FT: XLVII. Literatura 6-77

Pełna wersja [ z rysunkami ] :

https://drive.google.com/open?id=1N9hLzAi-rKcQqZdIhjijErmFIGJGnknE  

6. Komputerowa analiza układów elektronicznych: algorytmy i metody obliczeniowe. Leon O. Chua, Pen-Min Lin. WNT 1981

Dobrze omówiono całkowanie numeryczne. Na wykresach podano obszary bezwzględnej stabilności algorytmów całkowania.

Cytat: „Rodzina algorytmów Adama - Moultona jest ogólnie uważana za najlepszą rodzinę algorytmów ogólnego użytku do rozwiązywania zagadnienia początkowego...

W rzeczywistości w wielu obecnych programach symulacyjnych stosuje się tylko algorytm interpolacyjny Eulera pierwszego rzędu lub algorytm trapezów rzędu drugiego”.

W praktyce wybór kroku całkowania w symulacjach nie jest prosty a kalkulacje błędu bywają wysoce zawodne.

Jawną prostą, ekstrapolacyjną, mało stabilną metodę Adamsa-Bashfortha stosuje się często w parze z niejawną, dość stabilną interpolacyjną metodą Adamsa-Moultona tego samego rzędu w prostym schemacie predyktor – korektor. Dzięki temu unika się kłopotliwego i czasochłonnego rozwiązywania często nieliniowych układów równań algebraicznych. Całkowanie jest proste i szybkie. Bardzo trzeba jednak zważać na marną stabilność ekstrapolacyjnej metody Adamsa-Bashfortha.

Schemat ten w ogóle nie nadaje się do problemów sztywnych.

Wybór kroku całkowania ma ogromne znaczenie dla dokładności uzyskanego rezultatu. Rezultat przy zbyt dużym kroku jest niedokładny a ponadto rezultat może być zupełnie fałszywy. Przy zbyt małym kroku błędy „idei” całkowania są małe ale nawarstwiają się błędy numeryczne zaokrągleń w dużej ilości kroków a ponadto czas symulacji będzie niepotrzebnie duży.

Na wykresie pokazano rzeczywisty błąd całkowania numerycznego funkcji Sinus w przedziale 0-Pi/2 w funkcji długości kroku dla metod Adamsa-Bashfortha i Adamsa-Moultona trzeciego rzędu. Krok całkowania na wykresach wynosi do 0.5 / 0.1.

Niejawna metoda interpolacyjna jest oczywiście znacznie dokładniejsza niż jawna metoda ekstrapolacyjna. Dla metody dokładniejszej błąd przy kroku 0.1 jest mniejszy od 1E-5. Krok 0.1 oznacza że dla pełnego okresu sinusoidy ( czyli 2 PI ) trzeba wykonać ca 63 kroki całkowania a więc całkiem sporo. Błąd poniżej 1E-6 uzyskamy przy ca 126 krokach całkowania na okres sinusoidy. Są to bardzo cenne informacje ! Dotyczy to bardzo dokładnych metod trzeciego rzędu. Metod wyższych rzędów typowo w ogóle nie należy brać pod uwagę z uwagi na mały obszar stabilności ale spróbować zawsze można a czasem trzeba. Konkretne rozwiązania nie są sinusoidami ale chodzi o ich zmienność na tle sinusoidy co pozwala nam dość dobrze wybrać długość kroku.

Przy dużych krokach błąd całkowania numerycznego staje się absurdalnie duży. Krok na drugim wykresie wynosi do 0.5. Błąd metody ekstrapolacyjnej przy kroku 0.5 wynosi ca 9.5% a interpolacyjnej ca 1.5%

Dla konkretnej arytmetyki zmiennoprzecinkowej używanej do obliczeń można pokazać jak rosną (!) całkowite błędy przy zmniejszeniu kroku poniżej optymalnej wartości.

Dla konkretnej arytmetyki minimalny-optymalny błąd całkowania szybko spada ( a krok rośnie ) wraz ze wzrostem rzędu metody no ale przywołuje nas do porządku … stabilność całkowania.

NB. Prognozy są też ekstrapolacją. Stąd tak ryzykowne jest przewidywanie przyszłości.

Temat praktyki całkowania w symulacjach jest szeroki. Ważną informacje o wielkości kroku podano sygnalizacyjnie. Szybkość symulacji ma przykładowo znaczenie zasadnicze gdy symulujemy pod kątem kołysań system energetyczny z kilkunastoma generatorami i wieloma liniami przesyłowymi.

7. Laboratorium identyfikacji procesów. Politechnika Śląska. Skrypt Nr 1232. Gliwice 1986

Zapomniany matematyk Stefan Kaczmarz był adiunktem Katedry Matematyki Wydziału Mechanicznego Politechniki Lwowskiej. Był współpracownikiem Stefana Banacha i lwowskiej szkoły matematycznej. Jako oficer zginął w wojnie obronnej 1939 roku.

W 1937 roku Kaczmarz opublikował algorytm do iteracyjnego rozwiązywania układów równań liniowych. Algorytm ten został powtórnie odkryty przy pracach nad algebraiczną rekonstrukcją obrazów tomografii komputerowej jako ART.

Algorytm może być też użyty do nadokreślonego zestawu równań czyli do identyfikacji parametrów modelu procesu.

W skrypcie ( strony 41-44 ) podano trzy sposoby wyprowadzenia algorytmu Kaczmarza nazwanego jako Rekurencyjny Algorytm Uczenia:

-Oryginalne wyprowadzenie Kaczmarza na gruncie geometrii analitycznej

-Ideę Avedjana jako minimalizację odległości między kolejnymi wektorami parametrów

-Idee Cypkina jako ogólną procedurę gradientową dla iteracyjnego korygowania wektora parametrów przy minimalizacji kwadratu błędu estymacji.

Autor odkrył kolejną metodę wyprowadzenia algorytmu.

Na pierwszym wykresie porównano zbieżność metody Gaussa - Seidela i metody Kaczmarza do rozwiązania zestawu 4 równań liniowych Ax=b. Macierz A wybrano tak aby metoda GS była względnie szybko zbieżna. Suma kwadratów residuów w jednej i drugiej metodzie spada monotonicznie. Metoda Kaczmarza jest w tym konkretnym przypadku circa dwa razy wolniejsza. Ale wystarczy zamienić kolejność równań aby metoda GS była rozbieżna. Natomiast metoda Kaczmarza jest zawsze zbieżna ale... szybkość tej zbieżności zależy od porządku równań co szczególnie widać w dużym zestawie równań.

Metoda Kaczmarza oczywiście nadaje się do identyfikacji parametrów modelu. Pokazano zbieżność trzech parametrów procesu ARMA bez szumów. Zbieżność jest jednak znacznie gorsza niż metody najmniejszej sumy kwadratów ale też nakład obliczeń jest mały.

Algorytm Kaczmarza wymaga badań,modyfikacji i optymalizacji. Natomiast w nazwie Rekurencyjny Algorytm Uczenia nie ma żadnej przesady ani błędu. Algorytmu Kaczmarza

można z powodzeniem użyć do uczenia układu Adaline – Adaptive Linear Neuron. Ilość możliwych zastosowań układów Adaline jest jednak bardzo ograniczona.

8. Elektrotechniczeskij sprawocznik Moskwa Energoatomizdat 1988

Treść trzytomowego poradnika w języku rosyjskim jest zgodna z tytułem. Technologia ZSRR jest co najmniej 8-12 lat za zachodem ale jednak ich piśmiennictwo naukowo-techniczne jest znacznie lepsze od polskiego i pokrywa też obszary objęte zachodnią cenzurą naukowo - technologiczną. Autorzy są bez wątpienia fachowcami i rozumieją to o czym piszą i czytelnik z łatwości rozumie przekaz.

W tabelach zebrano i usystematyzowano przydatne informacje. Poziom poradników nigdy nie jest wysoki ale pozwala na początek zorientować się w temacie.

W kontrolowanym obiegu niby zamkniętym są radzieckie książki w detalach omawiające budowę - konstrukcję broni jądrowej i innych nowoczesnych militariów. Tak więc przeszkodą w budowie broni jądrowej przez chętnych do jej posiadania jest absolutny brak militarnego plutonu i innych kluczowych materiałów. Ale temat zabezpieczeń i tak jest cenzurowany.

9. Microcontrollers Handbook. Intel 1983.

System MCS48 ( 8048) wydaje się przestarzały ale Intel że względów rynkowych go nie porzuca bowiem buduje Image stabilności dla klientów.

Dużą popularność już zdobyły mikrokontrolery MCS51. W latach 1982-84 Intel nie mógł nadążyć z produkcją '8051 i chipami spekulowano na szarym rynku.

Do bardziej ambitnych zadań Intel proponuje 16 bitowy mikrokontroler MCS96 i 196. Mają one bardzo rozbudowane peryferia a w tym szybki przetwornik wielokanałowy A/D. Są one na tyle wydajne że mogą sterować wysokiej jakości inverter PWM ( mają zintegrowany wielokanałowy interface PWM ) do silników synchronicznych i asynchronicznych. Mają wbudowany Watchdog co zwalnia projektanta z konieczności budowy układu zewnętrznego Watchdoga.

Są też oferowane wyspecjalizowane mikrokontrolery z interface do obsługi szybkich szeregowych linków komunikacyjnych jak RUPI-44.

RUPI-44 ( Remote Universal Peripheral Interface ) ma jądro mikrokontrolera 8051 oraz wysokiej jakości kontroler komunikacyjny HDLC/SDLC ( High-Level Data Link Control / Synchronous Data Link Control ). Kontroler komunikacyjny jest bardziej skomplikowany niż mikrokontroler 8051. Pomiędzy mikrokontrolerem 8051 a SIU umieszczono Dual Ported RAM pojemności 64 bajtów. Szybkość transmisji osiąga 2.4 Mbps.

RUPI-44 świetnie nadaje się do budowy interfejsu sieciowego dla komputera procesowego i komputerów PC AT. Jego wadą jest prohibicyjna cena – jest cztery razy droższy niż mikrokontroler 8051.

Sieciowa komunikacja komputerów trywializuje się.

Rozdział o projektowaniu systemów mikrokomputerowych do zaszumionych środowisk. 

 

10. 1979 General Catalog . Burr Brown

W USA funkcjonuje dwóch światowych liderów produkujących najwyższej klasy układy analogowe a także przetworniki A/D i D/A: Analog Devices i Burr Brown. Do liderów dołączają inne firmy. Założycielami BB byli Page Burr i Thomas Brown a celem firmy była komercjalizacja raczkującego tranzystora.

BB jako pierwsza wypuściła modułowy tranzystorowy wzmacniacz operacyjny. W dziedzinie układów dokładnych firma BB jest zawsze pierwsza.

Oprócz scalonych układów monolitycznych firmy produkują także układy hybrydowe oraz moduły. Już w 1978 roku obie firmy produkowały karty do różnych mikrokomputerów z analogowymi wejściami i wyjściami zdolne do bezpośredniej współpracy z typowymi sensorami przemysłowymi. Karty mają także binarne I/O. Komputer z taką kartą wykonuje zadanie DDC - Direct Digital Control. Wyroby AD i BB są prohibicyjnie drogie. Karta z interface analogowym, przetwornikiem A/D i D/A oraz binarnym I/O kosztuje znacznie ponad 1000 dolarów. Wydawnictwa AD i BB mają duża wartość edukacyjną. Na przykład wewnętrzne schematy ( oczywiście opatentowane, na schemacie pokazano wnętrze wzmacniacza instrumentalnego 3660 ) wzmacniaczy instrumentalnych. Rozwiązania można zmodyfikować i ulepszyć bez naruszania patentów.

Zapotrzebowanie w Polsce na wzmacniacze instrumentalne jest za małe ale na potrzeby RWPG produkcja byłaby opłacalna.

10A. 1986 Burr-Brown Integrated Circuits Data Book

Widoczny w parametrach układów postęp w ciągu 7 lat jest znaczny ale nie oszołamiający.

Zastosowano nowe oznaczenia literowe jak INAxxx i PGAxxx.

Scalone układy programowalnego wzmacniacza instrumentalnego PGA200/201 maja w lepszej wersji dryft temperaturowy napięcia niezrównoważania tylko 0.3uV/C a więc bardzo mały.

Typowa wartość tłumienia sygnału wspólnego CMRR przy wzmocnieniu co najmniej 100 razy wynosi 120 dB a więc jest bardzo duże.

