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)