-I3·R2=0 odnosno kada uvrstimo vrijednosti: I1-I2-I3=0 => I1=15A 10-I2·1=0 => I2=10A 10-I3·2=0 => I3=5A Rješavanjem sistema od tri linearne jednačine sa tri nepoznate smo izračunali struje u sve tri grane. Na slici 5. je prikazano električno kolo koje je za nijansu složenije od kola sa slike 3.
Sl. 5 Kolo jednosmjerne struje Sistem jednačina koji determiniše kolo sa slike 5. je: I1-I2-I3=0 E-I1·R1-I2·R2=0 E-I1·R1-I3·R3=0 Električna kola sinusoidalne izmjenične struje Pri analizi kola sinusoidalne izmjenične struje se koriste isti principi kao i pri analizi kola jednosmjerne struje, ali se umjesto realnih brojeva koriste kompleksni brojevi. Naime jednosmjerna struja je skalarna veličina, a izmjenična sinusoidalna struja je vektorska veličina. Dijeljenje vektora nije definisano u matematici pa se za potrebe analize kola izmjenične struje primjenjuju kompleksni brojevi. Analizu kola sinusoidalne izmjenične struje je razradio njemački naučnik Charles Steinmetz 1894. godine. Prije nego li je Štajnmec razradio analizu primjenom kompleksnih brojeva kola izmjenične struje su analizirana
11
postavljanjem sistema linearnih diferencijalnih jednačina ili primjenom fazorskog računa koji je odranije bio razrañen u mehanici. Na slici 6. je prikazan vremenski dijagram sinusoidalne izmjenične struje.
Sl. 6. Vremenski dijagram sinusoidalne izmjenične struje Sa slike 6. vidimo da se fazni položaj sinusoidalnog signala izražava stepenima kao i veličina ugla. Na slici 7. su prikazana dva sinusna signala koji su fazno pomjereni jedan u odnosu na drugi. Oni su pomjereni za ugao Φ.
Sl. 7. Fazni pomak (pomjeraj) Dalje za izmjeničnu struju se definišu amplituda struje i njezina efektivna vrijednost što je ilustrovano na slici 8.
Sl. 8. Amplituda i efektivna vrijednost sinusoidalne izmjenične struje Amplituda ili vršna vrijednost je najviša vrijednost koju struja dostiže i viša je od njezine efektivne vrijednosti. Npr. efektivni napon mrežne struje je 230V, a njezina amplituda je
12
324V. Prije početka primjene izmjenične struje za električnu rasvjetu je korištena jednosmjerna struja standardnog napona 100V. Kada se sa jednosmjerne struje prešlo na izmjeničnu bilo je potrebno napojiti svjetiljke strujom napona takvog da intenzitet svjetlosti bude isti kao i sa jednosmjernom strujom. Ispostavilo se da je potreban izmjenični napon amplitude 141V, jer je efektivna vrijednost ovog napona zapravo 100V tj. za 2 =1,41 je niži od amplitude. Precizna definicija efektivne vrijednosti struje je data kao:
Dakle, izmjenična struja je definisana sa dvije veličine: efektivna vrijednost i faza (već je rečeno da je izmjenična struja vektorska veličina). Npr. kažemo da je vrijednost struje I=5A37°. Ovo je tzv. polarni oblik prikaza. Dalje, trebamo se podsjetiti nekih pojmova vezano za kompleksne brojeve. U kompleksnom broju z = a + bi broj a se naziva realni dio, piše se a = Re(z), a broj b je imaginarni dio i piše se b = Im(z). Ovdje su a i b realni brojevi. Veličina i je tzv. imaginarna jedinica i vrijede odnosi:
i = −1 i 2 = −1 Pri analizi alaktričnih kola umjesto oznake i za imaginarnu jedinicu se koristi oznaka j jer je u elektrotehnici oznaka i rezervisana za struju. Dakle vrijedi:
j = −1
j 2 = −1 Uzmimo npr. kompleksni broj z=4+j3 i predstavimo ga grafički u komplesnoj ravni (slika 9.)
Sl. 9. Kompleksna ravan Sračunajmo koliki su modul ρ i argument Φ kompleksnog broja z=4+j3. Modul ρ računamo primjenom Pitagorine teoreme kao:
13
ρ = Re 2 + Im2 = 4 2 + 32 = 16 + 9 = 25 = 5 Bolji poznavoci matematike će se sjetiti da su stari narodi prije više hiljada godina brojeve 3, 4 i 5 koristili za kreiranje pravog ugla od 90°. Na pravili bi tri štapa sa dužinama 3, 4 i 5 te ih postavili tako da formiraju trokut. Na taj način bi dobili trokut sa jednim pravim uglom. Postupak računanja argumenta Φ je nešto složeniji. Argument Φ se računa primjenom arkus tangens funkcije:
Dakle, struja od 5A sa faznim stavom 37° se u Karte zijanskom obliku izražava kao:
I = 4 + j 3( A) Posmatrajmo dalje kako se otpornik, kondenzator i zavojnica ponašaju u kolu izmjenične struje i definišimo pojmove impedanse, rezistance i reaktanse. Impedansa je pokazatelj otpora toku izmjenične električne struje i označava se slovom Z:
gdje je R omski otpor (rezistansa), a X reaktansa. Kada imamo otpornik u kolu izmjenične struje njegova impedansa je:
Kondenzator u kolu jednosmjerne struje predstavlja prijekid kola, jer jednosmjerna struja praktično ne teče kroz kondenzator (tok jednosmjerne struje kroz kondenzator je ekstremno slab i praktično zanemariv). Meñutim izmjenična struja može da teče kroz kondenzator, a impedansa kondenzatora se računa po formuli:
Kao što vidimo kondenzator ima samo reaktansu. Kružna frekvencija (kutna učestanost) ω se računa po formuli:
Npr. uz mrežnu frekvenciju f=50Hz imamo kružnu frekvenciju ω=2·π·f=314. Slična stvar je i sa zavojnicom. Zavojnica u kolu električne struje predstavlja inercioni element koji sprječava brze promjene toka struje poput nekog prigušivača. Zavojnice se izañuju tako što se na tijelo od izolatora koje najčešće ima valjkast oblik namota odreñeni broj zavojaka izolovane bakarne žice. Za zavojnicu se još koriste termini svitak, kalem, solenoid i induktor. Zavojnica za jednosmjernu struju praktično predstavlja kratak spoj, jer je omski otpor zavojnice najčešće zanemariv. Impedansa zavojnice se računa po formuli:
14
Na slici 10. je prikazan serijski spoj otpornika, kondenzatora i zavojnice. Na slici 11. je dat primjer kola izmjenične struje. Kao što vidimo kolo izmjenične struje se u biti ne razlikuje mnogo od kola jednosmjerne struje.
Sl. 10. Serijski spoj otpornika, kondenzatora i zavojnice
Sl. 11. Primjer kola izmjenične struje Analiza kola izmjenične struje se vrši na potpuno isti način kao i analiza kola izmjenične struje uz razliku što se umjesto realnih brojeva koriste kompleksni brojevi. Radionica elektroničara Radni sto elektroničara mora imati dimenzije minimalno 100x60cm, a optimalne dimenzije su 80x160cm. Na stolu treba biti velika pomjerajuća lupa (povećalo) fiksirana na sto te stolna lampa takoñer sa opcijom pomjeranja. Postoje i lupe sa ugrañenom lampom koje su jako praktične. Dalje na sto se montira mali škrip (stega) i izvori napajanja. Spisak osnovnog elektroničarskog alata je dat u tabeli 1. Tabela 1. Osnovni elektroničarski alat Lupa, fiksna Set ključeva Lupa, prijenosna Kombinovana kliješta Svjetiljka, fiksna Lemilo Svjetiljka, prijenosna Pinceta Škrip (stega) Set izvijača Univerzalni instrument Izvori napajanja Signal generator Osciloskop Od svega navedenog najbitnije je imati kvalitetna kombinovana kliješta sa šiljatim vrhom, set izvijača, pinceta i lemilo. Dobro je imati torbicu za alat. Ako je u pitanju radionica elektroničara amatera jako je bitno zaštiti alat i drugo od djece i drugih osoba koje bi se eventualno mogle ozlijediti. Danas kada se mnogo primjenjuju mikrokontroleri i slično PC računar je takoñer veoma bitan alat. Radno mjesto elektroničara amatera je često jedna 15
polovina kuhinjskog stola na kojoj elektroničar radi svoje „majstorije“ dok na drugoj polovini njegova mati ili supruga pripremaju ručak. Elektronika kao profesija Elektroničari profesionalci se danas bave ili dizajniranjem ili održavanjem elektronskih ureñaja. Naime, danas je proizvoidnja elektronskih ureñaja visoko automatizirana tako da na poslovima proizvodnje obično rade priučeni niskokvalificirani radnici i tek poneki educirani elektroničar koji vrši poslove nadzora i kontrole. Danas se dizajniranje elektronskih ureñaja vrši primjenom računara. Održavanje elektronskih ureñaja je danas svedeno na minimum, jer se danas elektronski ureñaji sve manje popravljaju, a sve više mijenjaju novim u slučaju otkaza i štaviše i prije njihovog otkaza. Elektronika kao hobi Elektronika je lijep hobi. Svako može bez nekih velikih investicija priuštiti sebi lemilicu, par izvijača i kombinovana kliješta te sastavljati elektronske sklopove i uživati u rezultatu. Kada je vrijeme lijepo najpametnije je slobodno vrijeme provesti u prirodi, ali kada su loše vremenske prilike te je čovjek prisiljen ostati u sigurnosti doma svoga zgodno je sastaviti poneki ureñaj. Ovo može biti pogotovo korisno za mlañe ljude koji imaju namjeru da se u zreloj dobi bave elektronikom kao profesijom. Sastavljajući ureñaje te analizirajući njihov rad mladi konstruktori mogu mnogo naučiti. Za mlade konstruktore je veoma bitno da nakon što sastave ureñaj provedu mnogo vremena na mjerenjima i ispitivanjima ureñaja kako bi shvatili njegovu funkcionalnost i vremenom prešli na narednu fazu, a to je dizajniranje ureñaja. Nije preporučljivo da konstruktori amateri sami prave štampane (tiskane) pločice za elektronske ureñaje iz više razloga, a glavni je činjenica da izrada pločica može biti opasna po zdravlje odnosno konstruktor se može ozlijediti. Dalje, kada su u pitanju mlañi konstruktori preporučuje se isključivo izrada baterijski napajanih ureñaja, a nikako ureñaja napajanih naponom 220V. Postoji mnoštvo ureñaja koje konstruktor amater može sastaviti (pojačala, ispravljači, sirene, časovnici itd), a preporučljivo je odabrati neki ureñaj koji će kasnije biti od koristi konstruktoru. Takoñer je dobro koristiti tzv. KIT komplete u kojima se dobivaju svi dijelovi potrebni za gradnju ureñaja i detaljno uputsvo. Danas je ponuda KIT kompleta jako velika i izbor ureñaja je vrlo širok. Osim KIT kompleta dobra stvar za amatere konstruktore su univerzalni kompleti za eksperimentisanje koji sadrže potrebne dijelove obično za po nekoliko desetaka ureñaja. Takoñer, mogu se nabaviti relativno jeftini (ponekada i besplatni) softverski paketi za simuliranje elektronskih ureñaja koji omogućavaju da se ureñaj „sagradi“ i ispita na ekranu PC računara. Nakon što se elektronski ureñaj sastavi obično ga treba smjestiti u neko kućište. Mogu se nabaviti gotova kućišta ili eventualno iskoristiti npr. kutija od sapuna, razvodna kutija za elektronistalacije i slično, ali često se elektroničari amateri upuštaju u izradu kućišta od metala i drveta što ih odvede ka drugim hobijima – bravariji i stolariji. Dobro je ako se elektroničar hobista druži sa stolarom hobistom te mu on može praviti kućišta za njegove ureñaje. Na kraju nije zgoreg reći i koju riječ o historiji amaterskog bavljenja elektronikom. 1920.-tih godina su počele sa radom prve difuzne radio-stanice te se radioprijemnicima mogao pratiti njihov program. Meñutim u to vrijeme radioprijemnici su bili basnoslovno skupi i rijetki su bili ljudi koji su sebi mogli priuštiti njegovu kupovinu, ali zato su dijelovi za radioprijemnike bili relativno jeftini te se samogradnjom moglo doći do radioprijemnika po mnogo nižoj cijeni nego da se isti kupuje. 1920.-tih godina su organizovani kursevi (tečaji) za samogradnju radioprijemnika. Kasnije su se osim radioprijemnika masovno u samogradnji gradila električna pojačala. Sve do 1980.-tih godina bilo je ekonomski isplativo praviti elektronske ureñaje u samogradnji. Štaviše mnogima je elektronika bila dodatni izvor prihoda, jer su u slobodno vrijeme sastavljali pojačala, lightshow i druge ureñaje te ih kasnije prodavali. Danas stvari stoje drugačije i u 90% slučajeva se samogradnja elektronskih ureñaja ekonomski ne isplati, ali kao što je već rečeno mladim ljudima koji planiraju da im nekada elektronika bude profesija je sigurno korisno da sastave poneki ureñaj te ga kasnije analiziraju i testiraju i kroz to mnogo nauče.
16
Već je rečeno da mnogi elektroničari amateri „skrenu“ u stolariju i bravariju koji su takoñer lijepi hobiji, ali bitno je napomenuti da su elektronici srodni hobiji i „klasična“ elektrika (bavljenje elektromotornim pogonima, sistemima automatike i drugo) te svakako matematika, informatika i fizika. Naime bez dobrog poznavanja matematike, informatike i fizike nema ni dobrog poznavanja elektronike.
17
OTPORNICI Precizna stručna definicija kaže da su otpornici elektronske komponente koje se u odreñenoj mjeri suprotstavljaju proticanju električne struje. Meñutim kao i sve druge suhoparne stručne definicije ona ne govori mnogo. Ako biste nekog eksperta elektroničara upitali da vam objasni šta je to otpornik vjerovatno ništa ne bi objašnjavao već bi dohvatio prvi otpornik na koji naiñe u svojoj radionici i pokazao ga uz komentar "Evo, ovo ti je otpornik !". Sjećam se kada sam davno u jednoj prodavnici elektroopreme ljubaznu prodavačicu upitao drže li otpornike otpora 220 kΩ dobio odgovor "Otpornik ? Jel' to ono malo šareno ?" Šalu na stranu otpornici su naizgled trivijalne, ali u svojoj biti veoma značajne komponente elektronskih ureñaja. Na slici 1. su prikazne razne izvedbe otpornika.
Sl. 1. Otpornici Većina nas je za otpornike prvi puta čula na časovima fizike kada smo učili poznati Omov zakon:
U = R⋅I koji kaže da je pad napona na otporniku direktno proporcionalan otporu otpornika i struji koja teče kroz otpornik. Drugim riječima rečeno napon na otporniku je veći što otpornik ima veći otpor i što je struja kroz otpornik jača. Njemački fizičar Georg Simon Om (Georg Simon Ohm) je navedeni zakon objavio još daleke 1827. godine (dakle prije nekih 180 godina) i time udario jedan od glavnih temelja elektrotehnike čija je jedna vrlo značajna oblast i elektronika. U prethodno navedenoj formuli za napon smo koristili oznaku U, za struju I, a za otpor R. Oznaka R za otpor ima korijen u engleskom jeziku na kome se za otpor koristi riječ resistance. Na našem jeziku se za otpornike često koristi vrlo sličan naziv rezistori. Glavni podaci o otporniku tj. rezistoru su njegov otpor R i njegova električna snaga P. Jedinica za otpor nosi ime OM upravo prema pomenutom njemačkom fizičaru, a za označavanje se koristi grčko slovo Ω (omega). Kod otpornika manjeg otpora se često umjesto oznake Ω koristi oznaka E sa istim značenjem. Osim oma vrlo često se koriste veće jedinice kiloom (kΩ) i megaom (MΩ): 1 kΩ = 1000 Ω, 1 MΩ = 1000 kΩ = 1000 000 Ω. Jedinica za snagu je VAT, a dobila je ime po škotskom fizičaru Džemsu Vatu (James Watt). Oznaka za jednicu snage je W. Električna snaga disipirana na otporniku se računa prema formulama:
18
P =U ⋅I = R⋅I 2 =
U2 . R
U prethodnoj rečenici smo upotrijebili pojam disipacije kada smo rekli da se električna snaga disipira na otoprniku. Sam pojam dispacija znači rasipanje, a konkretno u ovom slučaju se misli na rasipanje električne snage koja se na otporniku pretvara u toplotnu snagu. Ako bismo u elektronski sklop umjesto predviñenog otpornika snage npr. 1 W ugradili otpornik snage npr. 0,5 W tada bi dolazilo do pregrijavanja otpornika, jer isti nebi bio u stanju da dovoljnu količinu električne energije pretvori u toplotnu energiju, u zadanom vremenu, što bi u konačnici dovelo do pregaranja otpornika. Otpornik koji je pregorio ima beskonačan otpor. Pored otpora vezano za otpornike se definiše i provodnost G kao recipročna vrijednost od otpora:
G=
1 R
Jedinica za provodnost je SIMENS, a dobila je ime po njemačkom naučniku i industrijalcu Verneru Simensu (Ernst Werner von Siemens). Oznaka za jednicu snage je S. Jedinica simens je uvedena u upotrebu 1971. godine, a ranije se koristila jedinica MHO (anagram od OHM).
Sl. 2. Označavanje otpora otpornika prstenovima u boji Otpor otpornika se označava pomoću prstenova u boji kao što je ilustrovano na slici 2. Ukupno se nanose 4 prstena na tijelo otpornika pri čemu prva tri prstena označavaju otpornost otpornika, a posljednji prsten označava toleranciju otpora. U tabeli 1. je dato tumačenje značenja pojedinih boja. Tolerancije se označavaju srebrnom (10%) i zlatnom (5%) bojom. Tabela 1. Oznake otpora prstenovima u boji Boja Broj Umnožak Crna 0 1 Smeña 1 10 Crvena 2 100 Narandžasta 3 1000 Žuta 4 10 000 Zelena 5 100 000 Plava 6 1000 000 Ljubičasta 7 10 000 000 Siva 8 100 000 000 Bijela 9 1000 000 000 Npr. ako su na otporniku prstenovi sa bojama narandžasta-bijela-smeña-zlatna tada je otpornost otpornika 390 Ω, a tolerancija je 5%. Dakle naš otpornik ima otpornost negdje izmeñu 370,5 Ω i 409,5 Ω što su donja i gornja granica tolerancije. Kao što vidimo prva dva
19
prstena označavaju cifre, a treći prsten označava umnožak tj. broj nula. Postoji i sistem označavanja sa 5 prstenova kod kojeg prva četiri prstena označavaju otpornost otpornika, a posljednji prsten označava toleranciju otpora. Sistem sa 5 prstenova se uglavnom koristi kod otpornika sa niskim tolerancijama i rijetko se susreće. Najčešće se koriste otpornici snage 0,25 W čiji prječnik je približno 1,5 mm i otpornici snage 0,5 W sa prječnikom približno 3 mm. Kao što vidimo veće dimenzije otpornika znače i veću snagu. Proizvode se otpornici sa konstantnim otporom (stalni otpornici), otpornici sa promjenljivim otporom i specijalni otpornici. Postoje dvije vrste otpornika sa promjenljivim otporom i to potenciometri i trimeri. Sa potencimetrima se svakodnevno susrećemo, jer npr. jačina reprodukcije zvuka se još uvijek vrlo često podešava pomoću potenciometra premda se sve više za te svrhe koriste digitalni regulatori. Sam naziv potenciometar ima korijen u primjeni potenciometara za regulaciju električnog potencijala. Za razliku od potenciometara čiju otpornost podešavamo pomoću ručice otpornost trimera se podešava pomoću izvijača. Sama riječ trimer na engleskom jeziku znači podešavač ili dotjerivač. Specijalni otpornici su termistor (NTC otpornik), pozistor (PTC otpornik), fotootpornik (LDR otpornik) i varistor (VDR otpornik). Termistor je otpornik čiji se otpor mijenja sa promjenom temperature i to tako što pri porastu temperature otpor termistora opada. Dakle termistor ima negativan temperaturni koeficijent – NTC. Naprotiv otpor pozistora raste sa porastom temperature odnosno pozistor ima pozitivan temperaturni koeficijent – PTC. Termistori i pozistori se koriste za mjerenje temperature. Npr. temperatura mikroprocesora računara se mjeri ugrañenim termistorom u svrhe zaštite istog. Takoñer savremeni elektronski termostati temperaturu prostorije mjere pomoću termistora. Fotootpornici su otpornici čija otpornost opada kada se osvijetle. Koriste se u ureñajima za regulaciju svjetlosti. Npr. paljenje ulične rasvjete se može vršiti pomoću automata sa ugrañenim fotootpornikom. Skraćenica LDR potiče od engleskog izraza Light Dependent Resistor – otpornik ovisan o svjetlosti. Varistori su otpornici čija otpornost opada nakon što se napon na njima poveća iznad zadane granice. Kada na varistor dovedemo nizak napon on ne provodi struju (ima jako veliki otpor), a kada povećamo napon do odreñene granice on provede struju (opadne mu otpor). Varistori se koriste za zaštitu od previskih napona. Npr. produžni kablovi sa ugrañenom prenaponskom zaštitom sadrže varistor. Uloga varistora je da u slučaju pojave previsokog napona uzrokovanog npr. udarom groma propusti struju te na taj način izazove pregaranje osigurača koji se takoñer nalazi unutar produžnog kabla. Osim pregaranja osigurača posljedica protoka struje kroz varistor jeste i "obaranje" napona čime se štiti oprema napojena preko predmetnog produžnog kabla. Skraćenica VDR potiče od engleskog izraza Voltage Dependent Resistor – otpornik ovisan o naponu. Na slici 3. su date oznake navedenih otpornika koje se koriste za crtanje shema elektronskih ureñaja.
Sl. 3. Oznake otpornika na shemama
20
Reostat je otpornik promjenjivog otpora koji se obično koristi za eksperimentisanje. Postoji više tehnoloških postupaka izrade otpornika. Najstarija tehnologija je izrada otpornika namotavanjem žice na tijelo od izolatora. Danas se koristi niz tehnologija kao što su npr. tehnologija nanošenja otporne materije u vidu tankog filma na tijelo od izolatora. Otpor otpornika vezanih seriju se sabire, a ako ih vežemo u paralelu sabire se njihova provodnost kao što je ilustrovano na slici 4.
Sl. 4. Serijska i paralelna veza otpornika U prethodnom tekstu u navedeno više primjera primjene otoprnika, a na slici 5. je data shema jednostavnog elektronskog ureñaja (miksete) koja se sastoji isključivo od otpornika.
Sl. 5. Shema jednostavne dvokanalne miksete Mikseta sa slike 5. je vrlo jednostvna, jer ima samo dva ulaza i nema mogućnost podešavanja jačine zvuka pojedinih kanala. Podešavnje jačine zvuka se može jednostavno postići pomoću potenciometra, ali to nije predviñeno, jer je namjena ove miksete da omogući spajanje 2 izvora zvuka kao što su npr. TV aparat i muzička linija na jedno pojačalo. Pošto navedeni izvori signala imaju vlastito podešavanje ječine zvuka nema potrebe da se isto vrši i na mikseti. Ako se želi postići stereo reprodukcija potrebne su dvije ovakve miksete. Premda je ova mikseta vrlo jednostvan elektronski sklop pogodan za gradnju onima koji nemaju iskustva preporučujemo da potraže pomoć nekog iskusnijeg elektroničara. Danas se pored elektroničara profesionalaca elektronikom bave i mnogi hobisti. Takoñer jako je mnogo ljudi koji spadaju u obje kategorije, jer se elektronikom bave i profesionalno i u slobodno vrijeme. Oni obično nikada ne znaju gdje prestaje profesija, a gdje počinje hobi i obrnuto.
21
KONDENZATORI Kondenzatori su elektronske komponente koje mogu da zadržavaju električne naboje. Drugim riječima rečeno kondenzatori predstavlju svojevrsne akumulatore električne energije. Za razliku od npr. olovnih akumulatora kakvi se koriste u automobilima kondenzatori akumulišu znatno manju količinu energije, a i sam proces akumulacije se bitno razlikuje. Pojam kondenzator je u naš jezik (kao i niz drugih tehničkih pojmova) došao iz njemačkog jezika u kome se za kondenzator koristi isti naziv - Kondensator. Pojam kondenzator više asocira na fenomen kondenzacije sa kojim nema nikakve povezanosti te engleski pojam capacitor djeluje mnogo prikladnije, ali bio dobar ili ne u našem jeziku se odomaćio spomenuti termin. Prvi kondenzator je konstruisan još daleke 1745. godine u Nizozemskoj na univerzitetu Lajden (Leyden). Taj prvi kondenzator je u stvari bio obična flaša napunjena vodom kroz čiji otvor za čep je provučen metalni lanac koji je ostvarivao kontakt sa vodom. Voda i pomenuti lanac su bili jedna elektroda, a ruka čovjeka koji je držao flašu duga elektroda. Ubrzo je spomenuti kondenzator unaprijeñen tako što je oko flaše omotana metalna folija koja je predstavljala elektrodu. Ovakav kondenzator je nazvan lajdenska flaša (lajdenska boca). Interesantno je napomenuti da se vezano za pronalazak lajdenske flaše desio jedan od prvih ozbiljnih slučajeva povrede električnom strujom. Naime jedan od eksperimentatora je jedva preživio električni udar strujom iz jedne od lajdenskih flaša. Savremeni kondenzatori se proizvode tako što se izmeñu dvije metalne folije postavi neki izolacioni materijal npr. keramika. Na slici 1. su prikazane razne izvedbe savremenih kondenzatora.
Sl. 1. Kondenzatori Dva glavna podatka o kondenzatoru su kapacitet C i probojni napon U. Ukoliko na kondenzator narinemo viši napon od probojnog doći će do proboja izolacije kondenzatora. Mehanički ekvivalent napona je sila. Dakle, kada izolaciju kondenzatora opteretimo naponom višim nego što ona može da izdrži to je isto kao da npr. most opteretimo većim teretom nego što je predviñeno. Kondenzator čija izolacija je probijena ima otpor nula tj. provodi struju. Odnos napona U, naboja Q i kapaciteta C kondenzatora je dat relacijom:
Q = C ⋅U Jedinica za napon je VOLT, a dobila je ima prema italijanskom naučniku Aleksandru Volti (Alessandro Volta) koji poznat izmeñu ostalog i po pronalasku prve baterije poznate pod nazivom voltin element. Oznaka za volt je V. Jedinica za kapacitet kondenzatora je FARAD, a oznaka F. Jedinica farad je imenovana prema engleskom naučniku Majklu Faradeju (Michael Faraday). Osim farada mnogo se koriste manje jedinice mikrofarad (µF), nanofarad (nF) i pikofarad (pF). Vrijede odnosi:
22
1 F = 1000 000 µF = 1000 000 000 nF = 1000 000 000 000 pF . Osim kapaciteta C vezano za kondenzatore se definiše i elasticitet kao recipročna vrijednost od kapaciteta:
1 C Za elasticitet nije odreñena oznaka, a jedinica je DARAF kao anagram od FARAD. Jedinica za električni naboj je KULON, a oznaka C. Ime jedinici je dato prema francuskom naučniku Šarlu Kulonu (Charles Augustin de Coulomb). Kao što vidimo imamo tri jedinice i tri naučnika iz tri različite zemlje. Postoje sljedeće vrste kondenzatora: stalni kondenzatori, promjenljivi kondenzatori, trimeri i elektrolitski kondenzatori, njihove oznake su date na slici 2. Na slici 3. je prikazan promjenljivi kondenzator.
Sl. 2. Oznake kondenzatora na shemama
Sl. 3. Promjenljivi kondenzator Kapacitet promjenljivih i trimer kondenzatora se može podešavati u odreñenim granicama. Podešavanje kapaciteta promjenljivog kondenzatora se vrši pomoću ručice, a podešavanje trimera pomoću izvijača. Promjenljivi kondenzatori se koriste npr. u radioaparatima za odabir radio stanica. Izolacija elektrolitskih kondenzatora sadrži elektrolit. Elektrolitski kondenzator ima pozitivni i negativni priključak. Pozitivni priključak elektrolitskog kondenzatora uvijek mora biti na višem potencijalu od negativnog, jer u suprotnom kondenzator ekspolodira. Naime usljed procesa elektrolize unutar kućišta kondenzatora se oslobañaju gasovi te pritisak unutar kućišta jako poraste. Zato elektrolitski kondenzatori imaju čep od gume ili sličnog materijala koji predstavlja jednu vrstu sigurnosnog ventila, jer navedeni čep pri porastu pritiska ispadne te pritisak pada. Ipak nikada ne treba elektrolitski kondenzator inverzno polarisati, jer pored prilično opasne eksplozije dolazi doisticanja elektrolita koji može dovesti do oštećenja drugih komponenti elektronskog sklopa. Ako se dva kondenzatora vežu paralelno tada se njihov kapacitet sabire, a ako se vežu u seriju tada im se sabire elasticitet kao što je ilustrovano na slici 4.
23
Sl. 4. Serijska i paralelna veza kondenzatora Kondendenzatori zadržavaju električne naboje i nakon isključenja ureñaja što ponekada može biti opasno. Već je spomenut možda i prvi slučaj električnog udara koji se desio 1745. godine upravo tokom eksperimentisanja sa kondenzatorima. Da bi se izbjegla opasnost, kondenzatore spojene na visoke napone prije ispitivanja treba kratko spojiti da bi se ispraznili. Najbolje je pražnjenje provesti preko otpornika malog otpora, ali u praksi se za te svrhe obično koristi obični izvijač. Svaka mašina za pranje veša na kućištu elektromotora ima ugrañen kondezator. Iz navedenog razloga prilikom otvaranja kućišta mašine svaki majstor obično prvo izvijačem isprazni spomenuti kondenzator – za svaki slučaj. Vezano za kondenzatore u našem jeziku se zadržao jedan arhični glagol – narinuti. Naime kada kažemo da se na kondenzator priključuje izvor napajanja obično kažemo da je na kondenzator narinut napon. U svakodnevnom jeziku umjesto glagola narinuti danas obično koristimo glagol nagurati, ali kada su kondenzatori u pitanju nikada nećemo reći da je na kondenzator naguran napon. Na slici 5. su date sheme za provoñenje eksperimenta koji ilustruje funkciju kondenzatora kao akumulatora.
Sl. 5. Ilustracija funkcije kondenzatora Ukoliko spojimo bateriju napona 4,5 i odgovarajuću malu sijalicu kakva se koristi u baterijskim lampama prema shemi sa slike 5. dobivamo prosti strujni krug. Pritiskom na prekidač sijalica se istog momenta pali. Takoñer, ako isključimo istog momenta sijalica se gasi. Meñutim, ako spojimo kondenzator kapaciteta 10000 µF paralelno sa sijalicom primjetićemo da se sijalica opet momentalno pali pri uključenju, ali pri isključenju sijalica se neće momentalno ugasiti. Uzrok ovome je proces pražnjenja akumulisane električne energije u kondenzatoru. Još bolje je umjesto jednog kondenzatora kapaciteta 10000 µF spojiti 5-10 ovakvih kondenzatora u paralelu, jer je u tom slučaju akumulisana električna energija veća. Pri uključenju sijalica se opet momentalno pali zbog činjenice da baterija ima vrlo mali unutrašnji otpor te se preko njega kondenzator skoro pa trenutno napuni. Ova pojava je iskorištena za konstrukciju ureñaja kao što su npr. stubišni automati. Kao što znamo kada pritisnemo dugme stubišnog automata sijalice u stubištu svijetle izvjesno vrijeme i nakon što otpustimo taster automata. Na slici 6. je data shema vrlo jednostavnog elektronskog sklopa koji se sastoji od jednog kondenzatora i jednog varistora, a koji služi za zaštitu osjetljivih potrošača kao što su npr. PC računari od prenapona u mreži. Kao što je poznato prenaponi u
24
mreži se javljaju najčešće uslje udara groma ili isključenja jakih potrošača. Sklop sa slike 6. se može ugraditi u produžni kabl, u kućište utičnice ili u razvodnu tablu stana ili kuće.
Sl. 6. Sklop za zaštitu od prenapona Kao što se vidi sa slike izmeñu faznog vodiča L i neutralnog vodiča N spojimo keramički kondenzator kapaciteta 4,7 nF i varistor S10K250. Probojni napon kondenzatora mora biti minimalno 350 V, a na crtežu je upisan standardni napon od 500 V. Varistor S10K250 pri porastu mrežnog napona iznad 250 V provede struju, tj. opadne mu otpor čime "obara" napon. Uloga kondenzatora je da "pokupi" kratkotrajne impulse visokog napona. Osim toga kondenzator u značajnoj mjeri sprječava prodor raznih smetnji koje putem mreže dopiru do napajanog ureñaja. Cijena ovakvog sklopa, ako ga sami sastavljamo, je približno 1,5 KM, a njegovom ugradnjom možemo spriječiti oštećenje ili čak potpuno uništenje ureñaja koji koštaju stotine i hiljade KM.
25
ZAVOJNICE I TRANSFORMATORI Zavojnica je elektronski element kod koga pri promjeni jačine struje koja teče kroz zavojnicu dolazi do indukovanja napona. Zavojnica u kolu električne struje predstavlja inercioni element koji sprječava brze promjene toka struje poput nekog prigušivača. Zavojnice se izañuju tako što se na tijelo od izolatora koje najčešće ima valjkast oblik namota odreñeni broj zavojaka izolovane bakarne žice. Za zavojnicu se još koriste termini svitak, kalem, solenoid i induktor. Termin solenoid se više odnosi na zavojnice elektromagneta, a potiče od latinske riječi sol što znači sunce. Pojam induktor potiče iz engleskog jezika u kome se za zavojnicu koristi naziv inductor. Osim toga jedna specijalna vrsta zavojnice nosi naziv prigušnica. Na slici 1. su prikazane razne izvedbe zavojnica.
Sl. 1. Zavojnice Dva glavna podatka o zavojnici su induktivitet L i dozvoljena jačina struje I. Jedinica za induktivitet je HENRI, a dobila je ime po američkom fizičaru Džozefu Henriju (Joseph Henry). Oznaka za jednicu induktiviteta je H. Zavojnice se fabrički proizvode u standardnim izvedbama, ali često u praksi pri konstruisanju elektronskih ureñaja elektroničari ručno izrañuju zavojnice tako što ih namotavaju na valjkstom tijelu od izolacionog materijala. Potreban prječnik žice u milimetrima se odreñuje prema formuli:
d = 0,7 ⋅ I U datoj formuli se struja uvrštava u amperima. Npr. ako nam je potrebna zavojnica za struju od 4 A minimalan potreban prječnik žice je 1,4 mm:
d = 0,7 ⋅ I = 0,7 ⋅ 4 = 1,4 Prječnik žice zavojnica mora biti približno duplo veći nego kod kablova zbog otežanog hlañenja. Osim toga otpor zavojnice treba biti što manji. Npr. kroz energetski kabl sa žicama prječnika 1,4 mm, čija kvadratura poprečnog prijesjeka je 1,5 mm2 bez problema možemo provoditi struje i do 10 A. Meñutim, ako je u pitanju kabl za napajanje zvučnika tada opet koristimo istu formulu kao i za zavojnice, jer nastojimo da otpor kabla bude što manji, a samim time i gubici snage u kablu što manji. Uzmimo konkretan primjer napajanja zvučnika snage 100W i impedanse 4Ω. U ovom slučaju, ako je otpor kabla samo 0,5Ω imamo gubitke snage od približno 10% na samom kablu! Iz navedenih razloga kablovi zvučnika veće snage uvijek imaju veliku debljinu. Isti slučaj je i sa zavojicama kod kojih takoñer nastojimo da smanjimo otpor na najmanju moguću mjeru. Nakon što izačunamo potreban prječnik žice potrebno je izačunati potreban broj zavojaka prema približnoj formuli: 26
N=
100 ⋅ l ⋅ L D
2
U datoj formuli l je dužina zavojnice u cm, L induktivitet zavojunice u µH, a D prječnik opet u cm. Prječnik zavojnice obično uzimamo desetak puta veći od prječnika žice te ćemo za žicu prječnika 1,4 mm odabrati prječnik D=1,5 cm. Uz dužinu zavojnice l=5 cm dobivamo približan broj zavojaka zavojnice induktiviteta L=27 µH:
N=
100 ⋅ l ⋅ L D
2
=
100 ⋅ 5 ⋅ 27 = 78 1,5 2
Ako pomnožimo debljinu žice sa brojem zavojaka 1,5x78=117 mm što znači da bismo postigli dužinu zavojnice 5 cm trebamo motati zavojnicu u 3 sloja. Kao što je već rečeno navedena formula daje približno potreban broj zavojaka, a tačan broj se odreñuje eksperimentalno tako što se pomoću instrumenta mjeri induktivitet zavojnice i po potrebi povećava ili smanjuje broj zavojaka. Induktivitet zavojnice se značajno poveća ako se ista namota na jezgru od izolovanih željeznih limova ili na jezgru od ferita. Ferit je vrsta željeza. Jezgro može biti u obliku štapa, može imati pravougaoni oblik ili prstenast (torusni) oblik. Na slici 2. su date oznake zavojnica koje se koriste za crtanje shema elektronskih ureñaja.
Sl. 2. Oznake zavojnica Kao što vidimo pored zavojnica stalnog induktiviteta postoje i zavojnice promjenljivog induktiviteta. Promjena induktiviteta zavojnica se vrši na više načina, a najčešće pomoću uvlačenja i izvlačenja feritnog jezgra. Variometar je vrsta zavojnice kod koje se induktivitet mijenja mehaničkom rotacijom. Interesantno je da se isti naziv koristi i za vertikalni brzinomjer u vazduhoplovima koji mjeri brzinu penjanja ili poniranja vazduhoplova. Transformatori su elektronske komponente koje izmjeničnu struju jednog napona pretvaraju u izmjeničnu struju drugog napona. Osim u elektronskim ureñajima transformatori se takoñer koriste u niz drugih primjena kao što je npr. distribucija električne energije. Elektrodistributivni transformatori su velikih dimenzija za razliku od tranformatora u elektronskim ureñajima koji mogu biti vrlo mali. Dva glavna podatka o transformatoru su naponi primarnog Up i sekundarnog namotaja Us i snaga transformatora P. Za razliku npr. otpornika ili zavojnica koji imaju dva priključka transformatori imaju četiri priključka. Zbog toga za transformatore kažemo da su četvoropoli, a za otpornike, zavojnice i druge komponente sa dva priključka kažemo da su dvopoli. Na slici 3. je prikazan najčešći spoj transformatora.
27
Sl. 3. Spoj transformatora Obično je napon na primarnom namotaju Up veći od napona Us na sekundarnom namotaju, a struja sekundara Is je obično veća od struje primara Ip. Postoje sljedeće vrste transformatora: niskofrekventni (NF) transformatori, visokofrekventni (VF) transformatori, autotransformatori i regulacioni transformatori.
Sl.4. Oznake transformatora Niskofrekventni transformatori mogu da transformišu struje frekvencije do približno 100 kHz, dok visokofrekventni transformatori transformišu struje svih frekvencija. Autotransformator je transformator koji ima samo jedan namotaj sa potrebnim brojem izvoda. Regulacioni transformator je transformator sa većim brojem izvoda, a koristi se za regulaciju napona i struje. Kao i zavojnice transformatori se proizvode fabrički u standardnim izvedbama, ali elektroničari ih često ručno izrañuju. Uzmimo da nam je npr. potreban transformator snage 150W sa naponom primara 220V i naponom sekundara 12V koji može poslužti npr. za punjenje automobilskog akumulatora, ako mu se doda ispravljač. Prvi korak je proračun struja primara. Na osnovu poznate formule za snagu električne struje imamo:
P =U ⋅I ⇒ I =
P . U
Dakle struje primara i sekundara su kako slijedi:
P 150 = = 0,68 A U 220 P 150 Is = = = 12,5 A U 12
Ip =
Drugi korak je proračun potrebnog prječnika žice za primar i sekundar po istoj formuli kao i za zavojnicu:
28
dp = 0,7 ⋅ Ip = 0,7 ⋅ 0,68 = 0,6mm ds = 0,7 ⋅ Is = 0,7 ⋅ 12,5 = 2,5mm Kao što se vidi prječnik žice primara je znatno manji nego sekundara što je i logično zbog manjeg toka struje kroz primar. Treći korak u proračunu jeste odreñivanje minimalno potrebnog prijesjeka limenog jezgra tranformatora što se vrši po formuli:
A = P = 150 = 12,2cm 2 Kao što vidimo minimalno potreban prijesjek jezgra je 12,2cm2. Inače jezgro transformatora može biti od ferita ili od željeznih limova (limeno jezgro). Prethodna formula vrijedi, ako se jezgro sastavlja od limova. Feritna jezgra obično imaju oblik štapa ili torusni (prstenasti) oblik dok željezna jezgra imaju tzv. EI oblik kao što je prikazano na slici 5.
Sl. 5. EI limovi (lijevo) i transformator (desno) Od željeznih limova debljine 0,5-1 mm koji su meñusobno izolovani se slaže jezgro transformatora. Prvo se namotaji namotavaju na tijelu od izolacionog materijala, a nakon toga se umeću limovi da bi se formiralo jezgro. Kao što je već rečeno limovi moraju biti meñusobno izolovani kako se u limovima nebi indukovale vrtložne struje koje bi uzrokovale velike gubitke energije kroz zagrijavanje transformatora. Srednji stub jezgra ima dvostruko veći prijesjek nego li dva bočna stuba što je vidljivo sa slike 5. Četvrti korak u proračunu jeste odreñivanje potrebnog broja zavojaka po voltu na osnovu odabranog jezgra. Pretpostavimo da je naše jezgro prijesjeka 15cm2. U tom slučaju imamo broj zavojaka po voltu:
n=
45 45 = =3 A 15
Pošto je primarni napon 220V potreban broj zavojaka na primaru je 220/3=73 zavojka, a na sekundaru 4 zavojka. Zbog činjenice da su u transformatoru uvijek prisutni gubici snage broj zavojaka sekundara se obično mora nešto uvećati da bi se dobio potreban napon tranformatora pri punom opterećenju. Uvećanje broja namotaja je najbolje utvrditi eksperimentalno mjerenjem. Bitno je napomenuti da se mjerenje mora provesti pri punom opterećenju, jer tek tada gubici tranformatora dolaze do izražaja u punoj mjeri. Transformatori i zavojnice imaju vrlo široku primjenu, a ovdje ćemo spomenuti jednu od prvih primjena – poznati Teslin transformator koji je prvi puta konstruisan prije nekih 120 godina. Shema Teslinog transformatora je data na slici 6.
29
Sl. 6. Shema Teslinog transformatora Kao što vidimo Teslin transformator se sastoji u stvari od dva transformatora, iskrišta i dvaju kondenzatora. Ureñaj se napaja sa generatora izmjenične struje sa koga se struja vodi na niskofrekventni transformator na čijem sekundaru se dobiva visoki napon od nekoliko hiljada volti koji se vodi na iskrište. Usljed ovog visokog napona na iskrištu dobivamo iskrenje (varničenje) koje izaziva indukovanje visoke frekvencije od 12 000 Hz na viskofrekventnom tranformatoru. Usljed ovoga na sekundaru viskofrekventnog transformatora dobivamo struju visoke frekvencije i veoma visokog napona od nekoliko miliona volti. Pomoću ovakvog transformatora Nikola Tesla je izveo niz eksperimenata vezano za prijenos električne energije na daljinu. Sve do početka 20.-tih godina prošlog stoljeća Teslin transformator je korišten za potrebe radio-komunikacija tj. kao radio odašiljač. Iz upotrebe su ga izbacili ureñaji konstruisani na bazi elektronskih cijevi. Tko se sjeća scene iz poznatog filma "Titanik" kada radio-operator sa Titanika upućuje signal poziva u pomoć (poznati SOS signal) može se vjerovatno sjetiti staklene cijevi sa iskrištem koja svijetli svaki puta kada operator pritisne taster. Naime u to doba (1912. godine) je bilo zlatno doba primjene Teslinog transformatora. Inače signal SOS je korišten od 1908. do 1999. godine kada je propisana primjena savremenijih ureñaja na brodovima koji se izmeñu ostalog oslanjaju na satelitske komunikacije.
30
DIODE Dioda je elektronska komponenta koja električnu struju propušta samo u jednom smjeru, od anode A prema katodi K. Funkcija diode je ilustrovana na slici 1.
Sl. 1. Funkcija diode Kao što vidimo sa slike 1. ako spojimo u seriju bateriju, diodu i sijalicu tako da + pol baterije bude spojen na anodu diode tada će sijalica svijetliti i struja će teći kroz formirano strujno kolo. Meñutim, ako + pol baterije spojimo na katodu diode tada struja neće teći i sijalica neće svijetliti. Diode se proizvode od poluprovodničkih materijala kao što su npr. germanijum (Ge), silicijum (Si), galijumarsenid (GaAs) i drugi. Poluprovodnički materijali po svojim karakteristikama se nalaze izmeñu provodnika i izolatora. Postoje dvije vrste poluprovodnika i to poluprovodnik tipa P i poluprovodnik tipa N. U poluprovodniku tipa P većinski nosioci naboja su pozitivne šupljine, a u poluprovodniku tipa N negativni elektroni. Koji tip poluprovodnika je u pitanju ovisi o tome koja vrsta nečistoća je prisutna u poluprovodniku. Npr. ako se u kristalu silicijuma nalazi izvjesna količina aluminijuma tada će to biti silicijum P tipa, a ako se nalaze nečistoće arsena tada imamo N tip silicijuma. Uzrok ovome je što silicijum ima 4 slobodna elektrona dok aluminijum ima 3, a arsen 5 slobodnih elektrona. Ako se sjećamo lekcija iz hemije tada znamo da ukupan zbir slobodnih elektrona treba biti 8. Takoñer trebamo se prisjetiti činjenice da su elektroni nosioci negativnog naboja. Dakle spajanjem aluminijuma i silicijuma imamo manjak jednog elektrona tj. pozitivnu šupljinu (3+4=7), a ako spojimo arsen i slicijum jedan negativni elektron je viška (5+4=9). Na slici 2. je prikazan pojednostavljen prijesjek diode.