Zastosowano oczywiście rezystory cienkowarstwowe thin-film. Układy nadają się do uniwersalnego systemu pomiarowego z różnymi sensorami 12-16 bitowym przetwornikiem A/D. Najlepsze hybrydowe przetworniki A/D typu ADC76 o dokładności 16 bit mają czas przetwarzania 15 us a więc krótki. 

 

11. 1988 Analog Devices Linear Products Databook

W USA funkcjonują od dekad dwie firmy, Analog Devices i Burr Brown, produkujące wyrafinowane scalone układy analogowe. Do nich dołączają kolejne firmy.

AD została założona w 1965 roku. Pierwszym jej wyrobem był modułowy wzmacniacz operacyjny. Następne były układy hybrydowe a po nich monolityczne. W 1973 roku AD jako pierwsza wypuściła przetwornik Digital / Analog w technologii CMOS. W tym samym roku zastosowano laserowe trymowanie układów monolitycznych.

AD niedawno zapowiedział pierwsze procesory sygnałowe DSP. Trendem jest stopniowe przejście z analogowego na cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Gama głównych produktów AD:

-wzmacniacze operacyjne

-komparatory

-wzmacniacze instrumentalne

-wzmacniacze izolowane

-wzmacniacze logarytmiczne

-precyzyjne regulatory napięć

-funkcyjne układy nieliniowe a w tym przetworniki wartości skutecznej RMS napięcia zmiennego na stałe

-przetworniki A/D i D/A oraz karty z tymi przetwornikami do komputerów

-moduły i układy hybrydowe

-inne układy

Przetworniki D/A i A/D przynoszą blisko połowę wpływów koncernu.

W dziedzinie wyrafinowanych przyrządów pomiarowych, aparatury przemysłowej i radarów produkty AD są bardzo użyteczne. Użyteczne są materiały aplikacyjne publikowane przez AD.

Podstawową wada produktów Analog Devices jest ich bardzo wysoka cena. Konstrukcja wzmacniaczy instrumentalnych jest ekstremalnie pomysłowa. Są one drogie i kosztują tyle ile kilka wzmacniaczy operacyjnych. Aby zbudować z elementów „dyskretnych” wzmacniacz instrumentalny potrzeba dwóch lub trzech wzmacniaczy operacyjnych i precyzyjnych oporników. A więc wzmacniacze instrumentalne wcale nie są drogie jak na swoją funkcjonalność.

Wzmacniacz instrumentalny bardzo upraszcza wykonanie interfejsu do sensorów przemysłowych. Ale najlepiej ich nie stosować bo często są zbędne !

Pierwszym monolitycznym wzmacniaczem instrumentalnym był układ AD520 a kolejnym AD521. Wzmacniacz instrumentalny wprost pracuje z układem mostkowym sensorów. Można go stworzyć z dwóch lub trzech wzmacniaczy operacyjnych i precyzyjnych rezystorów, które są drogie i rzadko oferowane co stwarza kłopoty logistyczne.

W implementacji monolitycznej wzmacniacza instrumentalnego także potrzebne są precyzyjne a przynajmniej identyczne rezystory. Tłumienie sygnału wspólnego monolitycznego wzmacniacza instrumentalnego może być uzyskane na takiej zasadzie jak wzmacniacza operacyjnego lub uzyskane identycznością rezystorów w konfiguracji podobnej jak we wzmacniaczu instrumentalnym na trzech wzmacniaczach operacyjnych. Uzyskane technologią cieńkowarstwową rezystory mogą być bardzo dokładne wzajemnie. Rezystory te używane są także w drabinkach R-2R stosowanych w przetwornikach analogowo-cyfrowych i cyfrowo-analogowych D/A i A/D. Są to jednak technologie drogie i znaleziono inne lepsze rozwiązania do przetworników A/D i D/A.

Wzmacniacze instrumentalne są drogie ale pozwalają skrócić czas projektowania i miniaturyzować system.

Wzmacniacz instrumentalny może być czasem zbędny gdy podwójnie całkujący z autozerowaniem przetwornik A/D wykonany w technologi CMOS ma wystarczającą czułość. Mostek pomiarowy można też zasilić większym napięciem tylko w fazie całkowanie sygnału co podniesie jego czułość. Nie zawsze więc rozwiązania ortodoksyjne są najlepsze i warto kreować innowacje.

12. Microcomputer System: The 8086/8088 Family Systems. Y.Liu, G.Gibson. Prentice Hall Intl 1984.

Dużo konkretnych i użytecznych informacji o budowie systemów z mikroprocesorami Intel 8086/8088. Na procesorach rodziny '86 można zbudować zarówno względnie prosty jak i rozbudowany system. Generalnie jednak hardware nie jest prosty. Zaletą rodziny jest stosowanie jej w komputerach PC i ogólna dostępność narzędzi programistycznych.

Procesory 8086/8088 nie są szybkie !

Do "miniaturowych" zastosowań wbudowanych doskonale nadają się procesory 80186 i 80188 posiadające zintegrowane peryferia ale mało rozbudowane na tle mikrokontrolerów.

13. Assembly Language Programing IBM PC AT. L.Scanlon. Prentice Hall Intl 1985.

Wszystkie podane w książce teksty macro - asemblerowych programików działają, przynajmniej na komputerze PC AT autora. Nikt nie może się zniechęcić do nauki czy zarzucić autorowi fuszerkę i lipę. Pozycja polecana dla każdego kto chce się nauczyć macro - asemblera '286 i przekonać się jak wielkim dobrodziejstwem są kompilatory języków programowania. Asembler nie jest trudny ale jest niewyobrażalnie niewydajny dla kogoś kto używa go sporadycznie. Z drugiej strony program wynikowy jest szybki i mały – przed kompilatorami optymalizującymi jest więc wielkie pole do rozwoju. Z racji pracochłonności nawet do stworzenia w rozsądnym czasie średniej komplikacji programu w asemblerze potrzebny jest zespół ludzki. 

 

14. 1987. Microprocessor and peryferials. Philips Book 18.

Philips na licencji Motoroli produkuje procesory i swoje bardzo interesujące peryferia rodziny 68XXX. Przykładowo, układ SCN68454 ( 1983 rok ) jest kontrolerem jednocześnie dysku twardego i dyskietek. Jest też interface do napędu CD jako pamięci masowej.

W katalogu nie ma jeszcze przedstawionego procesora - 32 bitowego mikrokontrolera 68070 z listą rozkazów rodziny 68XXX. Ma to być dość wydajny procesor z rodziny ale dla oszczędności hardwaru z 8 bitowym interfejsem pamięci wykonany tak jak mikrokontroler ze scaloną ogromną ilością różnych peryferiów. System 68K zazwyczaj jest gabarytowo duży ale z procesorem czy raczej mikrokontrolerem 68070 będzie malutki.

Atrakcyjność procesorów polega m.in. na dostępności narzędzi programistycznych komputerów Macintosh zbudowanych na procesorach 68000.

Procesory rodziny 68K są chętnie stosowane w urządzeniach profesjonalnych a w tym militarnych. Rzekomo cechuje je niska stopa błędów i stabilna długotrwała praca.

Mikrokontroler 68070 świetnie nadaje się do roli samochodowego pokładowego komputera jako że w proponowanym systemie jest interface do ekranu graficznego LCD. Wystarczy popuścić wyobraźnie aby uzmysłowić sobie zakres czynności jakie taki komputer może wykonywać ! Koncern Bosch specjalnie do samochodów opracował i opatentował interface szeregowy CAN a z racji jego silnej rynkowej pozycji można przewidywać jego standaryzacje. Philips produkuje mikrokontroler 80C592 z jądrem Intel 80C51 z interface CAN a także drivery ( fizyczne ) linii do tego interface. Wydaje się że mający sporo zalet interfejs CAN może zdobyć popularność także poza techniką motoryzacyjną. Mikrokontroler 80C592 jest znacznie droższy niż podobne mikrokontrolery bez interface CAN jako że Bosch życzy sobie opłat za licencje. A Bosch to niemieckie koncerny samochodowe i ich potężna siła przebicia. Niemcy zachodnie są największym europejskim producentem i eksporterem samochodów. Niemiecki firmy korzystają tylko z produktów niemieckiego przemysłu elektronicznego. I to jest podstawowa słabość holenderskiego Philipsa. Owszem Philips może zaoferować bardzo dobry pokładowy komputer z ekranem LCD ale Niemcy tego nie wezmą. Koncerny niemieckie poczekają aż Siemens i Bosch będą mogli takie cudo zaoferować.

Płyta CD jako pamięć masowa do samochodowego komputera może być bardzo dobra i użyteczna. Można na niej zapisać sieć dróg całej Europy. Po wpisaniu położenia początkowego komputer mając impulsy ze skrzyni biegów ( czyli informacje o przebywanej drodze ) i informację o kącie kierownicy ( żyrokompas wydaje się za drogi ale Flux Gate może być tania ) może pokazywać aktualną pozycję samochodu i prowadzić kierowcę do wybranego celu. Komputer mając wiedzę o położeniu może nastroić się do lokalnych stacji FKF FM czy wskazać pobliską stacje benzynową.

Komputer może prezentować dane o pracy silnika i zarejestrowane niepokojące incydenty. Możliwych do wyobrażenia zadań dla samochodowego komputera pokładowego jest całą masa.

Motorola podobnie jak i Philips ma ogromną ofertę półprzewodników. Obydwa silne technologicznie koncerny wydają się nie rozumieć tego że trzeba się na coś zdecydować i w to zaangażować wszystkie siły – albo na procesory i układy peryferyjne albo na całą resztę a w tym i elementy dyskretne. Intel ma nad Motorolą i wtórnie licencjonowanym Philipsem poważną przewagę bowiem komputer PC AT zbudowany jest na procesorze Intel '286 lub wydajniejszym '386. Już za pewnik można uznać że kolejne procesory Intela będą zgodne w dół z poprzednimi i eksploatowana będzie zasad zgodności komputerów w dół na czym IBM i HP jadą już ponad 20 lat ! Microsoft wydał właśnie graficzny system operacyjny Windows 2.0 ( w rzeczywistości jest to nakładka na system DOS a nie kompletny system ) i dla komfortu potrzebne będą coraz silniejsze procesory. System graficzny to nowa jakość.

Konkurencyjny do PC AT komputer osobisty Apple – Macintosh, z graficznym interfejsem użytkownika, oparty na procesorze Motorola 68000 jest w porównaniu z komputerami PC strasznie drogi !

System Windows jest co prawda spóźniony za systemem Apple ( obydwa systemy są wtórne, obie firmy wzorują się na systemie graficznym firmy Xerox ) ale komputerów PC AT jest dużo więcej niż Macinstoshy. Motorola jest z modelami procesorów spóźniona o rok za Intelem i nietrudno zgadnąć że reklama Apple o wyjątkowości komputerów MacIntosh zadziała tylko na bogatych klientów. O atrakcyjności komputerów decyduje dostępne oprogramowanie. Ponieważ komputerów PC jest dużo więcej to firmy programistyczne będą celować właśnie w dominujący standard PC. Motorola mogłaby produkować procesory na licencji Intela lub z nimi zgodne bez licencji. 

 

15. 1978 Westinghouse Power Semiconductor Users Manual and Data Book

Westinghouse Electric Company została założona w 1886 przez wynalazce i przedsiębiorce George Westinghousa. Potężny koncern działał głownie w energetyce i ciężkich zastosowaniach energii elektrycznej. Koncern jest wynalazcą i głównym producentem ciśnieniowych reaktorów wodnych PWR ( Pressurized Water Reactor ) dominujących w światowej energetyce i ich głównym producentem. Westinghouse produkuje też reaktory militarne. Produkował także odrzutowe silniki lotnicze i turbiny energetyczne i przemysłowe. Koncern przejmował firmy w dziedzinie elektryczności i telekomunikacji włączając je do swojej struktury.

Jedynym rzeczywiście energoelektronicznym tranzystorem w katalogowej ofercie był typ w obudowie śrubowej D62T o napięciu Uceo=500V i prądzie Ic=100A. Przy prądach sterujących bazę +/-6A przy prądzie kolektora 50 A czasy narastania i opadania prądu wynoszą 500 ns. Dla prądu kolektora 100A wymagane są prądy bazy ponad 20A czyli większe od maksymalnych. W istocie więc trudno jest sensownie pracować z prądem powyżej 50A.

Maksymalne prądy / napięcie diod standardowych dochodzą do 2200A i 4000 V zaś diod „szybkich” do 1400A i 3200V. Diody na prąd powyżej 550A są generalnie umieszczone w obudowach dyskowych. Tyrystory do sterowania fazowego są maksymalnie na parametry 1400A i 3000V a tyrystory szybkie (tq=10-80usec) na 900A i 2200 V. Tyrystory mają bramkę dynamiczną i wysoką dopuszczalną stromość narastania załączonego prądu.

