Transcript predavanje
Avtomatizacija v prometu Kroglica v dnu vrtače Oris snovi 2012 pripravil: Franc Dimc različica: oktober 2012 Uvod •Predstavitev stik, domača stran predmeta •Namen predmeta osnovna načela elektrotehnike za vaše strokovno delo so podprta s teorijo •Literatura primeren učbenik osnov elektrotehnike, zapiski, izročki, strokovni članki, medomrežje. •Obveznost opraviti domače naloge, izpit. •Teorijo se bomo trudili razumeti. Poglavja • • • • Elektrostatika Elektrodinamika Elementi električnega tokokroga Generiranje, transformiranje in uporaba električne energije • Elektronika v prometu • Osnovni pojmi regulacije v prometu Poglavja • • • • Elektrostatika Elektrodinamika Elementi električnega tokokroga Generiranje, transformiranje in uporaba električne energije • Elektronika v prometu • Osnovni pojmi regulacije v prometu Elektrostatika • Elektriški pojavi - fenomenološka metoda, pogosta v naravoslovju • Naelektreni mirujoči delci so vzrok elektrostatičnega polja • Električni naboj (poskus Coulombova tehtnica) • Charles Augustin de Coulomb 1777, uporabil izraz (formula!) za odbojno silo F med identičnimi in privlačno med različnimi naboji, ki pada pada s kvadratom razdalje q1q2 F 2 4 0 r Kaj pomeni sila PADA s kvadratom razdalje? • Polje: vpliv naboja na okoliški prostor F( ) 1 q1q2 F 4 0 R 2 1/4 1/9 ? 0 q1 1 R 2 R (m) 3 q2 Primerjava s težnostnim poljem • Polje: vpliv mase na okoliški prostor m1m2 F G 2 R R m1 m2 Elektrostatika • Prebojna napetost posledice razelektritev v ozračju? Krogelno iskrišče: U = 120 kV med dvema kroglama r = 1,5 m, razdalja 0,3 m, Oddelek za visoke napetosti in elektrarne, Inštitut Milan Vidmar, Ljubljana. Razelektritev s strelo (influenca, ionizacija, naelektritev oblakov) E .. el. polj. jakost (V/m) Elektrostatika U .. potencial, napetost (V) W .. el. energija (Ws) C .. kapacitivnost (F) • Elektrostatično polje, izraženo z E • Napetost je razlika dveh POTENCIALOV v električnem polju E. Vektor E je usmerjen v smeri delovanja sile. Polje E se vzpostavi že, če je naboj en sam; če sta naboja dva, je le drugače oblikovano. Prebojna napetost. • Energija Kdaj opravljamo DELO v električnem polju? Le če spreminjamo RADIJ oziroma ODDALJENOST spreminjamo tudi POTENCIALNO energijo. • Kapacitivnost Koliko naboja shranimo v en element pri določeni napetosti? S čim vplivamo na kapacitivnost? Poskus s kondenzatorjema. Zaradi velike hitrosti IONIZACIJE se mora zrak sunkovito premakniti, slišimo pok. Da je potencial rečemo tudi človeku. Ko taka oseba potenciale izkoristi, kaj doseže? ET 2' q1 Elektrostatika ET2’ 4 r2'2 T2’ r2’ T2 T1 r2 q1 VT 2' q1 4 r2' ET2 q2 q1r2 q1 VT 2 ET 2 r2 2 4 r2 4 r2 ET 2 q1 4 r22 DELO PRI PREMIKANJU naboja q2 AT 2 T 2' q1 q1 q1 q2 q2 q2 4 r2 4 r2' 4 1 1 q2UT 2 T 2' r2 r2' Elektrostatika kapacitivnost C izražena na dva načina Q C U A C d Q A U d Elektrostatika mikro-elektromehanski senzorji – spremembe kapacitivnosti med strukturami 125μm smer gibanja 1,3 μm 0,7μg vzmeti glavnikaste kovinske strukture S senzorji zaznavamo: dinamične pospeške (sunke in tresljaje) in statične pospeške (naklone ali težnostni pospešek) http://www.sensorland.com/HowPage023.html Elektrostatika • Uporaba – senzorji meritve razlik kapacitivnosti, posredno merimo pospešek, prostornino • z MEMS merimo pospeške in hitrosti vrtenja okoli