Sl. 2. Pojednostavljen prijesjek diode Kao što vidimo sa slike 2. anoda diode je od poluprovodnika tipa P, a katoda od poluprovodnika tipa N. Dio šupljina iz anode preñe u katodu i obrnuto dio elektrona iz katode preñe u anodu. Usljed ovoga na mjestu dodira anode i katode nastane neprovodno područje (barijera) u kome nema nosilaca naboja. Ukoliko na anodu spojimo pozitivan pol izvora navedeno neprovodno područje se poništi dovoñenjem nosilaca naboja iz izvora pa dioda provede. Obrnuto, ukoliko na anodu spojimo negativan pol izvora neprovodno područje će se
31
još više proširiti i dioda će biti zakočena. Na slici 3. su prikazane izvedbe dioda, a na slici 4. prijesjek diode.
Sl. 3. Izvedbe dioda
Sl. 4. Prijesjek diode Danas se diode najčešće proizvode od silicijuma. Nešto manje se proizvode germanijumske diode. Velika prednost silicijumskih dioda je što mogu podnijeti relativno visoke temperature i do 120 °C, a nedostatak im je što je na njima prisu tan pad napona od približno 0,7 V. Istovremeno germanijumske dode ne podnose visoke temperature, ali imaju praktično zanemariv pad napona. Prema evropskom standardu germanijumske diode se označavaju sa dva slova AA i brojem npr. imamo germanijumsku diodu AA101. Silicijumske diode se označavaju slovima BA ili BY tako da npr. imamo silicijumsku diodu BY237. Prema američkom standardu diode se označavaju brojem 1 i slovom N. Npr. imamo diodu 1N4001. Dva glavna podatka o diodi su maksimalna struja diode i maksimalni inverzni napon. Navedeni podaci se mogu pronaći u katalogu proizvoñača diode ili čak pomoću pretraživača na internetu. Npr. dioda 1N4001 provodi struju do 1A i podnosi inverzni napon do 50V. Na slici 5. je ilustrovana inverzna polarizacija diode.
32
Sl. 5. Inverzna polarizacija diode Najčešći kvar diode je proboj. Dioda u proboju propušta struju u oba smjera što se može provjeriti pomoću ommetra. Obično je katoda diode označena prstenom na kućištu, ali uvijek (ako nismo sigurni) pomoću ommetra možemo odrediti smjer toka struje kroz diodu tako što ako pozitivnu sondu ommetra spojimo na anodu ommetar će pokazati nulti otpor. Obrnuto, ako pozitivnu sondu spojimo na katodu ommetar će indicirati beskonačan otpor. Kao što je već rečeno ako je dioda neispravna imat će nulti otpor u oba smjera. Diode imaju široku primjenu u tehnici, a navest ćemo jednu od prvih primjena diode, a to je detektorski radio prijemnik čija shema je data na slici 6.
Sl. 6. Shema detektorskog radio prijemnika Zlatno doba detektorskog radio prijemnika je bilo krajem 19. i početkom 20. stoljeća kada je u kombinaciji sa Teslinim oscilatorom korišten za potrebe radiokomunikacija kako na kopnu tako i na moru. U to vrijeme diode su proizvoñene od kristala galenita tako što bi se na grumen galenita prislonio ekser ili zaoštrena žica. Galenit je jedan od kristala olovnog sulfata PbS. Detektorski prijemnik se sastoji od paralelnog oscilatornog kola koga čine zavojnica i promjenljivi kondenzator, diode i visokoomskih slušalica. Pomoću oscilatornog kola vrši odabir frekvencije sa koje se prima signal, a dioda vrši ispravljanje visokofrekventnog signala i time njegovo prevoñenje u audiopodručje. Pomoću slušalica radiooperator je mogao slušati signale emitovane Morzeovom abecedom pomoću teslinog oscilatora. Isti prijemnik se takoñer koristio i za prijem signala radiodifuznih stanica. Frekvencija oscilovanja paralelnog oscilatornog kola se odreñuje prema sljedećem obrascu:
33
f =
1 2 ⋅π ⋅ L ⋅ C
Za one koji žele da eksperimentišu navest ćemo da je za gradnju ovakvog radioprijemnika za prijem radiodifuznog signala u srednjetalasnom području potreban sljedeći materijal: približno 10 m bakarne žice prječnika izmeñu 0,3 i 0,7 mm, promjenljivi kondenzator kapaciteta 500 pF, germanijumska dioda (npr. AA101) i visokoomske slušalice. Od navedene bakarne žice se na tijelu približnog prječnika 3 cm namota 100 zavojaka i na taj način formira zavojnica oscilatornog kola. Tijelo prječnika 3 cm se može napraviti od papira, ali jednostvnije je ako se upotrijebi cilindrična plastična kutija u koju se pakuju npr. šumeće tablete. Promjenljivi kondenzator se može uzeti sa nekog starog radioaparata. Slušalice koje se danas koriste uz muzičke linije i PC računare su tzv. niskoomske slušalice čiji otpor je približno 5-20 Ω tako da ih ne možemo koristiti uz detektorski radio prijemnik. Meñutim umjesto viskoomskih slušalica koje se danas teško nalaze možemo iskoristiti zvučnike za PC računar sa pojačalom. Kao antenu možemo iskoristiti nekoliko metara žice koje pružimo preko sobe, a uzemljenje nije neophodno spojiti. Oni koji uspješno sastave ovakav radioprijemnik osjetit će posebno zadovoljstvo kakvo su vjerovatno osjećali pioniri radiokomunikacija krajem 19. stoljeća. Osim opisane ispravljačke diode postoji čitav niz specijalnih dioda kao što su npr. Zenerova dioda, dioda konstantne struje (CCD), Šotkijeva (Schottky) dioda, fotodioda, LED doda, varikap i tunel dioda. Zenerova dioda je nazvana po američkom naučniku Klarensu Zeneru (Clarence Zener) koji je objasnio fizikalni princip rada ove diode. Koristi se za ograničavanje i stabilizaciju napona. Shema sklopa za stabilizaciju napona pomoću Zenerove diode je data na slici 7. Kao što vidimo, na sklop koji se sastoji od otpornika malog otpora i Zener diode dovodimo nestabilan napon, a na izlazu sklopa dobivamo stabilan napon. Visina stabilnog napona zavisi od odabrane Zener diode, a nestabilni napon mora biti nekoliko volti viši od stabilnog napona. Npr. ako je potreban stabilan napon od 5V tada uzimamo nestabilan napon od 9V±1V. Dakle nestabilni napon varira izmeñu 8V i 10V. Otpornik ima otpor 100Ω te će na njemu biti pad napona izmeñu 3V i 5V. Maksimalna struja koja se pouzdano može isporučiti potrošaču je 3V/100Ω=0,03A, jer ako potrošač "povuče" jaču struju tada bi napon mogao pasti ispod 5V. Ako potrošač "vuče" struju manju od 0,03A Zener dioda "pokupi" sav višak struje.
Sl. 7. Stabilizacija napona pomoću Zenerove diode Dioda konstantne struje se koristi za ograničavanje i stabilizaciju struje, a često se za nju koristi skraćeni naziv CCD dioda koji potiče od engleskog naziva Constant Current Diode što u prijevodu znači dioda konstantne struje. Šotkijeva dioda ima veoma nizak napon provoñenja. Koristi se za ispravljanje vrlo slabih signala kao i germanijumske diode. Fotodioda, kada nije osvijetljena, se ponaša kao obična ispravljačka dioda. Kada fotodiodu osvijetlimo, ona se ponaša kao izvor električne struje, pri čemu je anoda A pozitivni pol izvora, a katoda K negativni što je ilustrovano na slici 8. Fotodiode imaju široku primjenu u solarnim panelima koji energiju sunčeve svjetlosti pretvaraju u električnu. Osim toga koriste se i u instrumentima za mjerenje jačine svjetlosti i drugim primjenama.
34
Sl. 8. Fotodioda kao generator LED dioda je dioda koja svijetli kada kroz nju protiče struja. LED dida dakle obavlja suprotnu funkciju od fotodiode. LED je skraćenica od engleskog naziva Light Emitting Diode što u prijevodu znači svijetleća dioda. Pad napona na LED diodi je 1,5-2 V. Varikap dioda se ponaša kao kondenzator čiji kapacitet ovosi o naponu koji se dovede na diodu. Varikap je opet skaraćenica od engleskog naziva VariCap (Variable Capacitance – promjenljivi kapacitet). Osim naizva varikap često se koristi i naziv varaktor. Danas ima veoma široku primjenu i sve više zamjenjuje promjenljive kondenzatore u radioprijemnicima i drugim ureñajima. Tunel dioda za koju se još koristi naziv Esakijeva dioda se jako mnogo koristi u oscilatorima visokih frekvencija. Ovu diodu je pronašao japanski naučnik Leo Esaki 1958. godine.
Sl. 9. Oznake dioda na shemama Kada u jedno kućište zatvorimo LED diodu i fotodiodu dobivamo foto-par (optokapler) kao što je ilustrovano na slici 10. Ponovno imamo jedan pojam preuzet iz engleskog jezika. Naime optokapler se na engleskom jeziku zove optocoupler.
Sl. 10. Foto-par (optokapler) Optokapleri se jako mnogo koriste za tzv galvansko izolovanje strujnih krugova. Naime kada dovedemo napon na LED diodu optokaplera ona svojom svjetlošću osvijetli fotodiodu te ona počne da generiše napon koji odgovara naponu dovedenom na LED diodu. Dakle strujni signal se sa ulaza optokaplera prenio na njegov izlaz preko svjetlosti bez žica. Na ovaj način smo ulazni i izlazni krug galvanski izolavali jedan od drugog. Za dva strujna kruga kažemo da su galvanski izolavni, ako nema direktnog spoja izmeñu njih preko provodnika ili drugih provodnih elemenata. Osim optičke koriste se i druge metode galvanske izolacije kao što je npr. indukciona (transformatori), akustička, termička itd.
35
ELEKTRONSKE CIJEVI Elektronske cijevi su elektronske komponente koje se koriste za obradu i generisanje električnih signala pomoću kontrolisanog kretanja elektrona u vakuumu. Premda su danas prevaziñene odnosno umjesto njih se u većini aplikacija koriste tranzistori ipak se još uvijek proizvode i koriste. I dan danas se primjenjuju za gradnju pojačala velike snage za visoke frekvencije, u industrijskim ureñajima, audiopojačalima posebne namjene i za gradnju vojnih ureñaja. Dakle popularne "lampe" kako se elektronske cijevi zovu u žargonu još uvijek nisu za tehnički muzej. Kao što je poznato prvi elektronski računari su bili konstruisani upravo od elektronskih cijevi. Na slici 1. je prikazana elektronska cijev proizvodnje Elektronske industrije iz Niša (Ei Niš).
Sl. 1. Elektronska cijev Prvu elektronsku cijev diodu je konstruisao američki naučnik Tomas Edison (Thomas Edison) 1884. godine. Naime Edison je 1879. godine konstruisao električnu sijalicu kakva se u suštini i danas koristi. Meñutim on se nije zaustavio na tome već je u stakleni balon sijalice ubacio još jednu elektrodu kao što je ilustrovano na slici 2.
Sl. 2. Električna sijalica sa dodatnom elektrodom Ovakvu sijalicu sa dodatnom elektrodom je spojio prema shemi sa slike 3. i ustanovio da izmeñu dodatne elektrode i užarne niti sijalice teče struja kroz vakuum!
Sl. 3. Elektronska cijev dioda
36
Dodatna elektroda je nazvana anoda, a žarna nit katoda zbog smjera toka struje. Naime elektronska cijev dioda koju je Edison konstruisao je provodila struju samo u jednom smjeru od anode ka katotodi. Kao što vidimo sa slike 3. Edison je koristio dvije baterije i to katodnu niskog napona za grijanje užarene niti i anodnu bateriju visokog napona koja je "protjerivala" struju kroz elektronsku cijev. U prvi mah nije bilo objašnjenja kako to da struja teče kroz vakuum. Objašnjenje je pronañeno u tzv. termoelektronskoj emisiji. Naime užarena nit izbacuje slobodne elektrone u vakuum. Navedene elektrone prihvata električno polje anode koja je pozitivno naelektrisana te privlači negativne elektrone. Ako se na anodu spoji negativni pol baterije tada kroz cijev neće teći struja, jer će u tom slučaju anoda odbijati elektrone sa katode. Smjer struje je suprotan toku elektrona kao što je poznato iz fizike. Edisonova elektronska cijev je na svoju primjenu čekala ravno 20 godina, odnosno prvi puta je primjenjena 1904. godine za konstrukciju poboljšanog radiodetektora u kome je izbacila iz upotrebe diodu od galenita. 1907. godine je konstruisana elektronska cijev trioda koja pored spomenute dvije elektrode (anode i katode) imala i treću smještenu izmeñu nih. Ta treća elektroda ima rešetkast oblik te se i zove rešetka. Uloga rešetke je da reguliše tok elektrona izmeñu anode i katode. Na ovaj način je dobivena elektronska komponenta kojom su se mogli pojačavati slabi signali. Naime pomoću nekog slabog signala dovedenog na rešetku se mogao regulisati tok struje od anode prema katodi. Ovo je odmah iskorišteno za konstrukciju poboljšanog radioprijemnika prema shemi sa slike 4.
Sl. 4. Shema prvog radioprijemnika sa pojačalom Kao što se vidi sa slike 4. slabi signal sa oscilatornog kola se preko kondenzatora C1 dovodio na rešetku G koja je regulisala tok struje. Na slušalicama je dobivan znatno jači signal nego na rešetki. Jačina reprodukcije je podešavana promjenom napona anodne baterije. Ovakav prijemnik je imao znatno veću osjetljivost nego detektorski što je omogućilo postizanje znatno većih dometa u radiokomunikacijama. Kao što je već rečeno elektronske cijevi se koriste za konstruisanje pojedinih vojnih ureñaja. Uzrok ovome je njihova otpornost na elektromagnetne impulse koji se javljaju tokom nuklearnih eksplozija. Tranzistori nisu otporni na ove impulse te svi elektronski ureñaji na bazi tranzistora koji se nañu u dometu
37
elektromagnetnog impulsa eksplozije bivaju uništeni. Vezano za ovaj fenomen desio se jedan interesantan dogañaj 1976. godine kada je sovjetski pilot Viktor Belenko (Виктор Иванович Беленко) avionom MIG-25 preletio u Japan. Američki inženjeri su rastavili avion i sa zaprepašćenjem ustanovili da su svi elektronski ureñaji aviona konstruisani na bazi elektronskih cijevi! Prva pomisao im je bila da u Sovjetskom Savezu koriste elektronske ureñaje iz "kamenog doba", ali nakon što je stvar pažljivije razmotrena došlo se do zaključka da su elektronske cijevi korištene planski. Sistem upravljanja kupolom sovjetskog tenka T-72 koji se po licenci proizvodio i proizvodi u Slavonskom Brodu je takoñer konstruisan na bazi elektronskih cijevi. Osim vojne primjene elektronske cijevi se još koriste u audiopojačalima za muzičke instrumente. Mnogi gitaristi koji sviraju na električnim gitarama i danas koriste isključivo cijevna pojačala. Naime, uzrokovano nizom faktora, zvuk električne gitare pojačan cijevnim pojačalom ima specifičnu boju koja se dugo vremena nije mogla postići pomoću tranzistorskih pojačala. U posljednje vrijeme su pomoću tranzistora konstruisana pojačala koja daju približno isti zvuk kao i cijevna pojačala, ali još uvijek je čest slučaj da pojačala za električne gitare imaju barem pretpojačalo na bazi elektronske cijevi. Na slici 5. je data shema takvog pretpojačala na bazi elektronske cijevi ECC83 na koje se može spojiti električna gitara ili dinamički mikrofon. Signal sa električne gitare se preko kondenzatora kapaciteta 470 nF dovodi na rešetku. Na anodi, usljed pojačavačkog djelovanja cijevi, dobivamo pojačani signal koji se opet preko kondenzatora 470 nF vodi na transformator za prilagoñenje impedanse. Naime na izlazu iz ovog pojačala dobivamo signal relativno visokog napona te ga je potrebno prilagoditi za spajanje na ulaz pojačala konstruisanih na bazi tranzistora i integrisanih kola. Transformator ima još jednu veoma značajnu funkciju. Naime on svojom prijenosnom karakteristikom dodatno "boji" signal i daje mu karakterističnost pojačala sa elektronskim cijevima. Potrebno je ugraditi transformator čiji primar ima približnu impedansu od 800 Ω i predviñen je za napon od 100 V. Takvi transformatori se koriste u razglasnim ureñajima.
Sl. 5. Shema pretpojačala za električnu gitaru Za napajanje opisanog pojačala je potrebna napojna jedinica koja daje napon od 6,3 V AC i 300 mA za grijanje katode te napon od 250-300 V DC i struje 10 mA za napajanje samog pojačala. Shema takve napojne jedinice je data na slici 6.
38
Sl. 6. Shema napojne jedinice za pretpojačalo AC je skraćenica od Alternate Current (izmjenična struja), a DC od Direct Current (jednosmjerna struja). Kao što vidimo napojna jedinica ima dva transformatora i to jedan sa sekundarnim naponom od 220 V, a drugi sa naponom od 6-8 V. Transformator napona 6-8 V se koristi za napajanje katode cijevi. Najbolje je da napon bude tačno 6,3 V, ali izvjesna odstupanja su dopuštena. Za ove svrhe se može iskorititi transformator iz adaptera koji se inače koriste za napajanje malih ureñaja (tranzistorskih radioaparata, CD player-a itd.). Štaviše može se iskoristiti i DC napon 6 V sa adaptera. Transformator napona 220 V napaja anodu. Za ove svrhe se može iskoristiti npr. transformator za napajanje aparata za brijanje, a ako nemamo drugo rješenje možemo upotrijebiti dva istovjetna transformatora opet iz adaptera spojena prema shemi sa slike 7.
Sl. 7. Spajanje dva transformatora Kao što se vidi sa slike 7. sekundar jednog transformatora sa niskim naponom od nekoliko volti je spojen na niskonaponski ulaz drugog istovjetnog transformatora tako da nakon ove dvije transformacije opet dobivamo napon od 220 V, ali je postignuto galvansko odvajanje što je i bio cilj. Istina na ovaj način se postižu veći gubici, ali zbog male potrošnje od svega
39
nekoliko miliampera gubici ne dolaze do izražaja. Struja sa transformatora napona 220 V teče zatim na diodni ispravljač i zatim na filter koji se sastoji od dva kondenzatora i jednog otpornika. Iskorišten je tzv. Grecov ispravljač sa četiri diode koji je nazvan prema svome pronalazaču njemačkom fizičaru Leu Grecu (Leo Graetz). Diode 1N4004 podnose inverzni napon do 400 V, a mogu se iskoristiti i druge diode inverznog napona iznad 350 V. Uloga filtera je da ukloni preostale komponente izmjenične struje. Umjesto otpornika 10 Ω (10 E) još bolje je ugraditi prigušnicu (zavojnicu) koja se napravi tako što se na tijelu prječnika 1-1,5 cm namota 300 zavojaka bakarne žice prječnika 0,2-0,3 mm. Kondenzatori trebaju biti predviñeni za napon od minimalno 350 V kao i diode. Ovakvo pojačalo možemo smjestiti u dva kućišta napojnih jedinica PC računara. Naime, uzrokovano nizom faktora, napojne jedinice PC računara često otkazuju tako da u svakom servisu za PC računare imaju mnogo neispravnih napojnih jedinica koje se ne mogu popraviti. Kućišta ovih neispravnih jedinica su često "kao stvorena" za ugradnju ručno grañenih elektronskih ureñaja. U jedno kućište ugrañujemo napojnu jedinicu, a u drugu samo pojačalo. Ovo je potrebno kako zbog prostora, a još više kako bi se izbjegle smetnje koje bi napojna jedinica unijela. Nakon što se pojačalo sastavi i isproba dodatno poboljšanje se može postići eksperimentalno tako što se odabere prava vrijednost kapaciteta ulaznog kondenzatora (na shemi je ucrtana vrijednost od 470 nF). Potrebno je eksperimentisati sa kondenzatorima u rasponu od 100 nF pa do 1 µF kako bi se dobio najbolji zvuk. Ako sami gradimo ovo pojačalo njegova cijena je približno 100 KM, a fabričke izvedbe ovih pojačala koštaju nekoliko stotina KM. Mogu se nabaviti gotovi kit kompleti za sastavljanje ovakvih pojačala, ali ni oni nisu jeftini. Jedna od industrijskih primjena elektronskih cijevi jesu mašine za površinsko kaljenje. Tehnologija kaljenja željeza je ljudskom rodu poznata već hiljadama godina. U primitivnim kovačnicama kovači prvo zagriju npr. sjekiru do usijanja, a zatim je potope u hladnu vodu. Rezultag ovoga je da željezo u sjekiri dobije tzv. krupnozrnatu strukturu koja ima visoku tvrdoću. Slabost ove krupnozrnate strukture je nizak stepen žilavosti tako da predmeti od kaljenog željeza lahko pucaju pri udaru. Meñutim tehnologijiom površinskog kaljenja se postiže da površina materijala koja se inače haba bude tvrda, a jezgro žilavo tako da dobivamo metalne predmete otporne i na habanje i na udare. Tehnologija površinskog kaljenja se realizuje pomoću jakih struja visoke frekvencije koje se generišu u oscilatorima konstruisanim na bazi elektronskih cijevi. Naime usljed poznatog skin efekta struje visokih frekvencija teku isključivo po površini tako da ako te struje propuštamo kroz metalni predmet dolazi do zagrijavanja isključivo površine predmeta što rezultira time da pri kaljenju dolazi do stvaranja krupnozrnate strukture isključivo na površini. Dakako hlañenje se mora obaviti smjesta nakon zagrijavanja kako se toplota sa površine ne bi prenijela u dubinu materijala. Tranzistori se ne mogu koristiti za konstruisanje generatora indukcionog kaljenja, jer barem za sada ne postoje tranzistori dovoljno velikih snaga koji mogu raditi na visokim frekvencijama.
40
KATODA, DISPLEJ I PLAZMA Katoda (katodna cijev), displej i plazma su uobičajeni nazivi za elektronske komponente pomoću kojih se danas vrši prikaz slike. Koriste se prvenstveno u monitorima, TV aparatima, digitalnim fotoaparatima, mobitelima i inim elektronskim ureñajima. Katodnu cijev kao prvi ureñaj koji je poslužio za vizualizaciju je 1897. godine pronašao njemački fizičar Ferdinand Braun (Karl Ferdinand Braun). U literaturi se često koristi termin Brunova cijev kao naziv za verziju katodne cijevi koju je pronašao Braun. Osnovni motiv za pronalazak Braunove cijevi je bila potreba za vizuelnim prikazom vremenski promjenljivih signala odnosno želja da se konstruiše osciloskop. U Braunovo vrijeme za vizualizaciju signala je korišten ureñaj oscilograf koji se i danas koristi npr. za snimanje elektrokardiograma (EKG) srca. Tadašnji oscilografi su se sastojali od galvanometra na čiju kazaljku je bila postavljena olovka koja je iscrtavala dijagram na pokretnom papiru. Pomjeranje papira se vršilo elektromotorom. Takvim oscilografom su se mogli iscrtavati vremenski dijagrami (oscilogrami) signala niske frekvencije, a za baratanje sa signalima visokih frekvencija je bio potreban ureñaj koga je pronašao Braun. Naime pomoću Braunove cijevi su se mogli vizualizirati signali jako visokih frekvencija. Bitno je napomenuti da se oscilografi često koriste kao registratori vrijednosti procesnih veličina. Npr. tokom procesa proizvodnje čipova proces difuzije primjesa se vrši u peći na temperaturi 1100 °C. Jako je bitno da se ima snimljen vremenski dijagram na kome su zabilježene sve promjene temperature tokom procesa difuzije, a samo snimanje se vrši pomoću spomenutog registratora. Fotografija i skica usavršene Braunove cijevi su date na slici 1.
Sl. 1. Fotografija (lijevo) i skica (desno) Braunove cijevi Tokom posjete Muzeju telekomunikacija u Berlinu sam imao priliku da u živo vidim jedan od sačuvanih primjeraka prvih Braunovih cijevi. Sama cijev me neodoljivo podsjetila na vinsku flašu na čijem dnu je ostao talog. Meñutim "talog" na ekranu Braunove cijevi je fosforni sloj. Naime fosfor pod djelovanjem snopa elektrona svijetli. Snop elektrona dolazi sa užarene katode. Elektroni koje emituje užarena elektroda se formiraju u snop pomoću sistema cilindara. Sklop katode sa spomenutim cilindrima se zove elektronski top. Usmjeravanje snopa koji dolazi sa spomenutog elektronskog topa se vrši pomoću otklonskih ploča (električnim poljem) ili pomoću elektromagneta (magnetnim poljem). Ovo je uzrokovano činjenicom da su elektroni od koji se sastoji snop negativno naelektrisani te ih pozitivno naelektrisana ploča privlači, a negativno naelektrisana odbija. Dakle, ako na otklonske ploče narinemo napon izazvat ćemo pomjeranje snopa elektrona. Kao što se vidi sa slike 1. imamo dva para otklonskih ploča i to vertikalni i horizontalni tako da se usmjeravnje snopa može vršiti horizontalno i vertikalno. Jačina snopa se takoñer može podešavati promjenom napona tako da se pomjeranjem i promjenom jačine snopa na ekranu (fosfornom sloju) iscrtava željena slika. Sam proces iscrtavanja za čovjeka je nevidljiv zbog inercije ljudskog oka. Jer, ako za trenutak pogledamo u neki izvor svjetlosti kao što je npr. upaljena sijalica, a zatim zatvorimo očne kapke i dalje će nam pred očima biti obrisi užarene niti sijalice. Na isti način slika koju iscrta brzi elektronski snop na ekranu osciloskopa ostaje registrovana našim okom. Katodnu cijev u boji je pronašao 1938. godine opet jedan Nijemac Verner Flehzig (Werner
41
Flechsig). Za razliku od crnobijele katodne cijevi katodna cijev u boji ima tri elektronska topa za tri boje (crvenu, zelenu i plavu), a ispred ekrana ima metalnu masku. Uloga maske je da vrši usmjeravanje elektronskih mlazeva. Osim toga fosforni sloj katodne cijevi u boji se sastoji od tačkica koje odgovaraju trima spomenutim bojama. Obojena svjetlost se postiže dodavanjem primjesa u fosfor. Npr. plava boja se dobiva dodavanjem primjesa cink sulfida ZnS. Na slici 2. je prikazan mikroskopski uvećani "pogled" kroz metalnu masku katodne cijevi u boji.
Sl. 2. Mikroskopski uvećani pogled kroz masku katodne cijevi u boji Šira upotreba kolor TV tehnike je u SAD počela 50.-tih, a u Evropi 60.-tih godina 20. stoljeća. Naziv LCD potiče od engleskih riječi Liquid Crystal Display (likvid kristl displej), što znači prikaz pomoću tečnih kristala. Tečni kristali su pronañeni 1888. godine, a 1968. godine su izrañeni prvi LCD displeji. Konstrukcija LCD displeja u prijesjeku je data na slici 3.
Sl.3. LCD displej u prijesjeku Providne elektrode se izrañuju od silicijuma. Kada na elektrode dovedemo izmjenični ili jednosmjerni napon tečni kristal potamni. Kao što je rečeno LCD displeji se mogu napajati i jednosmjernom i izmjeničnom strujom, meñutim ukoliko napajanje vršimo izmjeničnom strujom vijek trajanja LCD displeja je daleko veći. LCD displeji u boji imaju dodatnu ploču sa
42
kolor filterom koji daje boju. Na slici 4. je prikazan mikroskopski uvećani snimak LCD displeja u boji.
Sl. 4. Mikroskopski uvećani snimak LCD displeja u boji Plazma video displeji su konstruisani 1964. godine u SAD. Prvi plazma displeji su bili crnobijeli, a prva kolor plazma je konstruisana 1992. godine u Japanu. Plazma displeji imaju sličnu konstrukciju kao i LCD displeji, ali kod plazme se umjesto tečnih kristala koriste gasne ćelije punjene neonom ili ksenonom, a zidovi ćelija su premazani opet dobrim starim fosforom koji ovdje ima potpuno istu ulogu kao i u katodnoj cijevi. U suštini, plazma displej se sastoji od mnogo mikroskopskih sitnih fluoroscentnih sijalica. Ove sijalice se pale tzv. matričnim adresiranjem te se na displeju formira željena slika. I ovdje se koristi tromost ljudskog oka na isti način kao i kod katodne cijevi. Naime slika se iscrtava tačkicu po tačkicu velikom brzinom tako da usljed spomenute tromosti ljudskog oka dobivamo registrovanu kompletnu sliku. Ako je u pitanju kolor displej tada imamo tri matrice za tri boje. Na slici 5. je prikazana matrica sa svega 9 sijalica na kojoj ćemo objasniti princip matričnog adresiranja.
Sl. 5. Matrica sa 9 sijalica Ako npr. želimo upaliti sijalicu broj 3 tada pod napon stavljamo vodiče H1 i V3, a želimo upaliti sijalicu broj 5 tada pod napon stavljaju vodiči H2 i V2. Dakle, pomoću horizontalne i vertikalne rešetke vodiča možemo upaliti bilo koju sijalicu. Pretpostavimo da pomoću matrice sa slike 5 želimo iscrtati slovo T. U tom slučaju bi trebale stalno goriti sijalice broj 1, 2, 3, 5 i 8, ali u matrici u jednom momentu može goriti samo 1 sijalica. Tako da ćemo pomoću elektronskog sklopa podesiti da se spomenute sijalice (1, 2, 3, 5 i 8) pale jedna po jedna, ali
43
velikom brzinom tako da ne možemo primjetiti njihovo paljenje i gašenje. Ako je potrebno formirati slovo U tada bi se zaredom palile sijalice 1, 3, 4, 6, 7, 8 i 9. Za one koji vole eksperimentisanje na slici 6. je dat raspored izvoda displeja LTD 202R čije ćelije se pale jednosmjernim naponom od 10V DC ili izmjeničnim naponom od 3,5V AC.
Sl. 6. Raspored izvoda displeja LTD 202R Spajanjem izvora izmeñu izvoda (pina) date ćelije i mase (COM) dobivamo indikaciju na zadanoj ćeliji. Dakako eksperimentatorima sa manje iskustva će dobro doći pomoć iskusnijeg eksperta.
44
KAMERA, MIKROFON, SLUŠALICE I ZVUČNIK Kamera je elektronska komponenta pomoću koje se vrši snimanje slika pojedinačno ili u sekvenci. Prvu elektronsku kameru je 1934. godine konstruisao Vladimir Zvorikin (Владимир Козьмич Зворыкин). Zvorikin je roñen u Rusiji, ali je 1918. godine preselio u SAD gdje je živio do kraja života te je u SAD i izumio spomenutu kameru. Zvorikinova kamera je zamijenila do tada korištene elektromehaničke TV kamere i bila je u upotrebi sve do 80.-tih godina prošlog stoljeća kada je zamijenjena sa CCD (Charge Coupled Device) ureñajima. Po svojoj konstrukciji je bila slična katodnoj cijevi uz razliku što je umjesto fosfornog sloja imala sloj granula koje su činile minijaturne kondenzatore koji su se nabijali elektricitetom pod djelovanjem svjetlosti. Ti minijaturni kondenzatori formirani u mozaik su se praznili svaki puta kada bi preko njih prošao snop elektrona sa elektronskog topa. Signal sa tih kondenzatora se „kupio“ pomoću elektroda ugrañenih u kameru i kasnije pojačavao te se formirao video signal. Za Zvorikinovu kameru se u literaturi često koristi naziv ikonoskop (engleski: iconoscope) koji je kovanica od grčkih riječi icon – slika i scope – posmatrati. Naziv kamera potiče od latinske riječi camera (soba). Uzrok ovome leži u činjenici da su prvi ureñaji za snimanje slike zauzimali cijelu jednu sobu. Na slici 1. je prikazana ilustracija rada ikonoskopa. Spomenuta CCD kamera je konstruisana 1969. godine u SAD. Njezini pronalazači su Vilard Bojl (Willard Boyle) i Džordž Smit (George Smith). Glavni dio CCD kamere je tanki fotoosjetljivi sloj silicijuma koji u stvari predstavlja niz kondenzatora koji se nabijaju pod djelovanjem svjetlosti. Signal sa ovih kondenzatora se obrañuje pomoću elektronskog sklopa u standardni video signal. Kao što vidimo i savremena CCD kamera ima sličan princip rada kao i Zvorikinova kamera.
Sl. 1. Ilustracija rada ikonoskopa Danas se CCD kamere u čipu ugrañuju u niz elektronskih ureñaja kao što su npr. video kamere, digitalni foto-aparati, mobiteli, telefaks ureñaji, fotokopir aparati itd. Mikrofon je elektronska komponenta koja zvuk pretvara u električni signal. Riječ mikrofon potiče od dvije grčke riječi - mikros što znači mali i phone što znači zvuk. Mikrofon je izumio 1876. godine američki naučnik Aleksandar Bel (Alexander Graham Bell) koji poznat kao pronalazač telefona. U stvari Belov mikrofon je svoju primjenu našao upravo za konstrukciju telefona. Taj prvi primitivni mikrofon se sastojao od čaše u koju je bila natočena voda. Iznad čaše je bila postavljena tanka membrana u koju je bila ubodena igla tako da ulazi u vodu. Spomenuta igla je bila jedna, a komadić žice zaronjen u vodu druga elektroda mikrofona. Prinicp rada tog mikrofona je bio jednostavan – čovjek bi se sageo iznad čaše i govorio, usljed toga bi membrana vibrirala te se igla pomjerala gore dolje i na taj način se mijenjao
45
otpor mikrofona. Pomoću takvog mikrofona je Bel izgovorio svoju čuvenu rečenicu: “Gospodine Votson, doñite, želim da Vas vidim!”. To je bio prvi prijenos ljuskog glasa preko električnog ureñaja. Danas su u najširoj upotrebi dinamički i kondenzatorski mikrofon. Osnovna razlika izmeñu dinamičkog i kondenzatorskog mikrofona je u osjetljivosti. Dinamički mikrofon reaguje na udaljenosti od nekoliko centimetara, dok kondenzatorski mikrofon reaguje na udaljenosti od nekolikio metara. To praktično znači da ukoliko govorimo u dinamički mikrofon te ga odmaknemo od sebe on neće reagovati na naš glas što se često dešava u praksi. Naprotiv, ako se koristi kondenzatorski mikrofon on će reagovati na glas sa udaljenosti od nekoliko metara. Zbog toga se kondenzatorski mikrofoni koriste npr. u kombinaciji sa kamerama za video nadzor kako bi se osim slike zabilježio i zvuk. Na slici 2. je prikazana konstrukcija kondenzatorskog mikrofona.
Sl. 2. Konstrukcija kondenzatorskog mikrofona Kao što se vidi sa slike kondenzatorski mikrofon se sastoji od elastične metalne membrane i čvrste metalne ploče. Pod djelovanjem zvučnih talasa elastična membrana se pomjera te dolazi do promjene kapaciteta kondenzatora koga čine membrana i ploča. Pomoću pojačala se formira zvučni signal. Pojačalo je često ugrañeno u samo kućište mikrofona pa kondenzatorski mikrofoni u tom slučaju imaju unutar kućišta i bateriju za napajanje pojačala. 1962. godine je izumljen tzv. elektretski kondenzatorski mikrofon koji ima potpuno istu konstrukciju kao i „obični“ kondenzatorski mikrofon, a razlika je u izolaciji izmeñu membrane i ploče. Elektretski mikrofon ima izolaciju od tzv. feroelektričnog materijala tako da u pojedinim primjenama nema potrebe za ugradnjom pojačala u mikrofon. Ipak i većina elektretskih mikrofona ima ugrañeno pijačalo. Feroelektrični materijali su stalno naelektrisani isto kao što su fermomagnetni materijali stalno namagnetisani. Dinamički mikrofon, dinamička slušalica i zvučnik su ureñaji koji rade po istom principu. Suštinska razlika izmeñu njih je samo u veličini njihove membrane tako da zvučnik možemo iskoristiti kao mikrofon. Na slici 3. je prikazan prijesjek i fotografija zvučnika.
Sl. 3. Prijesjek i fotografija zvučnika
46
Kao što vidimo papirna memebrana i zavojnica čine jednu cjelinu, a postavljene su na papirne opruge tako da se mogu pomjerati. Zavojnica je napojena strujom preko elastičnih žica. Na kućište je postavljen magnet čiji srednji pol prolazi kroz zavojnicu. Kada se zavjonica napoji izmjeničnom strujom usljed elektromagnetnih sila ona se počne pomjerati što opet dovodi do pomjeranja membrane i do nastajanja zvuka. Obrnuto, ako npr. govorimo u zvučnik usljed zvučnih talasa se membrana i zavojnica pomjeraju tako da dolazi do elektromagnetne indukcije struje u zavojnici. Princip na kome se temelji rad zvučnika, dinamičkog mikrofona i dinamičke slušalice je 1874. godine patentirao Ernest Simens (Ernest Siemens). Na slici 4. je data fotografija raznih izvedbi mikrofona i razne vrste mikrofonskih konektora.
Sl. 4. Izvedbe mikrofona i mikrofonskih konektora Pri odabiru mikrofona pored toga što trebamo voditi računa da li je u pitanju dinamički ili kondenzatorski mikrofon trebamo uzeti u obzir sljedeće parametre: impedansa mikrofona, frekventna karakteristika i polarna karakteristika. Od impedanse mikrofona ovisi dozvoljena dužina mikrofonskog kabla. Ako mikrofon ima višu impedansu tada se na njega može spojiti duži kabl, jer se otpor samog kabla ne dolazi do izražaja, ako sam mikrofon ima visoku impedansu. Frekventna karakteristika najviše govori o kvalitetu mikrofona, jer što mikrofon ima širu karakteristiku to mu je kvalitet veći. Dakako sa kvalitetom raste i cijena. Npr. jeftini mikrofoni čija je cijena približno 10 KM imaju frekventnu karakteristiku 100 Hz-10 kHz. Kada govorite ili pjevate koristeći ovakav jeftini mikrofon vaš glas će biti jako neprirodan. Štaviše ako govorite preko razglasa mnogi neće razumjeti šta govorite. Cijena kvalitetnih dinamičkih mikrofona sa frekventnom karakteristikom 20 Hz – 15 kHz ili šire je počev od 100 KM pa do nekoliko hiljada KM. U svakom slučaju, ako vam je potreban mikrofon za iole ozbiljniju primjenu nemojte uzimati mikrofon sa frekventnom karakteristikom iznad 20 Hz i ispod 10 kHz, dakle mikrofon sa karakteristikom 20 Hz – 10 kHz je nekakav minimum. Takav mikrofon se može nabaviti već za 50-100 KM. Lošiji i jeftniji mikrofoni se mogu koristiti samo za eksperimentisanje i slične primjene. Polarna karakteristika govori o tome kako je mikrofon osjetljiv na zvukove iz raznih pravaca. Najviše se koriste mikrofoni sa kardioidnom karakteristikom (karakteristikom u obliku srca). Osim toga bitno je voditi računa o tipu utikača mikrofona kako bi bio kompatibilan sa pojačalom, a danas je i široka ponuda bežičnih mikrofona kod kojih se signal sa mikrofona na pojačalo prenosi radio-vezom. Dalje ukoliko se mikrofon postavlja na stativ bitno je odabrati nosač mikrofona čiji navoj odgovara navoju stativa kako se nebi morali koristiti prilagodni elementi. Signal sa mikrofona je jako slab (reda milivolta) pa se mikrofoni na pojačalo spajaju pomoću oklopljenog mikrofonskog kabla. Uloga oklopa je da smanji uticaj smetnji. Doduše, ako je udaljenost izmeñu mikrofona i pojačala mala tada se može koristiti i obični dvožilni licnasti kabl. Na slici 5. su dati simboli mikrofona i zvučnika.
47
Sl. 5. Simboli mikrofona, zvučnika i slušalica Danas su u upotrebi su zvučnici i slušalice niske impedanse (4 Ω i 8 Ω) i visoke impedanse (800 Ω). Zvučnici visoke impedanse se koriste kada je potrebno postaviti zvučnik na velikoj udaljenosti od pojačala. Zvučnici visoke impedanse se napajaju signalom napona oko 100 V. Impedansa zvučnika i izlazna impedansa pojačala moraju biti usklañene. Na izlaz pojačala se smije spojiti zvučnik čija su impedansa i snaga veće ili jednake impedansi i snazi pojačala. Ukoliko spojimo zvučnik niže impedanse pregoriće pojačalo, a ako je impedansa zvučnika viša od predviñene neće biti postignuta puna snaga Pri paralelnom spajanju zvučnika ukupna impedansa opada prema zakonu o paralelno spojenim otporima. Ukoliko npr. spojimo u paralelu dva zvučnika impedanse 8 Ω ukupna impedansa spoja će biti 4 Ω. Tri glavna podatka o zvučniku su: snaga, impedansa i frekventna karakteristika. Prema svojoj frekventnoj karakteristici zvučnici se dijele u četiri grupe: niskotonski (subwoofer i woofer) predviñeni za niske frekvencije do 120 Hz, srednjetonci, visokotonci i širokopojasni zvučnici. Osim navedena tri faktora značajnu ulogu igra i efikasnost kao faktor koji govori koji procenat električne energije se pretvara u zvučnu energiju. Ako ste ljubitelj HiFi tehnike i zvuka visokog kvaliteta potrebno je da prije kupovine zvučnike isprobate. Naime kada su zvučnici u pitanju brojevi nekada ne govore dovoljno već je potrebno „osjetiti“ kako rade. Istina relativno malo se koriste, ali bitno je spomnenuti i piezoelektrične (kristalne) zvučnike i slušalice. Koriste se npr. u savremenim telefonskim aparatima umjesto klasičnih zvona te u alarmnim ureñajima. Vrlo su jednostavne konstrukcije i troše malo energije tj. imaju veliku efikasnost, ali kvalitet reprodukcije nije visok. Na slici 6. je prikazan piezoelektrični zvučnik.
Sl. 6. Piezoelektrični zvučnik (palidrvce pored zvučnika radi poreñenja veličine) Pri odabiru slušalica treba viditi računa o impedansi, frekventnom opsegu, vrsti konektora i o stepenu zvučne izolacije te svakako provjeriti da li su slušalice stereo ili mono izvedbe. Za ljubitelje glasne muzike koji ne žele imati probleme sa komšijama su jako pogodne bežične
48
slušalice. Danas većina slušalica ima frekventni opseg 20 Hz – 20 kHz i impedansu 32 Ω. Stepen zvučne izolacije je jako bitan, ako se slušalice koriste tamo gdje je nivo buke visok kao što su npr. disko klubovi i industrijska okruženja. Slušalice sa dobrom zvučnom izolacijom (potrebne su svakom DJ-u, a takoñer i industrijskim ekspertima koji preslušavanjem vibracija mašina vrše dijagnosticiranje istih) su jako skupe, a jeftina zamjena za njih su male slušalice koje se stavljaju u uho, a preko njih se stave antifoni za zaštitu od buke. Danas su popularne i bežične slušalice posebno za PC računare. Na kraju za one koji vole eksperimentisati preporučujem da učine jedan vrlo jednostavan eksperiment tako što će zvučnik iskoristiti kao mikrofon. Dakle neki manji zvučnik sa starog kasetofona ili radioaparata je potrebno kablom spojiti na mikrofonski ulaz npr. PC računara, muzičke linije ili slično. Iznenadit ćete se se dosta visokim kvalitetom zvuka.
49
BIPOLARNI TRANZISTORI Tranzistori su elektronske komponente koje se koriste za pojačavanje signala, u prekidačkim sklopovima i nizu drugih primjena. Tranzistori se dijele na bipolarne i unipolarne. Kod bipolarnih tranzistora u nastajanju tranzistorskog efekta učestvuju i elektroni i šupljine dok kod unipolarnih tranzistora u nastajanju tranzistorskog efekta učestvuju ili samo šupljine ili samo elektroni u ovisnosti da li je tranzistor P ili N tipa. Dakle, kod bipolarnih tranzistora tranzistorski efekat se postiže sa dvije vrste nosilaca (elektroni i šupljine). Bipolarni tranzistori se dijele na PNP i NPN tranzistore. Podjela tranzistora je ilustrovana na slici 1.
Sl. 1. Ilustracija podjele tranzistora Bipolarni tranzistori su izumljeni 1947. godine u SAD. Na slici 2. su dati pojednostvaljeni prijesjeci PNP i NPN bipolarnog tranzistora te fotografija raznih izvedbi tranzistora. Glavni dijelovi bipolarnog tranzistora su emiter (E), baza (B) i kolektor (C) i svaki od ova tri dijela ima svoj priključak (izvod, nožicu).
Sl. 2. Pojednostavljeni prijesjeci (lijevo) i fotografija tranzistora desno Kao što se vidi sa slike 2. bipolarni tranzistor za razliku od diode koja ima jedan PN prelaz ima dva PN prelaza. Princip rada tranzistora ćemo objasniti na primjeru NPN tranzistora. Spojimo li shemu prema slici 3. instrument koji mjeri struju kroz tranzistor će pokazivati da struja ne teče odnosno tranzistor je „zakočen“.
50
Sl. 3. Dvije neprovodne barijere drže tranzitor u „zakočenom“ stanju Struja ne može da teče, jer imamo dvije nepropusne barijere. Meñutim ukoliko spojimo shemu prema slici 4. intrument će pokazivati da struja teče kroz tranzistor.