Na początku lat siedemdziesiątych kupiono ( nie wiadomo po co skoro produkcja tyrystorów była w bloku wschodnim opanowana w ZSRR i Czechosłowacji ) dla Laminy licencję na diody i tyrystory mocy od firmy Westinghouse.

Westinghouse produkuje tyrystorowe falowniki - inwertery do zasilania silników asynchronicznych typu „22-2000 AF” mocy 5-500 kW. Częstotliwość napięcia wyjściowego wynosi 0-60 Hz a w zakresie rozszerzonym o-120 Hz. Są niestety duże i dość ciężkie.

Zastosowanie falowników do zasilania napędów przemysłowych może dać duże oszczędności. Tradycyjnie pompa wody zasilającej kotła bloku energetycznego napędzana jest wielkim silnikiem asynchronicznym poprzez regulowane stratne sprzęgło hydrokinetyczne. W USA stosowane są już do zasilania tych silników falowniki dużej mocy na średnie napięcie. Rzekomo falownik amortyzuje się już po 3 latach pracy. Regulowane pompy występują często w przemyśle chemicznym i innych przemysłach. Falowniki mogą zasilać silniki asynchroniczne lokomotywy. Lżejsze są falowniki z tyrystorami wyłączalnymi GTO. Tyrystory falownik prądu ( a nie napięcia) mogą być naturalnie komutowane napięciami zasilanej maszyny synchronicznej. Pewną wadą jest ograniczony zakres obrotów i praca maszyny synchronicznej z cos phi poniżej jedności co oznacza ze musi być ona przewymiarowana. Potężne prostowniki – falowniki stosuje się do linii przesyłowej wysokiego napięcia stałego HVDC. Warto zauważyć że linia taka może łączyć asynchronicznie pracujące systemy energetyczne.

Liczne zastosowania energoelektronika ma na statkach oceanicznych. Moc generowana przez silnik główny zasilany mazutem jest znacznie tańsza niż przez agregaty prądotwórcze zasilane olejem napędowym ale obroty silnika głównego są zmieniane stosownie do wymagań trasy. Wyprostowane napięcie z generatora napędzanego silnikiem głównym podane jest do invertera wytwarzającego napięcie o stałej częstotliwości 50 Hz. Gdy w marszu pracuje silnik główny statku agregaty prądotwórcze są wyłączone co daje duże oszczędności w kosztach eksploatacji. Inwertery zasilają też silniki napędów dźwigów towarowych na statkach i w portach. Morza i oceany pokrywają 3/4 powierzchni globu a transport morski zużywa dużą część paliw płynnych.

Wydaje się że kupując od Westinghouse drogą licencje na tyrystory mogliśmy licencje na falowniki otrzymać gratis. Modernizując te falowniki mielibyśmy sporą korzyść.

Falownik podobny do Lancer 4410 o nazwie AF3060 produkuje koncern General Electric.

Pokazano uproszczony schemat wejściowego prostownika i jednej fazy invertera.

Za diodowym trójfazowym mostkiem prostowniczym umieszczono filtr L1 C1 zmnijszjacey pusajcje napięcia zasilającego inverter PWM. Elementy L2 i C1' oraz D2, nie stanowią filtru ale zabezpieczający obwód komutacji zwarciowej. Impuls prądu zwarciowego jest wykrywany poprzez przekładnik w obwodzie kondensatorów.

Gałęzie mostka z tyrystorami głównymi i komutacyjnymi są typowe. Zastosowano kombinacje rdzeniowych dławików nasycanych, sprzężnych i powietrznych celem zmniejszenia szybkości narastania prądów i napięć. Snubbery RC tyrystorów nie są pokazane. Inwerter przy zbyt dużym prądzie obciążenia traci zdolność komutacji i następuje w nim zwarcie przez dwa załączone tyrystory gałęzi mostka. Wymienione już elementy komutacji zwarciowej mają rozłączyć zwarcie. Układ sterujący inwerter może wznowić pracę dopiero po spadku prądu w dławiku L2 i napięcia na kondensatorze prostownika.

W rzeczywistości układ zabezpieczający może też rozłączyć wejściowy kontaktor sieciowy lub zdjąć sterowanie z tyrystorów mostka prostowniczego jeśli są stosowane zamiast diod.

Długie czasy komutacji układów tyrystorowych zmniejszają maksymalną głębokość m modulacji PWM co jest bardzo szkodliwe. W omawianym falowniku częstotliwość modulacji PWM nie jest stała. Jest tym większa i mniejsze jest trójfazowe napięcie wyjściowe. Tętnienia prądu silnika w takim algorytmie pozostają prawie stałe. Zmniejszenie częstotliwości modulacji PWM dla większych wysterowań pozwala otrzymać dużą maksymalną wartość napięcia wyjściowego.

Złożony układ sterujący wykonano głównie na scalonych układach logicznych oraz wzmacniaczach operacyjnych i elementach dyskretnych.

Zasilający silnik / silniki falownik prawie zawsze pracuje w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego. Sygnał zadany jest wolnozmienny. Nadmierny prąd obciążenia wyzwala zabezpieczenia. Nadmierny prąd jest skutkiem żądania zbyt szybkich zmian prędkości silników lub zwarcia lub przeciążenia jednego z silników.

Inwerter zasilający silnik serwomechnizmu zawsze pracuje w pętli sprzężenia zwrotnego. Napęd maszyny CNC lub robota przemysłowego ma mieć jak najszersze pasmo. Same mostki kluczy i ich drivery są oczywiście takie same ale układy sterujące zupełnie inne.

Do budowy falowników potrzeba szybkich tyrystorów i diod, komutacyjnych kondensatorów impulsowych, oporników mocy i kondensatorów do snubberów a także materiałów magnetycznych do dławików nasycanych i sprzężonych no i oczywiście elementów do budowy układu sterującego. Ktoś kto drogo zakupił od koncernu Westinghouse licencje chyba nie miał tego świadomości bowiem mimo upływu blisko dwóch dekad nie uruchomiono potrzebnej produkcji. Konkurencja wśród światowych producentów falowników nie była duża. Zresztą sami sporo ich potrzebujemy choćby do naszych elektrowni i do produkowanych u nas statków.

Oceany i morza zajmują 3/4 powierzchni kuli ziemskiej. Statki wykonują ponad 80% liczonego w tonokilometrach światowego transportu towarowego, zużywając połowę paliwa konsumowanego przez cały transport. Toteż oszczędności paliwa są bardzo pożądane.

Starawa już „Energoelektronika na statkach”, Sławomir Wyszkowski, omawia liczne zastosowania energoelektroniki średniej i dużej mocy na statkach. Pływają już od ponad dekady statki z napędem elektrycznym potężnej mocy. Napęd taki ma szereg zalet w statkach specjalistycznych, które z reguły są drogie a nawet bardzo drogie i poszukiwane. Polska jest liczącym się producentem statków i jest na miejscu odbiorca energoelektroniki co znakomicie upraszcza sprawę ! Wyspecjalizowane statki i quasi – statki są bardzo drogie i jest na nich dużo energoelektroniki i elektroniki. Bardzo drogie są platformy wiertnicze do podmorskich pokładów ropy naftowej i gazu ziemnego i platformy eksploatacyjne. Drogie są statki do kładzenia rurociągów naftowych i gazowych na dnie morza.

Drogie są luksusowe statki pasażerskie, które muszą mieć system stabilizacji dynamicznej położenia statku aby wiatr i fale nim nie kołysały bowiem wywołuje to dyskomfort pasażerów.

Na cięciu i spawaniu grubych blach na proste statki już się nie zarabia. Produkcja może mieć pozory rentowności przy bardzo taniej pracy ( wynagrodzenie 20 dolarów miesięcznie ) i dotowanej silnie stali.

Regulowane elektryczne napędy średniej mocy stosowane są w potężnych i bardzo wydajnych dźwigach suwnicowych w portach kontenerowych.

Dużo energoelektroniki jest stosowane na nowoczesnych okrętach wojennych. Polska jest liczącym się eksporterem broni i istnieje szansa sprzedaży okrętów wojennych. Bałtyk jest za płytki dla okrętów wojennych ale nasza marynarka ma także własne potrzeby.

 

16. 1982-1983 International Rectifier Hexfet Databook

Firma International Rectifier tranzystory Mosfet mocy „Hexfet” wprowadziła już w 1978 roku. Nazwa Hexfet nawiązuje do kształtu komórki elementarnego tranzystora.

Firma ma w ofercie także tranzystory o podwyższonej niezawodności do zastosowań militarnych i specjalnych.

Najmocniejszy tranzystor IR na napięcie Uds 500V i prąd Id 13A ma oporność Rdson=0.4 Ohma.

Oporność Rdson dla napięć powyżej 400V rośnie z potęga 2.4 co oznacza że wzrostem maksymalnego napięcia Uds spada moc przełącznika ! Tylko dla pięciu typów na napięcie 100 i 200 V są produkowane tranzystory komplementarne P, które mają circa dwukrotnie większe Rdson niż typy N.

W tranzystorach Mosfet nie występuje w zasadzie II przebicie co bardzo korzystnie odróżnia je od tranzystorów bipolarnych. Są one bardzo szybkimi przełącznikami.

Tranzystor Mosfet ma antyrównoległą „diodę”. Nie jest znana technologia pozwalająca wyprodukować tranzystor Mosfet mocy bez tej pasożytniczej „diody”. Ta dioda jest bipolarnym tranzystorem z niewielkim opornikiem między Baza a Emiterem. Tranzystor jako dioda pracuje więc inwersyjnie. Im większe jest napięcie tranzystora Mosfet tym wolniejsza jest ta „dioda”. Jest to dioda szybka tylko w typach na napięcie 50-100V i to nie we wszystkich.

W inverterach mogą być wprost zastosowane tylko typy niskonapięciowe Mosfetów. Dlaczego tak jest ? Niech kierunek prądu wyjściowego półmostka będzie taki że przewodzi w jednym tranzystorze „dioda” antyrównoległa i załączamy drugi tranzystor. „Dioda” czyli tranzystor musi wyjść z nasycenia a ponieważ prąd szybko narasta wystąpi zjawisko przeciągania prądu doprowadzające do natychmiastowego II przebicia tranzystora bipolarnego !

Chcąc zastosować tranzystory Mosfet w inwerterze trzeba w szereg z nimi włączyć diodę i zastosować dodatkowo do całości klucza szybką diodę antyrównoległą.

Jak powiedziano tranzystory Mosfet mają bardzo szeroki obszar pracy bezpiecznej. Ale jest drugi sposób uszkodzenia pasożytniczej „diody” antyrównoległej czyli tranzystora bipolarnego. Wystarczy przy wyłączonym tranzystorze Mosfet podać napięcie Uds większe niż tolerowane przez tranzystor bipolarny. Ma on niestety wąski obszar bezpiecznej pracy. Gdy Mosfet jako klucz ma wyłączać prąd w samochodowej cewce zapłonowej i absorbować energie z indukcyjności rozproszenia cewki trzeba dać diodę Zenera między Gate i Dren aby bezpiecznie energię pochłonął aktywny Mosfet i aby nie aktywował się tranzystor bipolarny czyli antyrównoległa „dioda”. Z doświadcznienia wynika że tranzystory IR dobrze tolerują energie Avalanche ale tranzystory Siemensa bardzo słabo ją tolerują.

Podsumowując. Tranzystory Mosfet mocy doskonale nadają się do zasilaczy impulsowych ale słabo do inverterów dla napędów.

Katalog IR oprócz danych tranzystorów zawiera w 15 rozdziałach przydatne informacje aplikacyjne. Szeroko omówiono sprawę pasożytniczej diody antyrównoległej czyli w istocie tranzystora bipolarnego z małą opornością miedzy B i E.

Oferowane chipy tranzystorów IR mają kolejno rozmiary nazwane HEX-Z, HEX-1, HEX-2, HEX-3, HEX-4, HEX-5. Rozmiar najmniejszego chipa to 1.09 x 1.13 mm a największego 6.53 x 6.53 mm. W zależności od rozmiaru chipa i obudowy koszt chipa stanowi circa 50-85% ceny obudowanego tranzystora.

Generalnie tranzystory Mosfet produkowane są na liniach na których wcześniej produkowano mikroprocesory i pamięci. Można więc założyć że tranzystory Mosfet będą coraz popularniejsze i tańsze. Jednak w inverterach do napędów mocy nie zdobyły popularności a obecnie czarnym koniem jest tranzystor IGBT.

