BRODSKA ELEKTROTEHNIKA I ELEKTRONIKA ZABILJEŠKE S PREDAVANJA 15 Napomena: kompletno gradivo je u literaturi, ovo su samo bitne natuknice.
Download ReportTranscript BRODSKA ELEKTROTEHNIKA I ELEKTRONIKA ZABILJEŠKE S PREDAVANJA 15 Napomena: kompletno gradivo je u literaturi, ovo su samo bitne natuknice.
BRODSKA ELEKTROTEHNIKA I ELEKTRONIKA ZABILJEŠKE S PREDAVANJA 15 Napomena: kompletno gradivo je u literaturi, ovo su samo bitne natuknice TIRISTORI Tiristor je sastavljen od četiri dopirana kristalna područja, PNPN ili NPNP. Osim anode (A) i katode (K), tiristori imaju i upravljačku elektrodu (gate, G). Tiristori se klasificiraju po tome hoće li biti korišteni u izmjeničnim ili istosmjernim krugovima. U istosmjernim krugovima koriste se kod raznih releja, alarma, svjetlećih jedinica, dok se kod izmjeničnih krugova koriste za upravljanje brzinom vrtnje i strujom (paljenje svjećica u automobilu, upravljanje vrtnjom elektromotora, itd). Ponekad se označavaju i sa SCR (silicon-controlled rectifier, silicijsko upravljano pojačalo). Podjela tiristora prema broju izvoda priključaka Vrsta rada Broj izvoda Blokiranje Vođenje 2 Diodni tiristori s inverznim blokiranjem Diodni tiristori s inverznim vođenjem Dvosmjerno vodljivi diodni tiristor (DIAC) 3 Triodni tiristor s inverznim blokiranjem Triodni tiristor s vođenjem u inverznom smjeru Dvosmjerno vodljivi triodni tiristor (TRIAC) 4 Tetrodni tiristor s inverznim blokiranjem Prekidanje Četiri osnovna sustava za konverziju snage pomoću tiristora 1. 2. 3. 4. Opterećenje za Choper istosmjernu struju Opterećenje za Generator izmjeničnu izmjenične Ciklokonvertor struju struje promjenjive frekvencije Izvor Trošilo istosmjerne Invertor izmjenične struje struje Generator Pretvarač s Trošilo izmjenične faznom istosmjerne struje regulacijom struje Izvor istosmjerne struje TIRISTORI • Tiristori se primjenjuju kod poluvalne i punovalne regulacije snage motora, regulacije snage grijača, regulacije osvjetljenja, fotoćelija, kod invertora, chopera, istosmjernih motora, aparata za zavarivanje, statičkih prekidača, pomoćne rasvjete, stabiliziranja izvora napona, metronoma, brojača, regulacije temperature, usisavača, itd. Postoje i specijalni tiristori kao što su: fototiristori (svjetlosni izvori i svjetlosni detektori), optoelektroničke komponente, u sklopu modula prekidač-reflektor, timerima, oscilatorima, dekadnim djeliteljima, itd. • Dvosmjerni triodni tiristor (TRIAC) je jedan od značajnijih tiristora. U biti je to dvo-tiristorski integrirani krug od dva paralelno spojena tiristora (n-p-n-p i p-n-p-n). TRIAC se može aktivirati i odgovarajućim polaritetom napona narinutog na katodu i anodu, a ne samo preko pobudne elektrode. TRIAC je razvijen za bolju kontrolu izmjeničnih krugova od jednotiristorskih sklopova. NEKI ELEKTRONIČKI SIMBOLI TEKUĆI KRISTALI Tekući kristali su grupa tekućina visoke unutrašnje uređenosti, odnosno pravilnosti u razmještaju molekula. Svojstva tekućih kristala proizlaze iz oblika molekula u tekućini. Molekule koje su izdužene slažu se tako da im duže osi leže paralelno u tekućini. Pritom stupanj unutrašnje uređenosti može varirati. Poseban slučaj su kolesterički tekući kristali, tako nazvani jer se njihova svojstva mogu pripisati obliku molekule KOLESTEROLA, koja je sastavni dio molekula tih kristala. Posebna geometrija unutrašnjeg slaganja molekula rezultira vrlo velikom optičkom aktivnošću (pod optičkom aktivnošću podrazumijeva se sposobnost zakretanja ravnine polarizacije svjetlosti). Vanjskim električnim poljem može se utjecati na unutrašnju uređenost tekućih kristala, a time se mogu bitno mijenjati optička svojstva. CRT i LCD Klasični kompjutorski monitor ili TV prijemnik ima cijev s katodnim snopom (eng. CRT - Cathode-Ray Tube). Katodna cijev je konusnog oblika, koji omogućuje upravljano usmjeravanje elektronskog mlaza na fluorescirajući zaslon (ekran). LCD (engl. Liquid Crystal Display) je uređaj za vizuelno prikazivanje podataka na zaslonu s tekućim kristalima. Prvi LCD televizor su konstruirali stručnjaci Japanske kompanije Epson 1973. godine. Prvi LCD televizor u boji proizveden je 1984. godine. AM Active matrix LCD PM Passive matrix LCD LCD LCD s aktivnom matricom AM LCD je vrsta zaslona u boji s tekućim kristalima koji se ugrađuje u prijenosna računala. Sastoji se od više taknih slojeva tranzistora i stakla (svaki je sloj tranzistora između dva sloja stakla). Omogućuje vrlo visoku kvakoću prikazivanja slike, kontrast i svjetlinu, propuštanjem napona kroz vodoravne i okomite žice između dva stakla i moduliranjem napona pomoću malih tranzistora u svakom elementu za prikazivanje slike (pixel). Ovakav zaslon podržava VGA (Video Graphics Array) standard, sadrži približno milijardu tranzistora, a jedno od svojstava im je i vrlo visoka učestalost osvježevanja slike. Takvi zasloni su se počeli proizvoditi 1992. godine. Sinonim: TFT Thin Film Transistor. Danas su ovi monitori u potpunosti ovladali tržištem. Stupanj razvoja LCD monitora i usporedba s CRT monitorima Moderni LCD monitor potpuno je digitalni uređaj (ne samo u programskom rješenju, nego i fizički, jer svaka točkica ima svoje odvojeno sklopovlje i kristaličić). Zbog razloga kompatibilnosti još uvijek se “bori” s analognim signalima koje mu šalje većina trenutno aktualnih grafičkih kartica. Analogni video signal je korisniji CRT monitorima, jer ga on neće obrađivati digitalno, nego će sve ostati u analognoj domeni. To znači da će ulazni signal uz vrlo malo smetnji sa strane biti vjerno prikazan na ekranu. Kod LCD monitora slika je sastavljena od diskretnih točaka koje se mogu precizno adresirati. Stoga LCD monitor ulazni analogni signal mora pretvoriti u digitalni oblik. Taj se postupak naziva AD konverzija (analogno-digitalna pretvorba). Problem s AD konverzijom je da on neminovno dovodi do pogreške, tj. unosi određenu količinu smetnji. Takt A A a 1 t ulazni signal analogna strana 0 AD konvertor t izlazni signal digitalna strana Proces pretvorbe obavlja se tako da monitor u određenom taktu (sampling frequency) očitava vrijednost amplitude ulaznog analognog signala i pretvara ga u diskretnu numeričku vrijednost. Podrazumijeva se da je digitalizacija to bolja što je frekvencija uzorkovanja veća. Vrlo je važno da se amplituda ulaznog signala pročita upravo u trenutku kada on zaista opisuje aktivni piksel slike, tj. u trenutku kada bi se na standardnom analognom CRT monitoru iscrtala ta točka. Kako bi se to postiglo, mora frekvencija uzorkovanja biti sinkronizirana s frekvencijom ulaznog analognog signala - u biti, obje frekvencije moraju biti jednake. Ako ima odstupanja, ADC LCD-a će pročitati krivu vrijednost koja ne odgovara točnoj vrijednosti piksela koji šalje grafička kartica. Takve će se greške, ovisno o veličini frekvencijske razlike, zbrajati od