Sl. 4. Ilustracija rada tranzistora Činjenica da struja teče kroz tranzistor je na prvi pogled nelogična, jer imamo barijeru izmeñu kolektora i baze koja bi trebala biti nepropusna zbog činjenice da struja može da teče od P ka N sloju. Ipak struja teče kroz barijeru zbog pojave da spomenuta barijera „usisava“ nosioce naboja iz baze. Baza tranzistora mora biti jako tanka kako bi se nosioci naboja što lakše injektovali iz emitera u bazu i zatim transportovali do kolektora. Konkretno u primjeru sa slike 4. je u pitanju NPN tranzistor kod koga se elektroni iz emitera preko baze transportuju do kolektora. Dakako, trebamo se podsjetiti činjenice da smjer elektrona i smjer struje nije isti (struja i elektroni imaju suprotan smjer kretanja). Dakle elektroni teku smjerom
51
emiter-baza-kolektor, a struja teče smjerom kolektor-baza-emiter. Što jaču struju dovodimo u bazu preko otpornika RB to će jača struja teći kroz tranzistor. Kao što se vidi sa slike 4. struju koja teče u bazu smo označili oznakom IB, a struju koja teče u tranzistor oznakom Ic. Navedene struje (baznu i kolektorsku) mjerimo pomoću dva instrumenta. Kao što vidimo bazni otpornik RB je promjenljiv te promjenom njegovog otpora možemo mijenjati jačinu bazne struje IB (što je otpor baznog otpornika manji jača je struja baze). Mjereći baznu i kolektorsku struju i unoseći podatke o mjerenjima u dijagram doći ćemo do dijagrama prikazanog na slici 5.
Sl. 5. Dijagram odnosa struja baze i kolektora Sa slike 5. vidimo da kada povećavamo struju baze IB postepeno raste struja kolektora Ic sve dok ne doñemo do područja zasićenja kada više ne vrijedi povećavati struju baze. U linearnom području vrijedi odnos izmeñu struja baze i kolektora dat formulom:
I C = hFE • I B hFE je strujno pojačanje tranzistora, a često se označava i grčkim slovom β. Skraćenica hFE potiče od engleskih riječi Hybrid Forward Emitter. Naime hFE je jedan od tzv. hibridnih parametara kojima se opisuju četvoropoli u teoriji električnih kola. Kao što je već rečeno tranzistor ima tri izvoda, ali u teoriji se razmatra kao četveropol. Na slici 6. su dati simboli PNP i NPN tranzistora.
Sl. 6. Simboli PNP i NPN tranzistora na shemama Jednako kao i diode tranzistori se proizvode od germanijuma, slicijuma i nešto manje od galijumarsenida. Osim toga proizvode se tranzistori za visoke frekvencije signala i tranzistori za niske frekvencije signala te tranzistori male snage i tranzistori velike snage. U tom smislu je usvojena konvencija za označavanje tranzistora sa dva slova i trocifrenim brojem pri čemu prvo slovo označava vrstu poluprovodnika (A-germanijum, B silicijum), a drugo slovo označava snagu i frekvenciju. prema tabeli 1.
52
Tabela 1. Označavanje dioda, tranzistora, triaka i tiristora Drugo slovo Opis A Dioda C Niskofrekventni tranzistor male snage D Niskofrekventni tranzistor velike snage F Visokofrekventni tranzistor male snage L Visokofrekventni tranzistor velike snage T Tiristor, Triak U Specijalni tranzistor Y Specijalna dioda Z Zener dioda Npr. BC109 je silicijumski niskofrekventni tranzistor male snage, AA101 je germanijumska dioda, a BF256 je silicijumski visokofrekventni tranzistor male snage. Vezano za podjelu tranzistora na niskofrekventne i visokofrekventne bitno je objasniti neke pojmove. Naime tranzistori se koriste za pojačavanje signala koji sadrže komponente različitih frekvencija. Glavni ometajući faktori za pojačavanje visokih frekvencija su tzv. parazitne kapacitivnosti. Sama riječ parazit asocira na nešto neželjeno i u ovom slučaju se upravo o tome i radi, jer na spojevima baze sa emiterom i kolektorom se formiraju neželjeni kondenzatori kroz koje struje visokih frekvencija prolaze te na taj način pojačavačka funkcija tranzistora ne dolazi do izražaja. Posebno je štetna kapacitivnost Cbc izmeñu baze i kolektora koja se ponekada u katalozima proizvoñača tranzistora označava i oznakom Cre. Usljed prisustva ove parazitne kapacitivnosti pojačanje tranzistora na visokim frekvencijama postepeno pada. U katalozima se navodi kao podatak prijenosna frekvencija fT na kojoj je pojačanje tranzistora značajno opalo. Obično se smatra da se tranistor može koristiti najviše na frekvenciji koja je 5x niža od fT. Dakle ako je npr. fT =550 MHz tranzistor se koristi za pojačavanje signala frekvencije do 100 MHz. Glavni podaci o bipolarnom tranzistoru su: − − − − −
tip (NPN ili PNP), pojačanje hFE, maksimalna struja kolektora ICmax, maksimalni napon izmeñu kolektora i emitera UCEmax i prijenosna frekvencija fT.
Za one koji vole da eksperimentišu na slici 7. je data shema jednostavnog sklopa za ilustraciju rada tranzistora. Eksperimentatori mogu sklop sastaviti od dijelova ili ga simulirati pomoću nekog od mnogobrojnih softverskih paketa za simulaciju elektronskih sklopova. Mnogi od tih paketa su štaviše potpuno besplatni za kućnu primjenu (free home licence). Sklop sa slike 7. je jednostvan tranzistorski regulator rasvjete.
Sl. 7. Shema regulatora rasvjete (lijevo) i raspored izvoda tranzistora BD239 (desno)
53
Pomoću potenciometra otoprnosti 47k možemo podešavati jačinu svjetlosti male sijalice snage 1,2W. Može se iskoristiti automobilska sijalica 1,2V, a napajanje jednosmjernim naponom 12V se najjednostvanije ostvaruje sa adaptera premda se može koristiti i automobilski akumulator. Tranzistor BD239 je ugrañen u kućište TO-220 koje ima otvor za vijak pomoću koga se tranzistor montira na hladnjak. Uloga hladnjaka je da odvodi toplotu koja se disipira na tranzistoru. Kao hladnjak nam može poslužiti običan komad lima dimenzija npr. 2x3 cm. Mnogi će se zapitati kako su odabrane komponente za ovaj sklop odnosno kako je sklop proračunat pa ni njih nećemo ostaviti bez adekvatnog pojašnjenja. Sijalica napona 12V i snage 1,2W je odabrana, jer se do nje lahko dolazi, zbog činjenice da se koristi na automobilima. Napon izvora od 12V je odabran prema sijalici, a pri izboru tranzistora smo imali mnogo mogućnosti. Upravo tranzistor BD239 je odabran opet zbog činjenice da se do njega relativno lahko dolazi. Njegova maksimalna struja kolektora je ICmax=2A, a maksimalni napon izmeñu kolektora i emitera je UCEmax=45V što zadovoljava zahtjeve, jer u našem slučaju maksimalna struja kolektora je:
I=
P 1,2W = = 0,1A = 100mA U 12V
Kao što vidimo tranzistor BD239 podnosi struju 20x jaču od potrebne struje. Pri proračunu struje smo uzeli u obzir činjenicu da u stanju zasićenja napon izmeñu kolektora i emitera tranzistora pada na vrlo mali nivo od približno 0,2V. Naredni korak je proračun raspona u kome se smije kretati ukupni otpor otpornika RB1 i RB2. Drugim riječima rečeno trebamo izračunati koliki je minimalna i maksimalna vrijednost otpora RB= RB1+RB2. Minimalna vrijednost otpora RB se računa primjenom Omovog zakona kao:
RB min =
12V − 0,7V 11,3V = = 5,95Ω 2 A − 0,1A 1,9 A
Napon napajanja 12V je umanjen za napon od 0,7V koliki je približan pad napona izmeñu baze i emitera, a struja od 2A je odabrana prema maksimalnoj struji tranzistora umanjenoj za struju 0,1A koja teče sa kolektora tako da ukupna struja kroz emiter bude maksimalno 2A. Dakako nikada se ne bira minimalna vrijednost te je otpornik RB2 odabran sa otpornošću od 1k. Takoñer treba vodti računo i o snazi otpornika. Pošto znamo da je pad napona na otoprniku 11,3 V i ako odaberemo maksimalnu snagu otpornika od 250mW=0,25W tada dobivamo da je minimalno potrebna vrijednost otpora:
RB min =
U 2 11,32 = = 511Ω P 0,25
Dakle kada se otpor potenciometra 47k podesi na nulu struju baze ograničava samo otpornik RB2 otpornosti 1k tako da u tom momentu kroz bazu teče struja koju računamo opet primjenom Omovog zakona kao:
IB =
11,3V = 0,0113 A = 11,3mA 1000Ω
Da bismo izračunali maksimalnu potrebnu vrijednost otpora trebamo prvo izračunati baznu struju pri kojoj tranzistor BD239 ulazi u zasićenje. Pri struji kolektora od 100mA kao što je naš slučaj tranzistor BD239 ima pojačanje hFE=40 te baznu struju zasićenja odreñujemo po formuli:
54
IB =
I C 100mA = = 2,5mA hFE 40
Vidimo da je bazna struja zasićenja (2,5mA≤11,3mA) manja od struje koja teče u bazu kada se otpor potenciometra smanji na nulu što je dobro, jer znači da sigurno možemo dovesti tranzistor u zasićenje. Ukoliko želimo da se jačina svjetlosti sijalice može smanjiti na 10% tada trebamo odabrati potenciometar koji može smanjiti struju baze sa struje 2,5mA na 10x nižu struju tj. na 0,25 mA. Potreban otpor računamo ponovo primjenom Omovog zakona:
R=
U 11,3V = = 45,2kΩ I 0,25mA
Kao što vidimo maksimalna vrijednost baznog otpornika je približno 45k. Zbog činjenice da je najbliža standardna vrijednost 47k biramo upravo taj potenciometar. Vidimo da ćemo struju baze moći „oboriti“ ispod 0,25mA što znači da ćemo moći zatamniti sijalicu i ispod 10%. Treba napomenuti da će nam ovaj proračun nešto poremetiti činjenica da je pojačanje tranzistora hFE nešto veće pri nižim strujama. Vidimo koliko računanja je potrebno čak i za proračun ovako jednostvanog sklopa te pokušajmo zamisliti šta je tek potrebno za proračun jednog savremenog mikroprocesora! Dakako ovdje smo računali „ručno“, a proračuni mikroprocesora se vrše primjenom savremnih CAD (Computer Aided Design) softverskih paketa. Vjerujem da su mnogi čitaoci ovog članka već odavno odustali od čitanja, jer ih je zamorila „dosadna teorija“, ali ako ste ipak bili uporni i čitali sve do ove rečenice te ako ste razumjeli barem pola ove priče tada zaslužujete čestitke, jer sigurno prevazilazite prosjeke i sigurno imate talenta ne samo za elektroniku već za tehničke nauke uopšte. Na dijagramu sa slike 8. je ilustrovana prethodna priča o struji baze i otpornosti baznog otpornika.
Sl. 8. Ovisnost struje baze o otpornosti baznog otpornika Sa slike 8. vidimo da otpornosti 45k odgovara struja baze od 0,25mA što je na samom početku linearnog područja. Kako se otpornost smanjuje sa 45k na 4,5k struja baze raste i tranzistor pri baznoj struji od 2,5mA ulazi u zasićenje. Daljim smanjivanjem otpornosti tranzistor samo dublje ulazi u zasićenje, ali jačina svjetlosti sijalice se ništa ne povećava. Drugim riječima rečeno regulacija svjetlosti pomoću ovog sklopa se može sprovesti samo dok je tranzistor u linearnom režimu. Osim toga bitno je napomenuti da je napon izmeñu kolektora i emitera tranzistora na početku linearnog područja i takoñer dok je tranzistor „zakočen“ jednak naponu izvora 12V. Ovo je uzrokovano činjenicom da tada praktično ne teče struja kroz tranzistor.
55
UNIPOLARNI TRANZISTORI Tranzistori su elektronske komponente koje se koriste za pojačavanje signala, u prekidačkim sklopovima i nizu drugih primjena. Tranzistori se dijele na bipolarne i unipolarne. Kod bipolarnih tranzistora u nastajanju tranzistorskog efekta učestvuju i elektroni i šupljine dok kod unipolarnih tranzistora u nastajanju tranzistorskog efekta učestvuju ili samo šupljine ili samo elektroni u ovisnosti da li je tranzistor P ili N tipa. Dakle, kod bipolarnih tranzistora tranzistorski efekat se postiže sa dvije vrste nosilaca (elektroni i šupljine). Bipolarni tranzistori se dijele na PNP i NPN tranzistore. Podjela tranzistora je ilustrovana na slici 1.
Sl. 1. Ilustracija podjele tranzistora Unipolarni tranzistori su izumljeni 1925. godine, ali je do njihove šire primjene došlo tek 60.tih godina 20. stoljeća. Za unipolarne tranzistore se vrlo često koristi termin FET tranzistori što je skraćenica od engleskog izraza Field Effect Transistor (tranzistor sa efektom polja). Postoji više vrsta unipolarnih tranzistora, a najviše se koriste MOS FET-ovi. MOS je skraćenica od Metal Oxide Semiconductor (metal oksid poluprovodnik), a naziv je logičan, ako se pogleda konstrukcija MOS FET-a prikazana na slici 2. Naime MOS FET se sastoji od tri sloja od kojih je gornji sloj od metala (aluminijuma), srednji sloj je od oksida slicijuma (SiO2) i donji sloj od poluprovodnika. Po svojoj konstrukciji MOS FET je u biti kondenzator kod koga je jedna elektroda od metala, a druga od poluprovodnika dok je dielektrik (izolacija) oksid silicijuma.
Sl. 2. MOS FET tranzistori u prijesjeku
56
Glavni dijelovi unipolarnog tranzistora su: sors S (source – izvor), gejt G (gate – vrata) i drejn D (drain – odvod). Kao što vidimo sa slike postoji simetrija izmeñu sorsa i drejna te u načelu nema razlike izmeñu njih. Meñutim, najčešće je sors električno povezan sa podlogom premda postoje izvedebe MOS FET-a sa četiri izvoda kod kojih se podloga po želji spaja. Uglavnom podloga, sors i drejn čine jednu elektrodu spomenutog kondenzatora dok gejt čini drugu elektrodu. Takoñer, vidimo da podloga i kanal čine diodu. Npr. kod N-kanalnog MOS FET-a podloga čini anodu, a kanal katodu spomenute diode. Na slici 3. su dati simboli Nkanalnog i P-kanalnog MOS FET tranzistora.
Sl. 3. Simboli N-kanalnog i P-kanalnog MOS FET tranzistora Princip rada MOS FET-a će biti objašnjen na primjeru N-kanalnog MOS FET tranzistora. Da bismo snimili dijagram koji prikazuje odnos napona na gejtu i struje kroz MOS FET potrebno je spojiti sklop prema slici 4.
Sl. 4. Ilustracija rada MOS FET-a Pomoću potenciometra RG mijenjamo napon izmeñu gejta i sorsa što se može očitati na voltmetru UGS. Istovremeno struju koja teče kroz MOS FET pravcem drejn-kanal-sors mjerimo miliampermetrom ID. Iz dijagrama sa slike 4. vidimo da što viši napon dovedemo na gejt, jača struja teče kroz drejn, a samim time i kroz MOS FET. Ovo je posljedica činjenice da pozitivni gejt privlači negativne elektrone iz podloge čime kanal postaje širi, pa može da teče jača struja. Drugim riječima rečeno, napon na gejtu utiče na širinu kanala – što je napon gejta viši i kanal je širi. Kada je kanal širi kroz njega teče jača struja što je i logično. MOS FET se slikovito može uporediti sa česmom, jer što na česmi više podignemo ručicu teče jači mlaz vode. Na isti način, ako na gejtu MOS FET-a podignemo napon kroz MOS FET će biti jači strujni tok. Odnos struje drejna i napona izmeñu gejta i sorsa, u linearnom području, se zove strmina i označava sa GFS:
G FS =
ID ⇒ I D = G • U GS U GS
Naziv strmina je logičan, jer kriva sa slike 4. (prijenosna karakteristika) upravo podsjeća na strminu. Dakle, kao što vidimo promjenom napona izmeñu gejta i sorsa možemo regulisati struju struju kroz MOS FET. Izmeñu gejta koji je izrañen od aluminijuma i kanala se nalazi izolacija od silicijumdioksida SiO2. Ova izolacija je veoma tanka i može da je uništi statički elektricitet sa naših ruku. Zato se MOS FET tranzistori pakuju u antistatička pakovanja, a 57
prije doticanja tranzistora moramo se osloboditi statičkog elektriciteta tako što ćemo dotaknuti neki uzemljeni metalni predmet. Najčešći kvar MOS FET tranzistora jeste upravo proboj spomenute izolacije. Najpoznatija primjena MOS FET tranzistora je u CMOS integrisanim kolima. Slovo C u oznaci CMOS je oznaka za primjenu komplementarnog (Complementary) spoja u CMOS kolima. Naime u CMOS kolima se komplementarno koriste P i N kanalni MOS FET kao što je prikazano na slici 5. na kojoj je data shema invertorskog kola u CMOS tehnologiji.
Sl. 5. Invertorsko CMOS kolo Kao što vidimo sa slike 5. signal na izlazu je invertovana slika signala na ulazu. Mnogi eksperti tvrde da je CMOS logička familija najbolja od svih kada se uzmu u obzir sve prednosti i nedostaci. Kao što je već rečeno proizvode se P-kanalni i N-kanalni MOS FETovi, ali pored podjele na P-kanalne i N-kanalne MOS FET-ovi se prema širini ugrañenog kanala dijele na obogaćene i osiromašene. Obogaćeni tip MOS FET-a ima uzak kanal, a osiromašeni širok. Na slici 6. su date prijenosne karakteristike oba tipa.
Sl. 6. Prijenosne karakteristike obogaćenog i osiromašenog tipa MOS FET-a Nešto manje se koriste JFET tranzistori. Konstrukcija i oznake (simboli) N-kanalnog i Pkanalnog JFET-a su dati na slici 7.
58
Sl. 7. Konstrukcija i simboli N-kanalnog i P-kanalnog JFET-a Ako pažljivije posmatramo konstrukciju N-kanalnog JFET-a možemo vidjeti da se u stvari radi o diodi sa dvije katode (drejn i sors) dok anoda obavlja funkciju gejta. Kod P-kanalnog JFET-a stvar je obrnuta tj. imamo dvije anode (drejn i sors), a katoda je gejt. Princip rada JFET-a je jednostavan. Ukoliko izmeñu gejta i sorsa dovedemo napon njime možemo regulisati širinu barijere koja nastaje na PN spoju. Što je barijera šira uži je kanal kroz koji teče struja i obrnuto. Promjenom napona izmeñu gejta i sorsa mijenjamo otpor izmeñu drejna i sorsa. Ako izmeñu gejta i sorsa ne dovedemo nikakav napon otpor drejn-sors je vrlo mali, reda nekoliko desetaka oma, ali ako narinemo napon gejt-sors tada se otpor drejn-sors značajno smanji. Prisjetimo se da ukoliko u bazu bipolarnog tranzistora dovedemo struju on provede. Meñutim, ako narinemo napon na gejt JFET-a on se zakoči. Dakle ponašanje bipolarnih tranzistora i JFET tranzistora je upravo obrnuto. Osim toga bipolarni tranzistori su upravljani strujom dok su unipolarni tranzistori upravljani naponom. Na slici 8. je data shema jednostavnog sklopa koji ilustruje rad JFET tranzistora.
Sl. 8. Prekidački sklop sa JFET tranzistorom Kao što vidimo u seriju su spojeni baterija napona 9V, LED dioda i JFET tranzistor BF244C. Na gejt tranzistora je spojen otpornik 100k i sonda napravljena od komadića žice. Može se iskoristiti bilo koja LED dioda na koju konstruktor naiñe. Umjesto tranzistora BF244C se može koristiti i BF245 ili 2N5458. Nakon što spojimo sklop prema slici svaki puta kada
59
rukom dotaknemo sondu promijenti će se status LED diode. Ovo je uzrokovano činjenicom da statički elektricitet sa naših ruku je dovoljan da afektira JFET tranzistor. Naime ulazni otpor JFET tranzistora je jako visok. Zato se u sklopovima sa JFET-ovima uvijek predviña otpornik izmeñu gejta i sorsa kako bi se eventualno zaostali naboj eliminisao. Sa slike vidimo da u seriju sa baterijom nije spojen otpornik. JFET tranzistor BF244C ima struju zasićenja od 25 mA što znači da on ograničava struju u krugu na spomenutih 25 mA tako da otpornik nije potreban. Na slici 9. je data shema pretpojačala na bazi JFET tranzistora. Na ovo pretpojačalo se može priključiti dinamički mikrofon, električna gitara i slični izvori slabih signala.
Sl. 9. Pretpojačalo na bazi JFET tranzistora U energetskoj elektronici se jako mnogo koriste IGBT tranzistori koji predstavljaju kombinaciju bipolarnih i unipolarnih tranzistora. IGBT je skraćenica od Insulated Gate Bipolar Transistor što u prijevodu znači bipolarni tranzistor sa izolovanim gejtom. U njima su kombinovane dobre osobine bipolarnih tranzistora (velika snaga) i unipolarnih tranzistora (visok ulazni otpor). Na slici 10. su dati simbol i ekvivalentna (nadomjesna) shema IGBT tranzistora.
Sl. 10. Simbol (lijevo) i ekvivalentna shema (desno) IGBT tranzistora Po svojoj konstrukciji JFET tranzistorima su slični UJT tranzistori. UJT je skraćenica od engleskog izraza UniJunction Transistor – jednospojni tranzistor. UJT tranzistori imaju tri izvoda: emiter i dvije baze, a najveću primjenu imaju u sklopovima za generisanje impulsa. Glavna razlika izmeñu UJT i JFET tranzistora je u nivou dotiranja primjesama. Na slici 11. je data shema jednostvanog sklopa za generisanje impulsa na bazi jednospojnog UJT tranzistora 2N2646.
60
Sl. 11. Sklop za generisanje impulsa na bazi jednospojnog UJT tranzistora Princip rada sklopa je jednostavan. Kondenzator se nabija preko otpornika 10k sve dok tranzistor ne provede. U tom omentu se kondenzator isprazni preko otpornika 20 oma što dovede do pojave naponskog impulsa na izlazu sklopa. Ovakvi generatori se koriste npr. u aparatima za bljeskanje u cilju postizanja stroboskopskog efekta pri čemu se izlaz sklopa spaja na sijalicu. Slični sklopovi se koriste i u bljeskalicama fotoaparata.
61
RELEJI Relej je komponenta elektronskih i uopšte električnih kola koja se koristi za pojačavanje digitalnih signala niske frekvencije i niz drugih primjena. Digitalni signali za razliku od analognih signala mogu imati samo dva stanja kao što je ilustrovano na slici 1.
Sl. 1. Vremenski dijagram digitalnog signala u pozitivnoj logici Kao što vidimo sa slike 1. digitalni signal može biti u stanju 0 ili u stanju 1 odnosno isključeno ili uključeno. Relej je davne 1835. godine izumio američki naučnik Džosef Henri (Joseph Henry). Sam naziv relej vjerovatno potiče od engleskog izraza relay kojim se izražavala smjena umornih konja na kočijama. Na slici 2. je data skica i fotografija releja.
Sl. 2. Skica (lijevo) i fotografija (desno) releja Kao što se vidi glavni dijelovi releja su opruga, kotva, elektromagnet i kontakti. Kotva je mali željezni štapić postavljen poput klackalice. Kada na elektromagnet nije narinut napon opruga svojom silom privlači svoju stranu kotve, ali kada se na elektromagnet narine napon on „nadjača“ oprugu te privuče kotvu (sl. 3.). Posljedica ovoga je da se prekine mirni, a zatvori radni kontakt. Dakle, mirni kontakt je zatvoren (uključen) kada elektromagnet nije pod naponom. Kada narinemo napon na elektromaganet zatvori se radni kontakt. Za mirni kontakt se koristi skraćena oznaka NC (Normaly Closed), a za radni kontakt NO (Normaly Opened). Za relej sa NO kontaktom se obično kaže da je forme A, a za NC da je forme B. Relej forme C radi kao preklopnik tj. sadrži NC i NO kontakt.
Sl. 3. Ilustracija rada releja
62
Elektromagnet releja, ovisno o tipu releja, se napaja jednosmjernom ili izmjeničnom strujom. Razlika izmeñu releja napajanih jednosmjernom i izmjeničnom strujom se ogleda u tome što kod releja napajanih jednosmjernom strujom smijemo zaglaviti kontakte, a da ne doñe do pregorijevanja elektromagneta. Ukoliko zaglavimo kontakte releja napajanog izmjeničnom strujom može se desiti da pregori zavojnica elektromagneta, jer tada može imati manju impedansu pa će povlačiti jaču struju. Releji napajani jednosmjernom strujom se standardno proizvode za napone: 5V, 6V, 12V, 24V, 48V i 220 V. Važni podaci o releju su takoñer i maksimalni napon i maksimalna struja koju podnose kontakti releja. Na slici 4. je dat primjer primjene releja.
Sl. 4. Primjena releja U momentu kada se preko prekidača elektromagnet releja napoji strujom sa izvora napona 12V DC, kotva elektromagneta biva privučena te se zatvori radni kontakt releja preko koga se sijalica napoji sa izvora napona 220V AC. Elektromagnet releja ima otpor 360Ω te iz izvora „vuče“ samo 12/360=0,033A=33mA. Dakle strujom od svega 33 mA upravljamo paljenjem i gašenjem sijalice. Slaba struja od 33mA se zove komandna (upravljačka) struja, a struja u drugom kolu kojom se napaja potrošač tj. sijalica se zove radna struja. Prema ovoj istoj shemi se može vršiti i upravljanje grijačem, elektromotorom i drugim potrošačema vodeći računa o maksimalnoj struji kontakta releja. Ograničenje u primjeni releja je njihova niska frekvencija rada od svega nekoliko herca. Osim toga releji koji se često uključuju i isključuju brzo otkažu, jer se kontakti istroše. Broj uključivanja i isključivanja svakog releja je ograničen, a ovisi o jačini struje kroz kontakte, jer prejaka struja skraćuje vijek trajanja kontakata. Vijek kontakata se može produžiti ugradnjom serijske veze otpornika i kondenzatora (RC član) kao što je prikazano na slici 5. RC članovi se proizvode spremni za ugradnju. Obično sadrže otpornik 100Ω i kondenzator 100nF. Kada se relej napajan jednosmjernom strujom koristi u elektronskim kolima tada se paralelno sa relejom obavezno spaja dioda čija je uloga da ograniči amplitudu napona koji se indukuju u elektromagnetu u momentu uključenja i isključenja. Uzrok je nagomilana energija u induktivitetu, a izvjestan uticaj ima i pomjeranje kotve odnosno promjena induktiviteta uzrokovana pomjeranjem kotve.
Sl. 5. Zaštitni elementi (dioda i RC član)
63
Postoji cijeli niz specijanih releja, a najviše se koriste: − − −
rid releji, kontaktori (sklopnici) i vremenski releji.
Rid relej (engleski: reed relay) je minijaturni relej, a kontaktor je relej za velike struje. Drugi naziv za kontaktor je sklopnik, ali bitno je napomenuti da su pojmovi sklopnik i sklopka dva različita pojma. Razlika izmeñu sklopke i sklopnika je u tome što se sklopka uključuje ručno, a sklopnik pomoću elektromagneta. Vremenski releji su releji sa kašnjenjem pri uključenju ili isključenju. Pojam reed na engleskom jeziku znači jezičak te se kod nas ponekada koristi termin jezičasti relej. Rid relej ima kontakt u obliku jezička kao što se vidi sa slike 6. na kojoj je prikazan kontakt rid releja i vanjski izgled jednog rid releja.
Sl. 6. Kontakt (lijevo) i vanjski izgled (desno) rid releja (palidrvce pored releja radi poreñenja veličine) Kontakti su izrañeni od feromagnetnog materijala i prevučeni srebrom, a smješteni su u malenu staklenu cjevčicu u kojoj je vakuum ili inertni gas kako bi se izbjeglo korozivno djelovanje zraka. Ovakva cjevčica sa kontaktima se smješta u untrašnjost zavojnice tako da u momentu kada na zavojnicu narinemo napon usljed magnetnog polja dolazi do spajanja kontakta rid releja. Rid relej čija skica je data na slici 6. ima samo jedan radni kontakt, ali proizvode se rid releji i sa većim brojem kontakata. Kontakti kakvi se koriste u rid releju imaju svoju primjenu u alarmnim ureñajima za signalizaciju otvaranja/zatvaranja prozora i vrata. Opisani kontakt se smješta unutar plastičnog kućišta koje se vijcima učvrsti na okvir (štok) vrata. Na krilo istih vrata se vijcima učvrsti magnet. Kada se vrata zatvore magnet nalegne na kontakt te se kontakt usljed magnetnog polja zatvori. Čim se vrata otvore barem 1 cm kontakt se prekine. Kontakti se kablovima spoje na alarmnu centralu koja signalizira da su vrata otvorena. Na istom principu su konstruisani i senzori pozicije kabine u liftovima i obrtomjeri na točkovima koji se vrte niskim brojevima obrtaja. Na točak se učvrsti magnet koji pri svakom obrtaju proñe pored kontakta te ga afektira uslje čega kontakt da impuls. Vezano za impulse koji dolaze sa relejnih kontakata bitno je napomenuti jedan detalj. Naime pri zatvaranji i otvaranju kontakata releja dolazi do poskakivanja (treperenja) kontakata te se javljaju impulsi uzrokovani spomenutim poskakivanjem kao što se vidi sa vremenskog dijagrama datog na slici 7.
Sl. 7. Impulsi uzrokovani treperenjem kontakata releja
64
Dijagaram sa slike 7. je snimljen pomoću digitalnog osciloskopa u mometu uključenja jedenog releja. Sa dijagrama vidimo da su se kontakti smirili tek nakon 80 µs te da imamo 8 lažnih impulsa. Ovakvi lažni impulsi nisu opasni, ako se signal sa releja vodi na drugi relej ili drugi trom ulaz, ali ako signal sa releja vodimo npr. na ulaz PLC-a (Programmable Logic Controller) koji je brz mikroprocesorski ureñaj tada ovi lažni impulsi mogu napraviti ozbiljne probleme, ako se ne poduzmu mjere za njihovu eliminaciju. Najjednostvanije rješenje ovog problema je da se u PLC softveru predvidi blok vremenskog kašnjenja za sve ulaze na koje se spajaju releji. Rješenje je takoñer ugradnja niskopropusnog filtera na ulazu koji će eliminisati lažne impulse. Spomenuti blok vremenskog kašnjenja predstavlja softversku verziju filtera. Na slici 8. su prikazane razne izvedbe kontaktora, a na slici 9. shema kontaktora.
Sl. 8. Kontaktori
Sl. 9. Shema kontaktora Kontaktor čija shema je data na na slici 9. ima 3 glavna i 2 pomoćna kontakta (jedan mirni i jedan radni). Glavni kontakti (iscrtani debelo) mogu provoditi jake struje, a pomoćni kontakti provode struje reda miliampera i koriste se za signalizaciju i upravljanje. Kontaktori često nemaju ugrañene pomoćne kontakte, ali se oni opciono mogu dodavati. Takoñer opciono se na kontaktor može namontirati ureñaj za zaštitu elektromotora od preopterećenja konstruisan na bazi bimetalne trake. Bimetalna traka se sastoji od dvije trake napravljene od različitih metala tako da se bimetalna traka savija pri zagrijavanju, jer različiti metali imaju različit koeficijent termičkog izduženja. Konkretno u ureñaju za zaštitu elektromotora od preopterećenja bimetalna traka se zagrijava strujom koja teče kroz kontaktor. Ukoliko je struja prejaka bimetalna traka se značajno savije i izazove prijekid strujnog kruga preko pomoćnog kontakta. Kao što se vidi sa slika 8. i 9. priključci elektromagneta kontaktora su označeni sa A1 i A2. Elektromagneti se napajaju izmjeničnom ili jednosmjernom strujom, a najčešći standardni naponi napajanja su: 24V, 48V, 110V i 220V. Na dizalicama se koriste kontaktori sa naponom napajanja 42V zbog zaštite od električnog udara. Proizvode se
65
kontaktori za struje počev od nekoliko stotina miliampera pa do nekoliko stotina ampera. Nije svejedno da li pomoću sklopke ili kontaktora prekidamo strujni krug sa omskim ili induktivnim opterećenjem. Kada se prekida strujni krug sa induktivnim potrošačem kao što je npr. elektromotor ili elektromagnet u trenutku prijekida u induktivitetu se indukuje jako visoki napon što dovodi do pojave varnice (iskre) na kontaktima koja razorno djeluje na kontakte. Usljed ovoga kontakti kontaktora i sklopki za induktivne potrošače moraju biti daleko otporniji. Takoñer nije isto da li je u pitanju strujni krug izmjenične ili jednosmjerne struje, jer se kod izmjenične struje javljaju viši naponi. Kontaktori za izmjenične strujne krugove se označavaju slovima AC, a za jednosmjerne krugove DC. Nazivi AC i DC potiču od engleskih skraćenica za izmjeničnu i jednosmjernu struju. Vrsta opterećenja se označava brojem. Kontaktori za omske potrošače kao što su npr. sijalice i grijači imaju oznaku AC-1 ili DC-1, a kontaktori za elektromotore AC-3 ili DC-3. Glavni podaci o kontaktoru su: maksimalna dozvoljena struja kontaktora, kategorija upotrebe i napon napajanja elektromagneta. Npr. kontaktor sa podacima: 16A, AC-3, 24VDC je predviñen za struju do maksimalno 16A uz kategoriju upotrebe AC-3 (napajanje izmjeničnog elektromotora), a elektromagnet mu se napaja jednosmjernom strujom napona 24V.
Sl. 10. Primjena kontaktora u elektromotornom pogonu Na slici 10. su date sheme glavnog i upravljačkog strujnog kruga jednog tipičnog elektromotornog pogona. Trofazni elektromotor se napaja sa tri linijska vodiča (L1, L2, L3) preko osigurača, bimetalne zaštite i kontaktora. Elektromagnet kontaktora je spojen u upravljački krug napona 24 VDC. U momentu kada pritisnemo taster START upravljački strujni krug se zatvori te elektromagnet zatvori glavne i pomoćne kontakte kontaktora tako da taster STOP možemo otpustiti, a elektromagnet će ostati napojen preko pomoćnog kontakta kontaktora tj. upravljački krug ima tzv. samodržanje. Da bismo zaustavili elektromotor trebamo pritisnuti taster STOP usljed čega ćemo prekinuti upravljački strujni krug te će elektromagnet ostati bez napajanja, a time i elektromotor. Ista stvar će se desiti, ako pomoćni kontakt bimetalne zaštite prekine strujni krug ili ako nakratko doñe do prekida napajanja električnom energijom. Kao što je već rečeno vremenski releji su releji sa kašnjenjem pri uključenju ili isključenju. Jedna vrsta vremenskih releja su stubišni automati sa kojima se svi manje ili više često susrećemo. Kada pritisnemo taster za uključenje
66
rasvjete u stubištu ista ostaje uključena podešeno vrijeme premda smo tasterom dali samo kratak impuls. U industriji se koriste dvije vrste vremenskih releja: releji sa kašnjenjem pri uključenju i releji sa kašnjenjem pri isključenju. Vremenski dijagrami rada i oznake kontakata za obje vrste releja su dati na slici 11.
Sl. 11. Vremenski dijagrami i oznake kontakata vremenskih releja Sa slike 11. vidimo da vremenski relej sa kašnjenjem pri uključenju skraćuje impulse, a vremenski relej sa kašnjenjem pri isključenju impulse produžava. Vremenski releji sa kašnjenjem su ranije konstruisani na pneumatskom principu. Sadržavali su mijeh napunjen zrakom. Naredna generacija vremenskih releja su bili elektronski vremenski releji kod kojih se kašnjenje postizalo kroz nabijanje elektrolitskog kondenzatora preko otpornika, a najsavremeniji vremenski releji su u digitalnoj izvedbi sa ugrañenim oscilatorom i brojačem impulsa. Posebna vrsta releja su poluprovodnički releji (engleski: Solid State Relay – SSR) koji su konstruisani na bazi elektronskih komponenti. Na slici 12. je data oznaka, vanjski izgled i shema poluprovodničkog releja konstruisanog na bazi MOSFET tranzistora. Osim MOSFET-ova za konstrukciju poluprovodničkih releja se koriste tiristori i triaci.
Sl. 12. Oznaka, fotografija i shema poluprovodničkog releja konstruisanog na bazi MOSFET tranzistora 67
Kao što se vidi sa slike12. afektiranje MOSFET-a se vrši pomoću LED diode čija svjetlost djeluje na ugrañenu fotodiodu. Poluprovodnički releji u poreñenju sa klasičnim relejima imaju niz prednosti i nedostataka. Glavne prednosti su bešuman rad i mnogo viša frekvencija rada, a glavni nedostatak Na slici 13. je data shema sklopa za regulaciju rada električne grijalice snage do 2kW uz primjenu poluprovodničkog releja.
Sl. 13. Sklop za regulaciju rada električne grijalice snage do 2kW uz primjenu poluprovodničkog releja Za regulaciju je iskorišten elektronski relej CWD2410, zidni termostat i baterija napona 9V. Regulacija grijalice snage 2kW koja „povlači“ iz mreže struju od I=P/U=2000/220=9,1A se ne može vršiti direktno preko termostata, jer njegovi kontakti podnose struju reda miliampera. Meñutim poluprovodnički relej podnosi struju do 10A te se preko njegovog izlaza može napajati grijalica. Ovakav sklop se može iskoristiti za regulaciju temperature unutar prostorija, a takoñer i u manjim pećima, inkubatorima itd. Ako se umjesto releja CWD2410 ugradi relej CWA2410 tada baterija nije potrebna već se umjesto nje koristi mrežni napon 220VAC. Oba releja (CWD2410 i CWA2410) imaju ugrañen limiter ulazne struje tako da se baterija odnosno mreža 220VAC mogu spajati direktno na ulaz releja. Na slici 14. je ilustrovana histereza releja nominalnog napona zavojnice 5V.
Sl. 5. Histereza releja Premda je nominalni napon releja 5V relej zatvara svoje kontakte već pri naponu od 3V, a otvara ih tek kada napon na njegovoj zavojnici padne ispod 1V. Dakle širina histereze releja je 3V-1V=2V. Memorijski releji (engleski: latching relays) su vrsta releja koji imaju dva stabilna stanja. Postoje dvije vrste memorijskih releja: sa jednom zavojnicom i sa dvije zavojnice. Memorijski relej sa jednom zavojnicom se još zove i impulsni relej, jer mijenja stanje kontakta pri svakom novom impulsu struje na zavojnici. Relej sa dvije zavojnice ima jednu zavojnicu za uključenje, a drugu za isključenje. Kada se dovede impuls na zavojnicu za uključenje kotva se pomjeri i zatvori kontakt, a permanentni magnet ga dalje drži i nakon isteka impulsa. Na drugoj strani je druga zavojnica za isključenje i drugi permanentni magnet.
68
TIRISTORI I TRIACI Tiristor je elektronska komponenta koja se koristi kao prekidački element kako u krugovima jednosmjerne tako i u krugovima izmjenične struje. Razvijen je 1956. godine u SAD. Za tiristor se često koristi naziv SCR što je skraćenica od engleskog izraza Silicon Controlled Rectifier (silicijumski upravljivi ispravljač). Naziv tiristor je nastao spajanjem pojmova tiratron i tranzistor. Tiratron je vrsta elektronske cijevi koja ima sličnu primjenu kao i tiristor. Na slici 1. je prikazan tiristor u prijesjeku i oznaka tiristora.
Sl. 1. Prijesjek i oznaka tiristora Za razliku od bipolarnog NPN tranzistora tiristor ima jedan sloj više. Dakle, tiristor je četvoroslojna struktura. Izvodi tiristora su A – anoda, G – gejt i K – katoda. Kao što je poznato kada se u bazu bipolarnog NPN tranzistora dovede dovoljno jaka struja on provede struju u smjeru od kolektora prema emiteru sve dok se dovodi struja u bazu. Za razliku od tranzistora u gejt tiristora je dovoljno dovesti kratki impuls struje i nakon toga tiristor provodi struju od anode prema katodi sve dok iz nekog razloga struja koja teče kroz njega ne padne ispod zadanog nivoa. Spomenuti nivo se zove struja držanja. Kod tranzistora je potrebno dovoditi struju, a kod tiristora ne zbog prisustva četvrtog sloja koji je P tipa. Spomenuti kratki impuls koji se dovodi na gejt ovisno tipu tiristora iznosi nekoliko miliampera, a napon treba biti oko 1V. Na slici 2. je data shema koja ilustruje rad tiristora u kolu jednosmjerne struje sa omskim potrošačem (sijalicom).
Sl. 2. Tiristor u kolu jednosmjerne struje
69
U momentu kada pritisnemo taster START preko tastera i otpornika R poteče struja u gejt te tiristor provede usljed čega se upali sijalica. Sijalica će goriti sve dok ne pritisnemo taster STOP bez obzira što smo otpustili taster START. Kada pritisnemo taster STOP sva struja koja je išla kroz tiristor “skrene” na taster STOP, jer je njegov otpor zanemariv u poreñenju sa otporom tiristora. Naime struja uvijek teče linijom manjeg otpora. Usljed ovoga tiristor praktično ostane bez struje te prestane da vodi i sijalica se gasi u momentu kada otpustimo taster STOP. Ako se tiristor koristi u kolima sinusoidalne izmjenične struje tada se “okidanje” tiristora vrši pomoću specijalnih elektronskih sklopova koji su sinhronizovani sa izvorom napajanja kako bi impuls za “okidanje” tiristora doveli u pravom momentu. Pomoću spomenutog elektronskog sklopa možemo regulisati jačinu struje kroz tiristor tako što ćemo podesiti momenat “okidanja” na početak poluperiode što odgovara najjačoj struji ili na kraj poluperiode što odgovara najslabijoj struji. Elektronski sklop se sastoji od blokova kašnjenja koji po želji pomjeraju momenat “okidanja”, a sami impulsi se na gejtove dovode preko malih transformatora. Na slikama 3. i 4. je data ilustracija rada tiristora u kolu sinusoidalne izmjenične struje sa omskim potrošačem (sijalicom).
Sl. 3. Tiristor u kolu izmjenične struje
Sl. 4. Vremenski dijagrami napona izvora, struje kroz tiristor i impulsa na gejtu pri čisto omskom opterećenju
70
Sa slike 4. vidimo da tiristor provede u momentu dovoñenja impulsa na gejt, a prestane da vodi kada naiñe negativna poluperioda napona. Sijalica je čisto omski potrošač, ali ako bismo spojili npr. elektromotor koji osim omske ima i induktivnu komponentu tada bi tiristor ostajao izvjesno vrijeme u voñenju i nakon što naiñe negativna poluperioda napona. Ovo je uzrokovanom činjenicom da induktivna komponenta zadržava tok struje te na taj način održava tiristor u voñenju još jedno vrijeme. Na slici 5. je dat vremenski dijagram rada tiristora pri kombinovano omskom i induktivnom opterećenju.
Sl. 5. Vremenski dijagrami napona izvora, struje kroz tiristor i impulsa na gejtu pri kombinovanom (omskom i induktivnom) opterećenju Sa slike 5. vidimo da osim što struja teče izvjesno vrijeme u voñenju i nakon što naiñe negativna poluperioda napona dijagram struje je “zaobljen”. Da bi se mogle provesti obje poluperiode (negativna i pozitivna) spajaju se dva tiristora kao što je prikazano na slici 6.
Sl. 6. Paralelan spoj inverzno polarisanih tiristora Za one koji vole da eksperimentišu preporučujemo da sastave sklop sa slike 7. Kao izvor napajanja napona 12V može poslužiti adapter sa izlaznim naponom 12V. Sijalica snage 1,2W “povlači” struju I=P/U=1,2/12=0,1A=100mA tako da je potreban adapter dovoljne snage. Tiristor BT151 podnosi struju do 12A. Pad napona na tiristoru izmeñu anode i katode je približno 1,2V, a izmeñu gejta i katode približno 0,6V.
71
Sl. 7. Jednostavan sklop sa tiristorom BT151 Izmeñu andode i katode tiristora je spojen RC član koji ima dvostruku funkciju. Prva funkcija je zaštitna u smislu da štiti tiristor od naponskih udara koji mogu izazvati proboj tiristora. Osim toga spomenuti naponski udari i ako ne izazovu proboj tiristora mogu izazvati njegovo nekontrolisano “okidanje”. RC član možemo i sami napraviti tako što ćemo spojiti otpornik 100 oma i kondenzator 100 nF u seriju. Na slici 8. je data shema sklopa za regulaciju rasvjete na bazi tiristora.