osi • varnostni meh • igrice – fotokopirni stroj: sila v elektrostatičnem polju Elektrostatika Elektrodinamika • v elektrostatiki smo imeli opraviti z visokimi napetostmi. Nobenih tokov dokler ne pride do preboja • Dvopolni elementi električnih vezij: v čem je razlika med kondenzatorji in upori? Dielektrik preprečuje prevajanje toka – do preboja I Q U U P .. moč (W) Elektrodinamika W .. energija (Ws) I .. tok (A) J .. tokovna gostota (A/m2) • Tokovna gostota J • Torej: premikajoči se električni naboji - električni tok: če se naboj v nekem območju spremeni za 1 kulon v 1 sekundi, zaznamo tok 1 amper • Jakost električnega toka (je ploskovni integral!) • Kratek stik – bližnjica! 0 r I1 I 2 l F 2d • Materiali - kako kovine, kako plini, kapljevine – prevajajo električni tok grejejo, galvanski toki vsepovsod! in se • Magnetizem in električni tok sta povezana Oerstedov ponesrečen poskus je prinesel zamisel ! • Pojav sile med tokovodnikoma • Meissnerjev pojav – superprevodnik (upornost pade na nič) v magnetnem polju F I1 I2 d l Superprevodnik Superprevodnost je 100 let staro odkritje Največji superprevodnik na svetu v CERNu, hadronski trkalnik (IEEE Spectrum) R .. upornost (Ω) Elektrodinamika ρ .. spec. upornost (Ωm) S .. presek vodnika (m2) Električna upornost R je izražena na dva načina l R S U R I Ohmov zakon I l U S d2 4 Elektrodinamika R .. upornost (Ω) ρ .. spec. upornost (Ωm) γ .. spec. prevodnost (Sm) • Moč P • Joulov zakon P .. moč (W) p .. močnostna gostota (W/m3) W .. delo, energija (1Ws 1J) P I R podobnost s 2 Wel I 2 R t p J2 Kirchoffova izreka • Vozliščni – vsota tokov – primer: običajna vezava gospodinjskih porabnikov na izvor – vzporedno dve svetilki, meritev: skozi prvo 0,26 A, skozi drugo 0,09 A skupen tok 0,31 A • Zančni – vsota napetosti – primer: obremenjena realna baterija z notranjo upornostjo • Kombinacija Elektrodinamika • Izvori napetosti – Enosmerni – Izmenični Najprej varnost ! prag zaznavanja prag, ko še lahko spustimo prag trepetanja Čas izpostavljenosti toku ( s ) 10 1 1 2 3 4 0,1 0,01 0,1 1 10 100 1000 Velikost toka skozi človeško telo ( mA ) po Rohlfing, Schmidt, 1995 Izvori enosmerne napetosti • Galvanski členi – Primarni (baterije) – Sekundarni (akumulatorji) Vir: wikipedia • • • • Usmerniki (v ozadju je elektrarna) Termočleni Gorivne celice Sončne celice Izmenična napetost • O izvorih več pri generiranju • V čem se izvor izmenične napetosti loči od izvora enosmerne napetosti? Elektrodinamika f .. frekvenca (Hz) φ .. fazni kot (°) Izmenični tok – periodičnost • Ukd (Vpp), Usr (Vavg), Uef (VRMS) • Perioda, frekvenca (risanje diagramov) • Obnašanje upora in začasnega shranjevalnika el. energije T .. čas periode (s) (kondenzatorji, tuljave) v najenostavnejšem enosmernem in izmeničnem tokokrogu • Elementi, ki jih vzbujamo, se odzivajo (periodično vzbujanje povzroča periodični odziv) UPOR Magnetno polje • Pogoj: gibanje naelektrenih delcev (tok) • Magnetizem očiten s feromagnetiki • Snov v magnetnem polju, spet sila! Močna! • Elektromagnet, magnetenje – Ali poznate kakšno napravo z elektromagneti? Kako deluje? • Snovi glede na odziv na magnetno polje – v čem je praktična razlika? Namagnetenost, ki ostane; razmagnetljivost v različnih H Tuljava • Uporabnost tuljave? Na primer: dušenje tokovnih sunkov, izvor magnetnega polja. • Izdelava