IR sugeruje dla zasilaczy impulsowych częstotliwość pracy 100 KHz. Faktycznie optymalna częstotliwość pracy zależy od ferrytu rdzenia transformatora.

Sterowanie tranzystora Mosfet mocy na tle tranzystora bipolarnego jest łatwiejsze. Ale impuls prądu bramki do szybkiego przełączania dużego tranzystora Mosfet może przekraczać jeden amper

Struktury tranzystorów Mosfet mają duże częstotliwości graniczne. Z racji dużej indukcyjności wyprowadzeń i pojemności nie nadają się do zastosowań radiowych RF mocy ale ich duża częstotliwość może się ujawnić w pasożytniczej generacji w zakresie fal krótkich, VHF a nawet UHF. Przy równoległym połączeniu dwóch Mosfetów może powstać pasożytniczy symetryczny generator. Skutecznym lekarstwem jest rezystor w szereg z Bramką.

Z racji braku efektu drugiego przebicia Mosfety mocy znakomicie nadają się do wzmacniaczy mocy, szczególnie monolitycznych.

Bipolarny komplementarny wtórnik emiterowy mocy znosi zniekształcenia napięciowe i prądowe. Komplementarny wtórnik źródłowy na tranzystorach Mosfet ma znacznie większe zniekształcenia napięciowe i znacznie mniejsze prądowe. Z racji większej częstotliwości granicznej możliwe są do osiągnięcia mniejsze zniekształcenia liniowe i intermodulacyjne. 

 

17. 1985 General Electric Power Transistor

General Electric, który w powstał w 1892 roku, jest najpotężniejszym koncernem przemysłowym świata. GE posiadał kluczowe patenty w dziedzinie elektryczności co pozwoliło mu osiągnąć bardzo silną pozycje. Oddziały GE są rozsiane po świecie.

W GE powstała prądnica i silnik prądu stałego, turbina parowa, żarówka, gramofon, lodówka, tyrystor, triak... Wśród setek ważnych wynalazków jest synteza polietylenu i silikonu. Koncern działa w kilkunastu branżach ale głównie w branżach związanych z energią elektryczną i jej użytkowaniem.

W dziedzinie tranzystorów bipolarnych mocy General Electric nie ma w ofercie niczego nadzwyczajnego. Przełącznikowe Darlingtony są na prąd kolektora Ic100 A przy napięciu Ucesus 500V i prąd kolektora 50A przy napięciu 700V. Tranzystory te są znacznie wolniejsze i bardziej stratne niż oferowane na przykład przez francuskiego Thomsona.

Potentatem w dziedzinie tranzystorów Mosfet mocy jest International Rectifier, który wprowadził je na rynek już w 1978 roku. GE produkuje modele IR i te same modele pod swoją nazwą. Obecnie praktycznie wszystkie koncerny mikroelektroniczne produkują tranzystory Mosfet mocy

W 1971 roku znane były już wszystkie przyrządy półprzewodnikowe znane obecnie poza przegapionym tranzystorem IGBT – Insulated Gate Bipolar Transitor, odkrytym przez Japończyków pod koniec lat siedemdziesiątych. Model tranzystora IGBT to tranzystor Mosfet z dodanym wyjściowym tranzystorem PNP jak w układzie Sziklai. Tranzystor IGBT jest sterowany bramką tak jak tranzystor Mosfet ale ma emiter i kolektor jak tranzystor bipolarny. Gęstość przełączanego prądu jest znacznie większa niż w tranzystorze Mosfet a nawet tranzystorze bipolarnym. Szybkie tranzystory IGBT mają gęstość prądu ca 4 krotnie większą niż Mosfety a wolne nawet 10 krotnie większą. Niestety tranzystor PNP po wyłączeniu Mosfeta bardzo wolno się wyłącza a dodatkowo występuje przeciąganie prądu identycznie jak w tyrystorze GTO. GE słusznie dodatkowo podaje straty mocy przy załączaniu i wyłączaniu IGBT bowiem same optymistyczne czasy przełączania z uwagi na przeciąganie są bardzo mylące. Tranzystor IBGT w przeciwieństwie do tranzystora Mosfet, który jest bardzo szybkim przełącznikiem, niestety wolno i stratnie się wyłącza.

Technologia i uzysk produkcyjny są bardzo podobne jak dla tranzystorów Mosfet. Tranzystor IGBT nie przewodzi wstecznie i w zastosowaniu do invertera konieczne jest dodanie szybkiej diody antyrównoległej.

Parametry tranzystorów IGBT będą oczywiście poprawiane i wiele wskazuje na to że będą one koniem roboczym energoelektroniki nawet przy dużych mocacach. W zasadzie nie występuje w nich zjawisko II przebicia a obszar bezpiecznej pracy SOA jest podobny jak dla tranzystora Mosfet.

Tranzystor IBGT zupełnie nie nadaje się do zasilaczy impulsowych SMPS. Tutaj bezkonkurencyjny jest tranzystor Mosfet który po udoskonaleniu ferrytów na rdzeń transformatora będzie pracował z częstotliwością około 100 KHz. Domeną dla tranzystorów IGBT są inwertery do zasilania silników prądu zmiennego.

Jaka jest optymalna częstotliwość modulacji PWM invertera ? Minimum strat dynamicznych w „żelazie” silnika asynchronicznego zasilanego przebiegiem PWM jest dość płaskie i mieści się w zakresie 700 – 4000 Hz z mniejszymi częstotliwościami dla dużych silników. Przy małych częstotliwościach modulacji z tego zakresu silnik emituje duży szum intermodulacyjny modulacji PWM. Częstotliwość modulacji PWM wyznacza pasmo przepustowe invertera jako wzmacniacza mocy. Rezonanse mechaniczne silnika wyznaczają nieprzekraczalną granice pasma pętli sprzężenia zwrotnego serwomechanizmu. Rzadko częstotliwości mechaniczne przekraczają granicę 1 KHz. Zatem częstotliwość modulacji PWM rzędu 4 KHz jest optymalna.

Poniżej charakterystyka wyjściowa tranzystora IGBT typu IGT6N21 o prądzie 20A i napięciu 500V. Dopuszczalny prąd impulsowy wynosi aż 80A.

Z uwagi na dodatni współczynnik „oporności” załączonego tranzystora IGBT znakomicie nadają się one do równoległego łączenia. Także w strukturze dużego tranzystora IGBT nie zachodzi niepożądana koncentracja prądu.

O ile dla tranzystora Mosfet mocy napięcie 10V załączające bramkę jest zupełnie wystarczające to tranzystor IGBT trzeba do osiągnięcia małego napięcia nasycenia sterować napięciem 15V.

Technologia dla inverterów serwomechanizmów dopiero powstaje w bólach. Oprócz kluczy mocy ( tranzystor – tyrystor i szybka dioda ) potrzebne są ( izolowane lub nieizolowane w zależności od architektury systemu ) sensory prądów fazowych oraz ( izolowane lub nie ) drivery bramek lub baz oraz układ procesora sygnałowego DSP lub szybkiego mikrokontrolera wytwarzający sygnały PWM. Obecne scalone drivery są mocno niedoskonałe ale coraz lepsze. Procesory DSP są jeszcze bardzo drogie ale szybko tanieją.

Potrzeba i desperacja są matką wynalazków !

O ile falownik zasilający silnik o mocy 50 KW może zajmować całą typową przemysłową szafę to falowników mocy kilku kilowatów do maszyn CNC i robotów musi się w szafie zmieścić conajmniej kilka ( 4-7 ) wraz ze sterującym maszynę komputerem.

Ludzie są konkurencją dla pracy automatyzowanych maszyn a w tym maszyn CNC i robotów. Rosnąca w miarę wygaszania zimnowojennego konfliktu dostępność taniej III Światowej siły roboczej opóźni światową automatyzacje. Liderem w dziedzinie mikroelektroniki były i są Stany Zjednoczone. Tak jak elita imperium brytyjskiego stopniowo od lat osiemdziesiątych XIX wiek odeszła od przemysłu na rzecz handlu międzynarodowego, finansów i ubezpieczeń tak od dekady ( takie procesy trwają dekadami ) elita imperialnych USA przechodzi na handel, finanse i spekulacje co z pewnością osłabi przemysł i postęp technologiczny.

Zwróćmy uwagę że w USA kreacja technologi do zarabiania pieniędzy to biznes czasem wsparty działaniami rządu. W bloku wschodnim pseudonauka jest zbiurokratyzowana i skorumpowana kreacją służalczych elit przez partie i bezpiekę. Na próżno szukać wkładu polskiej i komunistycznej nauki w dorobek światowy.

18. 1978 Philips Discrete Semiconductors for Hybrids

Obecnie elementy stosowane do montażu powierzchniowego na płycie drukowanej SMD ( Surface Mount Device ) stosowano niedawno w układach hybrydowych ! Nastąpiła zmiana nazewnictwa.

Philips elementom SMD nadawał dość nieszczęśliwe nazwy. Popularny przewlekany tranzystor BC547 w obudowie SMD nazywa się egzotycznie BCW71. Egzotyczne nazwy kojarzą się z wysoką ceną. Inne firmy poszły po rozum do głowy chcąc ułatwić projektantom przejście z technologi przewlekanej na montaż powierzchniowy. Konwencjonalne tranzystory BC54X i BC55X w obudowie SMT to BC84X i BC85X. Początkowa cyfra 5 jest zastąpiona przez 8.Komplementarna para tranzystorów BF422 / 423 w technologii SMD nazywa się BF622/623. I tak dalej.

Odpowiednikiem popularnego i taniego przewlekanego szerokopasmowego tranzystora BFR91 ( ulepszony o poprawionych parametrach typ BFR91A ) jest tranzystor w obudowie SMD SOT23 typu BFR93. Philips w swoich wydawnictwach podaje dużo szczegółowych i użytecznych informacji.

Dla tego tranzystora podano szerokopasmowy układ testowy bardzo zbliżony do aplikacyjnego wzmacniacza dystrybucyjnego w sieciach MATV i CATV. Stosowane jest równoległe ( szeregowy dwójnik - cewka L1 i rezystor 240 Ohm ) i szeregowe ( opornik 16 OHm w emiterze) sprzężenie zwrotne.

Układ ma stałą impedancje wejściową i wyjściową do obu linii 75 Ohm aby minimalizować szkodliwe odbicia w liniach kablowych.

N.B W dwójkach szerokopasmowych które mają mieć dopasowane falowo wejście i wyjście także stosuje się kombinację zwrotnego sprzężenia szeregowego i równoległego.

Ponieważ nazwy szerokopasmowych tranzystorów BFR też wydają się egzotyczne to zbliżone tranzystory są produkowane pod konwencjonalną nazwą BF tranzystorów do zastosowań radiowych. Niedrogi tranzystor BF775 w obudowie SMD SOT23 spotykany w odbiornikach telewizji satelitarnej ma Ft=4.5 GHz.

Duża część elementów dyskretnych SMD ma ten sam chip co elementy przewlekane ale z racji mniejszej obudowy ( pożądana możliwość miniaturyzacji ) mają one mniejszą moc maksymalną ale znacznie mniejsze indukcyjności wyprowadzeń co bardzo ułatwia konstrukcje choćby konwertera i tunera telewizji satelitarnej.

Technologię montażu powierzchniowego SMT opracował koncern IBM w latach sześćdziesiątych. Często używano jej do produkcji układów hybrydowych. Technologia SMT ma zalety i wady:

• Układy w obudowach SMD są znacznie mniejsze niż w technologi przewlekanej. Układy SMD mogą być montowane z obu stron płyty drukowanej. Urządzenie elektroniczne w technologii SMT może być dużo mniejsze niż w technologi przewlekanej
• Układy w obudowach SMD są znacznie lżejsze i siłą rzeczy mniejsze na nie oddziaływają siły dynamiczne co sprawia że lepsza jest odporność na drgania
• Mniejsza jest indukcyjność wyprowadzeń co jest istotne dla szybkich układów cyfrowych i układów radiowych. Mniejsza jest emisja zakłóceń i lepsza tolerancja EMC
• Maszyny do automatycznego montażu SMD są dużo szybsze niż maszyny do montażu przewlekanego. Napięcie powierzchniowe lutu samoczynnie dokładnie koryguje pozycje elementu SMD na PCB co sprawia że możliwe są bardzo gęste wyprowadzenia układów scalonych
• Obudowy SMD są potencjalnie tańsze w produkcji niż przewlekane. Przy mniejszej ilości otworów na płycie drukowanej PCB jest ona tańsza w produkcji.
• Technologia SMD jest niekolizyjna z przewlekaną i obie technologie można ze sobą łączyć na jednej płycie drukowanej

Technologia SMD ma też wady:

• Zupełnie nie nadaje się do dużych i ciężkich elementów jak transformatory, duże kondensatory elektrolityczne, tranzystory i diody mocy oraz elementów wysokonapięciowych
• Luty powierzchniowe są znacznie mniej wytrzymałe niż przewlekane co sprawia że poddane dużym siłom gniazda SMD są bardziej awaryjne
• Mniejsze elementy SMD gorzej odprowadzają ciepło. Ten sam chip tranzystora w obudowie SMD może mieć dwukrotnie mniejszą moc maksymalną strat niż w obudowie przewlekanej
• Elementy SMD są w czasie lutowania poddane większemu stresowi cieplnemu
• Trudna jest naprawa gęstych płyt drukowanych z elementami SMD
• Płyta drukowana SMD musi być staranniej wyprodukowana
• Trudniej jest stworzyć układ przed prototypowy

Obecnie popularne są obudowy SMD typu SO6, 8, 14,16, 20, 24, 28 (liczby to ilość pinów układu ) i obudowy PLCC ( Lead Plastic Leaded Chip Carrier ) 44, 68, 84. Do układów w obudowach PLCC dostępne są podstawki do montażu przewlekanego wygodne dla okresu przejściowego.