Sl. 8. Sklop za regulaciju rasvjete na bazi tiristora Pomoću potenciometra R1 se podešava brzina punjenja kondenzatora C. Naime, svaki puta kada preko tranformatora i Grecovog ispravljača naiñe pozitivna poluperioda kondenzator C se nakon zadanog vremena napuni usljed čega provede UJT tranzistor preko koga se kondenzator C isprazni te se na otporniku R4 pojavi impuls napona koji izazove “okidanje” tiristora. Praktično u momentu provoñenja UJT tranzistora dio struje sa kondenzatora C poteče u gejt tiristora te izazove njegovo “okidanje”. Ako je otpor potenciometra R1 nizak tada se kondenzator brzo napuni te tiristor provede odmah na početku poluperiode, a ako podesimo visok otpor potenciometra R1 tada će trebati više vremena da se napuni kondenzator što će imati za posljedicu da će tiristor “upaliti” na kraju poluperiode te će kroz sijalicu teći slabija struja. Kao što vidimo ovaj sklop ima samo jedan tiristor te kroz sijalicu teče samo pozitivna poluperioda. Da bi mogla teći i negativna poluperioda potrebno je
72
ugraditi još jedan tiristor inverzno polarisan u odnosu na postojeći, a impuls okidanja bi se dovodio preko impulsnog transformatora. Fototiristor je posebna vrsta tiristora koji se osim dovoñenja impulsa na gejt može “okidati” pomoću svjetlosti. Praktično, jedina konstruktivna razlika izmeñu fototiristora i standardnih tiristora je u tome što fototiristori na jednom dijelu kućišta, obično na gornjoj strani poklopca, imaju ugrañeno optičko sočivo preko koga se vrši svjetlosno aktiviranje. Triak je elektronska komponenta koja se koristi kao prekidački element. Premda se može koristiti i u krugovima jednosmjerne struje gotovo isključivo se koristi u krugovima izmjenične struje kao prekidački element. Sam naziv triak je skraćenica od engleskog izraza TRIode for Alternating Current – trioda za izmjeničnu struju. Na slici 9. je dat prijesjek i oznaka triaka.
Sl. 9. Prijesjek i oznaka triaka Na slici 10. je data shema koja ilustruje rad triaka. Kao što vidimo na gejt dovodimo izmjeničnu struju. Svaki puta kada pritisnemo taster sijalica će goriti sve dok je taster pritisnut. Upravljački napon se dovodi izmeñu gejta i anode A1. Jednako kao kod tiristora na gejt je dovoljno dovesti nekoliko miliampera struje uz napon od približno 1V. Triak se uglavnom koristi za napajanje omskih ili maloinduktivnih potrošača kao što su sijalice i grijači.
Sl. 10. Ilustracija rada triaka Na slici 11. je data shema jednokanalnog LIGHT SHOW (lajt šou) ureñaja konstruisanog na bazi triaka.
73
Sl. 11. Shema jednokanalnog LIGHT SHOW ureñaja LIGHT SHOW ureñaj se koristi u disko klubovima, u izlozima i drugdje gdje su potrebni svjetlosni efekti u interakciji sa zvukom. Postoje i verzije LIGHT SHOW-a koje se vežu na PC računar preko nekog od portova. Verzija LIGHT SHOW-a čija je shema na slici 11. se takoñer može spojiti na PC računar preko izlaza za zvučnik, a može se spojiti paralelno sa zvučnikom. Koristi se transformator iz adaptera čiji primar, predviñen za napon 220VAC, se spaja na modulator. Sekundar niskog napona se spaja na zvučnik. Transformator ima više izvoda na sekundaru te eksperimentalno treba izabrati izvod pri kome ureñaj najbolje radi. Potenciometrom 100k se vrši fino podešavanje ureñaja. Mogu se spojiti sijalice ukupne snage do 880W, jer je tiristor BT136 predviñen za struju do 4A. Tiristor treba postaviti na hladnjak. U seriju sa triakom je spojena komponenta sa oznakom BR100. BR100 je diak. Diak je skraćenica od engleskog izraza DIode for Alternating Current – dioda za izmjeničnu struju. Na slici 12. je dat prijesjek i oznaka diaka.
Sl. 12. Prijesjek i oznaka diaka Kao što se vidi diak je po konstrukciji sličan PNP tranzistioru. Za razliku od tranzistora diak nema bazu i koncentracija primjesa je mnogo veća usljed čega se rad PNP tranzistora i diaka značajno razlikuje. Naime, tranzistor provodi struju samo u jednom smjeru i to tek kada mu se u bazu dovede dovoljno jaka struja dok diak provodi struju u oba smjera kada napon narinut na njega preñe zadani nivo koji se obično označava oznakom VBO. VBO je skraćenica od engleskog izraza Voltage Break Over – napon proboja. Nakon što napon narinut na diak preñe nivo VBO tada otpor diaka praktično pada na nulu. Diak ima, u električnom smislu, ponašanje slično neonskoj lampi. Većina diaka ima napon proboja približno 20-30V. Npr.
74
diak BR100 koji se koristi u shemi sa slike 11. ima napon proboja u rasponu 28-36V ovisno o tome na kome primjerku diaka se mjeri, a diak 1N5758 napon proboja u rasponu 16-24V. Kao što vidimo teško je tokom proizvodnje postići tačno zadani napon proboja. Na slici 13. je data shema ureñaja za regulaciju jačine rasvjete. Ovakvi ureñaji se danas ugrañuju u zidne prekidače rasvjete, stolne i podne lampe itd. U literaturi se za njih koristi i termin potamnjivači.
Sl. 13. Shema ureñaja za regulaciju jačine rasvjete (potamnjivača) Princip rada ovog ureñaja je jednostavan. Kondenzator 100 nF se preko otpornika nabija elektricitetom na početku svake poluperiode. Nakon što napon na kondenzatoru dostigne nivo napona proboja diaka BR100 (približno 30V) diak provede te triak dobije impuls na gejtu usljed čega provede i ostaje u voñenju sve do kraja predmetne poluperiode. Sa idućom poluperiodom se postupak ponavlja. Brzina punjenja kondenzatora ovisi o podešenom otporu na potenciometru 500k. Ako je otpor manji tada se i kondenzator brže puni pa će tiristor provoditi odmah na početku poluperiode što će rezultirati većom jačinom rasvjete.
75
TEHNOLOGIJA PROIZVODNJE ELEKTRONSKIH KOMPONENTI I UREðAJA Elektronske komponente se dijele na pasivne i aktivne. Aktivne komponente mogu aktivno da utiču na promjenu električnog signala dok pasivne komponenete to ne mogu. Aktivne komponente su npr. diode i tranzistori, a pasivne komponente su npr. otpornici i kondenzatori. Danas se najviše koristi planarna i nešto manje hibridna tehnologija proizvodnje aktivnih komponenti. Tehnologija se naziva planarna zbog toga što taj proces rezultira u približno planarnoj (ravninskoj) strukturi. Proizvodnja svih aktivnih komponenti u planarnoj tehnologiji se sastoji od sljedećih operacija: 1. 2. 3. 4. 5.
oksidacija, fotolitografija, difuzija, metalizacija i isjecanje.
Najviše korištena sirovina za proizvodnju aktivnih elektronskih komponenti je poluprovodnik (poluvodič) silicijum n-tipa koji se isporučuje u obliku šipki (ingota) prječnika nekoliko centimatara i dužine 1-2 metra. Navedena šipka se poput salame reže na tanke kriške (engleski: wafers) debljine 0,4-0,6 mm kao što je prikazano na slici 1.
Sl. 1. Fotografija (lijevo) i crtež (desno) poluprovodničkog ingota Kriške se nakon isjecanja posebnim postupkom, poliraju do visokog sjaja, a zatim se zagrijavaju u pećima na tempraturu 850-1150°C u prisustvu kisika (oksigena) usljed čega dolazi do oksidacije površine kriški. Tokom procesa oksidacije na površini kriške se formira tanki sloj silicijumdioksida SiO2 debljine približno 0,00015 mm kao što je ilustrovano na slici 2.
Sl. 2. Formiranje sloja oksida SiO2 na površini kriške Proces fotolitografije se sastoji od tri faze: 1. premazivanje kriški emulzijom (fotorezistom), 2. osvjetljavanje premazanih kriški kroz masku i
76
3. nagrizanje emulzije i SiO2 . Emuzija (fotorezist) je materija osjetljiva na svjetlost. Osvjetljavanje premazanih kriški kroz masku je ilustrovano na slici 3. Fotorezist na osvjetljenim područjima postaje osjetljiv na kiseline tako da tokom nagrizanja dolazi uklanjanja osvijetljenog fotorezista i sloja oksida ispod tako da konačno dobivamo krišku prikazanu na slici 4.
Sl. 3. Osvjetljavanje kriški kroz masku
Sl. 4. Kriška nakon izvršenog procesa fotolitografije Proces difuzije primjesa se odvija u peći na temperaturi od 1100°C u prisustvu pare primjesa. Na slici 5. je prikazana kriška nakon procesa difuzije. Metalizacijom se nanose priljučci na komponente. Zadnja operacija pri izradi je isjecanje komponenti iz kriške silicijuma. Obično se iz jedne kriške isječe nekoliko desataka ili čak nekoliko stotina komponenti.
Sl. 5. Kriška nakon izvršenog proces difuzije
77
Na slikama 1.-4. je ilustrovan postupak proizvodnje jedne poluprovodničke diode sa slojevima P i N tipa. Ukoliko je potrebno proizvesti NPN tranzistor tada bi bilo potrebno u P sloj difundirati N sloj tako da bi se na kraju dobila struktura prema slici 6.
Sl. 6. Struktura NPN tranzistora Uglavnom, nakon isjecanja iz kriške elektronskim komponentama se montiraju žice (izvodi) i iste se postavljaju u plastična, keramička ili metalna kućišta. Pošto je metal provodnik pri smještanju elektronskih komponenti u u metalna kućišta izolovanje komponenti se vrši pomoću silikonske paste koja je električni izolator, ali zato dobro provodi toplotu te omogućava hlañenje komponenti. Hibridni integrisani krugovi su oni kod kojih se kombinuju različite tehnike i tehnologije integracije. Pasivne komponente se realizuju ili u tehnici tankog ili u tehnici debelog filma, a aktivne komponente uglavnom standardnom poluprovodničkom tehnologijom, te se dodaju kao diskretne komponente, tj. čipovi. U tehnici tankog filma pasivne komponente se izvode vakuumskim naparavanjem otporničkih, vodljivih i dielektričnih tankih slojeva ili filmova na pasivnu podlogu. Umjesto vakuumskog naparavanja, može se koristiti tehnika ionskog raspršivanja. Ionsko raspršivanje izvodi se u uvjetima niskog pritiska u atmosferi plemenitog plina. U hibridnim krugovima u tehnici debelog filma pasivne se komponente dobivaju postupkom sitoštampe. Štampanjem vodljivih, otporničkih i dielektričnih pasta kroz otvore u vrlo finom situ nastaju pasivne komponente. Najednostavniji način proizvodnje otpornika jeste namotavanje žice od konstantana (legura nikla i bakra) na tijelo od izolatora, ali ova tehnologija proizvodnje se danas malo koristi. Najviše se koriste tehnologije karbonskog i metalnog filma. U ovim tehnologijama se takoñer koristi tijelo od izolatora u obliku malenog valjka na koga se nanosi provodni film u obliku zavojnice, a preko filma se nanosi boja kao što je ilustrovano na slici. 7.
Sl. 7. Ispod zaštitne boje otpornika se nalazi provodni film
78
Kondenzatori manjeg kapaciteta se proizvode tako što se na keramičku pločicu nanese metalni film na koga se spoje izvodi. Kondenzatori većeg kapaciteta se proizvode tako što se izmeñu dvije aluminijske folije odgovarajuće površine postavi plastična izolaciona folija te se navedene tri folije zamotaju unutar plastičnog kućišta. Na aluminijske folije se spoje izvodi. Elektrolitski kondenzatori imaju aluminijumske ili tantal ploče izmeñu kojih je elektrolit (najčešće papir natopljen u elektrolitu). Tzv. superkondenzatori (kondenzatori velikih kapaciteta) se proizvode od karbonskog aerogela. Elektronske komponente se integrišu u cjelinu elektronskog ureñaja na tzv. štampanim pločama. Engleski naziv za štampane ploče je Printed Circuit Board pa se i u našoj literaturi često koristi skraćenica PCB. Štampana ploča je pasivna elektronska komponenta koja služi da ostvari veze izmeñu elektronskih komponenti koje su na njoj montirane. Izrañena je od fiberaglasa (za profesionalne potrebe) ili pertinaksa (za jeftinije elektronske ureñaje). Na ploču je nanijet bakar u tankom sloju. Bakar može biti nanijet i sa obje strane ploče. Takoñer ploče mogu biti zalijepljene jedna na drugu i time se otvaruje više slojeva bakra tj. višeslojna štampana ploča. Foto postupkom se definišu veze na štampanoj ploči. Sam foto postupak je vrlo sličan fotolitografskom postupku pri izradi aktivnih elektronskih komponenti. Naime tokom foto posupka prethodno isječene poločice se prvo deterdžentom očiste od nečistoća, zatim se lakiraju fotoosjetljivim sprejem, osvijetle se ultravioletnim zracima kroz odgovarajuće maske koje definišu oblik veza, potope se u rastvor natrijevog hidrokisda (kaustične sode) NaOH i na kraju nagrizaju u kiselinskom rastvoru solne (hlorovodonične) kiseline HCl. Pri pojedinačnoj izradi pločica maske se izrañuju štampanjem na providnom paus papiru pomoću laserskog štampača. Elektroničari amateri često sami izrañuju štampane ploče što nije preporučljivo, jer se pri izradi koriste opasne materije, a ultravioletni zraci su takoñer štetni. Mnogo bolje rješenje je kupovati gotove kit komplete u kojima se ploča dobiva spremna za montažu komponenti. Nakon foto postupka, naredna operacija je bušenje rupa u ploči u koje će se poslije umetati izvodi (nožice) elektronskih komponenti. Bušenje se vrši ručnom bušilicom pri pojedinačnoj izradi, a pri serijskoj proizvodnji se koriste CNC bušilice. CNC je skraćenica od engleskog izraza Computer Numerical Control što u prijevodu znači kompjutersko numeričko upravljanje. Ako pločica ima više slojeva vrši se metalizacija izbušenih rupa koje povezuju donju i gornju štampu, a zatim se na ploču se nanosi zaštitni film čija je funkcija da spriječi kratke spojeve tokom montaže i lemljenja elemenata. Štampana ploča mora da izdrži, bez deformacija, prelazak preko kalajnog kupatila gdje su temperature oko 250°C. Na slici 8. je prikazan detalj gotove štampane ploče.
Sl. 8. Detalj gotove štampane ploče Pri serijskoj proizvodnji elektronske komponente se mašinski ili ručno umetnu u štampanu ploču, a zatim se vrši lemljenje u spomenutom kalajnom kupatilu. Kalajno kupatilo je posuda u kojoj se nalazi otopljeni kalaj kome se obično dodaje izvjesna količina olova. Štampana ploča sa umetnutim komponentama se oko 5 sekundi potopi u kupatilo usljed čega se nožice (izvodi) komponenti zaleme za bakarne veze na štampanoj ploči. Elektronske komponente na bazi silicijuma mogu da izdrže do 10 sekundi na temperaturi kupatila. Ako je potrebno da se ugrade germanijumske komponente one se leme naknadno pri nižoj temperaturi. Po završetku lemljenja vrši se kontrola lemljenja. Ako se uoče defekti vrši se ručno dolemljivanje i korektura dužine elemenata na štampanoj ploči. Sljedeći korak u procesu proizvodnje je tzv. proces oživljavanja štampane ploče (podešavanje). Poslije podešavanja, ponovo se vrši 79
kontrola, a zatim konačna montaža ureñaja u kućište te završna kontrola. Pri pojedinačnoj proizvodnji vrši se lemljenje komponenti pomoću ručne lemilice. Koriste se lemilice sa i bez regulacije temperature. Za rad na terenu su posebno pogodne tzv. pištolj lemilice zbog činjenice da se brzo zagriju.
Sl. 9. Lemilice Pravilo je da se prvo leme otpornici, prekidači i induktiviteti, zatim kondenzatori i tek na kraju poluprovodničke komponente koje su najmanje otporne na visoke temperature. Nožice poluprovodničkih komponenti se pri lemljenju pridržavaju pincetama radi ovoñenja toplote. Pri lemljenju tranzistora je najoblje komadićem tanke žice omotati izvode tranzistora kako bi se iste kratkospojile. Naime, može se desiti da iz lemila „procuri“ izvjesna mala struja koja je ponekada opasna za tranzistore. Posebna vrsta elektronskih komponenti koje se danas jako mnogo koriste su SMD komponente. SMD je skraćenica od engleskog izraza Surface Mount Devices (komponente za površinsku montažu). Ove elektronske komponente se od konvencionalnih komponenti razlikuju u dva datalja. Kao prvo mnogo manjih dimenzija, a kao drugo nemaju žičanih izvoda već se direktno leme na štampanu ploču. Primjeri SMD komponenti su prikazani na slici 10.
Sl. 10. Primjeri SMD komponenti (desno je novčić 5PF radi poreñenja veličine)
80
SMD tehnologija je razvijena sredinom 60.-tih godina 20. stoljeća u okviru američkog programa razvoja svemirskih letjelica sa ciljem minijaturizacije elektronskih ureñaja. Meñutim do široke primjene SMD tehnologije je došlo tek krajem 80.-tih godina 20. stoljeća. Većina današnjih PC računara je izrañena upravo u SMD tehnologiji. Pri serijskoj proizvodnji ureñaja u SMD tehnologi se na štampanu ploču prvo ubrizgava posebna ljepljiva pasta na odreñena mjesta. Zatim se postavljaju SMD komponente i poslije toga sve zajedno ide u tunel sa toplim zrakom gdje se ljepljiva pasta pretvara u kalaj i time je lemljenje dovršeno. Pri pojedinačnoj proizvodnji elektronske komponente se opet pojedinačno leme pomoću lemilica sa oštrim vrhom. Danas, je proizvodnja elektronskih ureñaja globalizovana. Npr. nije rijetkost da se nacrti (dizajn) ureñaja urade npr. u Švedskoj, proizvodnja štampanih ploča obavi u Tajvanu, komponente da se proizvedu u Holandiji i Maleziji, lemljenje se obavi u Kini, a konačna motaža u Francuskoj.
81
ELEKTRIČNA POJAČALA Kao što samo ime kaže pojačala su ureñaji koji vrše pojačavanje signala. Dakako mi ćemo se prvenstveno pozabaviti električnim pojačalima premda postoje npr. mehanička, optička i druga pojačala. Elektronska pojačala su vrsta električnih pojačala premda ne i jedina vrsta električnih pojačala. Kao što je poznato postoje dvije vrste signala i to digitalni i analogni signali. U tom smislu i pojačala se prema vrsti signala kojeg pojačavaju dijele na pojačala digitalnih i pojačala analognih signala. Meñutim, kada za neko pojačalo kažemo da je digitalno to ne mora značiti da je to pojačalo digitalnih signala već to znači da se radi o pojačalu realizovanom u digitalnoj tehnologiji. Dakle, druga podjela pojačala je prema tehnologiji (analogna i digitalna pojačala). Historijski gledano prvo električno pojačalo korišteno za pojačavanje digitalnih signala je relej koji se koristio za pojačavanje na telegrafskim linijama. Naime telegrafske linije (duge više kilometara) su usljed električnog otpora vodiča slabile signale, jer je dolazilo do pada napona na vodičima. Kako bi se telegrafski signal „osvježio“ postavljani su releji sa baterijama na zadanim distancama. Postavljanjem telefonskih linija pojavila se potreba za pojačalima analognih signala. Naime na kilometrima dugim telefonskim linijama je takoñer dolazilo do slabljenja signala. Prva pojačala za analogne signale su bila konstruisana početkom 20. stoljeća mehaničkim spajanjem slušalice i ugljenog mikrofona. Premda primitivna ova pojačala su mogla dati na svom izlazu približno sto puta jači signal nego što je bio na ulazu. Glavni nedostatak ovih pojačala je visok nivo smetnji koje su poticale od ugljenog mikrofona. Na slici 1. je prikazana konstrukcija ovog pojačala.
Sl. 1. Pojačalo analognih signala konstruisano od slušalice i ugljenog mikrofona Ulazni signal se vodi na zavojnicu elektromagneta koja ima jako veliki broj namotaja tako da i vrlo slabi signal može rezultirati jakom silom elektromagneta koji pomjera kotvu. Kotva opet pomjera membranu ugljenog mikrofona. Zavisno od sile kojom je membrana pritisnuta mijenja se otpor sloja ugljene prašine. Kada membrana pritisne ugljenu prašinu zrnca postanu stisnutija te otpor pada i obrnuto. Elektromagnet privlači kotvu, a opruga membrane je vraća nazad. Baterija je izvor kontatnog napona te se na izlazu pojačala dobiva signal amplitude ovisne o otporu mikrofona odnosno o ulaznom signalu. Ovakva pojačala su bila u upotrebi do 30.-tih godina 20. stoljeća kada su zamijenjena pojačalima sa elektronskim cijevima. Početkom 20. stoljeća su izumljena i magnetna pojačala koja se koriste i danas, a zbog svoje visoke pouzdanosti jako mnogo se koriste u vojnim ureñajima. Npr. upravljački sistem rakete V-2 je imao ugrañeno magnetno pojačalo. Danas se koriste u ureñajima za regulaciju rasvjete, napojnim jedinicama i regulatorima za električne grijače. Shema magnetnog pojačala je data na slici 2.
82
Sl. 2. Shema magnetnog pojačala Kao što se vidi sa sheme na izlazu dobivamo izmjenični napon fiksne frekvencije, a visina napona se reguliše potenciometrom. Izmjenična struja teče preko namotaja namotanih na željeznim jezgrima tj. preko zavojnica. Induktivitet ovih zavojnica se mijenja promjenom jačine jednosmjerne struje koja teče sa baterije što se vrši pomoću spomenutog potenciometra. Promjena induktiviteta zavojnica je uzrokovana nelinearnom karakteristikom željeznog jezgra. Na slici 3. je prikazana ovisnost induktiviteta L zavojnica sa željeznim jezgrom o struji I koja teče kroz njih.
Sl. 3. Ovisnost induktiviteta zavojnice sa željeznim jezgrom o struji Tački A odgovara struja IA i induktivitet LA, a tački B struja IB i induktivitet LB. Dakle kada povećamo struju opadne induktivitet zavojnica i obrnuto. Kada poraste induktivitet zavojnice poraste i njezin otpor za izmjeničnu struju što dovodi do pada signala na izlazu pojačala. Potrebne su dvije zavojnice, jer se radio o izmjeničnoj struji sa dvije poluperiode. Ovaj princip je iskorišten i za magnetnu stabilizaciju izmjeničnih napona. Stariji čitaoci će se sjetiti da su se nekada TV aparati napajali strujom iz stabilizatora koji su bili teški i po nekoliko kilograma. Današnji TV aparati pa i PC računari u svojim napojnim jedinicama imaju ugrañene savremenije verzije stabilizatora koji zbog primjene elektronskih skolpova ne trebaju velika i teška željezna jezgra zavojnica. Meñutim, osnovni princip je ostao isti. Na slici 4. je data shema magnetnog stabilizatora.
83
Sl. 4. Shema magnetnog stabilizatora napona Glavni dio magnetnog stabilizatora napona je transformator koji radi u režimu zasićenja željeznog magnetnog jezgra tako da pri promjeni ulaznog napona ne dolazi do značajnijih promjena izlaznog napona. Kondenzator ima ulogu da kompenzira induktivnu komponentu transformatora, a uloga otpornika je da se preko njega isprazni kondenzator kada se isključi napajanje. Pored velike težine nedostatak ovog stabilizatora je što unosi velike smetnje. Naime usljed zasićenja jezgra signal na izlazu nije sinusni već su vrhovi sinusne krive „odrezani“. 1891. godine Hari Vard Leonard (Harry Ward Leonard) je izumio pojačalo analognih signala velike izlazne snage koje i danas u upotrebi za odreñene industrijske aplikacije premda ga sve više istiskuju elektronska pojačala. Prema svom izumitelju ovo pojačalo se zove Vard Leonardova grupa. Vard Leonardova grupa se sastoji od jednog generatora jednosmjerne struje i jednog elektromotora povezanih zajedničkim vratilom. Drugim riječima rečeno elektromotor pogoni generator. Elektromotor može biti napojen jednosmjernom ili izmjeničnom strujom i treba imati snagu barem deset puta veću od snage generatora. Ulazni signal male snage se dovodi na statorske namotaje generatora, a izlazni signal se dobiva na izlazu generatora. Proizvode se Vard Leonardove grupe snage do nekoliko destaka kW. Vard Leonardovu grupu je Ernst Aleksanderson (Ernst Alexanderson) iskoristio za konstrukciju amplidina (engleski: amplidyne) koji dugo vremena korišten za pozicioniranje radarskih antena i u drugim ureñajima gdje je bilo potrebno vršiti pozicioniranje električnim putem. Mnogi stručnjaci i danas miješaju pojmove Vard Leonardova grupa i amplidin misleći da je to dvoje isto premda amplidin sadrži Vard Leonardovu grupu kao svoj sastavni dio. Na slici 5. je data principska shema amplidina.
Sl. 5. Principska shema amplidina
84
Signal o zadanoj vrijednosti pozicije npr. radarske antene se dovodi na regulator koji isti poredi sa signalom o stvarnoj poziciji koji dolazi sa senzora. Na osnovu razlike spomenuta dva signala regulator proračunava signal koji se proslijeñuje Vard Leonardovoj grupi. Vrlo jaki signal sa Vard Leonardove grupe dolazi na motor za pozicioniranje koji pomjera npr. radarsku antenu u željenu poziciju. Kao što je već rečeno elektronska pojačala su vrsta električnih pojačala. Danas najširu primjenu imaju sljedeća elektronska pojačala: regulaciona pojačala snage, audio pojačala, visokofrekventna pojačala i jednosmjerna pojačala.
85
REGULACIONA POJAČALA SNAGE Regulaciona pojačala snage se, kako im i samo ime kaže koriste za pojačavanje signala u svrhe regulacije i to najčešće za potrebe regulacije broja obrtaja elektromotora. Postoje regulaciona pojačala snage za elektromotore jednosmjerne struje i za elektromotore izmjenične struje koja se dakako bitno razlikuju po svojoj konstrukciji. Prvo ćemo opisati pojačala za regulaciju broja obrtaja elektromotora jednosmjerne struje. Elektromotori jednosmjerne struje su se dugo zadržali u upotrebi i pored svojih nedostataka zato što se njihov broj obrtaja reguliše znatno lakše nego kada su u pitanju sinhroni i asinhroni elektromotori izmjenične struje. Naime broj obrtaja elektromotora jednosmjerne struje direktno ovisi o struji koja teče kroz njega što praktično znači da regulacijom struje elektromotora regulišemo i broj obrtaja. Drugim riječima rečeno, što se jača struja „pusti“ kroz elektromotor on se vrti većim brojem obrtaja. Najednostvaniji „regulator“ broja obrtaja elektromotora jednosmjerne struje je obični otpornik sa promjenljivim otporom (potenciometar) kao što je prikazano na slici 1. Naime kada se poveća otpor otpornika struja opada i obrnuto.
Sl. 1. Regulacija broja obrtaja elektromotora jednosmjerne struje potenciometrom Ovakav način regulacije se koristio npr. u tramvajima. Stariji čitaoci će se sjetiti starih tramvaja ispod kojih je uvijek dopirala struja toplog zraka. Naime otrpornici za regulaciju su se nalazili ispod poda tramvaja, a hladili se se ventilatorima tako da je ispod tramvaja dopirala spomenuta struja toplog zraka. Pomoću otpornika vozač tramvaja je regulisao broj obrtaja pogonskog elektromotora, a time i brzinu kretanja tramvaja. Glavni nedostatak ovog načina regulacije su veliki gubici energije na otporniku, jer je na otporniku vršeno pretvaranje električne energije u toplotnu. Bolji način regulacije, koji se danas široko primjenjuje počev od kućanskih aparata pa do industrijskih i drugih ureñaja je primjena regulacionog pojačala snage (skraćeno RPS). Na slici 2. je data shema spajanja jednostavnog regulacionog pojačala snage u svrhu regulacije broja obrtaja elektromotora jednosmjerne struje.
Sl. 2. Regulacija broja obrtaja elektromotora jednosmjerne struje regulacionim pojačalom snage (RPS)
86
Broj obrtaja se opet zadaje pomoću potenciometra, ali potenciometar na shemi sa slike 2. ima snagu manju od 1W dok potenciometar sa slike 1. ima snagu nekoliko stotina vati ili čak nekoliko kilovata. Osim pomoću potenciometra broj obrtaja se može zadavati pomoću standardnih naponskih signala 0-5 V ili 0-10 V ovisno o tipu regulatora. Regulaciona pojačala snage mogu biti konstruisana tako da rade u linearnom režimu ili u prekidačkom režimu. Ukoliko pojačalo radi u linearnom režimu gubici energije su opet jako veliki kao i kod regulacije pomoću otpornika. Meñutim i pored tog nedostatka pojačala sa linearnim režimom rada su u upotrebi. Shema jednostavnog regulacionog pojačala sa linearnim režimom rada je data na slici 3.
Sl. 3. Regulaciono pojačalo snage sa linearnim režimom rada Kao što se vidi sa slike 3. ovo pojačalo se sastoji od samo jednog tranzistora. Tranzistor je potrebno montirati na hladnjak zbog odvoñenja toplote, ali se izmeñu tranzistora i hladnjaka mora postaviti tanki sloj liskuna premazan silikagel pastom (pastom za poluprovodnike). Vijak M3 kojim se tranzistor učvršćuje na hladnjak se izoluje keramičkim izolatorom. Ovakvo pojačalo elektroničari često prave u „kućnoj izradi“ za potrebe regulacije broja obrtaja električnog ražnja. Naime električni ražnjevi se obično pogone pomoću elektromotora brisača automobila koji se napaja sa akumulatora napona 12V, a snaga motora je 15W. Vjerujem da će mnogim čitaocima ova primjena djelovati dosta neozbiljno, ali vrlo slično pojačalo se koristi za regulaciju kretanja pojedinih vrsta robota. Naime elektronski ureñaji danas imaju široku primjenu počev od „neozbiljnih“ kućnih aplikacija pa sve do sofisticiranih ureñaja svemirske, vojne i medicinske tehnike. Tranzistor BD239 ima strujno pojačanje hFE≥15 pri struji kolektora IC=1A što znači da je minimalna potrebna struja koja se dovodi u bazu tranzistora da bi tranzistor proveo IC/hFE=1/15=0,067A=67mA. Pri struji kolektora od 2A će biti potrebna jača struja od 2x67=134mA, jer je pri struji kolektora od 2A pojačanje tranzistora nešto manje. Da bi u bazu tekla struja od minimalno 67mA otpor potenciometra izmeñu kolektora i baze treba biti maksimalno 11,3V/0,067A=169Ω. U prethodnoj formuli se računalo sa naponom od 11,3V, a ne sa 12V zbog pada napona spoju baza-emiter od 0,7V. Ukoliko se podesi da otpor potenciometra bude 100Ω tada će kroz njega teći struja od približno 11,3V/100Ω=0,113A. Naime struja će teći i kroz dio potenciometra spojen izmeñu baze i emitera, ali je ta struja zanemariva. Jačina te struje je približno 0,7V/900Ω=0,0008A=0,8mA. Dakle kroz dio potenciometra otpora 100Ω teče struja 0,113A tako da je disipacija na potenciometru P=UxI=11,3x0,113=1,28W. Ipak odabran je potenciometar snage 1W, jer je razmatran ekstremni slučaj tako da će u praksi snaga od 1W biti dovoljna. Kao što vidimo proračun elektronskih sklopova nije u potpunosti egzaktan tako da se svaki ureñaj podvrgava ispitivanjima prototipa prije nego što se krene u serijsku proizvodnju. Glavna razlika izmeñu visokokvalitenih profesionalnih (i skupih) i niskokvalitetnih elektronskih ureñaja široke potrošnje je upravo u tome što profesionalni ureñaji prolaze rigorozna ispitivanja i dorade nakon svakog ispitivanja. Na slici 4. je data blok shema regulacionog pojačala snage koji radi u prekidačkom režimu.
87
Sl. 4. Regulaciono pojačalo snage sa prekidačkim režimom rada ŠIM je skraćenica od širinskoimpulsni modulator (engleski: PWM – Pulse Width Modulator). ŠIM je elektronski ureñaj koji na svom izlazu daje impulse čija širina ovisi od visine napona narinutog na ulaz. Frekvencija impulsa ovisi o potrebnoj tačnosti regulacije. Ako je potrebna veća tačnost regulacije podešava se viša frekvencija ŠIM-a. Rad ŠIM-a je ilustrovan na slici 5.
Sl. 5. Ilustracija funkcije ŠIM-a Kao što se vidi sa slike 5. kada je na ulaz ŠIM-a doveden nizak napon impulsi na izlazu su uski, a kada dovedemo visok napon na ulaz ŠIM-a izlazni impulsi su široki. Ako na ulaz dovedemo maksimalno dozvoljeni napon tada na izlazu umjesto niza impulsa dobijemo konstantan napon. Takoñer, ako je na ulazu napon 0V tada na je i na izlazu ŠIM-a napon 0V. Dakle, srednja vrijednost napona na ulazu i izlazu ŠIM-a je ista, ali se dobiva „iscjepkani“ signal. Na engleskom jeziku za sjeckanje se koristi termin chopper (čoper) tako da se za za ŠIM ureñaje i u našem jeziku udomaćio izraz čoper. Period „sjeckanja“ odnosno pojavljivanja impulsa je označem sa T pri čemu vrijedi odnos frekvencije impulsa f i perioda T:
f =
1 T
88
Npr. ako je frekvencija „sjeckanja“ f=100Hz tada je period T=1/f=1/100=0,01s=10ms što znači da je najveća širina impulsa 10ms. Ako je ulazni napon ŠIM-a u standardnom rasponu 0-10V tada vrijede odnosi ulaznog napona i širine impulsa dati u tabeli 1. Tabela 1. Odnos ulaznog napona i širine impulsa na izlazu (f=100Hz) Ulazni napon (V) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Širina impulsa (ms) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ka što se vidi iz tabele 1. svakom voltu sa ulaza odgovara jedna milisekunda na izlazu. Pomoću potenciometra se podešava visina ulaznog napona na ulazu ŠIM-a prikazanog na slici 4., a time i širina izlaznih impulsa odnosno jačina struje koja teče kroz elektromotor. Naime, impulsi sa izlaza ŠIM-a se vode na bazu tranzistora tako da se preko ŠIM-a upravlja kolektorskom strujom tranzistora. Može se postaviti pitanje zbog čega su gubici na tranzistoru manji, ako se na bazu umjesto konstantnog dovodi „sjeckani“ signal. Uzrok leži u činjenici da tranzistor kada mu je doveden „sjeckani“ signal radi u prekidačkom režimu kada mu je napon izmeñu kolektora i emitera, u stanju voñenja samo U=0,2-0,3V tako da je gubitak snage mnogo manji. Naime vrijedi relacija P=U•I te ako je napon U nizak niska je i disipirana snaga P. Naprotiv u linearnom režimu je napon izmeñu kolektora i emitera viši te je i disipacija veća. Već je rečeno da za veću tačnost regulacije trebamo i višu frekvenciju ŠIM-a, ali treba napomenuti da viša frekvencija ŠIM-a znači i veće gubitke tj. veću disipaciju snage. Naime, što je frekvencija ŠIM-a viša to su češći prelazi tranzistora iz stanja voñenja u stanje zakočenosti dakle i češći „prolazi“ kroz linearno područje u kome su gubici veliki. Bitno je napomenuti da se osim bipolarnih tranzistora za realizaciju regulacionih pojačala snage koriste i MOSFET tranzistori, IGBT tranzistori i tiristori. Samu konstrukciju ŠIM ureñaja nećemo obrañivati u ovom nastavku škole elektronike. Napomenut ćemo samo da se danas ŠIM-ovi gotovo po pravilu realizuju u tehnici integrisanih krugova. Na slici 6. je data shema ŠIM-a sa integrisanim kolom LM555.
Sl. 6. Shema ŠIM-a sa integrisanim kolom LM555 Triger (okidač) je ulaz na koga se dovodi niz impulsa konstantne širine od čije frekvencije ovisi frekvencija ŠIM-a. Regulaciona pojačala snage sa ŠIM-om imaju široku primjenu. Jedna od njih je regulacija broja obrtaja ventilatora na hladnjaku automobila. Stariji automobili su imali regulaciju broja obrtaja ventilatora izvedenu pomoću bimetalnog termoprekidača koja nije bila tačna tako da je dolazilo do značajnih kolebanja u temperaturi automobilskog motora što se moglo vidjeti i na termometru na instrument tabli, jer je kazaljka termometra „šetala“ lijevo-desno. Savremeni automobili naprotiv imaju regulaciju izvedenu pomoću regulatora sa regulacionim pojačalom snage koja je visokotačna tako da kazaljka termometra „ne mrda“. Na alatnim mašinama i drugim ureñajima gdje se zahtijeva visok
89
kvalitet regulacije se koriste složenija regulaciona pojačala sa ugrañenim mikroprocesorima, ali se regulacija opet vrši pomoću ŠIM-a. Mikroprocesorski regulator poredi stvarnu (SV) i zadanu (ZV) vrijednost broja obrtaja i na osnovu razlike stvarne i zadane vrijednosti vrši upravljanje. Na istom vratilu sa elektromotorom se postavlja tahogenerator koji služi za mjerenje broja obrtaja. Tahogenerator je obični generator jednosmjene struje (dinamo). Naime, napon na izlazu diname je direktno proporcionalan broju obrtaja tako da se dinama može iskoristiti za mjerenje broja obrtaja odnosno za dobivanje podatka o stvarnom broju obrtaja elektromotora. Iz iskustva znamo da sijalica na faru bicikla jače svijetli što se bicikl brže kreće što je uzrokovano spomenutim fenomenom – napon diname je viši pri većem broju obrtaja. Signal zadane vrijednosti (ZV) se dovodi kao naponski signal u rasponu od 10V do +10V. Naponu od 0V odgovara broj obrtaja n=0 (o/min), dok naponima od +/-10V odgovara maksimalni broj obrtaja elektromotora u jednom ili drugom smjeru. Kada su u pitanju elektromotori izmjenične struje stvari su nešto komplikovanije. Radi se o tome da postoji više vrsta elektromotora izmjenične struje: kolektorski, jednofazni, trofazni, kavezni, kolutni, sinhroni i asinhroni. Regulacija broja obrtaja kolektorskih elektromotora izmjenične struje je potpuno ista kao i elektromotora jednosmjerne struje. Daleko najširu primjenu imaju trofazni asinhroni kavezni elektromotori pa ćemo se fokusirati na njih. Postoje dva načina kontinualne regulacije broja obrtaja trofaznih asinhronih kaveznih elektromotora. Prvi način je da regulacijom struje elektromotora regulišemo i broj obrtaja, dakle potpuno isti princip kao i kod elektromotora jednosmjerne struje. Ovakav način regulacije se uglavnom koristi za regulaciju broja obrtaja centrifugalnih pumpi i ventilatora, a takoñer se koriste i za tzv. mehki start (engleski: soft start) elektromotora. Mehki start se koristi kako bi se izbjegle visoke struje pri pokretanju elektromotora koje opterećuju mrežu, a takoñer pojedine aplikacije su osjetljive na mehaničke udare koji nastaju pri „tvrdom“ startu elektromotora. Drugi način regulacije broja obrtaja trofaznih asinhronih kaveznih elektromotora je promjena frekvencije struje kojom se napaja elektromotor, jer broj obrtaja asinhronog elektromotora značajno ovisi o frekvenciji struje (što je frekvencija viša veći je i broj obrtaja). Sama promjena frekvencije struje se vrši pomoću frekventnog pretvarača. Na slici 7. je data blok shema spajanja elektromotora na frekventni pretvarač.
Sl. 7. Blok shema spajanja elektromotora na frekventni pretvarač
90
Signal zadane vrijednosti broja obrtaja je najčešće standarni naponski signal u rasponu od 10V do +10V. Frekventni pretvarač mrežni napon frekvencije 50Hz pretvara u napon željene frekvencije. Bitno je napomenuti da frekventni pretvarači osim frekvencije prilagoñavaju i napon napajanja u svrhu optimalne regulacije. Stari frekventni frekventni pretvarači su bili konstruisani kao elektromehnički ureñaji tzv. motor-generatorske grupe. Tipična motorgeneratorska grupa se sastojala od motora jednosmjerne struje čiji broj obrtaja se regulisao pomoću otpornika i generatora izmjenične struje spojenog na isto vratilo sa spomenutim elektromotorom tako da je elektromotor pogonio generator uz regulisani broj obrtaja. Pošto je broj obrtaja generatora bio promjenljiv bila je i promjenljiva i frekvencija generisane struje. Ovakvi ureñaji su bili glomazni mnogo manje pouzdani u radu u poreñenju sa savremenim mikrporocesorskim frekventnim pretvaračima. Savremeni frekventni pretvarači generišu struje željene frekvencije pomoću ŠIM-a kao što je ilustrovano na slici 8.
Sl. 8. Sinusni signal na ulazu ŠIM-a Signal zadane vrijednosti broja obrtaja u rasponu od -10V do +10V se konvertuje u sinusni signal odgovarajuće frekvencije pomoću naponski kontrolisanog oscilatora, a zatim se taj sinusni signal vodi na ulaz ŠIM-a koji sinusni signal pretvara u niz impulsa. Navedeni impulsi se pojačavaju i vode na elektromotor. Zbog činjenice da elektromotor ima induktivnu komponentu kroz elektromotor opet teče sinusna struja iste frekvencije kao što je bio signal na ulazu ŠIM-a. Istina na vremenskom dijagramu struje elektromotora se mogu primjetiti „zubići“ uzrokovani impulsima ŠIM-a, ali je struja kroz elektromotor ipak dovoljno čista sinusoida. Na slici 9. je dat oscilogram struje i napona na jednoj od faza elektromotora.
Sl. 9. Oscilogram struje i napona na jednoj od faza elektromotora 91
Na slici 10. je data pojednostavljena shema frekventnog pretvarača.