piksela do piksela, a na ekranu će se manifestirati kao vrlo uočljive vertikalne pruge. Kako monitor mora od grafičke kartice dobiti dodatne sinkronizacijske impulse koji pokazuju kada kreće iscrtavanje nove slike, odnosno retka, ADC-u je posao na održavanju sinkrone frekvencije uvelike olakšan, no ukoliko dođe do frekvencijskog ili faznog pomaka u vezi s tim signalom javit će se tip greške koji se manifestira pojavom uočljivih horizontalnih pruga, a moguće je da slika počne treptiti. Tijekom proizvodnog procesa može se dogoditi da neki element prestane raditi ili uopće ni ne proradi. To se najčešće događa s tranzistorima koji za uključivanje ili isključivanje polarizacije filtera u pikselskom sklopovlju. Greška se manifestira tako da je takav piksel stalno ili uključen ili isključen. To se lako uoči te kupac može tražiti novac nazad ili zamjenski monitor. Monitor može biti proglašen ispravnim, ovisno o broju neispravnih piksela. Trenutno stanje LCD tehnologije je takvo da se ne može garantirati 100%-tnu ispravnost svih piksela. Tako npr. na tipičnom 15’’ ekranu razlučivosti 1024x768 ima 786432 odvojena piksela, a svaki piksel je složen od tri subpiksela na koje su vezana po dva TFT tranzistora, dolazi se do ogromnih brojki. Razumljivo je da se proizvođač nalazi u teškoćama. Moguće je ponuditi serije sa 100% ispravnih piksela, ali bi one bile jako skupe. Upravo iz tih razloga načinjen je ISO 13406-2 koji kaže da na cijeloj površini ekrana neispravno može biti samo 4 piksela i 5 subpiksela. Primjenili se to na 15’’ monitor, slijedi da se smije pojaviti maksimalno 17 loših točkica, što ukupno čini 0,002% cjelokupnog broja točkica. LCD-i imaju veću latenciju, koja nije dobra pri igrama ili intenzivnijim grafičkim programima, jer je slika nešto lošija (tromija). U tim namjenama CRT je i dalje u prednosti. Isto tako je u prednosti i u prikazivanju AV materijala, npr. filmova. Rješenje većine tih problema je u LCD monitorima koji koriste MVA (Multidomain Vertical Alignment), koji nude vrlo kratko vrijeme latencije koje se u praksi uspoređuje s CRTom, boje su preciznije u mjeri koja zadovoljava profesionalni rad, a kut gledanja im je dodatno povećan. No cijena je ograničavajući faktor. Prednost LCD-a je u potrošnji el. energije. Dok je kod CRT-a donja granica potrošnje 100 W, kod LCD-a još nije dosegnuta tako velika, gornja granica. Većina popularnih modela troši oko 25 W. Stoga im je za ventilaciju potreban vrlo mali prostor. Uz LCD dolazi crna kutijica koju treba s jedne strane priključiti na monitor, a s druge na gradsku mrežu. Izdvajanjem napajanja smanjuje se količina topline koja se proizvodi u kućištu. Neki preferiraju ugradnju napajanja u podnožje monitora, a tako se pridonosi stabilnosti monitora (zbog njegove male mase). Postizanje dobre jačine osvjetljenja i dobrog kontrasta, problem je LCD-a, pa im je ideal još uvijek CRT. TFT tehnologija omogućila je dobro kontrastiranje, no još je uvijek potrebno određeno vrijeme kako bi se dosegle vrijednosti osvjetljenja (brightness), jer su lošije za jedan red veličina od CRT-a. Aktivni TFT ne emitira svjetlost. U svim LCD monitorima nalaze se fluorescentne lampe, koje osvjetljuju pozadinu ekrana i jedini su aktivni izvor svjetlosti. Tek kad se riješi problem što bolje iskorostivosti tih lampi, tj. prijenos pozadinske svjetlosti prema površini ekrana, moći će se u slučaju LCD monitora govoriti