Popularyzacja technologi SMT nie oznacza szybkiego zniknięcia wszystkich elementów przewlekanych. Po prostu coraz mniej nowych elementów będzie równolegle miało obudowy przewlekane. Już obecnie układy mikrokontrolerów w obudowie PLCC powyżej 44 pinów nie mają równolegle obudowy przewlekanej.

19. 1979 Philips Power Transistors

Tranzystor bipolarny mocy lata burzliwego rozwoju ma już za sobą i nie należy się spodziewać prawdziwych nowości. Porównując oferty Philipsa z katalogów na 1979 i na 1986 rok stwierdzamy że nie ma już nowych lepszych tranzystorów mocy Darlingtona. Nowsze tranzystory wysokonapięciowe są tylko trochę szybsze i w nadchodzących latach będą one dalej trochę szybsze. Osiągnięcie typowego czasu opadania prądu kolektora poniżej 50-100 ns dla tranzystorów o napięciach Uceo / Ucbo 400/800 V jest możliwe. Przy takim czasie tf czynnikiem ograniczającym częstotliwość pracy zasilacza impulsowego SMPS jest już ferrytowy rdzeń transformatora. Im wyższa jest częstotliwość pracy zasilacza SMPS tym mniejsze jego wymiary i waga ale obecnie nie ma pilnej potrzeby miniaturyzacji jako że w najpopularniejszym zastosowaniu czyli odbiorniku TVC rozmiar obudowy odbiornika wyznacza kineskop.

Pozytywnym trendem jest tanienie tranzystorów wysokonapięciowych jako że wiele firm perfekcyjnie opanowało technologie ich masowej produkcji z wysokim uzyskiem sięgającym ponad 96%. Gwałtownie na popularności zyskują masowo produkowane świetlówki z prostym inwerterem pracującym z częstotliwością circa 30 KHz.

Dobre perspektywy są przed tranzystorami Power Mosfet do zasilaczy SMPS a zwłaszcza zastosowań niskonapięciowych. Teraz gwiazdą na którą zwrócone są oczy jest szybki tranzystor Mosfet a do inwerterów tranzystor IGBT. Bipolarny tranzystor mocy jest de facto elementem schyłkowym. Raczej do końca jego żywota problem małego bezpiecznego obszaru pracy SOA nie zostanie rozwiązany.

Jednak w produkowanych masowo półmostkowych zasilaczach Forward do komputerów PC stosowane są dwa tranzystory bipolarne w obudowach TO220a nie Mosfety. Są jednak znacznie tańsze od taniejących tranzystorów Mosfeta a aranżacja układu sterującego dla tranzystorów bipolarnych w zasilaczu komputera PC jest tania i bardzo dobra.

NB. Stosując mocniejsze elementy moc zasilacza PC można znacznie zwiększyć. Rozwiązanie to może być długożywotne w sensie projektu. Pozytywem jest proporcjonalne sterowanie prądowe tranzystorów - kluczy.

Fizyka zjawisk w tranzystorze wysokonapięciowym jest bardziej skomplikowana niż w tranzystorze niskonapięciowym. Dynamiczna strata energii przy wyłączaniu tranzystora bardzo zależy od jego sterowania bazą co pokazano na wykresach w katalogu dla tranzystorów wysokonapięciowych. Wysokonapięciowe tranzystory bipolarne mają długie czasy wyjścia z nasycenia przy wyłączaniu. W warunkach stopnia odchylania poziomego H-Out w odbiorniku TVC czas wyjścia z nasycenia popularnego tranzystora BU208A wynosi aż 6.5 us. Jest to zarazem rekomendowany dla układu sterującego czas wyjścia tranzystora z nasycenia minimalizujący straty mocy. Zbyt szybkie podanie dużego ujemnego prądu bazy przy wyłączaniu powoduje zjawisko przeciągania prądu kolektora i spowolnienie procesu wyłączania polegające na tym że część wyłączanego nasyconego tranzystora jest już wyłączona a cześć tranzystora przejmuje przewodzenie co prowadzi do koncentracji mocy i groźby II przebicia. Optymalizacja impulsu prądu bazy wyłączającego jest prosta przy stałym wyłączanym prądzie kolektora tak jak w stopniu końcowym odchylania poziomego H-Out. Gorzej jest ze sterowaniem nasyconych tranzystorów w zasilaczach o obciążeniu zmieniającym się w dużych granicach. Rozwiązaniem jest sterowanie proporcjonalne bazy jak w zasilaczu komputera PC. Beznadziejnie jest w inwerterach PWM i tam dopuszczalne jest tylko quasi - nasycenie. Tranzystory wysokonapięciowe w odróżnieniu od niskonapięciowych mają dodatkowo obszar quasi – nasycenia.

Po załączeniu tranzystora napięcie nasycenia Ucesatdyn jest znacznie większe niż statyczne i dopiero stopniowo spada. Wzmocnienie prądowe tranzystorów wysokonapięciowych ( nie Darlingtona ) jest małe i nie są one stosowane w inwerterach PWM do napędów. Taka jest nieubłagana fizyka tranzystora wysokonapięciowego. Znacznie łatwiejsze jest ich sterowanie w scalonym układzie Darlingtona. Stosuje się sterowanie zapobiegające nasyceniu tranzystorów. Produkowane moduły tranzystorów Darlingtona są całkiem użyteczne w inwerterach. Moduł zawiera kilkanaście do kilkudziesięciu połączonych równolegle struktur tranzystorów Darlingtona. Tranzystor Darlingtona do inwertera ma zawsze dwa wyprowadzenia bazy B1 i B2 lub diodę równoległą do B-E pierwszego tranzystora aby tranzystor można było szybko wyłączyć ujemnym prądem bazy.

Dlaczego CEMI nie opanowało produkcji tranzystorów wysokonapięciowych pozostaje tajemnicą. Szczegóły technologi tej były tajemnicą gdy tranzystory te rodziły się w laboratoriach dwie dekady temu. 

 

20. 1980 Philips Diodes Thyristors Triacs

Oprócz wolnych elementów konwencjonalnych do napięcia sieciowego w ofercie Philipsa są też diody Schottky do zasilaczy impulsowych SMPS oraz epitaksjalne diody Ultra Fast ( trr=25 ns ! ) i Super Fast. Philips słusznie wcześnie postawił na zasilacze impulsowe i rozwinął masową produkcję elementów do nich. Nowe elementy są umieszczane w „technologicznych” obudowach m.in. TO220 i TOP3 to znaczy obudowach dogodnych do montażu automatycznego bez udziału drogiej pracy ludzkiej.

N.B. W zasilaczach impulsowych do mikrokomputerów PC AT zastosowano tranzystory wysokonapięciowe w obudowach TO220 i diody Schottky w obudowach TOP3.

Wydaje się że droższe diody - tyrystory w metalowych obudowach śrubowych będą wychodzić z produkcji i pozostaną niszą dla elementów o wysokiej niezawodności pracy w wysokich temperaturach otoczenia.

Diody Zenera gatunku „Transient Supressor” mają znacznie większą obciążalność impulsową niż zwykłe diody Zenera. Diody serii BZW 86 w metalowej obudowie śrubowej DO30 wytrzymują niepowtarzalny impuls o czasie 1 ms mocy 25 KW.

Coraz więcej diod prostowniczych ( „Avalanche” ) toleruje duży wsteczny impuls mocy tak diody Zenera.

Wydaje się że całościowa oferta holenderskiego Philipsa ( ze wszystkich katalogów ) jest zdecydowanie za duża, choćby na tle konkurencyjnego niemieckiego Siemensa. Nie da się we wszystkich dziedzinach elektroniki konkurować z całym światem.

Philips w dziedzinie diod i tyrystorów mocy nie konkuruje jednak z koncernami dostarczającym potężne elementy „ciężkiej” energoelektroniki wielkiej mocy. Stosunkowo małe nisze zostały więc słusznie odpuszczone. Najmocniejsza dioda BYX32 jest na prąd 150A i napięcie do 1600V a tyrystor BTW23 na prąd 140A i napięcie do 1600V. „Mniejsze” są szybkie tyrystory i triaki

Czułość wyzwalania tyrystora bramką rośnie ze wzrostem temperatury. Wewnętrzny rezystor Rgk ( jeśli jest zintegrowany w strukturze tyrystora ) ma duży dodatni współczynnik temperaturowy

Tyrystor BT152 firmy Philips w obudowie TO220 ma prąd anodowy Itav=13A i prąd Itrms=20A. W temperaturze pokojowej dopuszczalna stromość narastania du/dt napięcia anodowego wynosi 1000 V/us by spaść do 250V/us przy temperaturze 100C. Do dodaniu rezystora bramka - katoda o wartości 100 Ohm dopuszczalna stromość wzrasta odpowiednio do 5000 V/us i 1000V/us. Jeśli więc zależy na dużej odporności na zakłócenia należy dać odpowiedni rezystor Rgk. Dla tyrystora BT152 obniżenie wartości rezystora Rgk poniżej 30 Ohm nie daje już poprawy odporności dynamicznej. Jeszcze lepsze rezultaty daje dodatkowy ( do rezystora Rgk ) równoległy kondensator 0.01-0.1 uF.

Poprawę odporności dynamicznej daje też ujemna polaryzacja bramki ale jest kłopotliwa do wykonania i praktyczni nie jest stosowana.

Parametry szybkich tyrystorów z katalogu do inwerterów PWM i zastosowań „rezonansowych” są bardzo dobre.

Philips podaje unikalne wykresy pokazujące dynamiczną stratę energii przy załączaniu normalnego tyrystora ( to znaczy nie wyłączalnego bramka GTO ) w funkcji szybkości narastania di/dt prądu anodowego po załączeniu bramką. Straty rosną bardzo szybko i na powierzchni tyrystory są tym bardziej skoncentrowane przy strukturze bramki im mniejszy jest wyzwalający prąd bramki tyrystora. Stąd konieczność ograniczania szybkości narastania prądu anodowego dławikami i dławikami nasycanymi oraz wyzwalania bramki tyrystora dużymi i szybko narastającymi impulsami.

Z racji użycia komutacyjnych obwodów LC i stratnych snubberów RC lub RCD konstrukcja inwertera z szybkim tyrystorami jest kłopotliwa i zdecydowanie nieprzyszłościowa. Jest duży, ciężki, stratny i drogi. Dochodzi organizacja zabezpieczenia nadprądowego oraz ograniczona względami komutacji głębokość modulacji PWM. Częstotliwość PWM nie powinna przekraczać 1 KHz co powoduje znacznie zakłócenia akustyczne prądem płynącym przez zasilany silnik.

Philips w EC&A dał unikalny opis inwertera ze scalonym generatorem PWM typu HEF4752 wykonanym w technologi CMOS i tyrystorami. Układ HEF generuje sygnały PWM dla bramek tyrystorów głównych i komutacyjnych pełnego mostka trójfazowego. W innej konfiguracji HEF4752 generuje sygnały dla tranzystorów inwertera.

Tranzystorowy klucz w inwerterze do zasilania silnika wymaga bardzo szybkiej antyrównoległej diody. Czas wyłączania przewodzącej diody prądem wstecznym trr wprost przekłada się na straty dynamiczne w tranzystorze przy włączania i szczytowy prąd tranzystora i wymagany obszar na wykresie bezpiecznej pracy SOA. Duży prąd wsteczny diody komplikuje także układ ochrony nadprądowej kluczy. Dioda ulta fast BYW29 ( z tego katalogu ) w obudowie TO220 na prąd Iav=7A ma czas trr=35 ns i małe napięcie przewodzenia.