Sl. 10. Pojednostavljena shema frekventnog pretvarača
92
AUDIO POJAČALA Po definiciji audio pojačala su pojačala koja pojačavaju signale u frekventnom opsegu izmeñu 20Hz i 20kHz što je opseg sluha čovjeka. Meñutim, mnoga audio pojačala imaju uži frekventni opseg, a takoñer i većina ljudi ne može čuti cjelokupan opseg izmeñu 20Hz i 20kHz. Historijski gledano prva audio pojačala su konstruisana početkom 20. stoljeća mehaničkim spajanjem slušalice i ugljenog mikrofona, a kasnije su konstruisana audio pojačala na bazi elektronskih cijevi, zatim na bazi tranzistora i na kraju na bazi integrisanih krugova. Danas se najviše koriste upravo pojačala konstruisana na bazi integrisanih krugova, a tranzistorska i cijevna pojačala nešto manje. Cijevna pojačala su još u upotrebi, jer imaju specifičan zvuk koji posebno cijene kod ljubitelji električnih gitara. Za audio pojačala se koristi i termin instrumentaciona pojačala, jer se koriste za pojačavanje signala instrumenta kao što je npr. spomenuta električna gitara. Meñutim pojam instrumentaciona pojačala se takoñer koristi i za pojačala mjernih instrumanta tako da ponekada dolazi do konfuzije te je bolje izbegavati taj termin. Glavni podaci o audio pojačalu su: frekventni opseg, pojačanje, izlazna snaga, izlazna impedansa i izobličenje signala. Pojačanje se definiše kao odnos izlaznog i ulaznog napona. Izlazna impedansa je bitna pri spajanju pojačala na zvučnike. U principu pojačalo i zvučnici trebaju biti iste impedanse, ali je dozvoljeno da zvučnici imaju veću impedansu od pojačala. Ako je impedansa zvučnika veća tada neće biti iskorištena sva snaga pojačala. Ako pokušamo spojiti zvučnik niže impedanse od pojačala tada može doći do pregaranja zvučnika i/ili pojačala, ako nije ugrañena zaštita. Izobličenje signala je jako značajno kada su u pitanju audio pojačala, ali zbog činjenice da savremena pojačala imaju visok kvalitet reprodukcije u specifikaciji savremenih pojačala se čak ne navodi podatak o izobličenju. Vezano za izobličenje signala vezan je i pojam HiFi. HiFi je skraćenica od engleskog izraza High Fidelity – visoka vjernost. Pedesetih godina 20. stoljeća smatralo se da je pojačalo HiFi, ako je njegovo izobličenje signala bilo ispod 1%, jer većina ljudi ne može da primjeti izobličenje ispod 1%. Meñutim kako je tehnika pojačala napredovala zahtjevi su rasli da bi recimo osamdesetih godina zahtjevano izobličenje ispod 0,1%. Kako bi se slušaocu muzike u kućnom ambijentu omogućio barem približan ugoñaj koncertne dvorane razvijene su stereo i kvadro tehnika. Stereo pojačala imaju dva kanala (lijevi i desni), a kvadro četiri. Meñutim upitno je koliko se postiglo u dočaravanju koncertnog ugoñaja. Jer bez obzira da li slušamo neku klasičnu simfoniju ili neku pop-rock muziku obučeni u trenerku i duboko zavljeni u naslonjaču dnevne sobe ma kakvu tehniku da imamo nećemo imati ugoñaj neke koncertne dvorane gdje su oko nas drugi ljudi i gdje je prisutan jedan poseban „naboj u zraku“. Prema svojoj konstrukciji audio pojačala se dijele u klase: A, AB, B, C i D. Pojednostavljeno rečeno pojačalo klase A cijelo vrijeme radi u linearnom režimu (100% vremena), pojačalo klase AB približno 60% vremena je u linearnom režimu rada, pojačalo klase B 50% vremena, pojačalo klase C približno 40% vremena, a pojačalo klase D je manje od 1% vremena u linearnom režimu. Pojačala klase A su prva pojačala koja su konstruisana na bazi elektronskih komponenti. Imaju nizak stepen izobličenja, ali i vrlo nizak stepen iskorištenja snage. Kako bi se povećao koeficijent iskorištenja kosntruisana su pojačala klase B, C i D. Pojačalo klase AB je u suštini verzija pojačala klase B. Danas se koriste pojačala klase A, klase D i nešto manje pojačala klase AB te ćemo se na njih fokusirati. Na slici 1. je data tipična shema tranzistorskog pojačala u klasi A konstruisanog primjenom unipolarnog tranzistora (JFET tranzistora). Kondenzatori kapaciteta 22µF se biraju tako da imaju što manji otpor za izmjeničnu struju. Predviñeni su kondenzatori od 22µF premda je bolje uzeti što veći kapacitet kondenzatora kako bi se smanjili gubici na kondenzatoru. Obično su predviñeni kondenzatori u rasponu 1-100µF. Tranzistor BF244 ima strminu GFS≥2mS, a maksimalna dozvoljena struja drejna je 50mA. Napon napajanja od E=9V je odabran, jer je to standardni napon koji se može podesiti na adapteru ili se pojačalo može napojiti sa baterije napona 9V. U shemi sa slike je odabrana struja drejna ID=3mA. Napon izmeñu sorsa i gejta treba da je UGS=ID/GFS=3mA/2mS=1,5V. Da bi se postigao napon od 1,5V potrebno je da otpor otpornika izmeñu sorsa i uzemljenja bude R=U/I=1,5V/3mA=500Ω. Ipak odabran je otpornik 560Ω kako bi se osigurao viši napon na sorsu. 93
Sl. 1. Tipična shema tranzistorskog pojačala u klasi A Otpornik od 1MΩ je odabran kako bi se postigla visoka ulazna impedansa pojačala. Napon na drejnu UD je UD=E-3mA•1,5k=9-4,5=4,5V. Kao što vidimo sa slike 1. napon na gejtu, u stanju mirovanja, je 0V što je uzrokovano činjenicom da u stanju mirovanja kroz otpornik 1MΩ ne teče struja. Svi naponi navedeni na slici 1. su prema masi (uzemljenju), jer se u elektronskim shemama masa smatra za referentnu tačku. Precizniji termin za spomenute napone jeste potencijali tačaka. Oni koji žele da eksperimentišu mogu umjesto otpornika 560Ω ugraditi trimer od 1k te promjenom otpora trimera mijenjati potencijale sorsa i drejna. Bitno je uočiti jedan detalj – sors je na višem potencijalu od gejta. Pri gradnji ovakvog pojačala treba vodit računa da su JFET tranzistori osjetljivi na statički elektricitet. Kada se na ulaz pojačala dovede izmjenični signal tokom pozitivne poluperiode napon na otporniku 1MΩ poraste iznad 0V, a tokom negativne poluperiode padne ispod 0V, jer usljed signala dovedenog na ulaz teče struja kroz spomenuti otpornik. Kada napon na otporniku 1MΩ poraste napon UGS opadne usljed čega opadne i struja struja drejna ID, jer vrijedi relacija:
I D = GFS • U GS Dalje usljed pada struje drejna ID poraste potencijal drejna. Tokom negativne poluperiode se dešava obrnut proces tako da potencijal drejna opadne. Pretpostavimo da je na ulaz doveden signal amplitude 1mV i sračunajmo kolika će biti amplituda signala na izlazu odnosno drugim riječima rečeno sračunajmo koliko je pojačanje pojačala. Ako je GFS=2mS tada je promjena struje drejna ∆ID=GFSx0,001V=2mSx0,001V=0,002mA. Promjena potencijala drejna je 0,002mAx1,5k=0,003V. Kao što vidimo pojačanje ovog pojačala je 3x. Meñutim treba napomenuti da se radi o minimalnom pojačanju, a realno je očekivati pojačanje 10x. Osim toga ovdje se radi o jednostepenom pojačalu, a kada bi vezali ovakva dva pojačala jedno na drugo tada bi pojačanje poraslo po kvadratnom zakonu tj. minimalno bi bilo 9x, a realno bi se moglo očekivati 100x. Na slici 2. su date dvije tipične sheme tranzistorskog pojačala u klasi A konstruisanih primjenom bipolarnih tranzistora. Kao što se vidi imamo jednostvaniju i složeniju shemu. U obje sheme se koristi tranzistor BC109. Dakako da je složenija shema skuplja za realizaciju, ali daje i bolje rezultate. Fakusirajmo se na jednostavniju shemu. Kao sto vidimo osim tranzistora imamo dva otpornika (bazni i kolektorski) i dva kondenzatora. Uloga kondenzatora je da tranzistorsko kolo električki odvoji za jednosmjernu struju od drugih kola na koje će se pojačalo eventualno spojiti. Predviñeni su kondenzatori od 1µF premda je bolje uzeti što veći kapacitet kondenzatora kako bi se smanjili gubici na kondenzatoru. Uloga baznog i kolektorskog otpornika je da tranzistor dovedu u tzv. radnu tačku. Radna tačka tranzistora se bira tako da se postigne optimalna funkcija sklopa.
94
Sl. 2. Dvije tipične sheme tranzistorskog pojačala u klasi A Na slici 3. je data ovisnost pojačanja tranzistora BC109 o struju kolektora IC i o temperaturi.
Sl. 3. Ovisnost pojačanja tranzistora BC109 o kolektorskoj struji i temperaturi Kao što vidimo pojačanje je najveće u rasponu kolektorske struje izmeñu 5mA i 15mA. Tada je pojačanje hFE≈300 pri temperaturi od 25°C. Odaberimo struju mirovanja kolektora od IC=7mA (maksimalna kolektorska struja tranzistora BC109 je 50mA), Tako da je struja baze IB=IC/hFE=7/300=0,023mA=23µA. Takoñer odaberimo i kolektorski otpornik RC. Kolektorski otpornik treba imati vrijednost RC≥E/ICmax=12V/50mA=240Ω kako ne bi kroz kolektor tekla jača struja od dozvoljene. Ako odaberemo kolektorski otpornik od 1,2k kao što je na shemi tada je napon izmeñu kolektora i emitera u mirnom stanju: UCE=E-RCxIC=12V1,2kx7mA=3,6V. Znači potencijal kolektora je 3,6V. Pad napona na baznom otporniku RB je tada UCE-0,55V=3,6-0,55≈3V. Napon od 0,55V izmeñu baze i emitera smo očitali iz dijagrama sa slike 4. premda smo i bez očitavanja mogli očekivati napon 0,5V-0,7V. Kao što smo izračunali struja baze je 23µA te bazni otpornik treba imati vrijednost RB=3V/0,023mA=130k. Na shemi je ipak predviñen otpornik 120k kako bi bazna struja bila nešto jača. Kada se na ulaz pojačala dovede izmjenični signal tokom pozitivne poluperiode u bazu tranzistora poteče jača struja od struje mirovanja uzrokovano dotokom struje iz izvora signala.
95
Sl. 4. Meñusobna ovisnost struje baze i nabone izmeñu baze i emitera tranzistora BC109 Usljed porasta bazne struje poraste i kolektorska struja, jer vrijedi relacija:
I C = hFE • I B Usljed porasta kolektorske struje opadne napon na izlazu (opadne potencijal kolektora). Tokom negativne poluperiode se dešava obrnuto tj. potencijal kolektora poraste. Vidimo da ovo pojačalo vrši tzv. invertovanje signala u smislu da tokom pozitivne poluperiode na ulazu na izlazu imamo negativnu poluperiodu i obrnuto. Invertovanje signala je ilustrovano na slici 5.
Sl. 5. Invertovanje i pojačavanje signala Da bismo sračunali pojačanje ovog pojačala moramo znati ulazni otpor tranzistora BC109. Unipolarni tranzistori imaju praktično beskonačan ulazni otpor, ali bipolarni tranzistori kao što je naš BC109 imaju relativno nizak ulazni otpor reda kilooma koji ovisi o struji kolektora. Ulazni otpor tranzistora je hIE parametar tranzistora i očitava se iz kataloga. Tranzistor BC109 pri struji kolektora od IC=7mA ima hIE=2,5kΩ. Ukoliko na ulaz dovedemo signal amplitude 1mV tada će jačina bazne struje porasti za 1mV/2,5k=0,001V/2,5k=0,0004mA. Zbog činjenice da je pojačanje tranzistora hFE≈300 kolektorska struja će porasti za 300x tj. za 300x0,0004mA=0,12mA. Potencijal kolektora će opasti za 1,2kx0,12mA=0,144V=144mV.
96
Dakle pojačanje ovog pojačala je 144x. Kao što vidimo parametri tranzistora značajno ovise o izboru radne tačke. Ovo je iskorišteno za konstruisanje ureñaja za automatsku regulaciju pojačanja koji reguliše pojačanje pojačala pomjeranjem radne tačke tranzistora. Ručna regulacija pojačanja se vrši pomoću potenciometra koji se obično ugrañuje na ulazu u pojačalo. Boja zvuka se podešava takoñer pomoću potenciometara kojima se prigušuju odrñeni dijelovi tonskog spektra. Kvalitetnija pojačala imaju ugrañen ekvilajzer (engleski: equaliser) pomoću koga se može vršiti fino podešavanje boje zvuka. Obično se boja zvuka podešava prema vrsti zvuka (rock muzika, klasična muzika, film, govor), ali je jako bitna i akustika prostorije u kojoj se sluša. Drugim riječima rečeno potrebno je podesiti ekvilajzer prema akustičkim karakteristikama prostorije. Tranzistori male snage obično imaju veliko pojačanje, ali snažni tranzistori ne. Npr. tranzistor BD239 ima pojačanje od svega 15x pri struji kolektora od 1A. Da bi se postiglo visoko pojačanje i sa tranzistorima snage američki naučnik Sidni Darlington (Sidney Darlington) je 1953. godine izumio spoj tranzistora prikazan na slici 6.
Sl. 6. Darlingtonov spoj tranzistora Dva tranzistora spojena u Darlingtonov spoj imaju pojačanje koje predstavlja umnožak pojačanja pojedinih tranzistora. Npr. ako smo spojili u Darlingtonov spoj tranzistor sa pojačanjem 10x i tranzistor sa pojačanjem 15x ukupno pojačanje njihovog spoja će biti približno 150x. Poboljšana varijanta Darlingtonovog spoja je Siklajijev spoj prikazan na slici 7.
Sl. 7. Siklajijev spoj tranzistora Siklajijev spoj koristi NPN i PNP tranzistor, a njegova glavna prednost u odnosu na Dralingtonov je u tome što je napon izmeñu baze i emitera dvostruko niži. Siklajijev spoj je izumio Mañar ðerñ Siklai (George Sziklai). Vezano za audio pojačala bitno je spomenuti pojam tzv. negativne povratne sprege. Pojačala sa negativnom povratnom spregom (engleski: negative feedback amplifiers) je 1937. godine izumio američki naučnik Harold Blek (Harold Black). Kod ovih pojačala se dio invertovanog signala sa izlaza vraća na ulaz usljed čega se nešto smanjuje pojačanje pojačala, ali se zato značajno smanjuje izobličenje signala u pojačalu. Negativna povratna sprega se obično realizuje tako što se izmeñu ulaza i izlaza pojačala spoji otpornik. Što je otpornik nižeg otpora veći dio signala će se vraćati na ulaz. Zbog činjenice da se još uvijek koriste spomenut ćemo pojačala klase B premda ih sve više istiskuju pojačala klase D. Pojednostavljena shema pojačala klase B je data na slici 8.
97
Sl. 8. Pojednostavljena shema pojačala klase B Kao što se vidi sa sheme koriste se jedan NPN i jedan PNP tranzistor koji čine komplementarni par. Tranzistori moraju biti upareni tj. moraju imati isto pojačanje, jer jedan pojačava pozitivnu, a drugi negativnu poluperiodu signala u tzv. puš-pul (engleski: push-pull) spoju. Kao što je već rečeno većina svaremenih pojačala snage rade u D klasi. Pojačala D klase imaju vrlo sličan princip rada kao i regulaciona pojačala snage sa prekidačkim režimom rada uz razliku što se na izlaz pojačala umjesto elektromotora spajaju zvučnici. „Srce“ pojačala klase D je ŠIM (širinsko-impulsni modulator). Savremena pojačala imaju niz dodatnih funkcija kao što je npr. mogućnost spajanja na PC računar preko USB konekcije, mogućnost daljinskog podešavanja jačine i boje zvuka itd. itd. Na slici 9. je data pojednostavljena shema pojačala klase D.
Sl. 9. Pojednostavljena shema pojačala klase D
98
JEDNOSMJERNA POJAČALA Jednosmjerna pojačala (engleski: DC amplifiers) su pojačala koja pojačavaju signale jednosmjerne struje. U jednosmjerna pojačala u širem smislu spadaju i pojačala digitalnih signala. Potreba za pojačavanjem signala jednosmjerne struje se prvo pojavila u mjernoj tehnici. Prvobitni instrumenti za mjerenje električnih veličina galvanometri su bili dovoljno osjetljivi da su mogli mjeriti i vrlo slabe signale, ali njihov ulazni otpor je bio nizak, reda nekoliko stotina oma tako da su opterećivali strujno kolo na koje su se spajali. Da bi se navedeni nedostatak eliminisao na ulaz galvanometra je postavljano jednosmjerno pojačalo sa visokom ulaznom impedansom kao što je ilustrovano na slici 1.
Sl. 1. Galvanometar sa pojačalom U našoj literaturi se za galvanometar čestko koristi termin instrument sa pomičnim svitkom. Postoje dvije konstrukcije jednosmjernih pojačala i to čoper (engleski: chopper) pojačala i potpuno elektronska pojačala. Čoper pojačala pretvaraju jednosmjerni signal u izmjenični pomoću releja kao što je prikazano na slici 2.
Sl. 2. „Sjeckanje“ signala pomoću releja Kao što vidim sa slike 2. jednosmjerni signal je „isjeckan“ pomoću releja te je tako praktično preveden u izmjenični signal koji se pojačava običnim audio pojačalom. Na izlazu audio pojačala se postavi filter koji „isjeckani“ signal opet „izgladi“ ta se dobiva pojačan jednosmjerni signal. Čoper pojačala se danas jako malo koriste. Na slici 3. je data shema tranzistorskog jednosmjernog pojačala.
Sl. 3. Tranzistorsko jednosmjerno pojačalo
99
Kao što vidimo pojačalo za svoj rad treba izvor napona sa pozitivnim i negativnim naponom. Ako nemamo takav izvor on se realizuje pomoću djelitelja napona kao što je prikazano na slici 4. Potenciometrom RC se podešava nula (engleski: set zero) na izlazu instrumenta u odsustvu signala na ulazu. Ovo je neophodno, jer su ovakva pojačala jako osjetljiva na temperaturne promjene. Trimer potenciometar na izlazu služi za svrhe kalibracije (umjeravanja) pojačala. Naime pojačanje tranzistora odstupa od primjerka do primjerka te je potrebno podestiti pojačanje sklopa na zadanu vrijednost. Vremenom, usljed starenja pojačanje tranzistora se mijenja te je potrebno povremeno vršiti kalibracije.
Sl. 4. Djelitelj napona Danas se jednosmjerna pojačala konstruišu primjenom integrisanih kola čime se dobivaju sklopovi visoke stabilnosti i visoke tačnosti. Kao što je već rečeno u jednosmjerna pojačala u širem smislu spadaju i pojačala digitalnih signala. Najednostavnije pojačalo digitalnih signala je relej. Na slici 5. je data često viñena izvedba pojačala digitalnih siganala u kojoj su iskorišteni tranzistor i relej. Pri proračunu sklopa se pretpostavljalo da se na ulaz pojačala dovodi jednosmjerni signal napona 5V i maksimalne struje 8mA tako da je maksimalna snaga na ulazu 5Vx8mA=40mW. U sklopu se koristi relej čiji kontakti podnose napon od 220V pri struji 1A tako da je izlazna snaga sklopa 220Vx1A=2,2kW. Dakle pojačanje snage ovog sklopa je 2200W/0,04W=55000.
Sl. 5. Pojačalo digitalnih signala Princip rada ovog pojačala je jednostavan. Tranzistor radi u prekidačkom režimu tako da se može nalaziti u dva stanja: stanje zakočenosti i stanje voñenja. Kada je tranzistor zakočen kroz njegov kolektor ne teče struja pa ne teče ni kroz zavojnicu releja tako da kotva neće biti privučena i radni kontakt releja neće biti zatvoren. Kada je tranzistor u stanju voñenja tada je napon izmeñu njegovog kolektora i emitera vrlo nizak i iznosi približno 0,2V tako da teče struja kroz relej, kolektor i emiter što dovodi do privlačenja kotve releja i zatvaranja radnog kontakta. Koristi se relej čija zavojnica je predviñena za napajanje naponom 5V, a otpor joj je 38Ω tako da kroz relej teče struja (5V-0,2V)/38Ω=126mA. Otpor zavojnice releja je očitan iz kataloških podataka istog. Strujno pojačanje tranzistora BD239 takoñer očitano iz kataloških
100
podataka je hFE≥40 pri struji kolektora od 200mA tako da pri „našoj“ struji od 126mA možemo očekivati približno isto pojačanje. Da bi tranzistor sigurno bio u stanju voñenja potrebno je da u njegovu bazu teče struja od IC/hFE=126/40=3mA ili jača. Ako bi tekla slabija struja od 3mA tada bi tranzistor bio u linearnom režimu rada. Istovremeno trebamo voditi računa da je maksimalno dozvoljena struja na ulazu 8mA, jer je to najveća dozvoljena struja izvora signala. Ako želimo da u bazu teče struja 3mA otpor baznog otpornika treba biti (5V0,6V)/3mA=1,47k, a za struju baze od 8mA bazni otpornik treba imati otpor (5V0,6V)/8mA=0,55k. Dakle bazni otpornik treba biti u rasponu imeñu 0,55k i 1,47k. Sa slike 5. vidimo da je na bazu tranzistora spojen bazni otpornik 1k. Otpornik 47k je spojen izmeñu baze i emitera kako bi se povećala stabilnost sklopa. Kroz njega teče zanemariva struja od 0,6V/47k=0,013mA=13µA tako da praktično ne utiče na struju baze, ali zato u slučaju da usljed povećanja temperature poraste inverzna struja IC0 izmeñu baze i kolektora otpornik 47k će tu struju odvesti na masu i tako spriječiti nekontrolisano provoñenje tranzistora. Usljed pomjeranja kotve u zavojnici releja se indukuju visoki naponi koji mogu uništiti tranzistor te se paralelno sa zavojnicom spaja dioda 1N4007 čija uloga je da provede struju uzrokovanu spomenutim visokim naponom te na taj način visoki napon „obori“ na niskih 0,7V. Na slici 6. je ilustrovano stanje sklopa kada je na ulaz narinut napon 0V, a na slici 7. stanje kada je na ulazu sklopa narinut napon 5V.
Sl. 6. Tranzistor zakočen
Sl. 7. Tranzistor u stanju voñenja Premda je nominalni napon releja 5V relej zatvara svoje kontakte već pri naponu od 3V, a otvara ih tek kada napon na njegovoj zavojnici padne ispod 1V. Dakle širina histereze releja je 3V-1V=2V kao što je ilustrovano na slici 8.
Sl. 8. Histereza releja
101
Vezano za histerezu releja potrebno je sračunati maksimalni napon na ulazu sklopa koji sigurno neće izazvati zatvaranje kontakta releja i minimalni napon koji će sigurno izazvati zatvarnje. Ako je napon na releu 1V tada je kolektorska struja 1V/38Ω=0,026A=26mA. Da bi kroz kolektor tekla struja od 26mA potrebno je u bazu teče minimalna struja odreñena maksimalnim strujnim pojačanjem tranzistora. Nažalost u podacima tranzistora obično nemamo podatak o maksimalnom pojačanju, ali realno možemo očekivati da je ono 10x veće od minimalnog tako da možemo računati sa maksimalnim pojačanjem od 400x. Dakle minimalna struja baze je 26mA/400=0,065mA=65µA. Ova struja će teći pri naponu na ulazu U=0,5V+1kx0,065mA=0,565V. Dakle, tek za napon ispod približno 0,5V se može sa sigurnošću tvrditi da neće izazvati zatvaranje kontakta releja. Ako je napon na releu 3V tada je kolektorska struja 3V/38Ω=0,079A=79mA. Da bi ta struja tekla kroz kolektor potrebno je da bazna struja bude minimalno 79mA/40=2mA. Ova struja će teći pri naponu na ulazu U=0,7V+1kx2mA=3,7V. Znači minimalan napon na ulazu koji će sigurno dovesti do zatvaranja kontakta releja je 3,7V. Ako se dva navedena napona žele povećati tada se na ulaz sklopa postavi jedna ili čak dvije diode kao što je ilustrovano na slici 9.
Sl. 9. Podizanje pragova napona pomoću dioda Sklop sa slike 5. se često realizuje sa dva tranzistora u Darlingtonovom spoju kako bi se postiglo veće pojačanje sklopa. Na slici 10. je data shema pojačala digitalnih signala sa Darlington spojem tranzistora BC109 i BD239. Sklop je proračunat uz pretpostavku da je na ulazu signal napona 5V i maksimalne struje 0,2mA što znači da je maksimalna snaga na ulazu 5Vx0,2mA=1mW. Sklop se koristi za uključenje sijalice napona 12V i snage 5W. Na shemi sa slike 10. su navedeni naponi i struje izračunati uz pretpostavku da tranzistori imaju minimalna pojačanja (tranzistor BC109 sa hFE=270 i tranzistor BD239 hFE=15). Ako tranzistori imaju veće pojačanje od minimalnog tada sklop ima još bolji rad, a mijenja se samo struja kolektora tranzistora BC109 koja postaje jača. Čitaocima koje interesuje proračun elektronskih sklopova preporučujemo da za vježbu izvrše provjeru proračuna tj. da provjere podatke navedene na shemi.
Sl. 10. Pojačalo digitalnih signala sa Darlingtonovim parom
102
Na tarnzistoru BD239 se disipira 0,8Vx0,45A=0,36W tako da nije potrebno postavljati tranzistor na hladnjak. 230mW snage se može strujanjem zraka odvesti sa tranzistorskog kućišta tj. samo kućište tranzistora ima dovoljnu površinu za odvoñenje toplote. Oni čitaoci koji sagrade ovaj sklop mogu mjerenjem na samom sklopu provjeriti proračunske podatke. Naponi se mjere voltmetrom, a mjerenje struja je najzgodnije sprovesti pomoću miliamperskih strujnih kliješta. U svrhu mjerenja struja je potrebno pri samoj gradnji sklopa ostaviti nešto duže žice kako bi se iste mogle obuhvatiti strujnim kliještima. Ako se struje mjere pomoću miliampermetra bez strujnih kliješta tada treba predvidjeti mogućnost odpajanja žica u svrhu mjerenja. U PC računar se može ugraditi PC kartica sa digitalnim izlazom. Postoje takoñer i eksterni ureñaji sa digitalnim izlazom koji se spajaju na USB port. Ova kartice obično imaju izlaz male snage. Npr. u podacima jedne kartice stoji da je izlaz 3V pri struji od 2,5mA (3.0 volts min @ -2.5 mA). Očigledno da je na izlazu tranzistor sa otpornikom 0,8k u kolektoru, jer je pad napona na njemu 2V. Ovakav izlaz male snage se može spojiti na ulaz pojačala sa slike 10. Umjesto sijalice se može spojiti relej sa zaštitnom diodom. Pojedine PC kartice imaju relejni izlaz sa rid relejom, a takoñer sreće se izlaz sa otvorenim kolektorom (engleski: open collector). Kod izlaza sa otvorenim kolektorom na izlazu imamo kolektor i emiter tranzistora, a baza je spojena unutar kartice kao što je ilustrovano na slici 11.
Sl. 11. Izlaz sa otvorenim kolektorom Kada se u bazu tranzistora dovede struja tranzistor provede te izlaz „padne“ na približno 0,2V, a kada se bazna struja isključi tranzistor se zakoči te je izlaz u stanju visoke impedanse. Dakle u ovoj izvedbi tranzistor je ulozi svojevrsnog prekidača.
103
VISOKOFREKVENTNA POJAČALA Visokofrekventna pojačala (skraćeno VF pojačala) su pojačala koja pojačavaju signale visokih frekvencija. Dijele se na širokopojasna i uskopojasna. Kao što im i samo ime kaže širokopojasna VF pojačala pojačavaju signale šireg opsega frekvencija dok su uskopojasna selektivna. Prva primjena VF pojačala je bila u radiotehnici. Na slici 1. je data blok shema tzv. direktnog radio prijemnika.
Sl. 1. Blok shema direktnog radio prijemnika Antena i uzemljenje se spajaju na oscilatorno kolo čija uloga je da iz mnoštva signala koje „pokupi“ antena izdvoji signal željene radio stanice. Signal se zatim pojačava širokopojasnim VF pojačalom, demodulira se AM demodulatorom, zatim pojačava NF (niskofrekventnim) pojačalom i reprodukuje pomoću zvučnika. NF pojačalo je audio pojačalo, a AM je skraćenica od amplitudna modulacija. Amplitudna modulacija se realizuje tako što se amplituda signala oblikuje prema signalu koji se dovodi na modulator. Demodulator ima obrnutu funkciju od modulatora i uloga mu je da rekonstruiše signal doveden na modulator. Potpuna shema radio prijemnika za srednje talase tipa 1-T-1 je data na slici 2. Ovo je tranzistorski prijemnik te mu je oznaka T – tranzistor, a za isti prijemnik sa elektronskim cijevima bi oznaka bila 1-V-1 gdje je V skraćenica od Valve što engleski izraz za elektronsku cijev. Brojevi 1 sa početka i kraja znače da imamo jednostepena visokofrekventna i niskofrekventna pojačala. Ako bismo konstruisali prijemnik sa dvostepenim VF pojačalom i jednostepenim NF pojačalom imali bi prijemnik 2-T-1.
Sl. 2. Shema direktnog radio prijemnika
104
Danas u doba satelitskih radio prijemnika i prijema radio programa putem interneta ovakvi radio prijemnici iz 50.-tih godina prošlog stoljeća odista djeluju poput nekog muzejskog eksponata. Meñutim ljudi i dan danas ručno sastavljaju ovakve prijemnike i kompleti dijelova za njihove sastavljanje se mogu pronaći u specijalizovanim prodavnicama elektronike. Učenici i studenti ih sastavljaju radi sticanja znanja i vještina, a stariji jednostavno iz zabave. Direktni prijemnici su se mogli koristiti za prijem jakih signala tzv. koncertnih radio stanica, a za potrebe radiokomunikacija nisu bili podesni te su konstruisani tzv. superheterodinski prijemnici. Sam pojam heterodina potiče iz starogrčkog jezika i označava udruživanje više sila. Heterodinski princip je 1900. godine izumio kanadski naučnik Reginald Fessenden, ali je do njegove šire primjene došlo tek 20.-tih godina prošlog stoljeća. Prvu praktičnu primjenu heterodinskog principa u radiokomunikacijama je ostvario major američke vojske Edwin Armstrong 1917. godine. Blok shema superheterodinskog prijemnika je data na slici 3.
Sl. 3. Blok shema superheterodinskog radio prijemnika Kao što vidimo u superheterodinskom prijemniku signal sa antene se prvo pojačava pomoću širokopojasnog VF pojačala, a zatim se pomoću oscilatornog kola koga čine kondenzator i zavojnica iz signala izdvaja signal željene radio stanice koji se zatim vodi na mikser. U mikseru se miješa spomenuti signal radio stanice i signal iz oscilatora. Oscilator generiše sinusni signal sa frekvencijom koja je od signala radio stanice viša za 455 kHz ili za 10,7MHz. Spomenute dvije frekvancije su standardne frekvencije selektivnih uskopojasnih VF pojačala. U radiotehnici se za spomenuta selektivna uskopojasna pojačala često koristi i termin meñufrekventna (MF) pojačala zbog činjenice da se nalaze izmeñu VF i NF pojačala dakle u svojevrsnom meñuprostoru. Mikser je elektronski sklop koji formira proizvod (umnožak, produkt) signala. Shema miksera je data na slici 4.
Sl. 4. Shema miksera
105
Kao što se vidi sa slike na signal sa širokopojasnog VF pojačala dovodimo na bazu tranzistora, a signal sa oscilatora na emiter tranzistora. Usljed ovoga na kolektoru tranzistora dobivamo signal koji predstvalja umnožak spomenutih signala. Iz matematike je poznata relacija za umnožak dva sinusna signala:
cos A • cos B =
cos( A + B ) + cos( A − B) 2
Dakle kada se umnože dva sinusna signala dobivamo opet dva sinusna signala, ali jedan sa frekvencijom koja predstavlja zbir i drugi koji predstavlja razliku frekvencija umnoženih signala. Uzmimo npr. da je ulaz radio prijemnika podešen da prima signal BH radija 1 na frekvenciji 612 kHz te da je meñufrekvencija 455 kHz što znači da je frekvencija oscilatora 612+455=1067 kHz. Dakle u mikseru se formira umnožak signala frekvencija 612 kHz i 1067 kHz tako da na izlazu miksera dobivamo signale frekvencija 1067-612=455 kHz i 1067+612=1679 kHz. Signal frekvencije 455 kHz se pojačava u meñufrekventnom pojačalu. Glavni razlog zbog koga su konstruisani superheterodinski radio prijemnici leži u činjenici da se frekvencija signala snižava te se pojačanje vrši na nižim frekvencijama gdje je pojačanje tranzistora veće. Bitno je spomenuti pojam SDR - Software-Defined Radio koji je 1991. godine uveo u upotrebu Joseph Mitola, a odnosi se na računarsku realizaciju radio ureñaja. Istraživanja na ovom polju su otpočela krajem 70.-tih godina prošlog stoljeća, a danas se na tržištu mogu nabaviti ureñaji koji se spajaju na mikrofonski ulaz PC računara, a omogućavaju kvalitetan prijem radiosignala poput profesionalnih komunikacijskih ureñaja. Na PC računar se dakako instalira ogovarajući softver. Najviše su u upotrebi besplatni softverski paketi Winrad i GNU Radio. Spomenuti ureñaj se sastoji od VF pojačala, oscilatora i miksera spojenih prema blok shemi sa slike 3. Signal sa miksera se vodi na mikrofonski ulaz PC računara. Počev od 2005. godine se radi na razvoju HPSDR-a (High Performance Software Defined Radio). Na ulaz HPSDR ureñaja se spaja antena, a sam HPSDR ureñaj se na PC spaja USB kablom. Za razliku od SDR ureñaja koji su u većini slučajeva analogni ureñaji HPSDR su digitalni ureñaji koji ulazni signal pojačavaju i pomoću digitalnoanalognog konvertora (DAC) prevode u digitalni oblik. Na slici 5. je data tipična shema uskopojasnog VF pojačala.
Sl. 5. Shema uskopojasnog VF pojačala Otpornicima 2,2k i 47k se tranzistor BF199 dovodi u radnu tačku (jednosmjerna struja u bazu teče sa + pola napajanja preko otpornika 47k i zavojnice ulaznog transformatora). Signal se na bazu tranizstora dovodi sa VF transformatora, a pojačan signal sa kolektora se opet vodi na VF transformator. Kondenzatori 47nF služe kako bi provodili signal praktično bez otpora, a istovremeno za jednosmjernu struju predstavljaju beskonačan otpor. Npr. kapacitivni reaktivni otpor (reaktansa) kondenzatora 47nF pri frekvenciji 455 kHz iznosi
106
1/(2xπxfxC)=1/(2x3,14x455000x0,000000047)=7,5Ω. Dakle zavojnica ulaznog transformatora je jednim krajem preko kondenzatora 47nF spojena na masu, a drugim krajem na bazu tranzistora. Zavojnica izlaznog transformatora je jednim krajem spojena na kolektor, a drugim krajem preko kondenzatora 47nF. U kolektor jednosmjerna struja dotiče preko otpornika 1k i zavojnice izlaznog transformatora. Emiterski otpornik 680Ω ima ulogu da stabilizuje radnu tačku, a za izmjeničnu struju je prespojen kondenzatorom 47nF. Paralelno sa zavojnicom na izlazu je spojen kondezator tako da je formirano oscilatorno kolo koje osciluje na frekvenciji 455 kHz te je na taj način postignuta selektivnost sklopa. Širokopojasno VF pojačalo sa tranzistorom BF199 sa slike 2. se može iskoristiti kao antensko pojačalo kako za prijem radio tako i za prijem TV programa. Meñutim na slici 6. je data shema kvalitetnijeg širokopojasnog VF pojačala opsega 80 MHz do 800 MHz koje se takoñer može iskoristiti kao antensko pojačalo. Tranzistor se dovodi u radnu tačku preko bazne zavojnice i Zener diode napona 4,7V. Sa kolektorskih zavojnica se „skida“ izlazni signal. Premda jednostavno ovo pojačalo ima veliko pojačanje te se po potrebi na ulazu može postaviti potenciometar 100Ω u svrhu regulacije pojačanja. Pojačanje se može regulisati i promjenom napona napajanja što je bolje rješenje, jer se izbjegavaju šumovi sa potenciometra.
Sl. 6. Antensko pojačalo Tranzistor BFG65 je niskošumni tranzistor koji se koristi za gradnju VF pojačala za frekvencije do 2GHz tako da se može koristiti npr. za pojačavanje signala u satelitskim TV sistemima. Ima dva izvoda za emiter što je bitno kako bi se smanjili parazitni kapaciteti izmeñu izlaza i ulaza pojačala, jer na ovako visokim frekvencijama već i mali kapaciteti reda pikofarada imaju veliki uticaj. Sračunajmo koliki je kapacitivni reaktivni otpor (reaktansa) kondenzatora 1pF pri frekvenciji 1GHz. Imamo 1/(2xπxfxC)=1/(2x3,14x109x10-12)=159Ω. Dakle kondenzator malog kapaciteta od svega 1pF kakav se može formirati tako što uvrnemo dva komadića izolovane žice ima dovoljno nizak otpor od 159Ω dovoljan da značajno smanji pojačanje pojačala. Projektovanje VF pojačala je znatno složenije nego li projektovanje NF pojačala upravo zbog parazitnih kapaciteta i induktiviteta. Za projektovanje NF pojačala se najčešće koriste h i Y parametri četveropola, a za projektovanje VF pojačala S parametri (parametri raspršenja, rasijanja). S je skraćenica od engleske riječi scatter što znači raspršiti ili rasijati. Premda se danas jako mnogo koriste CAD programi još uvijek je u upotrebi Smitov dijagram (engleski: Smith chart) kao alat za projektovanje VF pojačala. Na slici 7. je prikazan pojednostavljeni Smitov dijagram.
107
Sl. 7. Smitov dijagram Smitov dijagram je dobio ime po svom izumitelju američkom inženjeru Phillipu Smithu koji ga je izumio 1939. godine. Kao što se vidi sa slike 7. Smitov dijagram je skalirani polarni dijagram. Najčešće se skaliranje vrši na impedansu 50Ω. Centar dijagrama je u tački 1 koja odgovara spomenutoj impedansi od 50Ω. Na dijagramu sa slike 7. je prikazana tačka sa skaliranom impedansom Z=1+j2Ω što znači impedansom Z=50+j100Ω, jer se vrši množenje sa faktorom skaliranja 50. Podsjetićemo da je ovdje j tzv. imaginarna jedinica odnosno j= − 1 , jer se u elektrotehnici imaginarna jedinica označava sa j umjesto sa i kao što je uobičajeno u matematici. Danas se VF pojačala na bazi Si tranzistora grade za frekvencije do 30GHz, a na bazi GaAs tranzistora za frekvencije do 100GHz. Osim tranzistora za gradnju VF pojačala se koriste tunel diode. Na slici 8. je data shema VF pojačala konstruisanog na bazi tunel diode.
Sl. 8. VF pojačalo sa tunel diodom Preko otpornika 39k dotiče struja koja tunel diodu 1N4395 dovodi u radnu tačku gdje ima negativan otpor približno -100Ω. Potenciometrom 220Ω se podešava ukupan serijski otpor diode potenciometra i otpornika 75Ω na željenu vrijednost kako bi se dobilo potrebno pojačanje sklopa. Pretpostavimo da je amplituda ulaznog izmjeničnog signala 1mV i
108
podešeni serijski otpor 5Ω. Tada kroz otpornik 75Ω teče izmjenična struja od 1mV/5Ω=0,2mA što znači da je na njemu izmjenični napon 15mV. Dakle podešeno pojačanje sklopa je 15x. Negativni otpor tunel diode je ilustrovan na slici 9.
Sl. 9. Negativni otpor tunel diode Kao što se vidi sa slike 9. ako je struja kroz tunel diodu izmeñu IMIN i IMAX tada dioda ima negativan otpor, jer pri porastu napona na diodi struja kroz diodu opada. Kao što je poznato prema Omovom zakonu I=U/R pri porastu napona raste i struja, ali ako je otpor R negativan tada vrijedi obrnuto. U našem primjeru u seriju sa ulaznim signalom su spojeni kondenzator 1n koji za izmjenični signal ima zanemariv otpor, tunel dioda sa otporom -100Ω, potenciometar čiji otpor je podešen na 30Ω i otpornik 75Ω tako da je ukupan otpor 100+30+75=5Ω. Osim navedenih bitno je spomenuti VF pojačala snage konstruisana primjenom elektronskih cijevi spojenih u push-pull spoju kakva se koriste u radio odašiljačima velike snage. Takoñer treba spomenuti i elektronske cijevi tipa klistron (engleski: klystron) koje su 1937. godine izumili američki naučnici Russell i Sigurd Varian, a koje danas imaju jako veliku primjenu u savremenim radio odašiljačima.
109
OSCILATORI Oscilatori su elektronski ureñaji koji jednosmjernu struju pretvaraju u izmjeničnu. Drugim riječima rečeno oscilatori su elektronski ureñaji koji generišu izmjeničnu struju. Prvi ureñaj koji je mogao generisati izmjeničnu struju je bio generator izmjenične struje (alternator) koga je izumio Michael Faradey 1831. godine. Faradejev generator se sastojao od bakarnog diska koji je rotirao izmeñu polova magneta. Danas se koriste alternatori konstruisani prema patentu Nikole Tesle iz 1891. godine. Kao što je već rečeno alternator je generator izmjenične struje za razliku od diname koja je generator jednosmjerne struje. Alternatori mogu generisati izmjenične struje frekvencija maksimalno do stotinjak kiloherca. Da bi generisao izmjenične struje viših frekvencija Nikola Tesla je 1891. godine konstruisao oscilator koji se danas prema njemu zove Teslin oscilator, a koji je prikazan na slici 1.
Sl. 1. Teslin oscilator Kao što vidimo Teslin oscilator se sastoji u stvari od dva transformatora, iskrišta i dvaju kondenzatora. Ureñaj se napaja sa generatora izmjenične struje sa koga se struja vodi na niskofrekventni transformator na čijem sekundaru se dobiva visoki napon od nekoliko hiljada volti koji se vodi na iskrište. Usljed ovog visokog napona na iskrištu dobivamo iskrenje (varničenje) koje izaziva indukovanje visoke frekvencije na viskofrekventnom tranformatoru. Pomoću ovakvog transformatora Nikola Tesla je izveo niz eksperimenata vezano za prijenos električne energije na daljinu. Sve do početka 20.-tih godina prošlog stoljeća Teslin transformator je korišten za potrebe radio-komunikacija tj. kao radio odašiljač. Iz upotrebe su ga izbacili ureñaji konstruisani na bazi elektronskih cijevi. Naime 1912. godine američki naučnik Edwin Armstrong je izumio elektronski oscilator konstruisan na bazi elektronskih cijevi. Armstrongov oscilator je 1913. godine usavršio austrijski naučnik Alexander Meissner te se često susreće termin Meissnerov oscilator za potpuno isti sklop. Na slici 2. je data shema Armstrongovog (Meissnerovog) oscilatora konstruisanog na bazi tranzistora premda je originalna izvedba bila na bazi elektronske cijevi triode.
Sl. 2. Armstrongov (Meissnerov) oscilator Na gejt tranzistora je spojeno paralelni oscilatorni LC krug. Tranzistor pojačava signal sa LC kruga i preko transformatorske veze ga ponovo vraća krug. Na ovaj način nastaju
110
neprigušene oscilacije u LC krugu. Bez tranzistora, LC krug bi oscilovao, ali bi oscilacije bile kratkog trajanja usljed prigušenja izazvanog otporom zavojnice. LC krug se može uporediti sa klatnom. Naime njihanje klatna je prigušeno otporom koji pruža zrak. Meñutim u satu sa klatnom njihanje klatna nije prigušeno, jer satni mehanizam vraća izgubljenu energiju klatnu. Ista stvar je i kod elektronskog oscilatora gdje tranzistor vraća energiju LC krugu. U ovom tipu oscilatora je ostvarena tzv. pozitivna povratna sprega, jer se energija sa izlaza vraća na ulaz bez invertovanja za razliku od audio pojačala kod kojih se ostvaruje negativna povratna sprega. Kod negativne povratne sprege se signal takoñer vraća na ulaz, ali invertovan. U Armstrongovom (Meissnerovom) oscilatoru, je invertovanje signala izbjegnuto primjenom transformatora. Naime tranzistor izvrši prvo invertovanje, a zatim se transformatorom obavi drugo invertovanje tako da se na kraju ova dva invertovanja ponište ista kao što se dva minusa poništavaju i na kraju daju plus (negacija negacije je afirmacija). Frekvencija oscilovanja ovog oscilatora se računa Thomsonovom formulom:
f =
1 2 ⋅π ⋅ L ⋅ C
Spomenutu formulu je 1853. godine izveo lord William Thomson Kelvin koji izmeñu ostalog poznat po jedinici za temperaturu Kelvin. Paralelno oscilatorno kolo osciluje na frekvenciji na kojoj su izjednačeni induktivni i kapacitivni otpor:
2 ⋅π ⋅ f ⋅ L =
1 2 ⋅π ⋅ f ⋅ C
što nakon odreñenog broja matematičkih operacija daje Thomsonovu formulu. Uzmomo da je npr. induktivitet 1mH=0,001H i kapacitet 1nF=0,000000001F tada će frekvencija oscilatora biti:
f =
1 2 ⋅π ⋅ L ⋅ C
=
1 = 159236 Hz = 159kHz 2 ⋅ 3,14 ⋅ 0,001⋅ 0,000000001
Usljed temperaturnih promjena mijenjaju se dimenzije zavojnice i kondenzatora što dovodi do promjene frekvencije oscilovanja oscilatora. Drugim riječima rečeno oscilatori sa LC krugom se nisu pokazali kao temperaturno stabilni. Kako bi se poboljšala temperaturna stabilnost konstruisani su oscilatori sa kvracovim (quartz) kristalima. Ovi oscilatori su iskorišteni i za konstruisanje kvarcnih elektronskih časovnika koji su se pokazali kao znatno tačniji i pouzdaniji u odnosu na mehaničnke časovnike. Danas ovi oscilatori imaju primjenu, izmeñu ostalog, kao takt generatori u računarima. Nakon Armstrongovog (Meissnerovog) oscilatora konstruisani su: Hartley oscilator, Colpitts oscilator, Clapp oscilator i niz drugih oscilatora. Bitno je spomenuti tzv. bloking oscilator koji se koristi za generisanje impulsa slično kao i oscilator na bazi UJT tranzistora opisan u nastavku o unipolarnim tranzistorima. Na slici 3. su date sheme spomenuta dva oscilatora.
Sl. 3. Impulsni oscilatori
111
Posebna vrsta oscilatora su naponski upravljani oscilatori (engleski: Voltage Controlled Oscillator – VCO) čija frekvencija ovisi o naponu na ulazu. Konstruišu se na bazi varikap dioda za visoke frekvencije, a za niske frekvencije kao RC oscilatori sa operacionim pojačalima. Niskofrekventni VCO imaju primjenu u frekventnim pretvaračima. Na slici 4. je data shema oscilatora konstruisanog na bazi tunel diode.
Sl. 4. Oscilator sa tunel diodom Kod oscilatora sa tunel diodom je otpor zavojnice LC kruga anuliran negativnim otporom tunel diode tako da u LC krugu nastaju neprigušene oscilacije. Na slici 5. je data shema tzv. push–pull konvertora (DC/AC pretvarača). DC/AC pretvarači su ureñaji koji jednosmjernu struju pretvaraju u izmjeničnu. Koriste se npr. u UPS-ureñajima za napajanje PC računara, napojnim jedinicama itd.