o dostizanju razine osvijetljenosti CRT monitora. Kod LCD monitora do izražaja dolazi latencija. Za razliku od CRT monitora u kojem se koriste vrlo brzi fosforni premazi s kratkim vremenom latencije, u LCD-ima se koriste tekući kristali koji svaki put kad trebaju promijeniti stanje osvjetljenosti piksela ili subpiksela mijenjaju svoje kristalično stanje. Ta je promjena prilično spora, pa se kaže da LCD-i imaju relativno veliko vrijeme latencije. To se u praksi iskazuje pri prikazivanju scena koje se brzo mijenjaju pa dolazi do određenog zamućivanja slike. PLAZMA TV Plazma zaslon za svaki piksel koristi posebnu čeliju okruženu elektrodama. Čelije su međusobno odvojene dielektričkim slojem magnezij-oksida (MgO). Između dvije staklene površine nalaze se milijuni čelija ispunjenih smjesom inertnih plinova (neon, kseon, argon). Smjesa plinova se stimulira električnom energijom što rezultira ultraljubičastim (ULJ) svjetlom koje apsorbiraju crveni, zeleni i plavi flourescentni segmenti (RGB). Nastaje vidljiva svjetlost koja oblikuje sliku na zaslonu. Korištenjem PCM modulacije (Pulse Code Modulation) određuje se intezitet pojedine boje čime se dobivaju različite nijanse boja (256x256x256=16777216 boja). LCD vs. Plazma - razlike između zaslona 1) UČINAK UPEČENE SLIKE (SCREEN BURN-IN EFFECT) Nastaje ukoliko se na zaslonu duže vrijeme prikazuje ista statična slika. Primjerice raspored reda letova u zračnim lukama ili logo tvrtke. Slika se "zapeče" u ekran te je vidljiva kao silueta i nakon promjene slike. Problem rješavaju putem screen saver metoda gdje se u vremenskim intervalima slika neprimjetno pomiče za određeni broj piksela. Siluetu upečenu u zaslon moguće je smanjiti/ukloniti višesatnim prikazivanjem tonova sive boje ili full color spektra. LCD zasloni nemaju burn-in problem. 2) SATURACIJA BOJA Boje na plazma zaslonu su vjernije i postojanije iz razloga što svaki piksel posjeduje crveni, zeleni i plavi segment. LCD, mijenjajući brzinu i duljinu valova svjetlosti kroz kristalne molekule prikazuje različite boje. LCD je odličan za prikaz slike sa računala dok će plazma doći do izražaja prilikom gledanja filmova. LCD vs. Plazma - razlike između zaslona 3) KONTRAST S obzirom da plazma zasloni mogu prekinuti dovod naboja na čeliju, u mogućnosti su i prikazati potpuno crnu boju. Samim time su i vrijednosti kontrasta znatno veće 500:1>1000:1, pa i više što je znčajna karakteristika prilikom gledanja filmova (DVD). LCD mora povećati voltažu kako bi prikazao tamniji piksel. Vrijednosti su ograničene a samim time i vrijednosti kontrasta. Rijetko koji LCD zaslon ima vrijednost kontrasta >500:1. 4) VIJEK TRAJANJA Proizvođači jamče vijek trajanja između 75000 i 100000 sati za LCD zaslone. Samim time su pogodniji za 24 satno korištenje. Vijek trajanja plazma zaslona kada će plazma imati 50% početnog sjaja, je između 50000 sati. 5) KUT GLEDANJA Plazma zasloni imaju veći kut vidljivosti zaslona( >160). LCD vs. Plazma - razlike između zaslona 6) UPOTREBA SA RAČUNALOM I VIDEOM LCD nema problema sa statičnim slikama, nisu ovisni o "osvježivanju" te nema tritranja slike. Podržava veče rezolucije od plazma zalona. Plazma osim problema sa statičnim slikama ima i određeo titranje prilikom prikaza računalne slike. S obzirom da se plazma gleda sa veće udaljenosti titranje nijje vidljivo. Plasma ima visoki kontrast, izvrsni spektar boja i odličan prikaz predmeta u pokretu. LCD zasloni unatoč progressiv scan tehnologiji imaju dulje vrijeme odziva što je problem kod brze izmjene boja. 7) REFLEKSIJA ZASLONA Plazma zaslone karakterizira staklena površina. Problem kod stakla je što daje odbljesak svjetla iz okoline. LCD zasloni nemaju staklenu površinu i samim time nema problema refleksije. 