Oferta diod ultrafast w kolejnych nowszych katalogach Philipsa została znacznie rozszerzona co dowodzi popytu na rynku na ten rodzaj diod.

Dyskretna antyrównoległa dioda do klucza inwertera kosztuje circa połowę tego co tranzystor a więc niemało ale jej struktura znacznie mniej.

Scalony wysokonapięciowy tranzystor Darlingtona może mieć scaloną tylko wolną diodę antyrównoległa i w szybkim kluczu wymaga dodania osobnej ultraszybkiej diody antyrównoległej. Struktura tranzystora IGBT nie ma antyrównoległej diody i wymaga dodania osobnej ultraszybkiej diody antyrównoległej. Koszt zamontowania w obudowie struktury dodatkowej diody i jej połączenia jest niewielki ale oczywiście komplikuje standardową czynność montażu struktury tranzystora w obudowie.

Dorosły, użyteczny klucz musi mieć bardzo szybką diodę antyrównoległą.

Z nieznanego powodu ultraszybkich diod CEMI również nie produkuje. Nie produkuje nawet niektórych popularnych półprzewodników z katalogu Motoroli z 1966 roku !

21. 1987 Philips Thyristors Triacs

Nowoczesne, wykonane technologią monolityczną szybkie tyrystory wyłączalne bramką GTO ( Gate Thyristor Off ) Philips oferuje od 1984 roku. GTO tak jak i tyrystor został wynaleziony przez General Electric ale dopiero obecnie produkowane są szybkie GTO na moce energetyczne do falowników. Im większe jest graniczne napięcie blokowania tym wolniejsze jest wyłączanie tyrystora. GTO na duże napięcia są bardzo powolne. Wzmocnienie prądowe statyczne przy wyłączaniu nie przekracza 4-5 razy ale prąd wyłączający winien być znacznie większy dla minimalizacji strat dynamicznych.

Tyrystory mają znacznie większą gęstość prądu niż tranzystory Darlingtona i wykonywane są na duże napięcia. Tyrystor BTV58 na pokazanych wykresach w obudowie TO220 ma prąd Itav=10A i może być bramką wyłączony przy prądzie anodowym do 25A co dla szybkiego wyłączenia wymaga prądu bramki aż -10A ! Tyrystor ma znacznie większy dopuszczalny prąd przeciążenia ale nie można go już wyłączyć bramką przy dużym prądzie. Utrata kontrolowalności klucza przy szybko rosnącym prądzie anodowym stawia bardzo wysokie wymagania przed ochroną nadprądową i zwarciową. W aplikacji Philipsa ujemny prąd bramki dostarcza tranzystor BUV26 w obudowie TO220 o prądzie kolektora Ic=12A a więc zbliżonym do prądu głównego tyrystora. Dobrze do konstrukcji driverów bramek tyrystorów GTO nadają się niskonapięciowe tranzystory Mosfet mocy. Driver bramki dla dużych jednostek tyrystorów GTO jest rozbudowany, kosztowny i trudny do optymalizacji projektu. Dopuszczalna szybkość narastania napięcia anodowego du/dt podczas wyłączania szybko spada z prądem anodowym wymagając dużego ( i stratnego ) snubbera RCD. Specjalne kondensatory impulsowe do snubberów tolerujące wielkie impulsy prądu przy wyłączaniu GTO są drogie. Czas opadania prądu tf rzędu 300 ns ( jak na GTO jest to bardzo krótki czas ) nie koreluje się z dynamicznymi stratami mocy przy wyłączaniu a to dlatego ze występuje przecież przeciąganie prądu anodowego tyrystora GTO przez wolno wyłączany tranzystor PNP ekwiwalentu tyrystora. Szybko wyłączany bramką jest tylko tranzystor NPN natomiast tranzystor PNP ma złącze B-E zbocznikowane co najwyżej przyśpieszającym wyłączenie scalonym rezystorem. Tyrystor GTO może być dobrym ale wolnym kluczem dużej mocy pod warunkiem znalezienia rozwiązania drivera bramki GTO. Jednak częstotliwość pracy wysokonapięciowego inwertera z GTO nie przekroczy 500Hz - 1 KHz.

Energoelektronice średnich mocy stosowanej w maszynach CNC i robotach przemysłowych ewidentnie brakuje dobrych i niedrogich kluczy mocy do inverterów ! Tyrystor GTO nie jest rozwiązaniem przyszłościowym. Koncern Sony stosował dawniej szybkie tyrystory GTO w stopniu końcowym odchylania poziomego H-Out ale zrezygnował z nich jako niekonkurencyjnych do wysokonapięciowych tranzystorów.

Modułowe tranzystory Darlingtona są drogie i też raczej nie są rozwiązaniem przyszłościowym. Ponieważ rynek energoelektroniki jest mały nie produkuje się funkcjonalnych scalonych driverów do tranzystorów Darlingtona i tyrystorów GTO.

W laboratoriach trwają prace nad tranzystorem IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor ) z którym łączy się duże nadzieje. Tranzystor IGBT jest wygodnie sterowany bramką jak tranzystor Mosfet a ma przy dużych napięciach podobną gęstość prądu jak tranzystor bipolarny. Niestety w tranzystorach IGBT występuje przeciąganie prądu identycznie jak w tyrystorach GTO. Obecnie pasożytnicza struktura tyrystora zatrzaskuje się przy zbyt dużym prądzie płynącym przez tranzystor IGBT i staje się on niewyłączalny bramką. Widać podobieństwo z zachowaniem tyrystora GTO. 

 

22. 1981 Intersil Power MOS

Koncern Intersil jako drugi po International Rectifier uruchomił masową produkcje tranzystorów Power Mosfet.

Intersil początkowo ( 1968 ) produkował układy CMOS do zegarków. Intersil odkrył możliwości technologi CMOS w układach liniowych i w układach mieszanych. Jest pionierskim twórcą bardzo użytecznych układów. W 1975 roku jako pierwszy w świecie wypuścił wykonany w technologi CMOS mikroprocesor typu 6100 ( oraz układy peryferyjne dla tej rodziny ) realizujący rozkazy przestarzałego już minikomputera Digital Equipment PDP-8. Procesor może być zasilany napięciem 4-10V. Przy napięciu zasilania 4V z zegarem 2 MHz pobiera zaledwie 100 mW mocy.

Jednoukładowe multimetry ICL7106,7 i dalsze są krytykowane za rozmaite wady ale nikt nie oferuje lepszych układów mimo iż układy mają ponad dekadę ! Sam Intersil poprawia wady i wypuszcza coraz lepsze układy do multimetrów cyfrowych. Układy te mają drugich producentów.

23. 1981 Siemens Transistors Data Book

Oferta Siemensa jest podzbiorem oferty Philipsa.

Generalnie są trzy światowe grupy producentów półprzewodników ze swoimi systemami oznaczeń – Japońska, Amerykańska i Europejska. Najlepsze tranzystory bipolarne produkują koncerny japońskie.

24. 1983 Siemens Ferrite Cores and Hardware

Nie było i ma żadnych wątpliwości co do tego że przyszłość należy do zasilaczy impulsowych SMPS w pełnym zakresie mocy.

Przy użyciu tranzystora power Mosfet jako klucza optymalna częstotliwość pracy zależy tylko od własności ferrytu rdzenia transformatora mocy. Obecnie nie przekracza ona 100-120 KHz a najczęściej jest niższa.

Ferrytowe są także rdzenie dławików przeciwzakłóceniowych obecne w każdym zasilaczu impulsowym.

Polska produkuje tylko ferryty do zasilaczy impulsowych częstotliwości pracy rzędu 20 KHz czyli przestarzałe.

25. 1983 Siemens SIPMOS

Pionierem w produkcji tranzystorów Power MOS jest amerykański International Rectifier. Inne firmy są drugim producentami tranzystorów z oryginalną nazwą lub stosują własną nazwę.

Tranzystory mają bardzo szeroki obszar bezpiecznej pracy SOA. Poniżej strona katalogu Siemens o tranzystorze BUZ21 w obudowie TO220. Tranzystor jest słabszy niż zbliżony do niego pierwowzór IRF540. Antyrównoległa do Mosfeta „dioda” pasożytnicza jest dość szybka tylko w tranzystorach niskonapięciowych. Dodatkowo jej przewodzeniu może zapobiegać załączenie tranzystora Mosfet. Natomiast dioda jest bardzo powolna w wysokonapięciowych tranzystorach. Ponieważ faktycznie jest to pasożytniczy tranzystor NPN z niewielką opornością między B-E to próba jego szybkiego wyłączenia dużym prądem wstecznym czyli odzyskania zdolności zaworowych „diody” prowadzi do natychmiastowego II przebicia pasożytniczego tranzystora NPN. Przy nominalnym napięciu tranzystora większym od 200 V trzeba z tranzystorem Power Mosfet włączyć szeregowo diodę odcinającą diodę pasożytniczą i dodać, jeśli trzeba, bardzo szybka diodę antyrównoległą. Powyżej pewnego napięcia nominalnego rezystancja załączonego Mosfeta Rdson rośnie z potęgą 2.4 do napięcia drenu i moc gabarytowa tranzystora spada.

Sumując. Tranzystory Mosfet z przewodzeniem wstecznym nie nadają się do inverterów napięcia zasilającego powyżej 48-100V. Mosfety są bardzo szybkimi przełącznikami. Są łatwe w sterowaniu. Nie są jeszcze produkowane w pełnym asortymencie tranzystory przewodności P Mosfet ale z pewnością będą co umożliwi ich stosowanie w prostych schematowo wzmacniaczach mocy Audio.

Tranzystor Mosfet nie nadaje się jako klucz w stopniu końcowym odchylania poziomego H-Out. Ma dużo większe straty statyczne i całkowite straty niż klucz bipolarny i jest dużo droższy. Ale doskonale nadaje się do przetwornicy SMPS odbiornika TVC. Siemens produkuje układ scalony TDA4605 do przetwornicy z Mosfetem. Układ TDA4601 sterował tranzystor bipolarny w SMPS. Najczęściej jednak przetwornica SMPS nie zatrudnia układu scalonego.

Straty dynamiczne w tranzystorze Mosfet mogą być bardzo małe. O optymalnej częstotliwości pracy przetwornicy SMPS decydują obecnie własności ferrytów transformatora a nie straty dynamiczne w Mosfecie. Im lepsze będą przyszłe ferryty tym mniejsze będą transformatory i całe przetwornice SMPS.

26. 1984 Siemens Capacitor RFI PTC NTC

Siemens oferuje spory asortyment kondensatorów foliowych, ceramicznych i elektrolitycznych. A także elementów Radio Frequency Interference oraz termistorów PTC i NTC

27. 1985 Intersil Application Handbook

Książka dotyczy głównie zastosowania przetworników A/D do multimetrów. Do ukazania się na rynku układów scalonych ICL7106 / 7107 zawierających cześć analogową i cyfrową multimetru,wykonanych w technologi CMOS, multimetr był dość duży i drogi. Obecnie 3 1/2 cyfrowy multimetr zasilany z baterii mieści się w dłoni. W przeciwieństwie do starych rozwiązań jest przy tym całkiem dobrze zabezpieczony przed zniszczeniem. Do części sensorów potrzebny jest tylko ekstremalnie prosty interface bez układów aktywnych.

28. 1987 Motorola Bipolar Power Transistor Data

Motorola ma dużą ofertę produkcyjną. Wyroby jej znane są z wysokiej jakości. Niestety nie produkuje jeszcze tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką IGBT które jak się wydaje stają się wołem roboczym energoelektroniki. Nie ma także tranzystorów Darlingtona odpowiednich dla energoelektroniki. Są przyzwoite Darlingtony ale mają wolną diodę antyrównoległa co je dyskwalifikuje w inverterach.

29. 1988 Motorola Linear and Interface Integrated Circuits

Założona w 1928 roku firma Galvin produkowała radioodbiorniki samochodowe. Zmieniła nazwę na Motorola w 1947 roku gdy rozpoczęła produkcje odbiorników telewizyjnych. Firma pierwsza w świecie wyprodukował germanowy tranzystor mocy. Firma dużo zyskała na produkcji udanego sprzętu radio - łączności dla armii w czasie wojny i po niej. Produkowała elektronikę dla satelitów i dla NASA. W 1983 roku jako światowy lider wyprodukowała pierwszy telefon komórkowy i infrastrukturę do niego !