Sl. 5. Push-pull konvertor (DC/AC pretvarač) Po svojoj konstrukciji, push-pull konvertor je nešto izmeñu audio pojačala u push-pull spoju i astabilnog multivibratora. Kada nije priključen napon 12V kondenzatori se izbiju preko otprnika R1 i R2 i dioda. U momentu uključenja napona jedan od tranzistora će biti zakočen, a drugi će preći u linearni režim. U linearni režim će preći tranzistor čiji ulazni otpor je manji. Pretpostavimo da se tranzistor T1 zakočio, a da je proveo tranzistor T2. U tom slučaju u bazu tranzistora T2 teče struja preko otpornika R3 i preko kondenzatora C1. Istovremeno kroz kolektor tranzistora T2 teče jaka struja struja. Primjetimo da kroz oba primarna namotaja transformatora teče struja. Lijevo teče slaba struja kojom se nabija kondenzator C1, a desno teče struja koja zatim teče kroz kolektor i emiter tranzistora T2. U momentu kada se kondenzator C1 nabije tranzistor T2 se zakoči, a tranzistor T1 prelazi u linearni režim tako da se zatim kondenzator C1 izbija preko otpornika R1, diode D1 i otpornika R3. Istovremeno u bazu tranzistora T1 teče struja preko otpornika R4 i kondenzatora C2. Frekvencija oscilovanja ovog oscilatora je odreñena kapacitetom kondenzatora C1 i C2 te otpornika R3 i R4. Otpornici R3 i R4 imaju otpor R3=R4=180Ω (snaga 1W), a kondenzatori C1 i C2 kapacitet C1=C2=82µF (napon 25V ili više, obavezno tantal). Dakle frekvencija oscilovanja je:
112
f =
1 1 = = 48,4 Hz 1,4 ⋅ R ⋅ C 1,4 ⋅180 ⋅ 0,000082
što je dovoljno blizu zahtijevanih 50 Hz. U praksi će frekvencija biti nešto viša od proračunate, jer pri računanju nije uzet u obzir induktivitet primara transformatora. Otpornici R1 i R2 su otpora po R1=R2=10Ω (snaga 5W), a može se iskoristiti bilo koja silicijumska dioda predviñena za struju iznad 1A i napon iznad 50V. To je npr. 1N4001. Tranzistori 2N3005 trebaju biti montirani na hladnjake i izolovani od njih liskunskim pločicama i keramičkim izolatorima. Kao jezgro transformatora se može iskoristi jezgro pregorelog transformatora mikrovalne peći. Primar ima 2x12 zavojaka motanih bifilarno, a sekundar ukupno 650 zavojaka. Snaga ovog pretvarača je 260W tako da se sekundar transformatora štiti osiguračem 1A. Debljina žice primara je 2,5mm, a sekundara 0,6mm ili više. Bifilarno motanje znači da se uzmu dvije žice i s njima zavojci motaju u paraleli, tako da oba namota imaju iste karakteristike. Ovdje su dati svi podaci potrebni za gradnju pretvarača premda danas gradnja nije isplativa, jer se u prodaji mogu pronaći jeftini i kvalitetni DC/AC pretvarači čiji ulaz je predviñen za spajanje na 12V utičnicu automobila, a izlaz je 230VAC. Koriste se ako npr. nemate TV aparat predviñen za napon 12VDC, a nemate ni LAP TOP sa TV karticom, a ipak želite da gledate TV program u prirodi, na izletu. Takoñer se koriste npr. u kotlovnicama za napajanje pogona pumpe i regulatora grijanja u kada otkaže mrežno napajanje. Instalira se punjač akumulatora, akumulator i DC/AC pretvarač. Obično je snaga pumpe ispod 30W i snaga regulatora ispod 5W tako da mali akumulator kapaciteta desetak amperčasova omogućava višesatni rad. Ne preporučuju se olovni i drugi akumulatori sa isprenjima već tzv. suhi tip akumulatora. Npr. olovni akumulatori usljed procesa elektrolize ispuštaju gasove (vodik i kisik) čija je smjesa jako eksplozivna. Iz ovih razloga akumulatorske stanice sa olovnim akumulatorima moraju biti dobro provjetrene. Na slici 6. je data shema jednostavnijeg push-pull konvertora koji ima mnogo manje komponenti, ali koji nije samooscilujući. Osim toga teško je postići željenu frekvenciju oscilovanja.
Sl. 6. Jednostavan push-pull konvertor Push-pull konvertor sa slike 6. je jedno vrijeme i pored svojih nedostataka bio jako popularan upravo zbog svoje jednostavnosti i malog broja komponenti. Na slici 7. je data shema odašiljača (predajnika) za CB opseg 27 MHz. CB je skraćenica od engleskog izraza Citizens Band, a odnosi se na opseg radiofrekvencija na kojima je dozvoljena radiokomunikacija ureñajima male snage bez posebne dozvole (licence) svim grañanima.
Sl. 7. CB odašiljač male snage
113
Zavojnica L1 ima 10 zavojaka bakarne žice debljine 0,3 mm, a zavojnica L2 ima 2 zavojka iste žice. Tijelo je debljine 5 mm sa feritnom jezgrom za podešavanje. Kristal kvarca treba biti odabran za željeni CB kanal. LC krug je potrebno podesiti na najjači signal odašiljača pomjeranjem feritne jezgre. Kao što se vidi sa sheme koristi se ugljeni mikrofon koji se nekada koristio u telefonskim slušalicama. Bitno je pronaći ispravan ugljeni mikrofon, jer je jedan od nedostataka ugljenih mikrofona kratak vijek trajanja te se zbog toga kod savremenih telefonskih aparata više ne koriste. Umjesto ugljenog mikrofona se može iskoristiti i dinamički mikrofon, ali će tada trebati podešavati radnu tačku tranzistora tako što se umjesto otpornika 10k postavi trimer približno 20k. Domet ovog odašiljača je mali, jer je snaga tranzistora BF240 mala. Ako se želi postići veći domet potrebno je ugraditi jači tranzistor. Kristal kvarca u ovom oscilatoru je iskorišten da se preko njega ostvari pozitivna povratna sprega sa izlaza na ulaz. Ekvivalentna shema kristala kvarca je data na slici 8.
Sl. 8. Oznaka i ekvivalentna shema kristala kvarca Kristal kvaraca ima dvije rezonantne frekvencije i to paralelena i serijska. Ove frekvencije se po potrebi mogu korigovati spajanjem kondenzatora paralelno ili serijski sa kristalom kvarca. Ponekada konstruktori ne mogu doći do kristala potrebne frekvencije te se tada kristali prema datoj ekevivalentnoj shemi mogu zamijeniti LC krugom, ali tada ne treba očekivati temperaturnu stabilnost sklopa. Serijska fs i paralelna fp rezonatna frekvencija se računaju po formulama:
fs =
fp =
1 2 ⋅ π ⋅ L1 ⋅ C1
1 2 ⋅ π ⋅ L1 ⋅
C0 ⋅ C1 C0 + C1
Na slici 9. je data ovisnost reaktanse kvarcovog kristala o frekvenciji sa prikazanim rezonantnim frekvencijama.
Sl. 9. Reaktansa kvarcovog kristala Kao što se vidi serijska i paralelna rezonantna frekvencija se vrlo malo razlikuju te su na dijagramu ublizu. Na slici 10. je data shema još jednog interesantnog ureñaja koji je u biti 114
oscilator, a to je DC/AC pretvarač za fluoroscentnu cijev. Ovakav ureñaj se nalazi u tzv. štednim sijalicama uz razliku što je tu napon napajanja viši. Pretvarač sa slike 12. je predviñen za napajanje sa akumulatora 12V.
Sl. 10. DC/AC pretvarač za fluoroscentnu cijev Trimer 1k se koristi za podešavanje jačine rasvjete, a i potrošnje energije. Naime pri jačoj rasvjeti sklop „vuče“ jaču struju iz akumulatora. U većini slučajeva sklop će raditi i bez tranzistora BC109 ondosno može se koristiti samo tranzistor 2N3055 umjesto Darlington para. Meñutim pojedini primjerci tranzistora 2N3055 nemaju dovoljno pojačanje te sklop sa njima neće funkcionisati. Trafo se mota na feritnoj jezgri debljine 1-1,5cm u tri sloja. Prvi sloj je zavojnica L2 koja ima 50 zavojaka žice prječnika 0,6mm, zatim se mota L1 u drugom sloju sa 25 zavojaka prječnika 0,3mm i na kraju treći sloj je zavojnica L3 sa 500 zavojaka žice debljine 0,3mm. Tranzistor 2N3055 se postavlja na hladnjak izolovan liskunom i keramičkim izolatorima. Frekvencija oscilovanja ovog sklopa je 30-100kHz ovisno o podešenoj jačini rasvjete, a potrošnja struje iz akumulatora150-1500mA. Ako sklop ne proradi po uključenju potrebno je zamijeniti izvode zavojnice L1.
115
MODULATORI I DEMODULATORI Modulatori su elektronski ureñaji koji vrše oblikovanje nosećeg signala prema modulišućem signalu. Dakle modulator ima dva ulaza, a jedan izlaz. Sama riječ modulator ima korijen u latinskom jeziku. Latinska riječ modulus se odnosila na malu mjeru (kalup) koja se koristila za oblikovanje. U našem jeziku postoji termin modla sa istim korijenom i sličnim značenjem. Danas postoji mnogo vrsta modulacije i to u analognoj tehnici: AM, SSB, QAM, FM, PM i SM, a u digitalnoj: FSK, PSK, QAM, MSK, CPM, PPM, TCM, OFDM, SC-FDE, PAM, PWM, PCM itd. Mi ćemo ovdje opisati AM, SSB, FM i FSK postupke modulacije, jer se isti najviše koriste. Amplitudna modulacija (skraćeno AM) se najduže koristi. Prvi AM modulator je konstruisan 1906. godine, a konstruisao ga je američki naučnik Ernst Alexanderson. To je bio generator izmjenične struje (alternator) konstruisan za rad sa visokim brojem obrtaja tako da je generisao struje visoke frekvencije do 75kHz. Napon generatora je regulisan ugljenim mikrofonom, a iskorišten je za prvi prijenos ljudskog glasa putem radio linka. Prema svom pronalazaču je nazvan Aleksandarsonov alternator. Radio odašiljači (predajnici) sa Aleksandarsonovim alternatorom su zadržani u upotrebi sve do kraja 50.-tih godina prošlog stoljeća dakle do kraja zlatnog doba radija. Naime 50.-tih godina je televizija počela da preuzima primat nad radijem. Interesantno da je završetak zlatnog doba radija došao otprilike u isto vrijeme kada je došao i završetak zlatnog doba brodskog i željezničkog putničkog prijevoza, jer su 50.-tih godina avioni počeli da preuzimaju primat nad brodovima i vozovima. Interesantno je spomenuti da je prva radio stanica sa stalnim programom počela da radi u SAD 1920. godine, a samo nekoliko godina kasnije 1926. godine počinje sa emitovanjem Radio Zagreb kao prva radio stanica u Jugoistočnoj Evropi. Na slici 1. je data blok shema AM modulatora sa signalima u vremenskom domenu, a na slici 2. sa signalima u frekventnom domenu.
Sl. 1. Blok shema AM modulatora sa prikazom signala u vremenskom domenu
Sl. 2. Blok shema AM modulatora sa prikazom signala u frekventnom domenu
116
Modulišući signal je obično signal koji dolazi sa studijske miksete radio stanice dakle signala ljudskog glasa i muzike, a modulišući signal je sinusni signal visoke frekvencije sa oscilatora. Kao što samo ime kaže kod amplitudne modulacije se vrši modulisanje amplitude signala. Matematički gledano AM modulator je ureñaj u kome se vrši operacija množenja ulaznih signala tako je izlazni signal AM modulatora umnožak (proizvod, produkt) ulaznih signala što se dobro vidi sa slike 1. Primjetimo na slici 2. da sinusni signal u frekventnom domenu predstavlja jedan „pik“ čija amplituda odgovara amplitudi sinusnog signala. Taj „pik“ se vidi i u dijagramu na izlazu AM modulatora, a oko njega je kao slika u ogledalu (zrcalu) prenijet modulišući signal i to desno originalni modulišući signal, a lijevo zrcaljeni modulišući signal. Elektronski AM modulator se najednostvnije realizuje tako što se u seriju sa napajanjem oscilatora postavi ugljeni mikrofon. U svojoj biti AM modulator obavlja istu funkciju kao i mikser u smislu da vrši množenje signala tako su AM modulatori sklopovi iste vrste kao i mikseri. Bitno je napomenuti da se u studijskim miksetama na vrši množenje već sabiranje (zbrajanje, sumiranje) signala tako da se u miksetama koristi druga vrsta sklopova koji se zovu sumatori. Vezano za modulalaciju je bitno spomenuti još jedan tehnički problem, a to je širina komunikacijskog kanala (engleski: signal bandwith). Kao što je poznato ljudi mogu čuti audio signale u opsegu 20Hz-20kHz, ali za potrebe radiokomunikacija nije praktično prenositi cijeli opseg od 20 kHz, jer se za prijenos opsega od 20 kHz troši više energije, a zauzima se i prostor u radio spektru. Na početku primjene radiotelefonije se postavilo pitanje kolika je minimalna potrebna širina opsega za prijenos ljudskog glasa. Pošto su istraživanja vršena u SAD mjereni su parametri engleskog jezika i došlo se do zaključka da većina energije govornog signala na engleskom jeziku ulazi u opseg 300Hz-3kHz tako da je usvojena širina komunikacijskog signala od 3 kHz. Istraživanja za slovenske jezike su obavljena kasnije te je ustanovljeno da je za slovenske jezike dovoljna širina kanala od 1,2 kHz, ali u meñuvremenu je usvojen standard od 3 kHz. Danas se u SDR tehnici realizuju softverski AM modulatori na PC računarima za potrebe radio komunikacija. Za potrebe radiodifuzije gdje se osim glasa prenosi i muzika potrebna je veća širina kanala i to 40Hz–5 kHz. Druga često korištena vrsta modulacije je frekventna (FM) modulacija. Kao što je poznatosinusni signal je odreñen sa dvije veličine: amplituda i frekvencija. Ako AM modulacije se moduliše amplituda, a kod frekventne frekvencija. FM modulaciju je izumio 1935. godine američki naučnik Edwin Armstrong sa ciljem smanjenja smetnji pri prijenosu signala. Naime glavna prednost FM modulacije nad AM modulacijom jeste manja osjetljivost na smetnje odnosno kvalitetniji prijenos signala. U poreñenju sa AM modulacijom FM modulacija traži širi frekventni opseg za prijenos signala, a sami ureñaji za realizaciju su nešto složeniji. Kod FM modulacije amplituda modulisanog signala je konstantna, a frekvencija varira izmeñu naniže fmin i najviše fmax frekvencije. Ako je amplituda modulišućeg signala nula tada je frekvencija na izlazu modulatora fmin, a ako je amplituda modulišućeg signala maksimalna tada na izlazu modulatora fmax. Ovo je ilustrovano na slici 3.
Sl. 3. FM signal Modulacioni indeks FM modulacije h se računa po formuli:
h=
f max− f min fm
gdje je fm najviša frekvencija koja se nalazi u modulišućem signalu. Ako je modulacioni indeks veći tada je bolji kvalitet prijenosa signala, ali se zauzima i veći prostor u radio 117
spektru. FM modulator se najednostavnije realizuje tako što se u oscilatorno kolo oscilatora ugradi varikap dioda čiji kapacitet se mijenja prema modulišućem signalu. U radio difuziji se široko koristi FM modulacija za kvalitetan prijenos. Za razliku od AM difuzije gdje se prenosi mono signal opsega 40Hz–5 kHz kod FM difuzije se prenosi stereo signal opsega 30Hz15kHz dakle daleko kvalitetniji signal. Danas na većini radioprijemnika imamo AM i FM opseg. Na FM opsegu je signal kvalitetniji, ali AM radiodifuzija je i danas u upotrebi zbog većeg dometa odašiljača i pouzdanijeg prijema. Npr. odašiljač BHRT Radio 1 koji se nalazi u naselju Donje Moštre kod Visokog i emituje na frekvenciji od 612kHz svojim signalom ne samo da pouzdano prekriva cijelo područje BiH već se njegov signal kvalitetno prima u širem okruženju. U isto vrijeme na području BiH je instalirana cijela mreža FM odašiljača BHRT Radija, a opet ima mnogo lokacija na kojima nema signala. Za one koji vole da eksperimentišu na slici 4. je data shema minijaturnog FM odašiljača tzv. „špijun bube“.
Sl. 4. Shema „špijun bube“ Onima koji žele da sagrade ovakav ureñaj preporučujemo da nabave kit komplet dijelova u nekoj od specijaliziranih prodavnica elektronike, jer će tako dobiti sve potrebne dijelove i spremnu pločicu za montažu što je mnogo bolje rješenje nego da pločicu prave sami i sakupljaju dio po dio. Kod nas se još uvijek koristi tzv. analogna televizija kod koje se signal slike prenosi AM modulacijom, a signal zvuka FM modulacijom. Za ljubitelje eksperimentisanja preporučujemo da nabave malu CCD TV kameru i video modulator. Video modulator se može eventualno i skinuti sa neispravnih TV igara dakako pod uvjetom da je ispravan. CCD je skraćenica od Charge Coupled Device. Crnobijela CCD kamera se danas može nabaviti za stotinak KM, a video modulator za pedesetak. Spomenuta kamera se spoji na ulaz video modulatora, a signal sa modulatora se koaksijalnim kablom spaja na TV prijemnik. Kameru možemo instalirati npr. na ulaznim vratima. Na ovaj način u momentu kada nam neko pozvoni na vratima daljinskim upravljačem odaberemo TV kanal na kome je kamera i na ekrenu TV prijemnika vidimo tko zvoni. SSB (Single Side Band) modulacija se jako mnogo koristi u radio komunikacijama. Razvijena je od strane američke vojske početkom 20.-tog stoljeća. Prednost SSB modulacije nad drugima je što SSB signal zauzima mali dio radio spektra, a takoñer potrošnja energije je manja. Ovo praktično znači da uz istu snagu SSB odašiljač ima daleko veći domet nego li AM ili FM odašiljač. Sa slike 2. vidimo da AM signal sadrži dvostruki podatak o modulišućem signalu i val nosilac. SSB modulator se sastoji od AM modulatora na čiji izlaz je postavljen SSB filter koji iz AM signala izdvaja jedan bočni opseg (gornji ili donji) sa podatkom o modulišućem signalu. Oznake za gornji i donji bočni opseg su USB (Upper Side Band) i LSB (Lower Side Band) respektivno. Na slici 5. su dati uporedni dijagrami u frekventnom domenu za AM, LSB i USB signal.
118
Sl. 5. Uporedni dijagrami AM, LSB i USB signala Demodulator je ureñaj koji vrši obrnutu funkciju od modulatora u smislu da iz modulisanog signala izdvaja originalni modulišući signal. Demodulator je sastvani dio svakog radioprijemnika. Na slici 6. je data shema jednostavnog AM demodulatora.
Sl. 6. Jednostavan AM demodulator Dioda u ovom demodulatoru vrši poluvalno ispravljanje signala, a kondenzator „izgladi“ signal tako što kroz njega proñu visokofrekventne komponente signala. Na slici 7. su prikazani Greinacherov i Delonov spoj za udvajanje napona koji se takoñer često koriste za AM demodulaciju.
Sl. 7. Greinacherov i Delonov spoj za udvajanje napona Za FM demodulaciju se koristi više vrsta demodulatora, a najpoznatiji je tzv. Foster-Seeley diskriminator kojeg su 1936. godine izumili američki naučnici Foster i Seeley. Na slici 8. je data shema Foster-Seeley diskriminatora.
Sl. 8. Foster-Seeley diskriminator
119
Transformator i kondenzator C1 FM signal konvertuju u AM signal koji se zatim demoduliše diodom i kondenzatorom C2. Transformator ima veći otpor za visoke frekvencije tako signali višh frekvencija budu više oslabljeni na transformatoru, a dodatno slabljenje je na kondentoru C1, jer kondenzator signale visokih frekvencija provodi na masu. Na ovaj način se FM signal prevodi u AM signal. SSB signal se demoduliše pomoću pomoću miksera na koga se dovodi modulisani SSB signal i signal sa oscilatora (BFO - Beat Frequency Oscillator). Frekvencija oscilatora treba biti nešto viša ili niža od frekvencije modulisanog signala u ovisnosti da li je u pitanju USB ili LSB. Na izlazu miksera dobivamo signal koji je „spušten“ u audio područje kroz proces miješanja (množenja) signala. Modem je ureñaj čiji naziv je dobiven spajanjem pojmova modulator i demodulator. Modem se i sastoji od modulatora i demodulatora i pomoćnih sklopova, a koristi se za prijenos digitalnih signala telefonskim linijama. Prvi analogni modemi su razvijeni u SAD 60.-tih godina prošlog stoljeća. Analogni modemi koriste FSK - Frequency-Shift Keying sistem modulacije koji je u svojoj biti primjena FM modulacije za prijenos digitalnih signala. Npr. podesi se da digitalnom signalu nivoa 0 odgovara frekvencija od 1070Hz, a signalu nivoa 1 odgovara frekvencija 1270Hz. FSK postupak modulacije je ilustrovan na slici 9.
Sl. 9. FSK postupak modulacije Demodulacija FSK signala se može vršiti npr. pomoću opisanog Foster-Seeley diskriminatora.
120
ISPRAVLJAČI I STABILIZATORI Ispravljači obavljaju suprotnu funkciju u odnosu na oscilatore. Naime, ispravljači izmjeničnu struju pretvaraju u jednosmjernu. Ispravljači se dijele na upravljive i neupravljive. Upravljivi ispravljači su ispravljači kod kojih možemo regulisati izlaznu struju za razliku od neupravljivih kod kojih ne možemo regulisati struju. Najednostavniji neupravljivi ispravljač se sastoji od samo jedne diode, ali takav ispravljač se rijetko sreće. Danas se najviše koristi Graetz ispravljač koga je izumio njemački naučnik Leo Graetz. Za Graetz ispravljač se često koristi termin diodni most (engleski: diode bridge). Na slici 1. su prikazane sheme ispravljača sa jednom diodom i Graetz ispravljača te vremenski dijagrami sinusnog napona na ulazu ispravljača i izlaznog napona.
Sl. 1. Shema i vremenski dijagrami diodnog i Graetz ispravljača Kao što vidimo ispravljač sa jednom diodom propušta samo jednu poluperiodu sa ulaza tako da praktično smanjuje srednju vrijednost napona. Ovaka ispravljač se ne smije spajati na izlaz transofrmatora sa željeznim jezgrom, jer dovodi do zasićenja jezgra. Kod Graetz ispravljača za vrijeme pozitivne poluperiode ulaznog napona struja teče kroz diode D1 i D4, a za vrijeme negativne poluperiode kroz diode D2 i D3. Za Graetzov ispravljač se često koristi oznaka prema slici 2.
Sl. 2. Oznaka i kućište Graetz ispravljača Na izlazu Grecovog ispravljača dobivamo pulsirajući napon. Da bismo dobili čisti jednosmjerni napon Grecovom ispravljaču moramo dodati filter koji se sastoji od kondenzatora i zavojnica kao što je prikazano na slici 3. Kondenzatori i zavojnice akumulišu energiju tako da na izlazu dobivamo čisti jednosmjerni napon. Kao što vidimo sa slike 3.
121
najednostavniji filter se sastoji od samo jednog kondenzatora. Što je kapacitet kondenzatora veći to je napon više „čist“ i „izglañen“. Kondenzator je poput bazena u koga dovodimo vodu koja teče u mlazevima. Ako je bazen dovoljno velikog kapaciteta na njegovom odvodu će teći kontinualan tok vode neovisno o spomenutim mlazevima. Meñutim, ako je bazen mali tada će se svaki mlaz osjetiti i na izlazu. Ekvivalent prigušnice je duga cijev kroz koju teče voda. Ako na ulazu cijevi pritisak vode varira to će se na izlazu cijevi manje osjetiti, ako je cijev duža, jer masa vode ublažava varijacije pritiska. Dakle shema sa dva elektrolitska kondenzatora i prigušnicom se može uporediti sa dva bazena spojena preko duge cijevi. Na ulaz prvog bazena se dovodi voda u mlazevima, a na izlazu drugog bazena dobivamo kontinualan tok vode sa ujednačenim pritiskom.
Sl. 3. Sheme ispravljača Ako je na ulazu Graetza napon Uul tada je na izlazu filtera napon:
Uiz = 2 • Uul − 1[V ]
Uul =
Uiz + 1 [V ] 2
Npr. ako je na sekundaru trafoa tj. ulazu Graetza napon 10V tada na izlazu dobivamo napon od približno 13V. Naime na Graetzu dolazi do pada napona od približno 1V ili više, a filter „podiže“ napon za inos 2 , jer je odnos efektivne i maksimalne vrijednosti napona upravo
2 . Napon koji dobijemo na izlazu iz ispravljača i filtera nije stabilan. Njegova vrijednost varira u ovisnosti o naponu mreže i o opterećenju. Da bismo dobili izvor stabilnog napona na izlaz filtera moramo spojiti stabilizator napona. Postoje dvije vrste stabilizatora napona: linearni (kontinualni) i prekidački (impulsni). Za razliku od linearnog stabilizatora napona, kod prekidačkog stabilizatora, struja kroz tranzistor teče u impulsima, i to tako da kada tranzistor provodi, on bude u zasićenju. Tada je napon na njemu vrlo mali (reda oko 0,2 V), pa je i disipacija snage na njemu mala. Kada tranzistor ne provodi na njemu praktično nema disipacije snage. Na osnovu toga se zaključuje da je disipacija snage na tranzistoru u ovom slučaju znatno manja nego kod linearnog stabilizatora, pa je samim tim potreban tranzistor manje snage i manji hladnjak za njega. Dalje za razliku od linearnog stabilizatora prekidački stabilizator na izlazu mora imati dodatni filter. Upravljačko kolo prekidačkog stabilizatora sadrži širinskoimpulsni modulator ŠIM. Na slici 4. su date blok sheme linearnog i prekidačkog stabilizatora.
Sl. 4. Linearni i prekidački stabilizator napona Upravljačko kolo stabilizatora izlazni napon poredi sa zadanim naponom i na osnovu rezultata poreñenja dovodi u bazu tranzistora signal za korekciju. Ako je napon na izlazu
122
previsok u bazu tranzistora se dovodi slabiji signal kako bi tranzistor propuštao slabiju struju i na taj način „oborio“ napon na potrošaču. Obrnuto, ako je napon na izlazu nizak tada se „pušta“ jača struja na izlaz. Kao što vidimo ovdje je prisutna negativna povratna sprega. Najjednostavniji linearni stabilizator napona se realizuje pomoću otpornika i Zenerove diode kao što je prikazano na slici 5.
Sl. 5. Linearni stabilizator napona sa Zener diodom Ukoliko ulazni napon počne da raste Zener dioda povuče jaču struju tako da na otporniku R poraste pad napona i obrnuto. Ovim se postiže da na izlazu imamo stabilan napon. Ukoliko trebamo stabilizator veće snage tada koristimo shemu prema slici 6.
Sl. 6. Linearni stabilizator napona sa Zener diodom i tranzistorom I kod ove sheme pri porastu ulaznog napona Zenerova dioda „povuče“ jaču struju tako da slabija struja teče u bazu tranzistora usljed čega poraste pad napona na tranzistoru. Obrnuto pri padu ulaznog napona teče jača struja u bazu tako da je niži pad napona na tranzistoru. Upravljivi ispravljači su ispravljači kod kojih možemo regulisati izlaznu struju. Realizuju se tako što se umjesto dioda ugrade tiristori tako de se može regulisati struja „okidanjem“ tiristora. Na slici 7. je data shema Graetz ispravljača napajanog trofaznom strujom.
Sl. 7. Trofazni Graetz ispravljač
123
Na shemi sa slike 7. su ucrtane diode premda se vrlo često umjesto njih ugrañuju tiristori kako bi se postigla upravljivost. Upravljački impulsi se na gejtove tiristora dovode pomoću impulsnih transformatora. Na slici 8. je data jedna tipična shema ispravljača sa izlaznim naponom od 24V i strujom od 2A.
Sl. 8. Shema ispravljača Ispravljač sa slike 8. sadrži Graetz ispravljač B20C2200. U oznaci broj 20 znači da je maksimalni dozvoljeni napon na ulazu ispravljača 20V, a broj 2200 znači da je maksimalno dozvoljena struja 2200mA odnosno 2,2A. Za filtriranje napona se koriste dva kondenzatora i to elektrolitski od 1000uF i tantalski od 100nF. Osim elektrolitskog kondenzatora velikog kapaciteta ugrañuje se i tantalski kondenzator 100nF malog kapaciteta, jer isti bolje odstranjuje signale visokih frekvencija. Varistor S14K20 je ugrañen kako bi uklonio sve prenapone koji se mogu pojaviti i na taj način ugroziti bilo ispravljač bilo ureñaj koji se napaja sa ispravljača. U oznaci tiristora broj 14 znači da je prječnik varistora 14mm što opet znači da varistor na kratko propušta struju do 1000A. Broj 20 znači da je maksimalno dozvoljeni izmjenični napon na varistoru 20V. LED dioda se napaja preko otpornika od 1k. Uloga diode je da signalizira da je ispravljač pod naponom. Osim toga kada se isključi napajanje, ako potrošač nije priključen kondenzatori se prazne preko LED diode i otpornika. Ispravljač za punjenje akumulatora se može improvizovati tako da se spoje u seriju grijalica snage 2kW i dioda koja podnosi napon od 350V i struju od 20A ili više. To je npr. dioda SKN 50/1000. Dioda se montira na hladnjak. Zbog činjenice da se ovdje akumulator spaja na mrežni napon isti se mora demontirati sa automobila i mora se raditi krajnje oprezno kako bi se izbjegao strujni udar. Problem ispravljača sa slike 8. jeste velika težina i velike dimenzije mrežnog transformatora. Kako bi se konstruisali ispravljači male težine i malih dimenzija uvedeni su ispravljači sa oscilatorima. Kod ovih ispravljača mrežni napon od 220V AC se prvo ispravi tako da se dobije jednosmjeni napon od približno 310V DC. Ovaj jednosmjerni napon se pomoću oscilatora ponovo pretvara u izmjenični, ali sa frekvencijom od nekoliko destina kHz tako da transformator može biti mnogo manji. Filterski kondenzator takoñer može biti manji. Principska shema ovakvog ispravljača je data na slici 9.
Sl. 9. Principska shema prekidačkog ispravljača
124
Na slici 10. je data fotografija prekidačkog ispravljač za printer. Kod ovakvih ispravljača ne samo što se pomoću oscilatora podiže frekvencija već se vrši i stabilizacija napona. Na kraju je bitno napomenuti da se danas stabilizatori napona za ispravljače često konstruišu primjenom integrisanih krugova o čemu će biti riječi u jednom od narednih nastavaka škole elektronike.
Sl. 10. Ispravljač printera Prekidački ispravljači se u anglosaksonskoj literaturi zovu Switching Mode Power Supply (skraćeno SMPS).
125
BROJNI SISTEMI I LOGIČKE OPERACIJE Brojni (brojevni) sistem je sistem pomoću kojeg se predstavljaju brojevi. Najpoznatiji brojni sistem je dekadni (decimalni) brojni sistem koji ima deset cifara (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9). Ljudi najviše koriste dekadni sistem sa deset cifara iz prostog razloga što je ukupan broj prstiju na obje ruke čovjeka upravo deset. Meñutim u digitalnoj elektronici najveću primjenu ima binarni sistem sa dvije cifre zbog činjenice da postoje dva stanja prekidača: uključen i isključen. Binarni sistem ima samo dvije cifre: 0 i 1. U elektronici i informatici se takoñer jako mnogo koristi i heksadecimalni sistem sa šesnaest cifara (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F) zbog činjenice da se vrlo jednostano vrši konverzija brojeva iz binarnog sistema u heksadecimalni i obrnuto. Jedno vrijeme je bio u primjeni i oktalni brojni sistem sa osam cifara, ali se odavno već ne koristi. Meñutim, zbog činjenice da se nekada koristio još uvijek se žilavo provlači kroz udžbenike i priručnike. Konverzija brojeva iz dekadnog sistema u binarni se može vršiti na više načina, a najjednostavniji je metod tablice. Tablica se formira tako što u prvoj koloni sa desne strane smjenjujemo 0 i 1, drugoj koloni 00 i 11, zatim 0000 i 1111 itd. kao što je ilustrovano u tabeli 1. Tabela 1. Konverzija brojeva Dekadni Heksadecimalni 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 A 11 B 12 C 13 D 14 E 15 F
0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1
Binarni 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1
0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
Nakon ovog kratkog uvoda sa opisom brojnih sistema možemo preći na opis logičkih operacija. Osnovne logičke operacije su: logičko množenje, logičko sabiranje i logička negacija. Ukoliko promjenljive označimo sa A i B rezultat logičkog množenja se označava formulom: Y = A•B Rezultat logičkog množenja za sve kombinacije promjenljivih A i B predstavljamo tablicom istine datoj u tabeli 2. Tabela 2. Tablica istine logičkog množenja A B Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1
126
Kao što vidimo logičko množenje u binarnoj matematici je toliko jednostavno da „osnovci“ prosto čeznu za njim. Tabela 2. se zove tablica istine, jer se nulom označava laž (engleski: false), a jedinicom istina (engleski: true). Ako pomnožimo dvije laži opet dobivamo laž. Takoñer, ako pomnožimo laž i istinu opet ćemo dobiti laž. Jedino množenjem dvije istine opet dobivamo istinu. Logičkom množenju odgovara logički operator I (engleski: AND) za koji se u matematici koristi pojam konjunkcija. Na slici 1. je dat simbol logičkog operatora I koji se koristi shemama elektronskih sklopova i takoñer u principijelnim shemama.
Sl. 1. Simbol logičkog operatora I U digitalnoj elektronici postoje dvije logike: pozitivna i negativna. Prema pozitivnoj logici viši napon odgovara logičkom stanju 1 (logička jedinica) tj. istini, a niži napon odgovara logičkom stanju 0 (logička nula) tj. laž. Kod negativne logike je obrnuto. Danas se najviše koristi pozitivna logika tako da na oba ulaza (A i B) logičkog operatora I trebamo dovesti visok napon da bi na izlazu Y bio visok napon. Na slici 2. je dat vremenski dijagram digitalnog signala u pozitivnoj logici.
Sl. 2. Vremenski dijagram digitalnog signala u pozitivnoj logici Operacija logičkog sabiranja se označava sa: Y=A+B uz tablicu istine datu u tabeli 3. Tabela 3. Tablica istine logičkog sabiranja A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Logičkom sabiranju odgovara logički operator ILI (engleski: OR) za koji se u matematici koristi pojam disjunkcija. Na slici 3. je dat simbol logičkog operatora ILI
Sl. 3. Simbol logičkog operatora ILI
127
Logička negacija (invertovanje) se označava sa: Y=A uz tablicu istine datu u tabeli 4. Tabela 4. Tablica istine logičke negacije A Y 0 1 1 0 Logičkoj negaciji odgovara operator NE (engleski: NOT). Simbol logičkog operatora NE je dat na slici 4.
Sl. 4. Simbol logičkog operatora NE Kao što vidimo iz tablice istine izlaz operatora NE je suprotan ulazu što je i logično za sklop koji vrši invertovanje signala. Kao što je već rečeno osnovne logičke operacije su: logičko množenje, logičko sabiranje i logička negacija i njih smo upravo opisali. Kombinovanjem osnovnih logičkih operatora se dobivaju ostali logički operatori kao što su npr. NI, NILI i EX ILI. Na slici 5. je ilustrovana realizacija i dat simbol operatora NI (engleski: NAND).
Sl. 5. Logički operator NI Kao što vidimo spajanjem I i NE logičkog kola dobivamo NI logičko kolo. Spajanjem ILI i NE logičkog kola dobivamo NILI logičko kolo kao što je ilustrovano na slici 6.
Sl. 6. Logički operator NILI Posebno je interesantan operator EX ILI (engleski EX OR). U tabeli 5. je data tablica istine logičkog operatora EX ILI (ekskluzivno ILI). Logičko kolo EX ILI se koristi npr. za sabiranje binarnih brojeva. Na slici 7. je dat simbol logičkog operatora EX ILI.
128
Tabela 5. Tablica istine EX ILI kola A B C Y 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1
Sl. 7. Simbol logičkog operatora EX ILI Pomoću opisanih logičkih kola možemo realizovati različite logičke sklopove. Na slici 8. je dat primjer jednog logičkog sklopa.
Sl. 8. Primjer logičkog sklopa Na linku http://ozark.hendrix.edu/~burch/logisim/ se može download-ovati freeware sotver za simuliranje logičkih sklopova koji može poslužiti za vježabanje sa logičkim sklopovima i operacijama. Na kraju ćemo navesti par interesantnih podataka. Utemeljitelj matematičke discipline koja se bavi logičkim operacijama je engleski matematičar i filozof George Boole te se danas po njemu i zove – Bulova algebra. George Boole je 1854. godine objavio knjigu „Istraživanje zakona mišljenja“ u kojoj je opisao izmeñu ostalog i logičke operacije. Svojim radovima postavio je teoretske osnove koje su omogućile razvoj ne samo računara već digitalne elektronike uopšte. Sama riječ digitalna elektronika ima korije u latinskoj riječi digitus – prst. Naime i stari Latini su koristili prste kao pomoćno sredstvo pri brojanju te otuda potiče veza prstiju i brojeva. U engleskom jeziku se koristi termin digital electronics, a u našem jeziku se sve do sredine 60.-tih godina prošlog stoljeća koristio pojam cifarska elektronika sve dok se nije shvatilo da je logičnije koristiti izvorni pojam – digitalna elektronika. U tabeli 6. su prikazani simboli i realizacija najznačajnijih logičkih operatora.
129
Tabela 6. Simboli i realizacija logičkih operatora I AND
ILI
OR
NE
NOT
EX ILI EX OR
130
LOGIČKA KOLA Logička kola su sklopovi pomoću koji se realizuju logičke operacije. Logička kola se danas realizuju na jedan od sljedeća tri načina: -u relejnoj tehnici, -u tehnici diskretnih elektronskih komponenti i -u tehnici integrisanih kola. U ovom nastavku škole ćemo opisati realizaciju elektronskih kola u relejnoj tehnici i tehnici diskretnih elektronskih komponenti, dok će integrisana kola biti opisana u jednom od sljedećih nastavaka. U jednom narednih nastavaka ćemo takoñer opisati primjenu PIC i PLC za realizaciju logičkih sklopova. PIC je skraćenica od Programmable Interface Controller, a PLC od Programmable Logic Controller. Danas se relejna tehnika mnogo manje koristi, ali se ipak zadržala u primjeni uglavnom zbog svoje jednostavnosti za realizaciju i jednostavnog održavanja. Dva glavna nedostatka relejnih sklopova su mala brzina rada i mala pouzdanost. Elektronski sklopovi kako diskretne tehnike tako i u tehnici integrisanih kola su neuporedivo brži. Diskretne elektronske komponente su pojedinačne komponente (otpornici, diode, tranzistori itd.), a sklopovi rañeni na bazi diskretnih komponenti se danas jako malo koriste. Glavni nedostatak im je niska pouzdanost u radu koja je često niža od pouzdanosti rada relejnih ureñaja. Ovo je uzrokovano velikim brojem lemnih mjesta koja su uvijek nepouzdana. Vezano za nepouzdanost rada digitalnih sklopova u diskretnoj tehnici postoji jedan interesantan podatak. Prvi elektronski digitalni računar koji je projektovan u Jugoslaviji 1956.1963. godine se zvao CER-10 (cifarski elektronski računar), a konstruisan je u diskretnoj tehnici. Problem nepouzdanih lemnih mjesta na računaru je rješavan pomoću običnog pendreka. Naime svaki puta kada bi računar „zapeo“ u radu udarali su ga pendrekom dok ne proradi. Usljed udara gumenog pendreka na kućište računara loša lemna mjesta bi uspostavljala prekinuti kontakt. Inače računar je korišten za potrebe Saveznog MUP-a pa su tamo „logički“ razmišljali da pendrek sigurno mora djelovati i na računar kada već djeluje na ljude. Sva kola koja ćemo opisati rade u pozitivnoj logici. Logičko kolo I se u relejnoj tehnici konstruiše pomoću dva releja čiji radni kontakti se spoje u seriju kao što je prikazano na slici 1.
Sl. 1. Logičko I kolo u relejnoj tehnici Ukoliko se na oba ulaza kola sa slike 1. dovede logička jedinica na elektromagnete oba kontaktora će biti narinut napon te će se oba radna kontakta (K1 i K2) zatvoriti i na izlazu kola će biti narinut napon E tj. bit će logička jedinica. Ako na bilo kom ulazu nije logička jedinica tada jedan od kontakata neće biti zatvoren te će na izlazu biti logička nula. Sklop sa slike 1. ima dva ulaza meñutim broj ulaza je praktično neograničen, jer dovoljno je kontakte spojiti u seriju tako da se po želji može formirati I kolo sa više ulaza. Postoji više standardnih napona, ali u relejnoj tehnici se najčešće koriste standardni naponi 5V DC i 24 V DC pri
131
realizaciji sklopova. Na slici 2. je data drugačija izvedba I kola u relejnoj tehnici. Da bi na Y izlazu bila logička jedinica oba prekidača (A i B) moraju biti zatvorena.
Sl. 2. Logičko I kolo u relejnoj tehnici Na slici 3. je prikazana shema logičkog I kola u diskretnoj tehnici. Ako se na oba ulaza datog kola dovede logička jedinica na izlazu će biti logička jedinica, jer će preko otpornika od 10k na izlaz biti narinut napon. Dovoljno je da na jednom od ulaza ne bude logička jedinica već nula pa da preko jedne od dioda izlaz bude uzemljen tj. da na izlazu bude logička nula.
Sl. 3. Logičko I kolo u diskretnoj tehnici Na slici 4. je data shema logičkog ILI kola u relejnoj tehnici. Kao što se vidi sa slike dovoljno je da jedan od prekidača (A ili B) budu zatvoreni pa da na izlazu Y bude logička jedinica.
Sl. 4. Logičko ILI kolo u relejnoj tehnici Shema logičkog ILI kola u diskretnoj tehnici je data na slici 5.
132
Sl. 5. Logičko ILI kolo u diskretnoj tehnici Dovoljno je da na jednom ulazu bude logička jedinica pa će i na izlazu preko jedne od dioda biti narinut visok napon što znači da će biti logička jedinica. Na slici 6. je data shema NE kola u relejnoj tehnici.
Sl. 6. Logičko NE kolo u relejnoj tehnici Kao što se vidi koristi se mirni kontakt releja koji se isključi kada se na elektromagnet releja narine napon. Na slici 7. je data shema NE kola u diskretnoj tehnici. Kada se na ulaz A dovede logička jedinica preko otpornika 1k u bazu tranzistora poteče struja tako da tranzistor provede te napon izmeñu njegovog kolektora i emitera padne na nulu što znači da i izlaz Y padne na logičku nulu. Obrnuto kada na ulaz nije narinut napon baza tranzistora je uzemljena preko otpornika od 47k te je tranzistor zakočen tako da je na njegovom izlazu narinut visok napon preko otpornika 10k.
Sl. 7. Logičko NE kolo u diskretnoj tehnici Uzmimo jednostavan primjer iz prakse gdje se koristi kontaktor za uključenje trofaznog elektromotora koji pogoni pumpu centralnog grijanja. Pumpa centralog grijanja se uključuje kada je temperatura u grijanom prostoru ispod 20°C ili ako je temperatura u kotlu iznad 95°C. Očigledno radi se o logičkoj ILI operaciji tako da je shema upravljačkog strujnog kola prema slici 4. Ako uvedemo dodatni uvjet za uključenje da elektromotor nije preopterećen tada su
133
stvari složenije, jer imamo tri varijable. Tablica istine za rješenje ovog problema je data u tabeli 1. Iz tabele 1. Tabela 1. Tablica istine sklopa za uključenje pumpe A B C Y Preopterećenje <20°C >95°C 0 0 0 0 0 0 1 1 A• B •C 0
1
0
1
0
1
1
1
1 1 1 1
0 0 1 1
0 1 0 1
0 0 0 0
A• B •C A• B •C
Vidimo da na izlazu sklopa treba biti logička jedinica u tri slučaja tako da je formula koja definiše logičku funkcionalnost:
Y = A • B • C + A • B • C + A • B • C = A • (B + C ) Shema upravljačkog strujnog kola za realizaciju ove funkcionalnosti u relejnoj je data na slici 8., a na slici 9. je dat simbolički prikaz funckionalnosti. Kao što vidimo u ovom primjeru realizacija funkcionalnosti u relejnoj tehnici je vrlo jednostavna, a brzina rada zadovoljava tako da nema potrebe za realizacijom u diskretnoj tehnici ili u tehnici integrisanih krugova koje su znatno složenije za realizaciju.
Sl. 8. Realizacija logike uključenja pumpe Kao što vidimo sa slike 8. mirnim kontaktom A je ostvarena negacija, a spajanjem istog kontakta u seriju sa kontaktima B i C ostavrena logička I funkcija. Kontakti B i C su spojeni paralelno te imamo ILI funkciju.
Sl. 9. Simbolički prikaz logičke funkcionalnosti Y = A • ( B + C )
134
Postoje četiri načina predstavljanja logičkih funkcija i to: − − − −
shematski pomoću logičkih kola (primjer na slici 9.), shematski pomoću kontaktne mreže (primjer na slici 8.), tabelarno pomoću tablice istine (primjer u tabeli 1) i analitički pomoću formule (primjer Y = A • ( B + C ) )
Ponekada je potrebno logičku funkciju prevesti iz tabličnog oblika u analitički kao što smo upravo proveli u primjeru uključenja pumpe centralnog grijanja. Analitičko predstvaljanje se može vršiti u: − −
disjunktivnoj formi (preko sume potpunih logičkih proizvoda) i konjunktivnoj formi (preko proizvoda potpunih logičkih suma).
U upravo opisanom primjeru smo primjenili „sumu potpunih proizvoda“. Prevoñenje se sastojalo u pronalaženju potpunih proizvoda koji odgovaraju slogovima na kojima funkcija ima vrijednost 1 i zatim formiranja logičke sume tako dobijenih proizvoda. U tabeli 2. je dat primjer sa dvije promjenljive za oba oba navedena postupka. Tabela 2. Tabela analitičkih izraza disjunktivne i konjunktivne forme
135
MULTIVIBRATORI Multivibrator je elektronski sklop koji ima dva stanja. Ovo znači da na izlazu multivibratora može biti signal logičke nule ili logičke jedinice. Osim ovoga treba navesti da stanje multivibratora može biti stabilno i kvazistabilno tj. nestabilno. Stabilno stanje je stanje u kojem multivibrator može biti trajno, sve do nailaska vanjske pobude, kad se prebacuje u drugo stanje. Kvazistabilno ili nestabilno stanje je stanje u kojem se multivibrator zadržava tačno odreñeno vrijeme, nakon čega se prebacuje u drugo stanje. Postoje: − − −
bistabilni, monostabilni i astabilni multivibrator.
Uz ova tri sklopa može se još dodati i emiterski vezani bistabil ili Schmittov okidni sklop (Schmittov triger) kojim se postiže razlučivanje ulaznog signala po amplitudi. Multivibrator sa elektronskim cijevima je izumljen 1918. godine. Bistabilni multivibrator su izumili naučnici Eccles i Jordan te se u literaturi njihov sklop često naziva Eccles–Jordanov sklop. Astabilni multivibrator su takoñer 1918. godine izumili naučnici Abraham i Bloch. Istraživanja multivibratora su 50.-tih godina 20. stoljeća nastavili američki naučnici Montgomery Phister i Eldred Nelson. Bistabilni multivibrator je elektronski sklop koji ima dva stabilna stanja. Koristi se za memorisanje logičkih stanja, a formira se od dva NILI kola kao što je prikazano na slici 1.