tuljave, izvedbe brez ali z jedrom • Feromagnetno jedro povzroča nelinearen odnos med Φ(I) oz. B(H) (glej magnetenje) • Ko ena tuljava vpliva na drugo – medsebojna induktivnost – srečamo pri antenah! L .. induktivnost (H) Elektrodinamika .. permeabilnost (H/m) A .. presek tuljave (m2) N .. število ovojev tuljave () Induktivnost L dolge tuljave je izražena na dva načina NA2 L l L I A I l Magnetenje, histerezna zanka B I nasičenje Br -Hc U prvo magnetenje 0 nasičenje +Hc H Poglavja • • • • Elektrostatika Elektrodinamika Elementi električnega tokokroga Generiranje, transformiranje in uporaba električne energije • Elektronika v prometu • Osnovni pojmi regulacije v prometu izmeničnega Elementi električnega tokokroga • Periodično vzbujanje • Elementi, ki jih vzbujamo, se odzivajo (periodično vzbujanje povzroča periodični odziv) • Odziv zaostaja za vzbujanjem t 360 T • Kondenzator povzroča odz. i) (preračun časa v fazni kot φ s pomočjo periode T) (upor se odzove s φ =0, torej brez zakasnitve) (vzb. i povzroča odz. u), Tuljava (vzb. u enosmerna napetost: upornost → → izmenična napetost: impedanca • Rezistivna (čisti upor) • Reaktivna (kondenzator, tuljava) R XC 1 1 2 f C C X L 2 f L L • Impedanca Z Impedanca (1) • pomeni odnos u(t) in i(t): – razmerje amplitud U/I in – fazni kot med u in i UPOR KONDENZATOR TULJAVA Impedanca (2) • Poleg rezistivne upornosti (upornost sama po sebi, upiranje toku je konstantno, neodvisno od frekvence) tudi reaktivno upornost poznamo (odziv je odvisen od frekvence vzbujanja – odziv je reakcija na vzbujanje) • Impedanca Z predstavlja vektorsko vsoto rezistivne in reaktivne upornosti |Z| ... absolutna vrednost impedance Z φ enosmerna napetost: upornost → → izmenična napetost: impedanca • Rezistivna (čisti upor) • Reaktivna (kondenzator, tuljava) R XC 1 1 2 f C C X L 2 f L L • Impedanca Z izmeničnega Realni elementi električnega tokokroga • Realna kondenzator in tuljava imata izgube kar ponazarja njuna upornost R U IR I IC UR 1 1 1 j ZC R XC 1 jC R I IC UL Z L R jX L R j L IR • Sčasoma se R, L in C ne spreminjajo U UL UR Fazni kot φ z vektorji (kazalci) Na kondenzatorju se tok pojavi pred napetostjo (tok prehiteva napetost) Na uporu se tok pojavi skupaj z napetostjo (tok je v fazi z napetostjo) iCe IC KONDENZATOR φ=90º UPOR φ = 0º UC IR UR !!! dolžine vektorjev so vrednosti konica-nič (polovica konica-dno) Primer: vzporedna vezava R in C in kot φ • Vsota tokov je tudi vektor I R IC • Pojavi se kot φ med vsoto tokov in skupno napetostjo IC I R IC φ=? nasprotiležna k. I C tg priležna k. IR IR UC U R UC R XC UR R 2 f CR XC arctg 2 f CR Primer: vzporedna vezava R in C • U= 440V, R = 90Ω, C = 3μF, f = 60Hz 2 1 2 1 1 1 I U U U 2 fC Z R XC R 2 2 1/|Z| 2 2 1 6 sA 440V 2 60 3 10 sV 90 1 5 440V 113 10 8100 2 2 A2 2 V 1/XC φ 1/R 2 1, 235 4 6 A 2 440V 10 1, 279 10 440 1,17 10 A 5,15 A 2 2 V Fazni kot φ z vektorji (kazalci) Na tuljavi se napetost pojavi pred tokom (napetost prehiteva tok) Na uporu se tok pojavi skupaj z napetostjo (tok je v fazi z napetostjo) TULJAVAU L IL φ=90º UPOR φ = 0º eLi IR UR !!! dolžine vektorjev so vrednosti konica-nič (polovica konica-dno) Primer: zaporedna vezava R in L in kot φ • Vsota napetosti je tudi vektor U R U L • Pojavi se kot φ med vsoto napetosti in skupnim tokom UL U R U L φ=? UR IL IR tg nasprotiležna k . U L