Motorola ma ogromny asortyment produkcji wszelkich półprzewodników podobnie jak Philips. Ma ambicje konkurować z całym światem ale to jest po prostu niewykonalne. Produkuje dobre układy scalone do sprzętu RTV i AGD, nowoczesnej radiokomunikacji, telekomunikacji, samochodów i przemysłu.

Motorola udanymi mikroprocesorami konkuruje z Intelem ale wydaje się że sukces komputerów PC trwale przechylił szale na korzyść Intela i on będzie teraz w nieskończoność ciągnął idee zgodności komputerów ze swoimi coraz bardziej wydajnymi procesorami.

Procesory Motoroli rodziny 68000 stosuje m.in. Commodore, Atari, HP, McIntosh. Jednak wyraźnie ulegają one komputerom PC.

30. 1985 Siemens Industrial IC Data Book

Oferta nie jest bogata i koncern rozsądnie wybrał sobie parę głębokich nisz do penetracji, w których jest mocny i będzie się w nich utwierdzał.

Siemens słusznie postawił na Intela i komputer PC. Produkuje licencyjne mikrokontrolery Intel 8051 ( wersja 8031 nie ma wewnętrznej pamięci programu ROM ) oraz 8052 oraz procesory Intel 8086, 8088, 80186, 80188, 80286 i układy peryferyjne tej rodziny oraz pamięci dynamiczne DRAM pojemności 64 i 256 kB. Siemens produkcje mikroprocesorów i układów peryferyjnych na licencji Intela prowadził już w latach siedemdziesiątych. Koncern może więc z własnych układów scalonych produkować komputery PC AT.

Procesory z pewną ilością scalonych peryferii 80188 i 80186 są używane w nowoczesnej automatyce przemysłowej produkowanej przez Siemensa.

Również licencyjne są szybkie 6 i 8 bitowe analogowo – cyfrowe przetworniki flash A/D.

Prawdopodobnie ( ale nie na pewno ) projektem Siemensa są dość zaawansowane układy telekomunikacyjne do central telefonicznych i telefonów. Zdaniem autora należy stawiać na nowoczesną telekomunikacje bo tam jest duży pieniądz do wzięcia w nadchodzących dekadach.

Rzekomo układami do zastosowań przemysłowych są układy do zasilaczy impulsowych TDA 4600, 4601, 4717 i 4718. Układy TDA4601 są popularne w odbiornikach telewizyjnych TVC. Serie produkcyjne elektroniki domowej są bardzo długie na tle elektroniki profesjonalnej.

Mikroelektroniczna oferta Siemensa na tle oferty Philipsa jest uboga ale Siemens w dziedzinie mikro-komputerów słusznie postawił na Intela podczas gdy Philips i Thomson stawiając na Motorole ( jej procesorów rodziny 68K używa w komputerach koncern Apple ) popełnili katastrofalny w skutkach błąd - postawili na złego konia w najważniejszym biegu. Z racji niskiej ceny komputera PC znajduje on nieporównanie większą ilość nabywców niż podobne komputery Apple.

31. 1985/86 Thomson Components. Halbleiter – Ubesicht.

Thomson jak na etatystyczną firmę francuską ma w miarę nowoczesną ofertę. Na licencji Motoroli produkuje układy mikroprocesorowe rodziny 68XXX oraz oferuje gotowe moduły w formie Eurokarty. Wydaje się że Philips i Thomson stawiając na Motorolę zamiast na Intela wybrały złego konia jako że sukces linii procesorów '86 w komputerach PC jest oczywisty. Skutki złego wyboru będą długoterminowe.

Są produkowane układy do telekomunikacji cyfrowej.

Rozwijana jest oferta elementów SMD ale głównie dyskretnych.

Układ scalony UAA4002 ( niezbyt udany ) służy do sterowania sygnałem PWM tranzystora Darlingtona w mostkach inverterów.

Sterowany tranzystor mocy jest utrzymywany w stanie aktywnym na granicy nasycenia aby bez oczekiwania na desaturację można go było szybko wyłączyć co pozwala uzyskać pożądaną dużą głębokość m modulacji PWM. Układ zabezpieczenia nadprądowego winien monitorować wzrost napięcia Uce tranzystora mocy a nie wymagać stosowania kłopotliwego rezystora mocy przez który płynie prąd klucza mocy.

Aplikacja jest niepełna i niepełnowartościowa bowiem nie pokazano izolowanego sterowania specjalnym transoptorem odpornym ma duże zakłóceniowe skoki napięcia o dużej stromości du/dt lub wysokonapięciowym tranzystorem sygnałowym. Normą w świecie staje się pełna 100% usługa. Powinien być także pokazany zasilacz impulsowy do izolowanego zasilania górnych i dolnych driverów kluczy. Projektant serwomechanizmu dla maszyn CNC i robotów ma na głowie cały asortyment problemów do rozwiązania. Gdyby otrzymał gotowe rozwiązanie jednego aspektu o dającej się zaakceptować cenie elementów to bez wahania je zastosuje.

Poważne koncerny oferują „Evaluation Board” czyli EB gdzie stosowane są wszelkie proponowane elementy elektroniczne włącznie z mikroprocesorami i pamięciami. Inżynierowie działu badawczo - konstrukcyjnego mogą szybko ocenić przydatność elementów i sugerowanej aplikacji !

W miarę prosta płytka drukowana EB można zademonstrować własności układu UAA4002 i sterowanego przez niego klucza mocy. Obciążeniem „mocy” może być domowy odkurzacz którego szybkość pracy silnika będzie regulowana lub ściemniana żarówka oświetleniowa dużej mocy. EB powinna demonstrować pewną ochronę klucza mocy przy zwarciu. Dla kluczy większej mocy obciążeniem może być obudowana cewka na które stawia się stalowy garnek z ogrzewaną wodą. Stalowy garnek jest nagrzewanym wysokostratnym rdzeniem dla prądu cewki o częstotliwości ca 20KHz.

W aplikacji układu UAA4002 pokazano sterowanie tranzystorów Darlingtona BUV37 i BUV54. Ten drugi typ ma napięcie Uceo=400V i prąd Ic=18A. Typ BUV74A w obudowie TO3 ma Uceo=600V ( jednak to za mało to inwertera zasilanego z sieci trójfazowej bowiem bezpieczne minimum to napięcie 700V ) i Ic=36A. Oba tranzystory są niesamowicie szybkie z czasem opadania tf=0.1 usec. Ze struktur takich tranzystorów można wyprodukować znakomity trójfazowy moduł mocy invertera.

Tranzystor Darlingtona w izolowanej obudowie ISOTOP typu ESM 6045 ma parametry 450V/50A. Na bazie takich elementów można już produkować nowoczesne inwertery do maszyn CNC i robotów.

Przestarzałą ofertą są tranzystory dużej mocy w metalowych obudowach śrubowych i dyskowych. Oferowane są konwencjonalne i „szybkie” diody i tyrystory w obudować śrubowych i dyskowych. Nie ma w ofercie tyrystorów GTO.

Dużo bardziej interesujące są ultraszybkie diody epitaksjalno – planarne w obudowach TO220 i TOP3. Do napięcia 400 V ich czas trr wynosi nawet zaledwie 25 ns !

Tranzystory radiowe RF i mikrofalowe dedykowane są głównie do łączności ( także przesyłanie danych ) lotniczej i sprzętu militarnego.

Brak jest także tranzystorów Mosfet mocy no i oczywiście tranzystorów IGBT!

32. 1987 Siemens Consumer IC Data Book

Siemens oferuje niby "komplet" układów scalonych do wysokiej klasy odbiornika TVC z niemieckim dźwiękiem stereofonicznym A2 ( ale nie cyfrowy Nicam ) poza najważniejszym procesorem sygnału video i koloru oraz Teletekstu ! Układy mają zbliżone parametry do układów Philipsa. Jest controller zasilacza SMPS. Odbiornik sygnału podczerwieni z pilota. Mikrokontroler sterujący odbiornikiem, odbierającym sygnały pilota wraz z układem wyświetlania na ekranie - On Screen Display. Układ do głowic telewizyjnych. Syntezery częstotliwości. Układy pośredniej częstotliwości. Układy do toru audio stereo włączenie że wzmacniaczami mocy.

33. 1985 Plessey Semiconductor. Telecomms Integrated Circuit Handbook

W oparciu o oferowane układy można łatwo zbudować aparaty telefoniczne - także PCM, regeneratory sygnału PCM do długich traktów oraz centrale telefoniczne PCM. Centrala telefoniczna zbudowana z dedykowanych układów jest bardzo prosta na tle centrali zbudowanej z niededykowanych układów analogowych oraz układów TTL. Centrala jest mała i tania. Można w niej zastosować komputery PC. Interesujące układy do telekomunikacyjnych systemów PCM oferuje też Siemens. Polska ma szanse nadrobić stosunkowo niewielkim kosztem swoje zapóźnienie w dziedzinie telekomunikacji. Firmy telekomunikacyjne są wysoce rentowne na całym świecie co po części wynika z polityki rządów chcących zapewnić ciągła modernizacje telekomunikacji. Sprawna łączność jest bardzo potrzebna w nowoczesnej gospodarce. Tymczasem w Związku Radzieckim funkcjonuje obsesja kontroli ( cenzura, bezpieka ) wszelkiej komunikacji.

34. 1986 Exar Databook

Firma produkuje m.in. układy do systemów telekomunikacyjnych. Także modemy i układy interfejsowe.

Z oryginalnych produktów firma oferuje macierze elementów i komórek ( na przykład bramek I2L) "User specific Linear ICs" które maską można względnie łatwo skonfigurować w pożądany układ analogowy bądź mieszany. Każdy układ scharakteryzowany jest wymiarem, ilością małosygnałowych i prądowych tranzystorów PNP i NPN oraz liczbą diod i rezystorów typu pinch oraz dyfuzyjnych. Można na przykład zaprojektować i wykonać w rozsądnej cenie analogowy procesor sygnału współpracujący z głowicą twardego dysku.

Dostępne są przykładowe projekty i program na komputer PC.

35. 1986 Linear Technology

LT produkuje wzmacniacze operacyjne, komparatory, napięcia odniesienia tej samej top klasy co firmy Analog Devices, Burr Brown i Precision Monolitics.

LT podaje ciekawe aplikacje. Układ interface do sensorów, który jest od razu przetwornikiem V/F i sygnałem wyjściowym jest częstotliwość. Sygnał taki jest bardzo łatwo izolować transoptorem lub miniaturowym transformatorkiem. Jeden z liniowych przetworników V/F ma zakres wyjściowy częstotliwości sygnału 1Hz - 30 MHz.

W układach niekoniecznie trzeba stosować ich drogie elementy. Można schematy zaadaptować do innych elementów.

36. 1987 Unitrode Applications Handbook

Firma jest liderem w produkcji scalonych kontrolerów PWM do zasilaczy impulsowych SMPS a także sterowników – driverów do bezszczotkowych silników prądu stałego silników BLDC - Brushless Direct Current i silników krokowych. Zasilacze impulsowe SMPS są coraz popularniejsze we wszelkiej elektronice konsumpcyjnej i profesjonalnej. Podano praktycznie cały schemat wewnętrzny udanego kontrolera SG / UC3525 produkowanego też przez innych producentów. Nie pokazano tylko trywialnych źródeł prądowych. Po zastosowaniu własnego pomysłu źródeł prądowych można produkować kontroler pod swoją nazwą.

N.B. Znany jest także schemat wewnętrzny popularnego kontrolera do zasilaczy SMPS typu TL494 koncernu Texas Instruments także mający drugich producentów. Układ ten jest sercem udanych zasilaczy komputerów PC.

Silniki BLDC napędzają ruch obrotowy talerzy dysków twardych i dyskietek. Silniki krokowe pozycjonują głowice dysków twardych i dyskietek. Silniki krokowe poruszają głowicą drukującą drukarki wierszowej. Silniki BLDC i krokowe stosowane są w kserokopiarkach i skanerach oraz ploterach. Moc silników BLDC dochodzi do 5 KW.

Silniki BLDC i krokowe stosowane są powszechnie w automatycznych urządzeniach laboratoryjnych. Podjecie przez koncerny japońskie masowej, zautomatyzowanej produkcji małych silników BLDC i silników krokowych spowodowało duży spadek ich ceny. Są to obecnie standardowe elementy katalogowe.

Aplikacje tych silników w dyskach HD i FFD, drukarkach i innych urządzeniach warte są przestudiowania przez konstruktorów elektroniki.

Silniki do prac badawczych i projektowych można pozyskać z uszkodzonych napędów.