Sl. 1. Bistabilni multivibrator Ako na S ulaz (SET) dovedemo logičku jedinicu na izlazu Q će biti upisana logička jedinica sve dok na R ulaz (RESET) ne dovedemo logičku jedinicu za brisanje izlaza. Vremenski dijagram bistabilnog multivibratora (bistabila) je dat na slici 2., a shema realizacije bistabilnog multivibratora na slici 3. Bitno je napomenuti da shema sa slike 3. je jedan od načina realizacije bistabilnog multivibratora, ali ne i jedini.
Sl. 2. Vremenski dijagram bistabilnog multivibratora
136
Sl. 3. Shema bistabilnog multivibratora Na početku je tranzistor T1 u zasićenju pa na izlazu Q imamo logičku nulu, a tranzistor T2 je zakočen. Kada na S ulaz dovedemo logičku jedinicu tranzistor T2 preko otpornika RB4 dobije dovoljno struje da preñe u zasićenje usljed čega se T1 zakoči, jer preko otpornika RB1 više ne dobiva struju zasićenja. Ovakvo stanje ostaje sve dok preko otpornika RB3 tranzistor T1 ne dobije dovoljno struje da ponovo preñe u zasićenje. Dakle, uvijek je jedan od dva tranzistora u zasićenju, a drugi je zakočen. Dovoñenjem signala na R i S ulaze tranzistore prevodimo iz jednog stanja u drugo. Monostabilni multivibrator je elektronski sklop koji ima samo jedno stabilno stanje. Vremenski dijagram monostabilnog multivibratora (monostabila) je dat na slici 4.
Sl. 4. Vremenski dijagram monostabilnog multivibratora Kada na ulaz monostabila dovedemo impuls on zadano vrijeme T ima logičku jedinicu na izlazu nakon čega izlaz ponovo pada na nulu. Monostabil se koristi npr. za realizaciju stubišnog automata za uključenje rasvjete. Shema monostabilnog multivibratora je data na slici 5.
Sl. 5. Shema monostabilnog multivibratora
137
U stabilnom stanju tranzistor T2 je zasićen, a T1 je zakočen tako da je na izlazu logička nula. Kada preko otpornika RB2 dovedemo impuls struje u bazu tranzistora T1 on provede, a T2 se zakoči čime na izlazu Q dobivamo logičku jedinicu. Tranzistor T2 će ostati zakočen sve dok se kondenzator C ne napuni preko otpornika R. Što su kapacitivnost kondenzatora C i otpornost otpornika R veće to će duže trajati nestabilno stanje. Nakon što se kondenzator C napuni tranzistor T2 preñe u zasićenje čime ponovo nastupa stabilno stanje. Astabilni multivibrator (astabil) je elektronski sklop kod koga su oba stanja nestabilna. Vremenski dijagram astabilnog multivibratora je dat na slici 6.
Sl. 6. Vremenski dijagram astabilnog multivibratora Astabil se koristi npr. za izradu elektronskog migavca ili elektronske sirene. Shema astabila je data na slici 7.
Sl. 7. Shema astabilnog multivibratora Tranzistori T1 i T2 se smjenjuju u stanjima zasićenja i zakočenosti. Vremena T1 i T2 ovise o otpornosti otpornika R1 i R2 i kapacitivnosti kondenzatora C1 i C2. Ukoliko vrijede relacije R=R1=R2 i C=C1=C2, tada je T1=T2. Frekvencija oscilovanja astabilnog multivibratora se računa po približnoj formuli:
f =
1 1,4 ⋅ R ⋅ C
Npr. ako je kapacitet kondenzatora C=1µF i otpor otpornika R=14k tada je frekvencija oscilovanja:
f =
1 1 = = 51Hz 1,4 ⋅ R ⋅ C 1,4 ⋅14000 ⋅ 0,000001
Dakle uz date vrijednosti otpornika R i C dobivamo multivirbrator koji osciluje približno na frekvenciji mreže od 50Hz. U prethodno navedenoj formuli za frekvenciju je zanemaren uticaj promjene temperature tranzistora što u nekim primjenama može biti značajno. Drugim riječima rečeno frekvencija oscilovanja astabilnog multivibratora ovisi o temperaturi što je
138
uzrokovano promjenom parametara tranzistora usljed promjene temperature. Ukoliko nam je potreban astabilni multivibrator koji osciluje na približno 10x višoj frekvenciji tj. na 500Hz tada umjesto kondenzatora kapaciteta 1µF ugrañujemo kondenzator 10x nižeg kapaciteta tj. 100nF. Ukoliko koristimo tranzistor BC109 za realizaciju astabilnog multivibratora tada trebamo računati da je maksimalna struja kolektora ICmax=50mA, minimalno strujno pojačanje βmin=150 i maksimalni napon izmeñu emitera i baze VEBO=5V. Ovo znači da maksimalni napon napajanja može biti Emax=5V, jer se kondenzatori C1 i C2 nabijaju pri radu do napona napajanja. Npr. dok je tranzistor T2 u stanju voñenja desna obloga kondenzatora C2 je preko njega uzemljena, a lijeva obloga je preko otpornika RC malog otpora spojena na izvor. Usljed ovoga se kondenzator C2 tokom voñenja tranzistora T2 relativno brzo nabije na napon napajanja +E. Meñutim kada tranzistor T1 preñe u stanje voñenja tada lijeva obloga kondenzatora C2 preko nega biva uzemljena, a njegova desna obloga spojena na emiter tranzistora T2. Ovo dovodi do toga da se baza tranzistora T2 u momentu nañe na negativnom potnecijalu –E (ovo traje sve dok se kondenzator C2 preko otpornika R2 ne isprazni). Otpornik R2 ima relativno veliki otpor pa ovo pražnjenje traje nešto duže. Ovo pražnjenje traje koliko i vrijeme T2 što je približno T2=0,7·R2·C2. Takoñer vrijeme koje tranzistor T1 ostaje zakočen se računa po formuli T1=0,7·R1·C1. Odaberimo maksimalni napon napajanja E=5V. Ovo znači da je minimalni otpor otpornika RC=5V/50mA=0,1k=100Ω. Odaberimo RC=470Ω. Zbog činjenice da je βmin=150 bazni otpornici R1 i R2 smiju imati maksimalni otpor 150x470Ω=70500Ω=70,5k, jer inače neće propuštati dovoljno struje da tranzistori budu u zasićenju. Na slici 8. je data kompletna shema astabilnog multivibratora frekvencije 500 Hz koji može poslužiti npr. kao zujalica, ako se na njegov izlaz spoji piezoelektrični zvučnik. Na slici 9. je dat vremenski dijagram astabilnog multivibratora sa ucrtanim naponima baza tranzistora.
Sl. 8. Primjer astabilnog multivibratora
Sl. 9. Vremenski dijagrami astabilnog multivibratora
139
Astabilni multivibrator se vrlo često realizuje u tehnici integrisanih krugova. Na slici 10. je dat primjer astabilnog multivibratora frekvencije približno 1000Hz realizovanog pomoću integrisanog kola 555. Na slici 11. je data interesantna shema astabilnog multivibratora realizovanog pomoću jednog PNP i jednog NPN tranzistora
Sl. 10. Astabilni multivibrator sa integrisanim krugom
Sl. 11. Astabilni multivibrator sa PNP i NPN tranzistorom Astabilni multivibrator se uz dodatak jednog tranzistora može iskoristiti za generisanje pilastog (testerastog) napona. Na slici 12. je data shema takvog generatora pilastog napona.
Sl. 12. Generator pilastog (testerastog) napona Pilasti napon ima jako veliku primjenu u elektronici. Koristi se npr. u osciloskopima za dobivanje vremenske baze. Postoji više shema generatora pilastog napona, a ovdje opisujemo generator pilastog napona za čiji rad je potreban generator impulsa. Kao 140
generator impulsa nam služi astabilni multivibrator. Kada je na bazi tranzistora T3 logička nula tranzistor je zakočen, a kondenzator C se puni preko otpornika R tako da napon na izlazu raste. U trenutku kada na ulaz naiñe impuls tranzistor T3 preñe u zasićenje čime napon na njegovom kolektoru padne na nulu. Usljed ovoga se kondenzator isprazni pa napon na izlazu takoñer padne na nulu. Potrebno je primjetiti da se kondenzator puni iz izvora napona Ec koji je različit od napona E. Obično je napon Ec mnogo viši od napona E. Vremenski dijagram rada generatora pilastog napona je dat na slici 13.
Sl. 13. Vremenski dijagram generatora pilastog napona Schmittovo okidno kolo je elektronski sklop koji ima osobinu da kada na njegov ulaz dovedemo napon viši od Ug (gornji prag) na izlazu daje logičku jedinicu, a kada dovedemo napon niži od Ud (donji prag) daje logičku nulu. Kada je ulazni napon izmeñu dva praga na izlazu ostaje napon koji je bio prije ulaska u zonu izmeñu dva praga. Vremenski dijagram i shema Schmittovog kola su dati na slici 14.
Sl. 14. Shema i vremenski dijagram Schmittovog okidnog kola Sve dotrenutka t2 tranzistor T2 je u zasićenju, tako da je na izlazu logička nula. U trenutku t2 u bazu tranzistora T1 počinje da teče dovoljno jaka struja da ga iz zakočenosti prevede u zasićenje. Usljed ovoga tranzistor T2 prestane dobivati struju zasićenja i preñe u zakočeno stanje, tako da na izlazu dobijemo logičku jedinicu. U trenutku t3 ulazni napon padne ispod nivoa donjeg praga Ud, tranzistor T1 ostane bez struje zasićenja i preñe u zakočenost. Istovremeno tranzistor T2, preko otpornika RB2, ponovno počne dobivati struju zasićenja, tako da na izlazu dobijemo logičku nulu. Simboli Schmittovog kola su date na slici 15. Schmittovo okidno kolo je 1934. godine izumio Otto Schmitt.
Sl. 15. Simboli Schmittovog okidnog kola
141
Na slici 16. je data shema astabilnog multivibratora konstrisanog na bazi invertujućeg Schmittovog okidnog kola.
Sl. 16. Astabilni multivibrator na bazi Schmittovog okidnog kola Koristi se Schmittovo okidno kolo iz integrisanog kola 74LS14. Kao što se vidi sa slike predmetno integrisano kolo sadrži šest Schmittovih okidnih kola. Sa dodatkom samo jednog otpornika i jednog kondenzatora dobivamo kvalitetan generator impulsa. Princip rada ovog sklopa je vrlo jednostavan. Npr. ako je na izlazu logička jedinica kondenzator se preko otornika nabija do napona gornjeg praga Ug=1,6V kada izlaz pada na logičku nulu te se kondenzator sada počne izbijati preko otpornika sve dok napon na njemu ne padne na napon donjeg praga Ud=0,8V kada izlaz prelazi u stanje logičke jedinice. Bitno je primjetiti da se koristi invertujuće Schmittovo okidno kolo. Frekvencija oscilovanja multivibratora sa slike 16. se računa po formuli:
f =
1 1,2 ⋅ R ⋅ C
Zbog činjenice da se otpor otpornika može odabrati u rasponu od 100Ω do 1k, a kapacitet kondenzatora u rasponu od 1nF do 1000µF po ovoj shemi možemo konstruisati impulsni generator frekvencije od 1Hz do 1MHz. Onima koji žele da koriste ovaj sklop kao zujalicu se preporučuje da signal uzimaju sa kondezatora, jer je na kondezatoru pilasti signal koji je sličniji sinusnom. Npr. piezoelektrični zvučnik se može spojiti paralelno sa kondenzatorom, a takoñer signal sa kondenzatora se može priključiti na pojačalo sa visokom ulaznom impedansom.
142
FAMILIJE LOGIČKIH KOLA Kao što je već rečeno u jednom od prethodnih nastavaka škole logička kola su sklopovi pomoću koji se realizuju logičke operacije. Logička kola se danas realizuju na jedan od sljedeća tri načina: -u relejnoj tehnici, -u tehnici diskretnih elektronskih komponenti i -u tehnici integrisanih kola. Integrisana kola (skraćeno IC) su elektronske komponente koje sadrže više drugih elektronskih komponenti, a koje su napravljene kao cjelovita komponenta u jednom kućištu. Prvo integrisano kolo je izumio Werner Jacobi 1949. godine. Integrisana kola se dijele na analogna (linearna) i digitalna premda postoje i kombinovana rješenja. Analogna integrisana kola obrañuju analogne, a digitalna digitalne signale. Spomenuto integrisano kolo iz 1949. godine koga je konstruisao Werner Jacobi je bilo analogno kolo. Digitalna integrisana kola su konstruisana 1960.-tih godina. Npr. prvi računar konstruisan u tehnici integrisanih kola je bio IBM 360 čija proizvodnja je počela 1964. godine. Dva glavna razloga zbog kojih su konstruisana integrisana kola su potreba za povećanjem pouzdanosti sklopova i potreba za minijaturizacijom sklopova. Naime, sklopovi konstruisani u tehnici diskretnih komponenti su relativno velikih dimenzija i imaju mnogo lemnih mjesta, a svako lemno mjesto je potencijalni uzrok problema. Ovo je uzrokovano tzv. fenomenom hladnog lema koji nastaje ako je lemljenje loše provedeno. Hladni lem ima visoki otpor. Nepouzdanost elektronskih sklopova uzrokovana hladnim lemovima je bila ozbiljna prepreka gradnji kompleksnih elektronskih ureñaja kao što su npr. računari. Jer svaki računar sadrži veliki broj komponenti te ako se iste spajaju lemljenjem tada je veliki broj lemnih mjesta odnosno veliki broj potencijalnih uzroka zastoja. Primjenom integrisanih kola elektronski ureñaji su postali kompaktni, malih dimenzija i mnogo pouzdaniji u radu. Razvijeno je oko dvadeset familija digitalnih integrisanih kola, a danas se najviše koriste TTL i CMOS familija. TTL je Tranzistorsko Tranzistorska Logika realizovana upotrebom bipolarnih tranzistora. Zahtijeva vrlo stabilno napajanje od +5 V, tako da se rijetko koristi u baterijski napajanim ureñajima. CMOS familija je realizovana upotrebom MOS FET tranzistora. Ne zahtijeva stabilan izvor napajanja i troši veoma malo energije tako da se može koristiti i u baterijski napajanim ureñajima. TTL logička kola je 1961. godine izumio James Buie. Na slici 1. je dat simbol i shema NI (NAND) kola u TTL logici.
Sl. 1. NAND kolo u TTL logici
143
Kao što se vidi sa slike 1. tranzistor T1 je tzv. multiemiterski tranzistor sa dva emitera na koje se dovode ulazni signali A i B. Ukoliko su oba ulaza u stanju logičke jedinice tada se tranzistor T1 ponaša kao obična dioda u smislu da preko njegove baze i kolektora (PN spoj) teče struja u bazu tranzistora T2 usljed čega tranzistor T2 provede. Zbog činjenice da tranzistor T2 vodi doći će do voñenja i tranzistora T4 koji dobiva struju preko emitera tranzistora T2. Istovremeno tranzistor T3 biva zakočen, jer je njegova baza uzemljena preko tranzistora T2 i T4 koji su u stanju voñenja. Usljed ovoga na izlazu imamo logičku nulu. Dovoljno je da jedan od emitera stranzistora T1 bude na logičkoj nuli pa da tranzistor T1 bude u stanju voñenja što dovodi do toga će tranzistor T2 biti zakočen, jer mu je baza uzemljena preko tranzistora T1. Ako je T2 zakočen tada je zakočen i T4, jer ne dobiva struju u bazu. Istovremeno je T3 u stanju voñenja tako da preko otpornika R3=130Ω, tranzistora T3 i diode na izlazu dobivamo signal logičke jedinice. Dakle da rezimiramo, ako je na oba ulaza A i B logička jedinica tranzistor T4 će biti u stanju voñenja, a tranzistor T3 zakočen tako da na izlazu dobivamo logičku nulu. Meñutim, ako je barem jedan ulaz u stanju logičke nule tada na izlazu imamo logičku jedinicu. Na slici 2. je data fotografija i shema jednog TTL integrisanog kola (čipa) sa ukupno četiri NAND kola.
Sl. 2. TTL integrisano kolo SN7400N Spomenuto kolo ima ukupno četrnaest nožica (pinova, izvoda) i to po sedam sa svake strane. Dva izvoda se koriste za napajanje svih NAND kola, a preostali izvodi su za ulazne i izlazne signale. Na slici 3. je data shema jednostavnog sklopa za eksperimentisanje.
Sl. 3. Sklop sa TTL NAND kolom Ako se pritisnu oba prekidača (A i B) na izlazu NAND kola će biti logička nula tako da će se upaliti LED dioda. Dovoljno je da jedan prekidač nije pritisnut pa da LED dioda bude ugašena. Proračun ovog sklopa nije tako jednostavan kao i sam sklop. Potrebno je imati podatke: 144
− − − − −
napon napajanja TTL kola: Vcc=4,75-5,25V, struja na izlazu TTL kola pri logičkoj nuli: IOL=0-8mA, napon na izlazu TTL kola pri logičkoj nuli: VOL=0,25-0,5V, pad napona na crvenoj led diodi: VD=1,65-2,25V i maksimalno dozvoljena struja diode: Imax=20mA.
Navedeni podaci se očitavaju sa data sheet-a TTL kola i crvene LED diode, a mogu se pronaći i u većini priručnika iz oblasti elektronike. Potrebno je posmatrati dva krajnja slučaja ili drugim riječima izračunati maksimalni i minimalnu vrijednost otpornika. Prema II Kirhovom zakonu (Kirhofov zakon za napone) imamo: Vcc=I·R+UD+VOL iz čega dobivamo formulu za računanje vrijednosti otpornika R kao: R=(Vcc-UD-VOL)/I tako da dobivamo: Rmax=(5,25-1,65-0,25)/4=836Ω. Ovdje smo pretpostavili da je minimalna struja pri kojoj dioda ima dovoljnu jačinu svjetlosti petina od maksimalne struje tj. 4 mA. Takoñer možemo izračunati i Rmin=(4,75-2,25-0,5)/8=250Ω. Računali smo sa maksimalnom strujom TTL kola od 8 mA. Vidimo da otpor otpornika može biti u granicama izmeñu 250Ω i 836Ω. Kao što se vidi sa sheme odabran je otpornik od 470Ω. Sračunajmo sada kolika je maksimalna i minimalna struja kroz diodu u ekstremnim slučajevima uz otpornik 470Ω: Imax=(5,25-1,65-0,25)/470=7,1mA Imin=(4,75-2,25-0,5)/470=4,3mA. Vidimo da će struja biti u granicama izmeñu 4,3mA i 7,1mA uz pretpostavku da je vrijednost otpornika tačno 470Ω. Meñutim, ako pretpostavimo da je tolerancija otpornika 10% tada možemo očekivati da je Imax=1,1x7,1=7,8mA, a Imin=0,9x4,3=3,9mA. Potrebno je sada sračunati najveću moguću disipaciju na otporniku. Uz toleranciju 10% najveći otpor otpornika je 1,1x470=517Ω, a najmanji 0,9x470=423Ω. Pri proračunu disipacije vodimo računa da je pri najmanjem otporu struja najjača i obrnuto pa dakle imamo: Pmax=U·I=R·I2=423·0,00782=26mW Pmin=U·I=R·I2=517·0,00432=10mW. Vidimo da je disipacija na otporniku izmeñu 10mW i 26mW tako da možemo iskoristiti standardni otpornik disipacije 250mW. Na slici 4. je data shema sličnog spoja sa TTL NAND kolom gdje se LED dioda gasi kada se pritisnu oba prekidača.
145
Sl. 4. Sklop sa TTL NAND kolom i tranzistorom Naime kada se pritisnu oba prekidača na izlazu NAND kola dobivamo logičku nulu tako da je tada baza tranzistora uzemljena preko NAND kola. Meñutim, ako barem jedan prekidač nije pritisnut tada na izlazu NAND kola imamo logičku jedinicu tako da u bazu tranzistora teče struja te je tranzistor u stanju voñenja što dovodi do toga da kroz kolektor teče struja. Uz već navedene podatke potrebni su i sljedeći podaci za proračun sklopa: − − − −
struja na izlazu TTL kola pri logičkoj jedinici: IOH=0-0,4mA, napon na izlazu TTL kola pri logičkoj jedinici: VOH=2,4-3,4V, minimalno pojačanje tranzistora BC109 hFE=90 i maksimalna struja kolektora tranzistora BC109 50mA.
Uz pretpostavku da će struja na izlazu NAND kola biti maksimalno dozvoljena tj. 0,4mA proračunavamo sklop vodeći računa da je napon na bazi tranzistora 0,5-0,7V. Pošto je NAND sklop maksimalno opterećen možemo očekivati da će na njegovom izlazu biti minimalni napon od 2,4V, a na bazi tranzistora napon 0,7V. Sračunavamo minimalnu vrijednost baznog otpornika kao: Rmin=(2,4V-0,7V)/0,4mA=4,25k Kao što se vidi sa sheme odabran je otpornik 4,7k tako da je očekivana struja baze: Ib=(2,4V-0,7V)/4,7=0,36mA Ovo znači da struja kolektora smije biti najviše Icmax= hFE·Ib=90·0,36=32mA jer u suprotnom tranzistor neće biti u zasićenju. Otpornik od 47k koji je spojen izmeñu baze i emitera nije neophodan tj. sklop može da radi i bez njega, ali on povećava stabilnost sklopa. Odabran je da bude 10x veći od baznog otornika kako bi kroz njega tekla minimalna struja od 0,7V/47k=0,015mA. Uz pretpostavku da je pad napona na LED diodi i tranzistoru ukupno 2,5V sračunavamo da je struja kolektora: Ic=2,5V/0,22k=11mA
146
što je manje od maksimale struje zasićenja 32mA. Čitaocima koji sastave ovaj sklop preporučujemo da izmjere napone u karakterističnim tačkama i da na taj način ustanove stanje svog sklopa. Proračunima nije moguće tačno predvidjeti stanje sklopa, jer se komponente razlikuju jedna od druge, a takoñer temperatura okoline i male promjene napona napajanja imaju uticaj na sklop. CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) logička kola je 1963. godine izumio Frank Wanlass. Na slici 5. je dat simbol i shema NI (NAND) kola u CMOS logici.
Sl. 5. Simbol i shema NI (NAND) kola u CMOS logici CMOS familija danas ima veoma široku primjenu iz više razloga kao što su npr. niska potrošnja energije, neosjetljivost na promjene napona napajanja i drugi.
147
FLIP-FLOPOVI, BROJAČI I REGISTRI Flip-flopovi su u biti bistabilni multivibratori, ali se u našoj literaturi pod pojmom flip-flop obično podrazumijeva bistabilni multivibrator izveden u tehnici integrisanih kola. Na engleskom jeziku riječ flipflop se odnosi na mahanje krilima. Bistabilni multivibrator su izumili naučnici Eccles i Jordan 1918. godine te se u literaturi njihov sklop često naziva Eccles– Jordanov sklop. Istraživanja multivibratora su 50.-tih godina 20. stoljeća nastavili američki naučnici Montgomery Phister i Eldred Nelson. Značajna istraživanja vezano za primjenu bistabilnog multivibratora je izveo takoñer i Claude Shannon tokom 30.-tih godina 20. stoljeća. Bistabilni multivibrator je elektronski sklop koji ima dva stabilna stanja, a koristi se za memorisanje logičkih stanja. Postoji više vrsta flip-flopova, a najviše se koriste RS flip-flop i JK flip-flop. RS flip-flop se formira se od dva NILI kola kao što je prikazano na slici 1.
Sl. 1. Shema i simbol RS flip-flopa Ako na S ulaz (SET) dovedemo logičku jedinicu na izlazu Q će biti upisana logička jedinica sve dok na R ulaz (RESET) ne dovedemo logičku jedinicu za brisanje izlaza. Ako na oba ulaza istovremeno dovedemo logičku jedinicu u isto vrijeme tada će na izlazu biti nedefinisano stanje. Buduće stanje izlaza RS flip-flopa Qnext je dato izrazom:
Qnext = S + R ⋅ Q Problem nedefinisanog izlaza RS flip-flopa je riješen konstrukcijom JK flip-flip flopa čija shema i simbol su dati na slici 2.
Sl. 2. Shema i simbol JK flip-flopa Sa vremenskog dijagrama datog na slici 3. je vidljivo da u slučaju da na oba ulaza dovedemo logičku jedinicu JK flip flop promijeni postojeće stanje. Ukoliko na ulaz J dovedemo logičku
148
jedinicu izlaz će „skočiti“ na logičku jedinicu što znači da J ulaz odgovara S ulazu RS flipflopa. Istovremeno K ulaz odgovara R ulazu RS flip-flopa. Eldred Nelson je navodno odabrao oznaku JK kao deveto i deseto slovo engleske abecede, ali u literaturi se može naći objašnjenje da je J prvo slovo riječi Jump – skoči, a K prvo slovo riječi Kill – ubij. Ulaz CLK (clock) služi za odobrenje izlaza kako bi izlazni impulsi iz flip-flopa bili sinhronizovani sa impulsima clock-a.
Sl. 3. Vremenski dijagram JK flip-flopa Iz dijagrama sa slike 3. vidima da flip-flop mijenja prethodno stanje u slučaju da se na oba ulaza dovede logička jedinica tako da nemamo nedefinisanog stanja na izlazu. Buduće stanje izlaza JK flip-flopa Qnext je dato izrazom:
Qnext = J ⋅ Q + K ⋅ Q MS JK flip-flop je kaskadna veza dva JK flip-flopa. Prvi flip-flop služi kao memorijski flip-flop (master) i on upravlja radom drugog (slave) flip-flopa. Na engleskom jeziku master znači gospodar, a salave rob. Brojači su elektronski sklopovi koji odbrojavaju impulse. Shema brojača koji može da broji do četiri impulsa je data na slici 4., a vremenski dijagram na slici 5.
Sl. 4. Shema brojača Na početku je stanje brojača 00. Nakon nailaska prvog impulsa stanje brojača je 01, nakon drugog 10, nakon trećeg 11, a nakon četvrtog 00. Dakle, brojač se nakon svaka četiri impulsa vraća na početak. Da je u pitanju brojač sa tri flip-flopa on bi se nakon 23=8 impulsa vraćao na početak.
149
Sl. 5. Vremenski dijagram brojača Opisani brojač je tzv. asinhroni brojač. Osim asinhronog postoji niz drugih brojača kao što su sinhroni, kružni, dekadni i drugi. Registri su elektronski sklopovi koji služe za memorisanje informacija. Registri se grade od flip-flopova. Što informacija ima veći broj bita potrebno nam je više flip-flopova za memorisanje informacije, jer svaki flip-flop može memorisati samo jedan bit (Binary DigIT). Primjer informacije: 1101 najviši bit (23)
najniži bit (20)
Za memorisanje informacije od četiri bita, potreban nam je registar koji se sastoji od četiri flip flopa. Registri su podijeljeni na stacionarne i pomjeračke (shift) registre. Stacionarni registri su registri sa paralelnim izlazom, a shift registri su registri sa serijskim izlazom informacije. Stacionarni registri se dijele na paralelno paralelne i serijsko paralelne, a shift registri se dijele na paraleno serijske i serijsko serijske. Shema paralelno paralelnog dvobitnog registra je data na slici 6.
REGISTRI
STACIONARNI
PARALENO PARALELNI
POMJERAČKI (SHIFT)
SERIJSKO PARALELNO PARALELNI SERIJSKI
150
SERIJSKO SERIJSKI
Sl. 6. Paralelno paralelni dvobitni registar Kada se dovede signal odobrenja ulaza ulazna informacija se upiše u registar i ostaje memorisana sve dok se ne odobri upis nove informacije. Kao što se vidi i ulazna i izlazna informacija je u paralelnom obliku (paralelno paralelni registar). Blok shema serijsko serijskog registra je data na slici 7.
Sl. 7. Serijsko serijski registar Informacija se u registar upisuje u serijskom obliku, bit po bit, počev od najnižeg bita za razliku od paralelnog upisivanja informacije gdje se odjednom upisuju svi biti informacije. Prethodnici flip-flopova kao memorijskih elemenata su bili tzv. memorijski releji (engleski: latching relays). Flip-flopovi su dugo vremena korišteni za realizaciju sekvencijalnih logičkih kola odnosno za programsko upravljanje gdje su njihovi prethodnici bili programatori sa bregastom osovinom i elektromotorom. Primjer programskog upravljanja je upravljanje semaforom. Kao što znamo sekvenca semafora se sastoji u paljenju crvenog, žutog i zelenog svjetla tako da dok je za vozila i pješake iz jednog smjera crveno svjetlo za vozila i pješake iz drugog smjera je zeleno. Primjer programskog upravljanja je i paljenje svijetlećih reklamnih natpisa gdje se pali jedno po jedno slovo natpisa, natpis blinka itd sve po zadanom programu. Takoñer primjer programskog upravljanja imamo i kod programatora za upravljanje radom mašine za pranje veša. Kao što je već rečeno za rješenje problema programskog upravljanja su ranije korišteni elektromehanički programatori sa bregastom osovinom. Kod ovih programatora je osovinu pokretao elektromotor koji se vrtio stalnom brzinom. Brzina motora je reducirana pomoću zupčanika. Na osovinu su postavljani bregovi potrebne dužine koji su nalijegali na kontakte te ih tokom rotacije otvarali i zatvarali. Npr. programator semafora je imao dva brijega za tri stanja semafora. Brijeg za crvenu/zelenu
151
boju je zauzimao pola obima tj. 180°, a brijeg za ž utu boju tek nekih 10°. Pomo ću releja za invertovanje je ostvarivano istovremeno paljenje crvenog i zelenog svjetla u dva različita pravca. Jedno od starijih rješenja programskog upravljanja je i bušena traka na kojoj je bio upisan program koji je očitavan pomoću fotodioda. Primjenom brojača konstruisanih na bazi flip-flopova je ostvarivana elektronska varijanta programskog upravljanja, ali i ovo rješenje je već prevaziñeno i danas se koriste PLC i PIC ureñaji za realizaciju ovih funkcija. Štaviše u mnogim primjenama je generacija programatora sa diskretnim komponentama preskočena te se sa elektromehaničkih programatora odmah prešlo na PLC i PIC ureñaje. Bitno je spomenuti i elektromehaničke brojače koji su se u mnogim primjenama zadržali do danas. Elektromehanički brojači sadrže elektromagnet koji električne impulse sa ulaza pretvara u mehaničke impulse za pogon brojača. Na slici 8. je prikazan jedan elektromehanički brojač.
Sl. 8. Elektromehanički brojač Standardni naponi impulsa elektromehaničkih brojača su 24VDC, 24VAC, 110VAC i 230VAC. Elektromehanički brojači se i danas koriste u mnogim primjenama iz prostog razloga što u slučaju gubitka napajanja sigurno zadržavaju svoje stanje bez obzira na dužinu trajanja gubitka napajanja. Na kraju ćemo spomenuti još jedan ureñaj koji se koristi već stotinama godina i vjerovanto će se još dugo krostiti, a to je generator električnih impulsa na bazi bimetalne trake. Bimetalna traka se sastoji od dvije trake od različitih metala spojene u jednu traku. Zbog činjenice da različiti metali imaju različit koeficijent toplotnog izduženja bimetalna traka se savija na jednu stranu pri zagrijavanju. Bimetalna traka je iskorištena za niz primjena kao što su npr. mjerenje temperature, zaštita električnih potrošača od preopterećenja, termostate, starter za fluorocentnu sijalicu električne rasvjete itd. Koliko je poznato bimetalnu traku je izumio John Harrison 1759. godine. Ovdje ćemo opisati bimetalni generator impulsa koji se dugo koristio u automobilima za treptanje svjetla migavca. Bimetalni generator impulsa ima kontakt od bimetalne trake tako da u momentu kada se u seriju spoje izvor struje, bimetalni generator i potrošač kroz bimetalnu traku poteče struja koja zagrije traku te se ista savije i prekine kontakt, a zatim se ohladi pa ga ponovo uspostavi. Na slici 9. je prikazan starter za fluorocentnu sijalicu koji u biti ima istu kosntrukciju kao i spomenuti bimetalni prekidač. Jedina razlika je u tome što je ovdje grijanje pojačano otpornikom koji dodatno zagrijava bimetalnu traku. Ukoliko se spoje u seriju starter i sijalica 40W te spoje na mrežni napon 230VAC dobit će se efekat treptanja sijalice. Po želji se paralelno sa sijalicom može spojiti i elektromehanički brojač koji će brojati treptaje sijalice. Takoñer paraleno sa sijalicom se može spojiti relej (kontaktor) za pojačavanje impulsa te se na taj način može paliti više sijalica. Navedeno je da se spoji sijalica od 40W, ali može se eksperimantisati i sa jačim i slabijim sijalicama. Promjenom snage sijalice se mijenja frekavecija treptanja. Dakako mnogo bolje je umjesto klasičnog releja za pojačavanje koristiti triak ili poluprovodnički relej.
152
Sl. 9. Starter fluoroscentne cijevi
153
MEMORIJE I MIKROPROCESORI Memorije su, kao i registri, elektronski sklopovi za memorisanje informacija uz razliku što memorije imaju daleko veći kapacitet. Dvije osnovne vrste memorija su ROM i RAM memorije. ROM memorije su dobile naziv prema engleskim riječima Read Only Memory što znači memorija samo za iščitavanje. U ROM memoriju se jednom upišu podaci, a poslije se mogu samo iščitavati, za razliku od RAM memorije u koju se podaci mogu i upisivati i iščitavati. RAM je skraćenica od riječi Random Acces Memory što znači memorija sa direktnim pristupom. Blok shema četvorobitne RAM memorije je data na slici 1.
Sl.1. Blok shema četvorobitne RAM memorije Isti priključci se koriste i za ulaz i za izlaz podataka. Ukoliko na priključak ČITANJE/PISANJE dovedemo logičku nulu podaci se upisuju, a ako dovedemo logičku jedinicu podaci se čitaju (izlaze). Sa A0 do A9 su označeni adresni ulazi. Ova memorija ima ukupno 210=1024 četvorobitna paralelno paralelna registra u koje se upisuju podaci. Pomoću adresnih ulaza označavamo željeni registar za upis ili očitavanje informacije. PROM, EPROM i EEPROM su posebne vrste ROM memorije. PROM je programabilni ROM, EPROM je izbrisivi programabilni ROM, a EEPROM je električno izbrisivi programabilni ROM. EEPROM (E2PROM) memorije imaju veoma veliku primjenu, jer njihov sadržaj možemo električnim putem izbrisati, za razliku od EPROM memorija koje se brišu izlaganjem ultraljubičastoj svjetlosti. Glavni nedostatak RAM memorije je što se informacija upisana u RAM gubi u trenutku isključenja napajanja. Meñutim, informacija upisana u EEPROM ostaje upisana i nakon isključenja napajanja. Statička RAM (SRAM) memorija je realizovana pomoću bipolarnih tranzistora, a dinamička RAM (DRAM) je realizovana unipolarnim tranzistorima. SRAM je brža memorija u odnosu na DRAM. Prednosti DRAM memorija su što su jeftine, zauzimaju manje prostora i što troše manje energije, a nisu osjetljive na promjene napona napajanja. Historijski gledano prvi RAM na bazi magnetnih jezgra je konstruisan 1949. godine dok je prvi elektronski RAM konstruisan 1960.-tih godina. 1971. godine je konstruisan prvi EPROM, a prvi EEPROM 1983. godine. Flash memorije se proizvode od 1988. godine. Prvi mikroprocesor je konstruisan 1971. godine. Mikroprocesori su elektronski sklopovi koji obrañuju (procesiraju) informacije u digitalnom obliku. Mikroprocesori mogu da sabiraju, oduzimaju, množe, porede i obavljaju niz drugih operacija. Za mikroprocesor se često koriste
154
skraćeni nazivi µP i CPU (centralna procesorska jedinica). Na slici 2. je prikazana blok shema šesnaestobitnog mikroprocesora.
Sl.2. Blok shema šesnaestobitnog mikroprocesora Vidljivo je da mikroprocesor ima slične priključke kao i memorija. Priključci D0-D15 su priključci za ulaz i izlaz podataka. A0-A15 su priključci za odresiranje. CLK je priključak na koji se dovodi signal sa vanjskog generatora četvrtki (CLOCK signal). Priključci podataka čine sabirnicu podataka, a adresni priključci adresnu sabirnicu. Blok shema računara je data na slici 3.
Sl.3. Blok shema računara Po uključenju napajanja mikroprocesor na adresnu sabirnicu izbaci adresu podatka u memoriji kojeg želi očitati. Memorija pošalje taj podatak na sabirnicu podataka odakle ga mikroprocesor pokupi i obradi. Sve do isključenja mikroprocesor radi isti posao: uzima podatke, obrañuje ih i rezultat vraća na sabirnicu podataka. Sa blok sheme je vidljivo da su na sabirnice spojeni, osim memorija i ulazi i izlazi. Kao ulazi i izlazi se koriste: monitor, tastatura, miš, zvučna kartica itd. Savremeni računari imaju strukturu Von Neumannove mašine pa se za savremene elektronske računare kaže da u osnovi imaju Von Neumannovovu arhitekturu koji je izumio 1945. godine američki naučnik jevrejskog prijekla John von Neumann. Za konstruisanje računara velike zasluge su imali i francuski naučnik Blaise Pascal koji je 1642. godine konstruisao mehanički kalkulator, engleski naučnik
155
Charles Babbage koji je 1820. konstruisao mehanički kompjuter i engleska naučnica Ada Byron Lovelace koje je 1842. godine sastavila prvi program za računar te se smatra za prvog programera u historiji. Ada Lovelace je takoñer prva koristila pojam „programski jezik“. 1946. je konstruisan prvi elektronski digitalni računar ENIAC. Bitno je napomenuti da osim digitalnih računara postoje i analogni računari koji se i danas koriste u odreñenim primjenama. Analogni računari su konstruisani na bazi jednosmjernih pojačala i mogu da vrše razne operacije nad analognim signalima kao što je npr. sabiranje, oduzimanje, diferenciranje, integriranje i druge. Prvi analogni računari su konstruisani kao mehanički ureñaji, a prvi elektronski analogni računar je konstruisan 1950. godine. Postoje i tzv. hibridni računari koji su kombinacija analognih i digitalnih računara. Digitalni računari se dijele na univerzalne i namjenske. Univerzalni računari se mogu konfigurisati za više raznih primjena, a namjenski računari se koriste samo za jednu primjenu ili evenutalno uži krug primjena. Primjer digitalnog računara univerzalne primjene je PC računar, a primjer namjenskog računara je računar u mikropocesorki upravljanom mjernom ureñaju. Namjenski računar koji ima istina veći broj primjena, ali ipak u ograničenoj oblasti je PLC (Programmable Logic Controller). PLC se koriste uglavnom u industriji za upravljanje mašinama i ureñajima. Na slici 4. je prikazan jednostavan PLC sa 8 digitalnih ulaza i 4 relejna ulaza. Proizvode se i mnogo složeniji PLC sa velikim brojem raznih vrsta ulaza i izlaza (analogni, digitalni, relejni itd.). PLC sa slike 4. od ulaznih i izlaznih jedinica ima: karticu digitalnih ulaza, karticu relejnih izlaza i komunikacionu karticu. Komunikaciona kartica se koristi za komunikaciju sa PC računarom. Naime softver za PLC se edituje i kompajlira na PC računaru, a zatim se download-uje u PLC. Takoñer softver koji je nekada download-ovan u PLC se može uploadovati u PC računar. PC računar i PLC se u svrhe download-ovanja i upload-ovanja povezuju specijalnim kablom.
Sl. 4. Primjer PLC-a Na kraju je bitno navesti jedinice za kapacitet memorije. Kao što je poznato bit je jedinica za informaciju i odgovara binarnoj odluci, a može imati dva stanja: da/ne, istina/laž, uključeno/isključeno i sl. Najčešće se pod bitom podrazumijeva jedna binarna cifra (znamenka) koja može biti 0 ili 1. Bit je kombinacija engleskih riječi BInary digiT, što u prijevodu znači binarna cifra (znamenka). Set bitova se naziva bajt (engleski: Byte). Bajt se najčešće, ali ne i obavezno sastoji od osam bita. Oktet je set od osam bita. Koriste se sljedeće oznake: b – bit, B – bajt i o – oktet. Najčešće se memorije projektuju tako da ukupan broj lokacija možemo izraziti kao potenciju broja 2 tako da su uvedene jedinice za kapacitet memorije kB kao 1024 bajta, MB kao 1024 KB i GB kao 1024 MB. Naime 1024 je „2 na 10“. Primjena ovakvih prefiksa je u sukobu sa SI sistemo mjernih jedinica prema kome je prefiks kilo rezervisan za 1000. Kako bi se riješio ovaj nesporazum 1998. godine su predložene jedinice kibi (kilobinary), mebi (megabinary) i gibi (gigabinary): kibi (simbol Ki) 1024 bajta
156
mebi (simbol Mi) 1048576 bajta gibi (simbol Gi) 1073741824 bajta. Prema ovim preporukama je: 1 kB = 1000 bajta 1 KiB = 1024 bajta. 2002. godine su usvojene i preporuke IEEE 1541-2002 koje idu u istom smjeru. Na žalost navede preporuke još nisu u potpunosti prihvaćene, a takoñer još uvijek se koriste stari udžbenici i priručnici koji unose zabunu. Očigledno da nije lahko ispraviti greške iz prošlosti.
157
PROGRAMABILNE KOMPONENTE I UREðAJI Počev od kraja 1960.-tih godina u digitalnoj elektronici postoje dva glavna pravca razvoja. Jedan od njih je usmjeren na razvoj mikroprocesora, a drugi na razvoj programabilnih elektronskih komponenti. U ovom nastvaku škole elektronike opisat ćemo programabilne elektronske komponente. Zbog činjenice da je ova oblast jako široka fokusirati ćemo se na opis pojmova koji se najčešće susreću, a to su: PLD, PIC®, FPGA i FPAA. PLD je skraćenica od Programmable Logic Device (programabilni logički ureñaj), a odnosi se na programabilne digitalne elektronske komponente. Drugim riječima rečeno PLD su čipovi čija funkcionalnost se programira ne tokom proizvodnje samih čipova već naknadno tokom gradnje ureñaja u koje se komponente ugrañuju. Prvi PLD je proizveden 1969. godine. PIC® je skraćenica od Peripheral Interface Controller, a odnosi se na programabilne elektronske komponente proizvodnje Microchip Technology Inc. Firma Microchip Technology Inc. je osnovana 1989. godine kao dio General Instrumentsa. PIC® komponente su veoma popularne kako u krugovima profesionalaca tako i u krugovima elektroničara hobista tako da ima mnogo objavljenih knjiga koje opisuju programiranje i primjenu ovih komponenti. Na WEB sajtu Microchip Technology Inc. www.microchip.com se može pronaći mnogo podataka o PIC®. Jedan od alternativnih proizvoñača mikrokontrolera je Picaxe na čijem WEB sajtu www.picaxe.co.uk se takoñer mogu pronaći korisne informacije. FPGA i FPAA su skraćenice od Field-Programmable Gate Array i Field-Programmable Analog Array, a odnose se na digitalne i analogne programabilne elektronske komponente respektivno. Od programabilnih elektronskih ureñaja je bitno spomenuti PLC, CNC, IPLC i SCADA ureñaje. PLC (Programmable Logic Controller) je programabilni logički ureñaj koji se koristi u industriji za upravljanje mašinama i ureñajima. Preteča PLC ureñajima su relejni ureñaji i elektronski logički moduli. CNC je skraćenica od Computer Numerical Control (kompjutersko numeričko upravljanje), a odnosi se na namjenske računare koji upravljaju radom alatnih mašina kao što su npr. bušilice, glodalice, tokarilice i druge. Preteča CNC ureñajima su NC (Numerical Control) ureñaji koji su korišteni tokom 1940.-tih i 1950.-tih godina, a koji su bili električni ureñaji sa programom rada zapisanim na papirnu ili plastičnu bušenu traku. Bušena traka je pomjerana elektromotornim ureñajem, a program je očitavan pomoću fotodioda. Najrašireniji programski jezici za programiranje NC i CNC mašina su G-kod i APT (Automatically Programmed Tool) koga je 1959. godine razradio Douglas T. Ross. G-kod je razvijen 1950. godine. Pojedina CNC upravljanja koriste i simbolički slikovni jezik za programiranje. CNC upravljane bušilice se koriste izmeñu ostalog i za bušenje štampanih pločica za elektronske sklopove. Mnogi elektroničari hobisti sami konstruišu takve bušilice koristeći za pogon step motore izvañene iz printera. U profesionalnim CNC mašinama pogoni su realizovani trofaznim elektromotorima napojenim sa frekventnih pretvarača. Podatak o položaju alata se dobiva pomoću mjernih ureñaja enkodera, a podatak o brzini vrtnje (broju obrtaja) alata pomoću tahometra. Vezano za CNC upravljanja se koristi termin IPLC. IPLC je skraćenica od Integrated PLC što znači da je IPLC vrsta PLC-a koja se ugrañuje u CNC upravljanja. Starija CNC upravljana nisu imala ugrañeni (integrisani) PLC već se on dodavao CNC-u, a sa njim je komunicirao preko kartica digitalnih ulaza i izlaza. Savremena CNC upravljanja imaju intgrisani PLC te se upravljanje pomoćnim pogonima kao što je npr. uključivanje pumpe rashladne tečnosti ili dobivanje podatka o nivou ulja vrši preko ulaza i izlaza integrisanog PLC-a. Takoñer savremena CNC upravljanja često osim PLC-a imaju integrisane i frekventne pretvarače za pogon elektromotora. SCADA je skraćenica od Supervisory Control and Data Acquisition što u prijevodu znači sistem za nadzor i prikupljanje podataka. Prvi SCADA sistemi su razvijeni 1960.-tih godina kada su računari postigli dovoljnu brzinu da mogu izvršavati realtime funkcije. Struktura savremenog sistema automatskog upravljanja (SAU) velikog procesa kao što je npr. jedna gradska toplana ili jedna hidrocentrala baziranog na SCADA sistemu je prikazana na slici 1. Inženjerska stanica i operatorske stanice su PC računari. Operatorske stanice se koriste za voñenje procesa, a inženjerska stanica za potrebe održavanja i dorade sistema upravljanja. Dvije operatorske stanice su identične i u slučaju kvara na jednoj od njih druga može samostalno da vodi proces. Inženjerska stanica je preko modema spojena na telefonsku mrežu kako bi se po
158
potrebi sve intervencije na inženjerskoj stanici mogle vršiti sa udaljenog računara. Inženjerska stanica, operatorske stanice i PLC su
Sl. 1. Struktura savremenog sistema automatskog upravljanja uvezane pomoću HUB-a u industrijsku Ethernet mrežu i oni se smještaju u komandnu sobu iz koje se upravlja procesom. Na samom postrojenju u posebnoj prostoriji (podstanici) se instaliraju interfejs moduli, frekventni pretvarači, transmiteri i ostala oprema. S obzirom da su podstanica i komandna soba često udaljene i po nekoliko stotina metara komunikacija se realizuje dvožilnim optičkim kablom. U podstanici se na link modul spajaju navedeni optički kabl i dvožilni oklopljeni bakarni kabl (BUS). Preko BUS-a interfejs moduli, frekventni pretvarači i drugi ureñaji koji imaju opciju spajanja na BUS ostavaruju komunikaciju sa PLCom. Interfejs moduli imaju digitalne i analogne ulaze i izlaze na koje se spajaju kontaktori, termostati, presostati, transmiteri itd. U nastvaku će biti prikazan primjer primjene PLC-a na regulaciju zagrijavanja poslovnih prostora. Regulacija centralnog grijanja stambenih objekata se izvodi relativno jednostavno. Meñutim, kada su u pitanju poslovni objekti, zahtjevi za sistem regulacije su nešto složeniji. Kao prvo, u cilju uštede energije traže se dva režima grijanja - jedan tokom radnog vremena koji se obično naziva „dnevnim režimom“ i drugi izvan radnog vremena nazvan „noćnim režimom“. Tokom dnevnog režima temperatura u prostorijama je 20 - 23 ºC, dok tokom noćnog temperatura treba biti 10 - 15 ºC. Kao drugo, nameću se strožiji zahtjevi za automatsku zaštitu postrojenja grijanja od smrzavanja vode u instalaciji te od eksplozije kotla izazvane pregrijavanjem kotla. Postoje dva načina regulacije centralnog grijanja: direktna i pomoću miješajućeg ventila. Direktna regulacija je značajno jednostavnija i uglavnom se koristi u stambenim objektima. Regulacija pomoću miješajućeg 159
ventila je nešto preciznija i obično se koristi u poslovnim objektima. Na slici 2. je data tehnološka shema regulacije centralnog grijanja pomoću PLC-a.