priležna k . UR I L X L X L 2 f L IR R R R 2 f L arctg R Primer: zaporedna vezava R in L • U= 440V, R = 90Ω, L = 300mH, f = 60Hz |Z| XL U I Z U R2 X L2 U R 2 2 fL 440V 2 R 440V 8100 (113) 3 Vs 90 2 60 300 10 As 440V 440V 3, 05 A 2 2 144 8100 12769 2 2 φ 2 2 2 izmeničnega Elementi električnega tokokroga • Izmerimo fazni kot iz trikotnika moči. Rabimo: volt-, amper- in vat-meter. Pjalova = UI sinφ φ Pdelovna = UI cosφ Poglavja • • • • Elektrostatika Elektrodinamika Elementi električnega tokokroga Generiranje, transformiranje in uporaba električne energije • Elektronika v prometu • Osnovni pojmi regulacije v prometu Elektromagnetna indukcija Φ .. magnetni pretok (Vs) • Magnetni pretok Φ • Zakon o magnetni indukciji Faraday 1831 H .. magnetna poljska jakost (A/m) B .. gostota magnetnega pretoka (T) (preberimo formulo kot jasen stavek) • Lenz je tudi v električni indukciji videl konzervativnost narave • Zakaj vrtinčni tokovi? • Uporabnost elektromagnetne indukcije ui d dt Zemlja v prerezu skorja o plašč o o zunanje jedro notranje jedro Trdno zemeljsko jedro naj bi se vrtelo hitreje od Zemlje same! (http://www.valdostamuseum.org/hamsmith/coreLDCol.html) • Z magnetnimi kompasi se orientiramo v prostoru • Zemeljsko magnetno polje nas varuje pred sončevim vetrom (električno nabitimi delci, ki jih izbruhne sonce) oz. ga preusmerja stran od Zemlje • Severni sij (luminiscenca, delci visoko v ozračju se zasvetijo ob stiku s sončevim vetrom), najizrazitejši ob tečajih, kjer je magnetno polje najmočnejše • Raziskave učinkov na sodobno navigacijo (GNSS) http://geology.com/nasa/aurora-borealis.shtml http://apod.nasa.gov/apod/ap021125.html Zemeljsko magnetno polje Elektroenergetsko omrežje • Veriga oz. medsebojna povezanost – generiranja – transformiranja in – uporabe električne energije Generiranje električne energije • Električna energija (stran v angleščini) – zakon o ohranitvi energije, – priročni generator (film v angleščini) – gorivne celice • Iz kinetične energije – generiranje 1 Ws – generiranje (simulacija) izmenične in enosmerne napetosti • Iz drugih vrst energij: – termoelektrični pojav (termočlen) (stran v angleščini) – fotoelektrični pojav (polprevodnik) (stran) • Kako dobim največjo moč iz izvora? (Teorem o maksimalnem prenosu moči) • Ogljični odtis ? Prenos električne energije • Prenos električne energije (simulacija) Zakaj znašajo napetosti: ob generiranju (6,3 kV)? med prenosom ( do 400 kV)? za domačo uporabo (230 V)? Transformiranje električne energije • Generiranju sledi transformiranje – enaka navidezna moč: pri višjih sek. napetostih manjši tokovi • Transformacija pomeni spremembo oblike – česa, zakaj? • Deli transformatorja in delovanje • Zakaj moč na primarni strani ni enaka moči na sekundarni? • Navidezni moči UprimIprim ~ UsekIsek • Delovni moči kot UprimIprimcosφprim UsekIsekcos φsek PCu PFe Uporaba električne energije Vidiki uporabe električne energije – varnost (varovalke ščitijo nas in naprave) – vrste uporabe – posebne zahteve (vodotesnost, odpornost proti redukciji in oksidaciji – elektrokemijski potencial) – zagotavljanje neprekinjene energijske oskrbe – učinkovitost uporabljenih naprav Uporaba električne energije • Učinkovita raba, izkoriščenost sistema • Posledice Jouleovega zakona - izgube (pri prenosu, uporabi) • Energijske pretvorbe v napravah • Razmerje med izkoriščeno energijo in vloženo (električno) energijo • Raba po področjih – gospodinjstvo (žarnice, sijalke – večji tok ob vžigu, omejitev toka z dušilko, sicer kratek stik) – industrija (taljenje kovin, gretje surovin, motorji na izm. tok, večji tok ob zagonu) – promet (ne le porabniki - tudi pogon z motorji na enosmerni tok, hibridna vozila) Poraba električne energije v RS Vir: Statistični urad Republike Slovenije, 2012; Evropski statistični urad, 2012. Poraba končne energije v RS Vir: Statistični urad Republike Slovenije, 2012; Institut Jožef Stefan, 2012, Evropski statistični urad 2012. Uporaba električne energije • Primeri – Prometna infrastruktura • Signalizacija • Razsvetljava • Prezračevanje • Pogon •… – Sijalka • Plazma v sijalki? (stran v angleščini) • Proizvodnja sijalk (film v angleščini) Uporaba električne energije • Primer: delovanje sijalke 1. zažari tlivka 2. kontakt K se ukrivi in kratko sklene starter 3. povečanje toka skozi žarilni nitki (zažarita) 4. zaradi manjše napetosti tlivka ugasne 5. premalo toplote, K odklopi 6. prekinitev sunkovito zviša napetost med elektrodama v plinu Gustav Büscher, Elektrotehnika v slikah, TZS 1974, str. 218 7. začetek prevajanja v plinu Uporaba električne energije • Gretje, kuhanje na indukcijo Poglavja • • • • Elektrostatika Elektrodinamika Elementi električnega tokokroga Generiranje, transformiranje in uporaba električne energije • Elektronika v prometu • Osnovni pojmi regulacije v prometu Zanesljivost naprav Čas, ki preteče • Življenjska doba –med s statistično porazdelitvijo dvema zaporednima okvarama – – Objekti, ki se starajo (motorji, pnevmatike, orodja) porazdelitev odvisna od zunanjih vplivov Objekti, ki se ne starajo (elektronski elementi, če niso preobremenjeni!) porazdelitev okvar popolnoma naključna število komponent, ki po času t še delujejo Z (t ) komponent (Stöcker, str. 731) – verjetnost, da komponenta po časuzačetno t še ništ.pokvarjena • Zanesljivost Z(t) • Pričakovani čas do okvare MTTF (Mean Time To Failure) za sisteme, ki jih ob okvari zamenjamo, ne popravljamo MTTF Z (t )dt 0 število okvar – stopnja okvarjenosti: stopnja okvarjenosti začetno št. komponent čas obratovanja – na primer 10-7h za ključne procese, ni zadosti (1 okvara na 10 milijonov komponent ur) vodenje cestnega, letalskega prometa z GNSS, transakcije v denarnem prometu, prenos električne energije • Pričakovani čas med okvarami MTBF (Mean Time Between Failures) sisteme, ki jih ob okvari popravljamo za Zanesljivost naprav (navigacija) Zanesljivost naprav • (navigacija) Boeingovo letalo se je od 19:45 do 21:18 po GPS nevede za 400 m oddaljilo od začrtane poti (sistem GPS je šele ob 21:18 sporočil, da je eden od satelitov (PRN23) pokvarjen (unhealthy)) Digitalna tehnika • Štetje – čas (film v angleščini) številski sistemi (glej R. Čop, Osnove digitalne tehnike (ODT), str. 2) • Digitalna vezja – tehnologija izdelave • mikroelektronika (rezine, tiskanje s svetlobo, izdelava mikroprocesorja (filmi v angleščini) diskretni elementi – vezjastrukture) – Delovanje (glej ODT): • Kako delujejo odločitvena vezja? • Kako delujejo pomnilniška vezja? • Strukture (avtomati, stik naprave z okolico) Elektriški filtri • So elektronska vezja – – pasivni filtri (impedance elementov) Ali z napajanjem: aktivni filtri (fazno ujete