8) POTROŠNJA EL. ENERGIJE LCD zasloni troše upola manje električne energije od plazma zaslona. POČECI NANOTEHNOLOGIJE Nanotehnologija je skup aktivnosti gradnje i drugih djelovanja na strukturama kojima se dimenzije izražavaju u nanometrima. 1981. pronađena je naprava scanning tunneling microscope (STM), koja detektira slabašne struje koje teku između šiljaka mikroskopa i uzorka koji se proučava. Tako se mogu “vidjeti” čestice koje se proučavaju do veličine pojedinačnog atoma. Slijedilo je otkriće atomic force microscope (AFM). Princip rada AFM-a je: sićušna sonda (nit ili šiljak piramidnog oblika širine od 2 do 30 nm) dovodi se u izravan kontakt s uzorkom. Nakon toga se pomiče prema kraju poluge, koja se savija kako se šiljak kreće po reljefnoj površini uzorka. Pomak u okomitom smjeru mjeri se refleksijom laserske zrake od vrha poluge. Osim promatranja, skenirajuće naprave mogu se koristiti za izgradnju nanostruktura. Šiljak AFM-a može se upotrijebiti za fizičko pomicanje nanočestica po površini i njihovo slaganje u cjeline. Može se upotrijebiti za pravljenje nanoureza u površini. STM može biti izvor elektronskog mlaza kada se poveća struja šiljka i tada se mogu pisati tragovi nanometarske veličine. STM Skenirajući tunelirajući mikroskop Jedna od mla ih eksperimentalnih tehnika, ali zato gotovo nezaobilazna u svim eksperimentima u kojima je bitno odrediti strukturu površine na atomskoj skali. STM je jedinstvena tehnika koja daje sliku rasporeda atoma na kristalnoj površini, u realnom prostoru. Sljedeća slika pokazuje površinu vanadija koja je rekonstruirala u 5x strukturu pod utjecajem segregiranog kisika. Pogled na atome: vanadijeva površina AFM Mikroskop atomske sile (AFM), naprava namijenjena promatranju površina, ne nužno vodljivih. Ovo je glavna prednost AFM-a prema skenirajućem tunelirajućem mikroskopu koji se može primijeniti za promatranje isključivo vodljivih materijala i njihovih površina. Za razliku od STM-a, AFM ne mjeri struju između vrha mikroskopa i uzorka, nego silu koja djeluje među njima. Sile koje su važne u ovom slučaju su jaka odbojna sila na malim udaljenostima koja se pojavljuje kao rezultat preklopa elektronskih gustoća vrha mikroskopa i uzorka i dugodosežna privlačna van der Waalsova sila. Oštri vrh AFM mikroskopa postavljen je okomito na 'gredu' mikroskopskih dimenzija, a mali pomaci grede mjere se ili optički (koristeći laser, interferometrija) ili električki (piezoelektrične metode kad je greda načinjena od piezoelektrika kao što je kvarc npr.). Pomak grede proporcionalan je sili koja djeluje između vrha i uzorka. Promjene mjerene sile kako se vrh miče po površini snimaju se i ovakva informacija se koristi za rekonstrukciju slike površine. AFM funkcionira i izvan visokovakuumskih uvjeta i može se upotrijebiti za promatranje bioloških uzoraka. Njime se također mogu pomicati atomi ili molekule po površini materijala. Nanocijevi Ugljikova nanocijev (carbon nanotube, buckytube) jedan je od najzaslužnijih materijala za veliki interes koji vlada za nanotehnologiju. Nanocijevi su