Sl. 2. Tehnološka shema regulacije centralnog grijanja pomoću PLC-a Termostat vanjske temperature (B1) se montira vani, na pročelje objekta, na mjesto koje nije izloženo direktnom djelovanju sunčevih zraka. S obzirom na to da se kotlovnice obvezno ventiliraju, temperatura unutar kotlovnice je tek za par stepeni viša od vanjske. Zato se termostat vanjske temperature često montira unutar same kotlovnice dovoljno udaljen od kotla, a u blizini otvora za ventilaciju. Njegova uloga je automatsko uključenje crpke pri padu vanjske temperature ispod 25 ºC. Po potrebi se može koristiti i za automatsko uključenje cijelog sistema grijanja. Cijevni termostat (B2) se montira na polaznu cijev tople vode. Ako temperatura vode u polaznoj cijevi padne ispod 5 ºC, daje naredbu za uključenje crpke i otvaranje miješajućeg ventila u položaj A. Naime, poznato je da se tekuća voda daleko teže smrzava od stojeće. Dakle, uključenjem crpke sprječavamo smrzavanje vode u instalaciji čak i pri isključenom kotlu. Regulacijski termostati B3 i B4 se postavljaju na zid jedne od kancelarija objekta, na visini 100 – 120 cm od poda, dovoljno daleko od radijatora i prozora. Potrebno ih je postaviti u kancelariju čija je temperatura dovoljno dobar reprezent temperature u cijelom objektu što znači ni u najtopliju ni u najhladniju. Često se regulacijski termostati ugrañuju u portirnicama što je pogrešno jer su one obično jako hladne prostorije. Kotlovski termostat (B5) ima zaštitnu ulogu. U slučaju da temperatura vode u kotlu dostigne 95 ºC, javlja se opasnost od eksplozije kotla. Da bi se to izbjeglo, termostat B5 daje istu naredbu kao i termostat B2 - uključenje crpke i otvaranje miješajućeg ventila. Ova naredba se izvodi bezuvjetno čak i kada „izbaci“ zaštita F1. Uključenjem crpke pri otvorenom ventilu postiže se hlañenje kotla. Shema ožičenja je data na sl. 3. Miješajući ventil YV miješa toplu vodu koja dolazi iz kotla (komponenta A) i ohlañenu vodu koja dolazi iz radijatora
160
(komponenta B). Gljiva ventila se pokreće pomoću jednofaznog motora. Unutar motora su ugrañeni krajnji prekidači koji isključuju motor kada se ventil otvori, odnosno zatvori. Kada
Sl. 3. Shema ožičenja temperatura u prostorijama padne ispod zadane, pomoću ventila se u instalaciju pušta topla voda iz kotla i obrnuto, kada temperatura prijeñe zadanu, topla voda se zatvara tako da kroz instalaciju cirkulira ohlañena voda. Kotao ima ugrañen vlastiti regulacijski termostat koji izvodi uključenje plamenika. Crpka tople vode se može instalirati u polazni ili u povratni vod. Temperatura vode u povratnom vodu je niža tako da je bolje rješenje instaliranje crpke u povratni vod kao što je učinjeno u prikazanom primjeru. Preko relejnih izlaza PLC-a LOGO! se mogu napajati monofazne crpke snage do 350 W. U slučaju da je crpka veće snage ili s trofaznim napajanjem, potrebno je dodati kontaktor. Na sl. 4 je dat PLC program u obliku funkcionalnog blok-dijagrama FBD. Uklopnim satovima se podešavaju vremenski rasponi dnevnog i noćnog režima. Dnevni se obično uključuje jedan sat prije početka, a isključuje sat prije kraja radnog vremena.
161
Sl. 4. Funkcionalni blok-dijagram programa za PLC
162
ANALOGNA INTEGRISANA KOLA Integrisana kola se dijele na analogna (linearna) i digitalna premda postoje i kombinovana rješenja. Analogna integrisana kola obrañuju analogne, a digitalna digitalne signale. Postoji mnogo analognih integrisanih kola, ali najširu primjenu imaju: integrisani stabilizatori napona, operaciona pojačala i integrisana pojačala snage. Najčesšće upotrebljavani integrisani stabilizatori napona su integrisana kola 78XX i 79XX. Kolo 78XX se koristi za stabilizaciju pozitivnih, a kolo 79XX za stabilizaciju negativnih napona. Sa XX je označen izlazni napon kola. Sheme spajanja ovih kola su date na slici 1.
Sl. 1. Sheme spajanja integrisanih stabilizatora napona Napon na ulazu u kolo mora biti viši od napona na izlazu (UUL > UIZ). Ova kola se proizvode za napone od 2 V (7802) do 24 V (7824) i za struje od 100 mA do 2 A. Na slici 2. je data shema ispravljača sa kolom 7812.
Sl. 2. Shema ispravljača sa kolom 7812 Najpoznatije operaciono pojačalo je integrisano kolo 741, koje je ušlo u proizvodnju 1970. godine. Ovo integrisano kolo na svom ulazu ima diferencijalno pojačalo. Oznaka operacionog pojačala je data na slici 3.
Sl. 3. Oznaka operacionog pojačala
Kolo 741 zahtijeva dvostrano napajanje. Vrijedi odnos: UIZ = A• (U2 – U1 ) Naponsko pojačanje kola 741 je preko 100 000 (A>100 000). Usljed ovoga razlika napona U2-U1 smije biti vrlo mala, jer inače kolo prelazi u zasićenje. Kada je kolo u zasićenju na
163
njegovom izlazu je napon jednak naponu izvora. Shema i vremenski dijagram invertujućeg pojačala realizovanog pomoću kola 741 su dati na slici 4.
Sl. 4. Invertujuće pojačalo Kao što se vidi ulazni i izlazni napon imaju suprotan polaritet. Izvor napajanja se obično ne crta na shemi. Pojačanje pojačala sa slike 4. je odreñeno odnosom otpornika R2/R1. Npr. ako je je otpornik R2=100k, a otpornik R1=1k tada je pojačanje pojačala 100x. Shema neinvertujućeg pojačala je data na slici 5.
Sl. 5. Neinvertujuće pojačalo
Sl. 6. Shema integrisanog kola 741
164
Na slici 6. je data shema integrisanog kola 741, a na slici 7. je data shema spajanja potenciometra kojim se podešava nula (engleski: set zero) i raspored izvoda.
Sl. 7. Izvodi kola 741 Komparator je elektronski sklop koji vrši poreñenje (komparaciju) signala. Ovaj sklop se realizuje prema shemi sa slike 8.
Sl. 8. Komparator Ukoliko je U2 >U1 na izlazu će biti napon +E i obrnuto ukoliko je U2
Sl. 9. Pojačalo na bazi kola LM380
165
elektrolitski. Na slici 10. je data shema interfona sa kolom LM380. Zvučnici se koriste i kao
Sl. 10. Shema interfona mikrofoni. Preklapanje sa govora na slušanje se vrši pomoću relea koji se se aktivira tasterom. Radoznalci koji su otvarali kutiju interfona u svom stanu su mogli primjetiti da se u istoj nalaze dva tastera, relej i zvučnik. Jedan taster se koristi za aktiviranje električne brave, a drugi za uključenje opcije „GOVOR“. Relej preklapa funkciju zvučnika. Pojačalo se nalazi u interfonskoj kutiji na ulazu zgrade. Na slici 11. je data shema mikrofonskog pretpojačala na bazi operacionog pojačala LM741.
Sl. 11. Mikrofonsko pretpojačalo Kolo 741 zahtijeva dvostrano napajanje, ali u ovoj primjeni to nije slučaj. Naime djeliteljem napona koga čine dva otponika 4,7k se potencijal nižica 2 i 3 podiže na polovinu napona napajanja što znači na 6V. Signal sa mikrofona amplitude 1mV preko elektrolitskih kondenzatora 500µF i otpornika 100Ω se dovodi na invertujući ulaz operacionog pojačala. Preko otpornika 10k se ostvaruje negativna povratna sprega pojačala. Naponsko pojačanje ovog pojačala na frekvenciji od 100Hz je oko 100x i tako pri signalu sa mikrofona od 1mV na izlazu imamo signal 100mV što je savim dovoljno za spajanje na ulaz pojačala. Pojačalo sa slike 9. ima naponsko pojačanje približno 50x tako da spajanjem pretpojačala dobivamo ukupno naponsko pojačanje 5000x odnosno do signala napona 5V na zvučniku. Pošto je zvučnik impedanse 8Ω možemo očekivati izlaznu snagu do 25/8=3,1W. Zbog gubitaka na kondenzatorima realno je očekivati snagu od približno 2,5W. Pretpojačalo i pojačalo se mogu napajati ispravljačem sa slike 2. čija snaga je 12x0,3=3,6W. Integrisana kola 7812 i LM380 se postavljaju na hladnjake.
166
MJERNI INSTRUMENTI Metrologija je nauka o mjerenjima. Osim pojma metrologija se često koristi i pojam mjeriteljstvo. Svojevremeno je američki naučnik Alfred Kinsey dao čuvenu izjavu „Bez mjerenja nema nauke.“ I odista sve ono što se ne može mjeriti ne može biti ni naučno obrañivano. Električna i elektronska mjerenja osim velikog značaja kojeg imaju za elektrotehniku danas imaju veliki značaj za nauku uopšte zbog činjenice da se elektronski mjerni instrumenti već odavno koriste za mjerenje ne samo električnih već i niza drugih veličina. Pored primjene za naučna istraživanja mjerni instrumenti i ureñaji se koriste u trgovini, medicini i za niz drugih primjena. Prvi instrument kojim se moglo reglo registrovati prisustvo električnog naboja je bio elektroskop koga je 1600. godine izumio engleski naučnik William Gilbert. Prikazan je na slici 1.
Sl. 1. Gilbertov elektroskop Kao što se vidi sa slike to je bila obična igla postavljena na metalni šiljak tako da se mogla rotirati slično kao i igla kompasa uz razliku što igla Gilbertovog elektroskopa nije bila namagnetisana. Ukoliko bi se Gilbertov elektroskop našao u blizini naelektrisanog tijela usljed električnog polja igla bi se zakrenula i na taj način indicirala prisustvo naboja. Za ovaj instrument se u nauci koristi i naziv Gilbertov versorium. Na bazi Gilbertovih istraživanja konstruisan je prvi instrument za mjerenje napona elektrometar. Elektrometar je vrsta voltmetra. Prvi elektrometar je prema poznatim podacima izumio švicarski naučnik HoraceBenedict de Saussure još davne 1766. godine. Laboratorijski elektrometar je prikazan na slici 2.
Sl. 2. Laoboratorijski elektrometar
167
Elektrometar sa slike 2. može da mjeri napon do 4000V, a kapacitet mu je 5pF. Sastoji se od metalne igle za indikaciju koja je smještena u untrašnjosti instrumenta i metalnog kućišta. Igla je izolovana od kućišta zrakom i keramičkim izolatorom. Igla predstavlja jednu elektrodu, a kućište drugu. Što se veći napon narine to će biti veća sila koja zakreće iglu uzrokovana električnim poljem unutar kućišta instrumenta. 1867. godine engleski naučnik William Thomson Kelvin poznatiji kao lord Kelvin je izumio kvadrantni elektrometar koji je u primjeni i danas, a za njega se u literaturi često koristi naziv elektrostatski voltmetar. Kelvinov elektrometar je prikazan na slici 3. Sastoji se od četiri nepomične i jedne rotirajuće elektrode u obliku leptira na koju je namontirana kazaljka za indiciranje napona. Kada na elektrometar nije narinut napon rotirajuću elektrodu sila opruge drži u stacionarnom položaju. Kada se narine napon električno polje izmeñu nepomične i rotirajuće elektrode dovodi do zakretanja rotirajuće elektrode srazmjerno visini napona.
Sl. 3. Kelvinov elektrometar Kelvinov elektrometar se koristi za mjerenje napona do 500kV, a ima izuzetno visok ulazni otpor. Nakon izuma elektronskih cijevi konstruisani su prvi elektronski elektrometri. Pod elektrometrom se podrazumijeva svaki elektronski voltmetar čiji je ulazni otpor veći od 10 teraoma (>1013oma). Današnji elektronski elektrometri imaju ulazna pretpojačala konstruisana na bazi CMOS operacionih pojačala, kao što je npr. LMC6081, a takoñer se koriste i FET tranzistori. Ulazno kolo elektrometra sa FET tranzistorom je prikazano na slici 4.
Sl. 4. Ulazno kolo elektronskog elektrometra Kasnije ćemo se ponovo vratiti na mjerenje napona, a sada ćemo opisati prvi instrument kojim se mogla mjeriti jačina električne struje, a to je galvanometar. 1780. godine intalijanski naučnik Luigi Galvani je izveo prve eksperimente sa električnom strujom. Njemački naučnik Alexander von Humbolt je 1820.-ih godina predložio da se riječ elektricitet (i njezine izvedenice) pridrže za statički elektricitet, a da se elektricitet u kretanju, dakle električna struja, prema Luigiju Galvaniju, na osnovi čijih je opažanja italijanski naučnik Alessandro Volta 1800. godine konstruirao prvi izvor električne struje, nazove galvanizmom. To nije u potpunosti prihvaćeno, ali su do danas ostali neki nazivi u vezi s jednosmjernom strujom: galvanska struja, galvanoskop, galvanometar, galvanizacija, galvanski spoj itd. Isto kao što je
168
elektrometar vrsta voltmetra tako je i galvanometar vrsta ampermetra. Postoje sljedeće vrste galvanometara: − −
galvanometar s pomičnim (zakretnim) magnetom i galvanometar s pomičnom (zakretnom) zavojnicom.
Galvanometar s pomičnim magnetom (engleski: moving magnet galvanometer) je konstruisan 1820. godine na temelju istraživanja Hansa Oersteda koji zapazio da se pri zatvaranju strujnog kruga formira magnetno polje koje djeluje na magnetnu iglu kompasa. Galvanometar s pomičnim magnetom je 1820. godine izumio Johann Schweigger. Ovaj galvanometar se danas vrlo malo koristi, a sastoji se od običnog kompasa preko koga je namotan odreñen broj namotaja izolovane žice kroz koje se propušta struja kao što je ilustrovano na slici 5.
Sl. 5. Galvanometar s pomičnim (zakretnim) magnetom Prije mjerenja se namotaji usmjere u pravcu sjever-jug kako bi magnetno polje Zemlje usmjerilo iglu kompasa. U ovisnosti o jačini struje igla kompasa se otklanja od pravca sjeverjug. Potrebno je primjetiti na slici 5. da su namotaji usmjereni u pravcu oznaka sjevera i juga kako bi magnetno polje zavojnice bilo okomito na magnetno polje Zemlje. Galvanometar s pomičnom zavojnicom (engleski: moving coil galvanometer) je izumio Jacques-Arsène d'Arsonval 1882. godine, a 1888. godine ga je usavršio Edward Weston tako da se u literaturi ovaj tip galvanometra često naziva D'Arsonval-Westonov galvanometar. U našoj literaturi se koriste i pojmovi instrument s pomičnom zavojnicom te galvanometar sa zakretnom zavojnicom za ovaj tip galvanometra. Galvanometar s pomičnom zavojnicom je sigurno najviše korišteni instrument za mjerenje električnih veličina premda ga tokom posljednih decenija sve više iz upotrebe istiskuje digitalni voltmetar koji je izumljen 1953. godine. Na slici 6. je prikazan galvanometar s pomičnom zavojnicom.
Sl. 6. Galvanometar s pomičnom (zakretnom) zavojnicom
169
Kao što se vidi glavni dijelovi ovog galvanometra su: permanentni (stalni) magnet, zavojnica, opruge, kazaljka i skala. Ukoliko kroz zavojnicu ne teče struja usljed djelovanja opruga zavojnica se nalazi u nultom položaju, a takoñer i kazaljka koja je učvršćena na zavojnicu. Meñutim ukoliko se kroz namotaje zavojnice zavojnice propusti struja usljed interakcije magnetnih polja zavojnice i stalnog magneta dolazi do zakretanja zavojnice, a time i kazaljke. Naime, kao što je poznato magnetni polovi suprotnog pola se odbijaju što u ovom konkretnom slučaju dovodi do zakretanja zavojnice. Na slici 7. je prikazan galvanometar koji mjeri struju do 100µA, a ima unutarnji otpor 1kΩ.
Sl. 7. Galvanometar Pri struji od 100µA pad napona na galvanometru je U=RxI=1000Ωx0,0001=0,1V. Ovo praktično znači da se ovaj galvanometar može iskoristiti i za mjerenje napona do 100mV. Npr. ako na galvanometar spojimo idealan izvor napona 10mV kroz galvanometar će teći struja od I=U/R=0,01V/1000Ω=0,00001A=10µA. Dakle galavnometar se osim za mjerenje struje može iskoristiti i za mjerenje napona. Glavni problem pri upotrebi galvanometara za mjerenje napona jeste njihov relativno nizak unutarnji otpor. Idealan naponski izvor ima unutarnji otpor nula, ali npr. ako je unutarnji otpor izvora 100Ω što je realno tada će pri naponu izvora od 10mV kroz galvanometar teći struja I=U/R=0,01V/(1000+100)Ω=9,1µA tako da će greška mjerenja biti 0,9mV. Ovaj problem je riješen ugradnjom elektronskih pojačala. U elektrometre se ugrañuju pojačala na bazi CMOS i FET tranzistora kako bi se postigao izuzetno visok ulazni otpor, ali za većinu primjena je sasvim dovoljan ulazni otpor od 1M te se najčešće koriste pojačala na bazi operacionih pojačala. Na slici 8. je data shema elektronskog voltmetra sa operacionim pojačalom i galvanometrom opsega 1mA. Ovakav elektronski voltmetar ima ulazni otpor veći od 1M.
Sl. 8. Elektronski voltmetar sa galvanometrom
170
Potenciometrom 10k se vrši fino podešavanje nule. Ulaz voltmetra se kratko spoji kako bi na ulazu bio napon 0V, a zatim se spomenutim potenciometrom podesi da skala galvanometra pokazuje 0V. Naredni problem kojim ćemo se pozabaviti jeste proširenje opsega mjerenja voltmetra i ampermetra. Proširenje opsega mjerenja voltemtra se vrši dodavanje predotpora, a proširenje opsega mjerenja ampermetra se vrši dodavanjem paralenih otpornika tzv. šentova (engleski: shunt). Npr. galvanometar sa slike 7. mjeri napon do 100mV, jer mu je opseg 100µA, a ulazni otpor 1k. Ako želimo da ovim galvanometrom mjerimo napon do 100V tada trebamo u seriju sa galvanometrom spojiti otpornik otpora 999k kako bi ukupni otpor galvanometra i otoprnika bio 1M. Naime prema Omovom zakonu I=U/R=100V/1M=100µA. Dakle uz predotpor od 999k pri naponu 100V će kroz galvanometar teći struja od 100µA. Sračunajmo sada koliki je otpor šenta kojeg treba spojiti paralelno sa galvanometrom kako bi isti mjerio struju od 1mA. Potrebno je da pri struji od 1mA ukupni pad napona na paralelnoj vezi šenta i galvanometra bude 100mV=0,1V. Dakle prema Omovom zakonu ukupni otpor paralelne veze treba biti R=U/I=0,1V/0,001A=100Ω. Provodnost otpronika 100Ω je 1/100=0,01S. Istovremeno provodnost galvanometra otpora 1k je 1/1000=0,001S=1mS. Iz ovoga zaključujemo da provodnos šenta treba biti 0,009S, jer se prvodnosti otpornika pri paralelnoj vezi sumiraju. Dakle ukupna provodnos šenta 0,009S i galvanometra 0,001S je 0,01S. Otpor šenta 0,009S je 1/0,009=111Ω. Ovo znači da paraleno sa galvanometrom trebamo spojiti šent otpora 111Ω. Opisani elektrometar i galvanometar su instrumenti konstruisani u vrijeme primjene jednosmjerne struje. Meñutim 1880.-tih godina se počinje značajno primjenivati sinusoidalna izmjenična struja te se javlja potreba za mjerenjem jačine (amperaže), napona (voltaže) i utrošene energije ove struje. Engleski naučnici William Ayrton i John Perry su tada konstruisali ampermetar sa pomičnim željezom (engleski: moving iron ammeter) koji se sastojao od željezne šipke koja je na jednom kraju bila učvršćena oprugom, a na drugom kraju ju je privlačilo magnetno polje zavojnice. Što je jača struja bila bilo je veće pomjeranje šipke koje se pomoću zupčanika iz linearnog pretvaralo u kružni oblik u cilju indikacije na skali. Ampermetar s pomičnim željezom može da mjeri kako izmjeničnu tako i jednosmjernu struju, a takoñer se može iskoristiti i kao voltmetar. U SIEMENS-u su izvršili rekonstrukciju galvanometra tako što su umjesto permanentnog magneta ugradili elektromagnet te su tako dobili elektrodinamski ampermetar koji je mogao mjeriti kako jednosmjernu tako i izmjeničnu struju. Engleski naučnik Philip Cardew je 1883. godine konstruisao termogalvanometar koji je mjerio jačinu kako jednosmjerne tako i izmjenične struje kroz mjerenje izduženja platinske žice usljed zagrijavanje iste strujom koja teče kroz nju. Ovo je bio prvi instrument koji je mogao mjeriti jačinu struja visokih frekvencija. Na ovom principu je kasnije konstruisan bimetalni ampermetar. Na slici 9. su date oznake opisanih instrumenata.
Sl. 9. Oznake instrumenata Prvo brojilo utrošene električne energije je konstruisao Thomas Edison, a kasnije je izvršeno više poboljšanja brojila dok se nije došlo do konstrukcije koja se i danas najviše koristi premda je istiskuju digitalna brojila. Pronalaskom diode galvanometri su počeli da se koriste i za mjerenje izmjenične struje prema shemi čiji primjer je dat na slici 10. Koristi se germanijumska dioda AA117, jer germanijumske diode imaju manji pad napona od približno 0,1-0,2V dok je pad napona na siliciumskim diodama približno 0,5-0,7V. Pri naponu izvora od 10VAC kondenzator će biti nabijen na napon od 1,4x10=14V, jer je 14V tzv. vršni napon koji
171
je za 2 ≈1,4 viši od efektivnog napona sinusne izmjenične struje. U anglosaksonskoj terminologiji se koristi pojam RMS (Root Mean Square) za efektivnu vrijednost.
Sl. 10. Primjena galvanometra za mjerenje AC napona Ovo je uzrkovovano činjenicom da se kondenzator nabija na najviši napon izvora, a to je upravo vršni napon. Ukupni otpor galvanometra i predotpora 139k je 140k tako da će pri naponu od 14V na kondenzatoru kroz galvanometar teći struja od 100µA. Period izmjenične struje frekvencije 50Hz je 1=50=0,02s te je i kondenzator 1µF odabran tako da proizvod RxC=140kx1µF=0,14s bude 5-10x veći od perioda. Ukoliko bi se ovakvim voltmetrom mjerio napon koji nije sinusnog oblika tada mjerenje nebi bilo tačno. Voltmeri i ampermetri koji mjere tačnu efektivnu vrijednost neovisno o tome kakav je talasni (valni) oblik signala imaju oznaku True RMS. Postoji više principa rada True RMS voltmetara, a danas se najviše koriste digitalni True RMS voltmetri. Kao što je već rečeno digitalni voltmetar je izumljen 1953. godine. Izumio ga je Andrew Kay. Na slici 11. je data blok shema digitalnog voltmetra.
Sl. 11. Blok shema digitalnog voltmetra Kao što se vidi sa slike ulazni signal se prvo obrañuje niskofrekventnim (NF) filterom, zatim analognodigitalnim (A/D) konvertorom i na kraju se vrši prikaz rezultata mjerenja na LCD (Liquid Crystal Display) displeju. NF filter se ugrañuje kako bi iz signala izdvojio niskofrekventnu komponentu koja je interesantna za mjerenje, a viskofrekventne komponente koje mogu praviti smetnje eliminisao iz signala. Analognodigitalni (A/D) konvertor je elektronski sklop koji analogne signale pretvara u digitalne. Analogni signal je npr. signal koji dobivamo sa mikrofona. Digitalni signal je signal izražen u obliku logičkih nula i jedinica. Bit je jedinica za količinu informacija koju sadrže digitalni signali. Npr. za signal 101 kažemo da je trobitni signal, a za signal 1011 da je četverobitan. Uzmimo npr. da imamo A/D konvertor sa dvobitnim izlazom. U ovom slučaju imamo četiri kombinacije izlaza (22=4), a to su 00, 01, 10 i 11. Ukoliko je ulazni napon u rasponu 0-10 V, tada će naponu 0-2,5 V odgovarati kombinacija izlaza 00, naponu 2,5-5 V kombinacija 01 itd. UUL 0-2,5 2,5-5 5-7,5 7,5-10
IZLAZ 00 01 10 11
172
Kod osmobitnog A/D konvertora imamo ukupno 28=256 kombinacija izlaza. A/D konvertori se konstruišu od komparatora i logičkih kola. Shema jedne od izvedbi dvobitnog A/D konvertora je data na slici 12.
Sl. 12. Shema dvobitnog A/D konvertora Na slici 13. je data kompletna shema savremenog digitalnog voltmetra. Otpornici 47k i 33k zajedno sa kondenzatorom 0,1µF vrše filtriranje ulaznog signala odnosno čine NF filter.
Sl. 13. Shema digitalnog voltmetra Ovakav voltmetar se može spojiti prema prethodno datim shemama umjesto galvanometra. Voltmetar sa slike 13. ima prikaz sa 3 cifre (digita). Meñutim često susrećemo instrumente sa prikazom od 3 ½ cifre. To su digitalni voltmetri sa prikazom do maksimalno 1999. Dakle 1 sa početka se broji kao ½ cifre. Npr. ako u specifikaciji voltmetra stoji da ima prikaz sa 2 ½ cifara to znači da isti može vršiti indiciranje mjerenja u opsegu 0-199. Iz mnoštva električnih mjernih instrumenata bitno je još spomenuti kliještne ampermetre. Kliještnim ampermetrom se mjeri struja kroz vodič tako što se isti obuhvati strujnim kliještima tako da nije potrebno prethodno prekidati strujni krug kako bi se spojio klasični ampermetar. Za mjerenje izmjenične struje se koriste kliještni ampermetri koji rade na principu elektromagnetne indukcije, a za mjerenje kako jednosmjerne tako i izmjenične struje se koriste kliještni ampermetri na principu Hallovog efekta odnosno na principu mjerenja magnetnog polja.
173
Danas veliku primjenu imaju univerzalni instrumenti (engleski: multimeter) koji mjere napon, struju, otpor i ovisno o tipu instrumenta i druge veličine. Za univerzalne instrumente se u žargonu koriste nazivi AVOmetar (Amper, Volt, Om) i unimer. Naziv avometar potiče od engleske firme AVOMETER koja je proizvodila univerzalne instrumente, a naziv unimer potiče od naziva serije univerzalnih instrumenata koje je proizvodila slovenačka firma ISKRA. Na slici 14. su prikazani anlogni i digitalni univerzalni instrument. Kao što se može vidjeti preklopnikom se bira mjerna veličina koja se mjeri i opseg mjerenja. Mnogi univerzalni instrumenti imaju funkciju automatskog podešavanja opsega mjerenja (engleski: auto range). Na kraju je bitno napomenuti da su galvanometar i elektronski voltmetar svakako najznačajniji električni mjerni instrumenti. 1980.-tih godina je elektronski voltmetar počeo da prevladava i značajno je opala primjena galvanometra koji je više od stotinu godina bio najviše primjenivani električni mjerni instrument. Kao što je već rečeno u našoj literaturi se za galvanometar često koristi pojam instrument s pomičnom zavojnicom što je neprikladno, jer je instrument pojam šireg značenja, a pojam galvanometar je znatno precizniji. Dalje i u engleskom i u njemačkom jeziku te u nizu drugih jezika se za galvanometar koristi pojam galvanometer.
Sl. 14. Analogni i digitalni instrument
174
DIZAJNIRANJE I ODRŽAVANJE ELEKTRONSKIH UREðAJA Dizajniranje elektronskih ureñaja je proces koji se sastoji od sljedećih etapa: − − − − − −
specificiranje zahtjeva (pisanje projektnog zadatka), konstruisanje, kalkulacija troškova, izrada i testiranje prototipa, izrada tehničke dokumentacije i zaštita dizajna.
U biti bilo koji proces dizajniranja pa čak i proces razvoja softvera se sastoji od istih etapa. Neovisno o tome da li se dizajnira automobil, frižider ili televizor red radnji je isti. Nešto drugačije stvari stoje kada se dizajniraju veliki brodovi i projektuju grañevinski objekti, jer tada je „prototip“ ujedno i završni proizvod. Zahtjevi koji se postavljaju na ureñaj trebaju biti što preciznije specificirani u projektnom zadatku. Obavezno treba navesti koje standarde treba uvažiti pri konstruisanju te cijena ureñaja. Na taj način se izbjegavaju eventualni problemi u kasnijoj fazi. Naime vrlo često je naručilac dizajna druga firma sa kojom se sklapa ugovor koji se veže za projektni zadatak. Projektni zadatak je tehnički dokument koji pored tekstualnog dijela može sadržavati i grafički (skice i dijagrame). Na osnovu dobivenog projektnog zadatka se vrši konstruisanje (dizajn) ureñaja. Ako je ureñaj jednostavniji tada projektovanje vrši jedan inženjer ili tehničar, a ako je u pitanju obimniji ureñaj kao što je npr. matična ploča PC računara tada se formira tim stručnjaka koji realizuje projekat. Da bi se ureñaj konstruisao potrebno je prije svega poznavati funkcionalnost elektronskih sklopova, a zatim se vrši proračun istih te dizajniranje štampane pločice. Takoñer često je potrebno isprogramirati softver ureñaja. Danas se konstruisanje vrši uz pomoć računara primjenom CAD softvera. CAD je skraćenica od Computer Aided Design što znači kompjuterski podržano projektovanje. Za elektroniku postoji širok spektar CAD softvera počev od besplatnih softverskih paketa namjenjenih hobistima i učenicima pa do veoma skupih profesionalnih CAD alata. Tokom konstruisanja se maksimalno koriste već postojeće konstrukcije iz arhive, jer često se uz manje dorade mogu iskoristiti ranije konstruisani ureñaji. Čuvena je izreka jednog francuskog inženjera da je „konstrukcioni biro dobar onoliko koliko mu je dobar arhiv“. Nakon što se ureñaj konstruiše prije izrade prototipa vrši se kalkulacija troškova kako bi se provjerilo da li cijena ureñaja zadovoljava zahtjeve iz projektnog zadatka. Često je potrebno izvršiti izmjene na dizjanu kako bi se zadovoljili zahtjevi na troškove. Sljedeći korak je izrada i testiranje prototipa. Prototip je riječ koja ima korijen u starogrčkom jeziku a odnosi se na prvi sastavljeni ureñaj na kome se vrši testiranje. Na prototipu se vrše mjerenja kako bi se provjerilo da li isti zadovoljava zahtjeve i takoñer da li zadovoljava zahtjeve standarda i propisa koji se odnose na sigurnost ljudi koji rukuju ureñajem. Prototip se prvo testira u laboratoriji, a zatim u pogonskim uvjetima. Npr. ako se konstruiše elektronski ureñaj za mjerenje nivoa vode u rezervoaru obavezno se isti mora provjeriti u realnim pogonskim uvjetima. Upravo ova pogonska ispitivanja su pravi test ureñaja. Vrlo često prototip ne zadovolji zahtjeve prvenstveno uzrokovano smetnjama koje su prisutne u pogonu te se vrši dorada dizajna te ponovna izrada prototipa i ponovno ispitivanje. Postoji niz testova koji se provode nad elektronskim ureñajima od kojih ćemo navesti samo neke. Npr. ureñaj se uključi i ostavi da radi 24 sata nakon čega se vrši snimanje pločice sa komponentama pomoću termovizijske kamere kako bi se ustanovilo da li se neka komponenta pregrijava. Dalje pojedini ureñaji se moraju provjeriti da li mogu podnijeti zadani nivo vibracija te se testiraju na vibracionom stolu. Takoñer neki ureñaji moraju biti u stanju da rade na niskim temperaturama od npr. -30°C ili pak visokim temperaturama od +120°C itd. Nakon što se definitiv no konstruiše ureñaj koji zadovoljava zahtjeve kreira se tehnička dokumentacija na osnovu koje se kasnije može vršiti projektovanje tehnološkog procesa i proizvodnja ureñaja. Dakumentacija sadrži: projektni zadatak, tehnički opis, proračune, listing softvera, specifikaciju materijala, kalkulacije cijene ureñaja, crteže, dijagrame, rezultate ispitivanja i drugo. Završni korak je zaštita dizajna tj. 175
intelektualnog vlasništva kod nadležne državne institucije. Objasnimo postupak konstruisanja ureñaja na jednostavnom primjeru konstruisanja ispravljača. Npr. pretpostavimo da je potrebno konstruisati ispravljač koji se napaja iz gradske mreže naponom 220VAC, 50Hz, a na izlazu daje napon od 5VDC struje 1A maksimalno uz najveću dozvoljenu valovitost izlaznog napona definisanu faktorom valovitosti γ pri čemi isti smije biti do najviše 1 tj. γ≤1. Ovo bi ukratko bila „specifikacija zahtjeva“. Odaberimo shemu ispravljača prema slici 1.
Sl. 1. Shema ispravljača Proračun sklopa počinjemo od trafoa. Isti treba imati snagu P=UxI=5Vx1A=5W ili više. Napon na sekundaru odreñujemo vodeći računa da je pad napona na Graetzu 1V, a da je istovremeno vršni napon za1,4x viši od efektivnog. Dakle napon sekundara Us treba biti Us=(U+1)/1,4=6/1,4=4,3V. Kao što vidimo efektivna vrijednost sekundarnog napona trafoa treba biti 4,3VAC. Vršna vrijednost sekundarnog napona trafoa je 1,4x4,3=6V tako da usljed pada napona na Graetz-u od 1V na kondenzatorima dobivamo napon 5V. Nakon što smo proračunali trafo potrebno je odabrati Graetz sa strujom iznad 1A i naponom iznad 5V. Te zahtjeve zadovoljava Graetz B40C1000. Kondenzator C1 se proračunava na osnovu zahtjeva za faktor valovitosti. Pri maksimalnoj struji otpor potrošača je R=U/I=5V/1A=5Ω. Minimalan kapacitet kondenzatora C1 računamo po formuli Cmin=1/(350xRxγ)=1/(350x5x1)=0,00057F=570µF. Odaberemo li kondenzator kapaciteta 1000µF faktor valovitosti će biti γ=1/(350xRxC)=1/(350x5x0,001)=0,57. Kondezator C2 se postavlja radi filtriranja na području visokih frekvencija i obično je kapaciteta 100-200nF što je ustanovljeno eksperimentalno. U našem slučaju uzmimo da je vrijednost 100nF. Osigurač OS je 1A. Čitaocima koji vole da eksperimentišu se preporučuje da sastave ovakav ispravljač ta da ga testiraju. Trafo mogu uzeti iz mrežnog adaptera veće snage. Kada su u pitanju ispravljači bitno je navesti i značaj dovoljne kavadrature vodiča odnosno vodova na štampanoj ploči kako ne bi dolazilo do pregrijavanja istih. Obično se dozvoljava gustina struje do 4A/mm2. To praktično znači da ako je debljina bakarne folije na štampanoj pločici 0,07mm tada nam za struju od 1A treba širina voda na pločici od minimalno (1/4)/0,07=0,25/0,07=3,6mm, jer će se u suprotnom pločica pregrijavati. Postoje tri standardne debljine bakra na pločicama kao što je dato u tabeli 1. Tabela 1. Standardne debljine bakra Debljina Debljina Težina bakra (oz/square foot) (mm) (mils) 1/2 oz 0,017 mm 0,7 mils 1 oz 0,035 mm 1,4 mils 2 oz 0,07 mm 2,8 mils Postoje sljedeći koncepti (strategije) održavanja: −
reaktivno održavanje,
176
− − −
preventivno održavanje, prediktivno održavanje i proaktivno održavanje.
Reaktivno održavanje podrazumijeva da održavatelj čeka da se dogodi kvar pa tek tada poduzima mjere njegove sanacije. Glavni nedostatak ovog koncepta ogleda se u činjenici da se kvar može dogoditi onda kada je najmanje poželjan – u najgorem trenutku. Za reaktivno održavanje se još koriste nazivi: korektivno održavanje, naknadno održavanje i kurativno održavanje. Nešto bolji pristup ima koncept preventivnog održavanja koji se temelji na prastaroj mudrosti da je “bolje spriječiti nego liječiti”. Prema konceptu preventivnog održavanja, odreñene aktivnosti održavanja se obavljaju preventivno kako bi se spriječio nastanak kvara. Npr. kada su u pitanju elektronski ureñaji vrši se redovno čišćenje istih od nakupljene prašine i nečistoća. Nečistoće koje padnu na štampanu pločicu mogu izazvati kratke spojeve i dovesti do kvara ureñaja. Ponekada su pločice toliko prljave da ih treba oprati, ostaviti da se osuše, a zatim ponovo namontirati. Kao dobro sredstvo za pranje se pokazao najobičniji deterdžent za pranje posuña. Naime agresivne materije kao što su benzin i slično mogu oštetiti komponente. Istovremeno pločice ureñaja iz industrijskih postrojenja su često ekstremno zamašćene tako da ih je teško prati samom vodom. Naslage cementa ili kreča se uklanjaju slanom vodom, ali obazrivo, jer je i so agresivna. Takoñer je potrebno kontaktnim sprejem očistiti kontakte i dodegnuti vijčane spojeve. Čipovi koji su umetnuti u postolja tj. nisu zalemljeni vremenom „izmile“ iz podnožja pa ih treba vratiti nazad, a kontakte podnožja očistiti. Npr. barem jednom godišnje kućište PC računara treba otvoriti i pažljivo očistiti unutarnjost. Koncept prediktivnog održavanja (održavanja po stanju) podrazumijeva da se aktivnosti održavanja provode tek tada kad je to doista potrebno tako što se stanje ureñaja prati raznim metodama. Npr. kada su elektronski ureñaji u pitanju vrši se redovno njihov vizuelni pregled i razna mjerenja kako bi se ustanovilo stanje ureñaja. Štampana pločica sa komponentama se snima termovizijskom kamerom kako bi se uočila eventualna pregrijavanja pojedinih komponenti što je simptom njihovog skorog otkaza. Takoñer mjere se naponi na karakterističnim tačkama itd. Koncept proaktivnog održavanja podrazumijeva djelovanje na uzrok problema. Npr. ako se ustanovi da neki ureñaj radi na mjestu gdje je velika nečistoća zraka te se štampana pločica brzo prlja treba predvidjeti dodatne filtre zraka ili drugu zaštitu kako bi se isti zaštitio. Ili ako je temperatura ambijenta previsoka tada se ugrañuje ureñaj za hlañenje. Nakon što smo ukratko naveli teoretske postavke održavanja fokusirati ćemo se na postupke dijagnostike i otklanjanja kvara elektronskih ureñaja. Kada su u pitanju elektronski ureñaji obično se 90% vremena utroši na dijagnosticiranje tj. odreñivanje vrste kvara, a tek 10% na samo otklanjanje kvara za razliku od mehaničkih sistema gdje stvari stoje obrnuto (10% vremena za dijagnozu, a 90% vremena za otklanjanje kvara). Postoje dva načina dijagnosticiranja elektronskih ureñaja: − −
na osnovu poznatih simptoma i „traženjem“ kvara.
Naime često se na osnovu simptoma kvara odmah može znati šta je upitanju. Često se u uputama za održavanje ureñaja daju tablice kvarova sa njihovim simptomima na osnovu kojih se vrši detektovanje kvara. Npr. u uputama za održavanje jednog tipa TV aparata stoji da „ako se TV gasi sam sebe nekoliko sekundi nakon uključenja tada je otkazao elektrolitski kondenzator C1097 u napojnoj jedinici“. „Traženje“ kvara se vrši na osnovu poznavanja funkcionalnosti ureñaja. Pojedini profesionalni ureñaji imaju i posebne alate za dijagnosticiranje tako da se u slučaju kvara ureñaj spaja kablom na LAP TOP PC računar kome je instaliran dijagnostički softver. Takoñer na pojedinim ureñajima svaki modul ureñaja ima sklop za dijagnostiku koji pomoću LED dioda signalizira stanje ureñaja (ako gori zelena LED dioda sve je u redu, a ako ne gori modul je neispravan). Pretpostavimo da trebamo „tražiti“ kvar na ispravljaču sa slike 1. Počinjemo od izlaza i prvi dio na koga treba posumnjati da je otkazao jeste osigurač. Osigurač se provjerava pomoću ommetra (ako provodi struju ispravan je). Dalje možemo očekivati da je elektrolitski kondenzator „izgubio“ kapacitet ili da 177
je „probio“ tj. da provodi struju. Takoñer može doći i do proboja blok kondenzatora. Posljedica njihovog proboja može biti pregorijevanje Graetza, a zatim i trafoa. Ukoliko Graetz pregori može, ali ne mora pregoriti trafo. Svako lemno mjesto je potencijalni uzrok problema. Ovo je uzrokovano tzv. fenomenom hladnog lema koji nastaje ako je lemljenje loše provedeno. Hladni lem ima visoki otpor. Dakle pri „traženju“ kvara logički zaredom ispitujemo komponente sve dok ne otkrijemo komponentu koja je neispravna. Ponekada se pri „traženju“ kvara primjenjuje metoda koju održavaoci podrugljivo zovu „metoda ćorave kokoši“. To je metoda pri kojoj se zaredom ispitaju sve komponente dok se ne otkrije koja je otkazala. Naime slijepe kokoške kljucaju bez nekog reda dok slučajno ne nakljucaju neko zrno kukuruza. Isti taj metod se ponekada (ako se ne može drugačije) koristi pri održavanju. Kada su u pitanju mikroprocesorski ureñaji tada je resetovanje ureñaja prva stvar koju treba pokušati. Dalje, poznato je da su osigurači, elektrolitski kondenzatori, potenciometri, prekidači i preklopnici najnepouzdanije komponente te njih prvo treba ispitivati. Osigurači pregorijevaju (što im i jeste zadaća), elektrolitski kondenzatori vremenom gube kapacitet, potenciometri se troše, a prekidači i preklopnici osim što se troše vremenom mogu oksidirati. Takoñer dijelovi elektronskih ureñaja koji su „u dodiru sa vanjskim svijetom“ kao što su npr. izlazni tranzistori i čipovi su često u kvaru, jer su izloženi preopterećnju i slično. Pojedine elektronske komponente pokazuju simptome kvara tek kada se zagriju na radnu temperaturu što otežava otkrivanje kvara.
178