zanke - PLL) Ali brez napajanja: • Vhodni in izhodni signal • Elektriški filtri so vezja, ki povzročajo – 1) fazni zamik – 2) spremembo amplitude (spremembe impedance filtra) 1) in 2) veljata za določen frekvenčni pas • Če je amplituda signala odziva – večja pri (pasu frekvenc) • nizkih frekvencah • visokih frekvencah • vmesnih frekvencah – pasovno prepustni Dva preprosta primera pasivnih filtrov • A: Zaporedna vezava R in C • B: Zaporedna vezava C in R (elementa R in C zamenjamo) I Za vsako frekvenco • Določimo tok I • Določimo napetost Uizh Za vsako vezavo posebej določimo potek Uizh (f) in vrsto filtra Fazni kot φ z vektorji (kazalci) Na kondenzatorju se tok pojavi pred napetostjo (tok prehiteva napetost) Na uporu se tok pojavi skupaj z napetostjo (tok je v fazi z napetostjo) iCe KONDENZATOR IC UPOR φ=90º φ = 0º UC IR UR !!! dolžine vektorjev so vrednosti konica-nič (polovica konica-dno) A: tok I pri f1 : zaporedna vezava R in C • Uvh= 440V, R = 90Ω, C = 3μF, f1 = 60Hz U I ( f1 ) vh Z U vh R XC 2 2 U vh 1 R 2 f C 1 440V 1Vs 90 6 2 60 3 10 As 440V 8100 2 7,82 105 2 Z φ XC 2 2 2 R Uizh I1 ( f1 ) X C I1 ( f1 ) 2 440V 8100 2 12 10 1,13 10 3 2 2 440V 0, 495 A 889 1 1V s 0, 495 A 438V 3 2 f1C 1,13 10 A s A: tok I pri f2 : zaporedna vezava R in C • Uvh= 440V, R = 90Ω, C = 3μF, f2 = 1000Hz U vh I ( f2 ) Z U vh R XC 2 2 U vh 1 R 2 f C 2 2 φ 1Vs 90 3 6 2 10 3 10 As 2 XC Z 2 440V 2 R 440V 8100 2 10 6 18,8 2 2 440V 440V 4, 21A 2 3 2 104 8100 2,8110 Uizh ( f 2 ) I ( f 2 ) X C I ( f 2 ) 1 1V s 4, 21 A 224V 3 2 f 2C 18,8 10 A s Še za ostale frekvence… • za vezje A izračunamo uizh pri vseh frekvencah od 1 do 10 kHz • za vezje B izračunamo uizh pri vseh frekvencah od 1 do 10 kHz • obstaja lomna frekvenca filtra vezave RC, pri kateri moč na izhodnem elementu pade na polovico, napetosti na obeh elementih R in C pa sta pri flomna enaki flomna 1 589 Hz 2 RC • ČE želimo lomno frekvenco pri 100 Hz, R pa ostane enak, mora C znašati: 1 1 C 0,177 103 F 177 F 2 Rflomna 2 90 100 Hz Vpliv lomne frekvence na potek izhodne napetosti 438 V (A) nizkoprepustni u R2 uC2 224 V (B) visokoprepustni Brezžično širjenje informacij • Elektromagnetno valovanje (emv) – električno in magnetno polje v prostoru in času – naprave – poti širjenja – zanesljivost naprav in prenosa informacij • Elektromagnetno sevanje (EMS) – učinki na okolico naprav – učinki na človeka 250 W satelit GNSS Naravni zakoni (upad zaznane moči z oddaljenostjo) 1W izvor motenj Širjenje elektromagnetnega valovanja (emv) • Generiranje emv • Več poti širjenja radijskih valov • Oddajniki in sprejemniki – osnovni shemi – usmerjenost, polarizacija anten – izsevana moč in domet • Modulacija (informacija + nosilni signal) • Oddajna moč, impedanca izvora in antene – Odboj nazaj na spremembah impedance! Elektromagnetna sevanja (EMS) Sevanje: oddajanje valov ali delcev, ki se širijo v prostor (sevanje radijske antene, sevanje radioaktivnega vira, sevanje svetlobe). Sevanja karakterizira (nas zanima) jakost sevanja (potencialna izpostavljenost sevanju) in absorbirana moč sevanja (dejanski učinek sevanja – na tkiva) Izpostavljenost različnim jakostim povzroča sile v celicah Učinek: tkiva absorbirajo del izsevane moči EMS Omejitve seval emv • Omejitve s stališča uporabnika: specifična vsrkana moč Specific Absorption Ratio SAR = ( E2)/ – efektivna