izgrađene od samo atoma ugljika koji su raspoređeni u šesterokutnu ravnu mrežu koja u čvorovima ima atome. Mreža je savijena u sićušnu cijev. Cijevi mogu imati jednu ili više stijenki, mogu biti usukane ili ravne, mogu biti odlični vodiči ili poluvodiči. Takva struktura ima sljedeća svojstva: Veličina: promjer 0,6 do 1,8 nm duljina 1 do 10 m Gustoća: 1,33 do 1,40 g/cm3. Čvrstoća na istezanje: najmanje 10 puta veća od čvrstoće legiranog čelika ELEKTROTEHNIKA I ELEKTRONIKA • Jake struje – elektroenergetika, distribucija, električni strojevi. Na brodu: brodske mreže, uzemljenje, magnetizam, distribucija, strojevi, pumpe, vitla i trošila... • Slabe struje – računala, komunikacije, elektronički elementi i uređaji. Na brodu: automatika, elektronika, radiokomunikacije, antene, radari, navigacijski uređaji... • I jake i slabe struje mogu biti istosmjerne i izmjenične, a nastaju kemijski, toplinski, svjetlosno i mehanički. • Primjene elektroničkih komponenti u logičkim sklopovima, koji su sastavni djelovi kompjutora – Pogledajte Upute za laboratorijske vježbe. ELEKTROTEHNIKA I ELEKTRONIKA - PREGLED PREGLED ELEKTROTEHNIČKIH MATERIJALA U ovom kolegiju upoznali smo se s elektrotehničkim materijalima i nekim tehnologijama, te nekim primjenama elektrotehničkih materijala. Promotrena je i unutarnja građa materije, te atoma. Elektrotehnički materijali po električnim svojstvima dijele se na: vodiče, poluvodiče i izolatore. Materijali koji provode električnu struju, vodljivi materijali, mogu pružati i značajan otpor toku struje, pa se onda zovu otpornim materijalima. To je značajna podgrupa materijala s vodljivim svojstvima. Lošiji vodiči, ali još uvijek vodljivi materijali, imaju dobra magnetska svojstva. Najznačajniji magnetski materijala, željezo, je metal, a metalna građa omogućuje provodnost. Magnetski materijali povezuju električna i magnetska svojstva materije, te dokazuju da postoji samo jedna, združena, elektromagnetska sila u prirodi, a da su električna svojstva i magnetizam različite manifestacije jedne te iste prirodne sile. Magnetski materijali služe za pohranu informacija u računalnoj tehnologiji. Izolatori su, pak, dielektrični materijali. Posebno važna skupina dielektričkih materijla je ona s opto-vodljivim svojstvima, tzv. optički materijali. Njihove najvažnije primjene danas su u komunikacijama (optički kabeli), LCD zaslonima (tekući kristali) i optičkim memorijama. Poluvodiči su omogućili neviđen napredak računalne tehnologije postupkom planarne tehnologije, koja se danas približava samim fizičkim granicama mogućeg. Nasljednik te tehnologije sigurno će biti nanotehnologija, koja je također dotaknuta u ovom kolegiju. PREGLED ELEKTROTEHNIČKIH MATERIJALA MATERIJALI KOJI PROVODE STRUJU KROZ SEBE: vodiči, otporni materijali, supravodiči, specijalne namjene s potrebom vođenja struje + magnetska svojstva, jer tok struje uzrokuje magnetsko polje i obrnuto MATERIJALI KOJI NE PROVODE STRUJU, ALI PROPUŠTAJU ELEKTRIČNO POLJE: izolatori, optički materijali, memorijski materijali, LCD, plazma TV, kondenzatori i sl. POLUVODIČI: ponekad dielektrici, ponekad vode struju, omogućuju računalnu tehnologiju. Danas se eksperimentira s alternativama. Mnoga poluvodička svojstva imaju primjenu u praksi - fotoelektrični efekt, termoelektrična svojstva, elektroluminiscencija itd, omogućuju pretvorbu iz jednog u drugi oblik energije, te služe u ispravljanju struje.