vrednost električne poljske jakosti E – tkivo: specifična prevodnost in specifična gostota (El. praktikum str. 156) Učinki sevanj: segrevanje tkiv • Človekovo telo – proizvaja do 150 W (metabolizem), pri težkem delu do 1000 W, – absorbira med opoldanskim sončenjem do 200 W, od RF sevanj 5,6 W energija sevanja snov absorbira moč izvori sevanj naravni, vedno več umetnih • Biološke učinke EMS ocenjujemo z absorpcijo v telesu, ki je določena s stopnjo specifične absorpcije (SAR). Koliko moči absorbira biološka snov (W/kg). SAR se povpreči na 6 minut. • Za frekvence med 400 in 2000 MHz - meji SAR za okolja: 0,4W/kg delovno 0,08W/kg bivalno Nadzor nad izvori • Vdorna globina? Globina, do katere lahko VF EMS prodrejo v izpostavljena tkiva, (nekaj cm, odvisna od frekvence). • Ob blagem segrevanju telesa za njegovo izravnavo dokazano poskrbijo naravni mehanizmi v telesu (termoregulacija). Močno segrevanje pa lahko telo preobremeni in povzroči škodljive vplive na zdravje. • Človek v svojem okolju ni izpostavljen samo enemu viru EMS, temveč vsem virom EMS v določenem okolju hkrati. Posledice akumulacije absorbiranih sevanj? • Za določitev izpostavljenosti EMS je potrebno izmeriti in oceniti skupno sevalno obremenitev okolja (http://www.forum-ems.si/), knjiga o EMS). Modulacija • Zakaj moduliramo? • Pomembni pojmi: – – – – – pasovna širina nosilni signal (sinus določene frekvence) informacijski signal (zvoki v telefoniji ali znaki v telegrafiji) modulirani nosilni signal nameni uporabe različnih vrst (katero modulacijo rabi radio, katero GSM?) Modulacija • Splošno Moduliramo nosilni signal. Če so nespremenljive: A .. amplituda c .. frekvenca .. faza zapišemo modulirani nosilni signal: u (t ) A cos(c t ) Ko spreminjamo samo amplitudo (ne frekvence ali faze): u (t ) f (t ) cos(c t ) u(t) Ko spreminjamo samo frekvenco (ne amplitude ali faze): u (t ) A cos((c g (t ) )t ) Ko spreminjamo samo fazo (ne amplitude ali frekvence): u (t ) A cos(c t h (t )) Amplitudna modulacija • Spreminjamo amplitudo nosilnega signala, funkcija f(t) f(t) f(t) f(t) Frekvenčna modulacija • Spreminjamo frekvenco nosilnega signala, funkcija g(t) pri znani frekvenčni deviaciji Δω Če se amplituda informacijskega signala spreminja največ za vrednost ±ΔU, se frekvenca moduliranega signala spreminja največ za vrednost ωc ± Δω (na primer: Δω = 6 kHz x 2π). g(t) +ΔU -ΔU Pasovna širina • Podelitev frekvenčnega pasu dovoljuje uporabo spektra zgolj v določenem območju Za posamezne modulacije rabimo… • ceneni pri AM vplivamo na kakovostni sprejemnik pri FM vplivamo na digitalni * pri M vplivamo na *za velike hitrosti prenosa podatkov; primerjava AM in M kaže, da na enaki pasovni širini, M prenaša več podatkov kot AM Razmerje signal / šum (SNR) Ali bo naprava signal (signal merjene veličine, informacijski signal) lahko rekonstruirala ali ne? Moč (oddanega) signala, občutljivost sprejemnika Moč toplotnega šuma elektronskih naprav in okolice – a) radijski sistem, – b) radar (signal se na razdalji R od oddajnikove antene odbija od prevodne površine k sprejemniku) Psignal Pšum razmerje signal/šum med drugim odvisno od frekvence, oddaljenosti, slabljenja PT GT GR 4 R kT0 BFn 2 PT GT GR 2 4 R 4 LR 2 Psignal Pšum kTo .. močnostna gostota frekvenčnega spektra šuma [W/Hz] B .. efektivna pasovna širina (-3dB) [Hz] Fn .. šumno število [ ] PT .. oddajna moč v konici [W] GT, GR .. dobitka anten oddajnika in sprejemnika [ ] λ .. valovna dolžina [m] L .. skupno slabljenje [ ] R .. oddaljenost antene od odbojne površine [m] σ .. velikost odbojne površine [m2] kT0 BFn radarska enačba • Friis, 1946 • • • Slabljenje vzdolž poti razširjanja • Ko se signal v obliki elektromagnetnega vala razširja v prostor ali ko se sprememba napetosti razširja po kablu z oddaljevanjem od izvora, se njegova moč zaradi same razdalje zmanjšuje. • Ker pa je sredstvo, skozi katerega se signal razširja, realno, nastajajo izgube, ki jih povzema izraz slabljenje • Če je sredstvo linearno, je slabljenje sorazmerno razdalji do izvora oz. dolžini kabla do oddajnika Pna koncu L 10 log P na začetku Pna koncu .. moč signala na koncu obravnavane poti [W] Pna začetku .. moč signala ob izvoru [W] L .. slabljenje [dB] Elektronika v prometu Elektronika v prometu • • • • • Inteligentni transportni sistemi Pametne ceste Pametna vozila Pomoč za pametne voznike Daljinsko zaznavanje Elektronika v prometu • Vidiki ( obravnavanje informacij, ki omogočajo nemoten promet) • Upoštevanje naravnih zakonov za lažje delo in življenje • Elektronski elementi (generiranje signalov, analogna in digitalna obdelava signalov,…) • Postopki (modulacija, ojačevanje, obdelava informacij) • Naprave (procesorji, krmilja, števne zanke, radijske naprave, signalizacija, RFID…) • Sistemi (računalniški sistemi, satelitska radionavigacija (GNSS), pomoč pri vožnji, …) – težave zapletenih sistemov (npr. večpotje) Elektronika v prometu • Radijske (komunikacijske) naprave (značilnosti in načini razširjanja emv, smisel modulacije, sevanje) • Energetska elektronika (gospodarnost izrabe energetskih virov: goriva, el. energije) • Krmilja in avtomatske naprave (mikroprocesor, računalniški sistemi, sistemi vodenja - vključno z navigacijo) • Stik človek-naprava (ABS), prikazovalniki) (senzorji, vmesniki, aktuatorji • Prometna infrastruktura nadzorna središča,…) (signalizacija, radar, • Spremljanje prometa s sateliti (letalskega) Pomoč pri vožnji Pomoč pri vožnji Zanesljivost navigacije •Zgradbe v mestnih jedrih odbijajo in senčijo signale navigacijskih satelitov, kar pogosto povzroča napake. težavo mestnih sotesk •Rešiti Poglavja • • • • Elektrostatika Elektrodinamika Elementi električnega tokokroga Generiranje, transformiranje in uporaba električne energije • Elektronika v prometu • Osnovni pojmi regulacije v prometu Osnovni pojmi regulacije • Smisel regulacije (…doseči zanesljivo boljši (varnejši) potek dogodkov, kot če sistem prepustimo samemu sebi…) npr. želen pretok trenutni pretok Σ regulator prometni sistem senzorski sistem • Katere veličine v prometu reguliramo? (informacije vplivajo na obnašanje voznikov) posredno na količino prometa, uspeh mogoč, če upoštevamo na kapaciteto ceste • S katerimi sredstvi prometne avtomatizacije razpolagamo? (semaforji, dinamični portali, prilagodljive omejitve hitrosti, cestninjenje, …) Osnovni pojmi regulacije • Dejanski učinki regulacije (manj zastojev, dvig povprečne hitrosti, krajši potovalni časi, manjši vplivi na okolje, manjši stroški vožnje,…) • Postopki (primer dozirani dostop, vodenje voznega parka, …) • Vsebina regulacijske zanke, pomen zanesljivosti upravljanja z informacijami senzorjev (računalniški vid)