Zadanie wygenerowania odpowiedniej trajektorii prędkości -położenia dla silników zawsze przypada mikrokontrolerowi. Zadanie „wyciśnięcia” możliwości silnika krokowego nie jest proste ale warte podjęcia.

Sposób sterowania silnika krokowego na duży wpływ na jakość serwonapędu z nim. Gdy oczekiwania są wysokie konieczna jest praca mikrokrokowa. Należy stosować silnik z pojedynczymi uzwojeniami. Co prawda sterownik mostkowy jest droższy niż przeciwsobny ale uzyskuje się większy moment obrotowy.

Wysokiej jakości silniki krokowe, także „dużej” mocy, produkował japoński koncern Fuji. Silniki tolerowały sterowanie impulsami do 16 KHz co jest niezwykłe ! Jakość materiału magnetycznego i energii magnesu oraz doskonałość projektu wyznaczają parametry silnika krokowego.

Silniki krokowe jako bezpośredni napęd pozycjonujący można stosować tylko w małych obrabiarkach CNC. Częściej silniki krokowe sterowały wzmacniacz hydrauliczny. Ogromną zaletą napędu z silnikiem krokowym jest brak sensora położenia !

37. Aircraft Radio Systems, J.Powell, 1981

Omówiono lotniczą radiokomunikacja VHF i HF. Pokładowy intercom integrujący łączność wewnętrzną i zewnętrzną oraz voice recorder użyteczny przy badaniach powypadkowych. Radio nawigacja lotnicza. Instruments Landing Systems. Transpondery. Radiowysokościomierze. Radary pogodowe i antykolizyjne.

Autor jest inżynierem i stąd dużo konkretów łącznie ze schematami blokowymi i fragmentami schematów ideowych urządzeń. Sporo przykładów cyfrowego sprzętu wchodzącego dopiero na lotniczy rynek. Mikrokontroler 8048, procesor Intel 8080 i Motorola 6800 to przecież w roku 1980 był dość wysoki standard we wszystkich nowoczesnych urządzeniach w 1980 roku. Raczej nie istnieje kompetentna krajowa literatura w tym obszarze choćby z powodu obsesji tajemnicy i kontroli wszelkiej informacji.

Na radiowe systemy nawigacyjne i komunikacyjne składa się naziemna infrastruktura i urządzenia na pokładzie samolotu. Konieczna jest standaryzacja dla umożliwienia współpracy urządzeń różnych firm i funkcjonowania ogólnoświatowego lotniczego transportu lotniczego osobowego i towarowego. Stąd po procesie standaryzacji w cłąym świecie radiowe systemy lotnicze są długożywotnie. Tylko do konstrukcji części urządzeń potrzebne są specjalne półprzewodniki. Transpondery na samolotach podające radarowi w odpowiedzi rejestracje samolotu i parametry lotu odpowiadają na częstotliwości 1090 MHz z mocą 500-1000W. Producentów takich tranzystorów mocy jest mało ( a wśród nich Motorola i Philips ) a ich sprzedaż jest nadzorowana. Zastosowanie zamiast tranzystorów mocy klistronu sprawi że transponder jest ciężki i awaryjny czyli bezużyteczny. NB. Tak zwany „Radar pierwotny” czyli radar nie podaje wysokości lotu samolotu ani innych informacji o nim. Łączność z transponderem samolotu prowadzi „radar wtórny”, który przecież nie jest radarem. Gdy transponder jest uszkodzony ( W czasie pokoju jego wyłączenie bez poważnego powodu jest zabronione i karalne. Może spowodować wysłanie dyżurnej pary samolotów myśliwskich ) radar pierwotny lotniska widzi samolot ale nie wie co to za samolot i na jakiej wysokości leci. Konieczne jest scalenie informacji z radaru pierwotnego z informacją z radiotelefonu.

W radarach pogodowych stosuje się moc ponad 10 KW ale ZSRR produkuje odpowiednie magnetrony i klistrony a ewentualna produkcja lamp mikrofalowych jest dość prosta ale wymaga egzotycznych i reglamentowanych w świecie materiałów.

Cena kilograma samolotu cywilnego lub wojskowego jest wysoka a nawet bardzo wysoka. O pozycji w światowym podziale pracy dobrze świadczy cena jednego kilograma eksportowanych towarów dobrze skorelowana z wartością dodaną przy produkcji. Term of Trades ( czyli warunki zagranicznej wymiany ) nie są dla Polski korzystne. Za mało eksportujemy nowoczesnych i drogich towarów. Eksport węgla kamiennego pogrąża całą polską gospodarkę i obciąża społeczeństwo wybujałymi roszczeniami awanturniczych górników.

W III Wojnie Światowej, jeśli taka wybuchnie, dominować będzie lotnictwo i rakiety. Sami produkując samoloty i rakiety nie tylko zmodernizujemy gospodarkę i powiększymy dochód narodowy ale też możemy się nowocześnie uzbroić. Nowoczesne rakiety przeciwlotnicze i przeciwokrętowe są skuteczne.

W zachodniej prasie pojawiły się informacje że embargo technologiczne jest łagodzone i raczej będzie całkowicie zniesione przynajmniej dla krajów Europy środkowo - wschodniej. 

 

38. The art of electronics. P.Horowitz, W.Hill. University of Cambridge. NY 1980.

Bardzo obszerne wykłady z elektroniki praktycznej analogowej i cyfrowej prowadzone na Uniwersytecie Harvarda ( jest to jeden z najlepszych uniwersytetów świata ) dla projektantów o niezbyt wysokim poziomie ale jednak przydatne. Elektronika podana jest w sposób dość zrozumiały. Zupełny brak matematyki w wykładach w niczym nie przeszkadza. Duża jest ilość różnych ciekawych przykładów.

Jeden rozdział traktuje o układach mikromocowych zasilanych z reguły bateryjnie.

W polskich książkach obszernie podawane są, bez podania źródła, wywody matematyczne mające chyba w ocenie autora dowartościować go. W rzeczywistości plagiatorska praktyka jest ośmieszająca i kompromitująca. Zdarza się tłumaczenie - przepisywanie angielskich tekstów źródłowych bez uwzględnienia opublikowanych poprawek eliminujących błędy !

Elektronika jest obecnie szeroką dziedziną wiedzy i wydaje się że zaprezentowane przez autorów podejście ma sens.

Przykładowo omawiając wzmacniacze pasmowe z obwodami LC można przytoczyć matematyczną analizę Sterna dotycząca stabilności wzmacniacza ale lepiej przekazać że szkodliwe wewnętrzne sprzężenie zwrotne czyli pojemność tranzystora zniekształca charakterystyki częstotliwościowe wejściowego i wyjściowego filtrów LC aż do wzbudzenia drgań włącznie i pokazanie tych zniekształceń. Osoba projektująca w przyszłości ( co setny student albo i mniej ) wzmacniacz pasmowy LC i tak skorzysta z not aplikacyjnych producentów i programu do projektowania na komputer PC.

Kończący elektronikę polski student o nowoczesnej elektronice, cyfrowej telekomunikacji , elektronice konsumpcyjnej, przemysłowej i elektronice medycznej w zasadzie nie wie nic. Byłoby dziwne gdy czegoś się na studiach dowiedział skoro prawie nic nie wie sama kadra. Politechniki są miejscami gdzie można prezentować wspołczesne rozwiązania. Przykładowo można omawiać szczegóły rozwiązań i schematy sterowań Fanuc - a i firmy Asea ale przecież nie można ich opublikować. W koncernach funkcjonują biblioteki o kontrolowanym dostępie z przeróżnymi dokumentacjami. Ewidentnie w Polsce tego brakuje !

W USA obok najlepszych w świecie prywatnych uniwersytetów funkcjonują także mierne uniwersytety stanowe poziomem zbliżone do polskich szkół wyższych. Tylko że Polska nie ma niestety tej znaczącej garstki najlepszych uniwersytetów ! Funkcjonuje taki pogląd że o potędze i miejscu USA w świecie decyduje 1% obywateli. 

 

39. Instrukcja Rentgenoradiometru DP-66

Cywilna, ulepszona wersja wojskowego przyrządu DP-66 nazywa się RK-67 i ma inną obudowę. Użyty w urządzeniu transformatorek lub całą przetwornicę można

użyć do wytworzenia napięcia stałego do 500V ale o małej mocy. Dwa zasilające przyrząd ogniwa R-20 wystarczają na zaledwie 70 godzin pracy. Przestarzałe urządzenie z trzema lampami Geigera - Millera zasilanym napięciem circa 390Vdc było przydatne podczas katastrofy Czarnobylskiej. Stabilizowane napięcia zasilania wytworzone są prostą samooscylującą przetwornicą pracująca w modzie DCM Flyback. Dzięki sprzyjającym kierunkom wiatrów Polska ucierpiała radioaktywnie niewiele lub wręcz wcale. Skażone zostały głównie tereny Ukrainy i Białorusi co ma i będzie miało spore długofalowe konsekwencje.

Rozwiązanie na tranzystorach germanowych ma charakter historyczny i pokazuje skalę naszego zapóźnienia najświeższej daty.

Na tranzystorze T1 wykonano wzmacniacz impulsów z licznika Geigera Millera. Na tranzystorach T2 i T3 wykonano monowibrator. Tranzystor T4 wzmacnia sygnał do słuchawki. Tranzystor T5 wzmacnia w wybranej skali sygnał dla miernika.

Tranzystory T6,7,8 są stabilizowaną przetworniczką Flyback.

W USA i Japonii produkcja tranzystorów germanowych trwała względnie krótko. Później sprawnie wycofano się z technologii Mesa. Europa zachodnia w mikroelektronice wyraźnie odstaje od USA i Japonii a teraz od Korei, oczywiście południowej. Ta utrata zdolności rozwoju nowoczesności i niejako „skleroza” będzie miała coraz bardziej poważne konsekwencje długoczasowe. 

 

40. Dokumentacja systemu FANUC 6M

Gospodarka Japonii jest drugą co do wielkości, po gospodarce USA, gospodarką świata. Tempo wzrostu gospodarczego w okresie „cudu gospodarczego” lat sześćdziesiątych wynosiło ponad 10% rocznie. Obecnie wzrost wynosi około 4% rocznie. Potężna gospodarka Japonii jest nowoczesna, zróżnicowana i konkurencyjna w wielu dziedzinach. Od początka dekady trwa światowa ofensywa przemysłowa Japonii wymierzona także w Zachód. Od 1969 roku Japonia ma stale dodatni bilans w handlu zagranicznym. Japonia eksportuje towary wysoko-przetworzone zaś importuje głównie surowce mineralne i ropę naftową ponieważ jest dość uboga w zasoby naturalne.

W latach siedemdziesiątych Japonia częściowo przeszła z imitacji zachodniej technologii na własne innowacje. Japonia była i jest imperium w produkcji pamięci półprzewodnikowych których produkuje circa 4 razy więcej niż USA.

W obecnej dekadzie japońskie samochody osobowe zajmują czołowe miejsca pod względem niezawodności. Koncern Toyota w zarządzaniu używa systemu do rozwiązywania problemów i poprawy jakości. Proces produkcyjny jest optymalizowany pod względem wydajności i jakości.

Japońskie telewizory, magnetowidy, sprzęt audio, aparatura muzyczna, aparaty fotograficzne... wypierają z rynków rodzime produkty. Japońskie wyroby kojarzone są obecnie powszechnie z najwyższą jakością mimo iż jeszcze w latach sześćdziesiątych pogardliwie nazywano je z racji niewysokiej jakości tandetną „japońszczyzną”.

Japonia jest obecnie światowym liderem automatyzacji produkcji. Japoński koncern Fanuc jest światowym liderem w dziedzinie maszyn sterowanych komputerowo Computer Numerical Control. Pierwsze nowoczesne systemy z rodziny Fanuc 6M CNC opracowano w 1981 roku. Komputer sterujący systemem CNC oparty jest o procesor Intel 8086 wypuszczony w 1979 roku. NB. W kolejnych generacjach sterowań można stosować coraz lepsze procesory rodziny '86 taka jak w komputerach PC. Dobrze to rokuje dla przyszłych sterowań Fanuc. Nieporozumieniem było zastosowanie kart pamięci z Bubble Memory, które w świecie nie weszły do użytku. Pojemna karta pamięci Bubble Memory kosztuje tyle co samochód osobowy dobrej klasy.

NB. Fuji produkowało do maszyn NC i CNC znakomite silniki krokowe. Cechował jest duży moment obrotowy i częstotliwość kroków do16 KHz. Rzekomo stosowano w nich magnesy z pierwiastkami ziem rzadkich i permalloye co musiało znaleźć obraz w wysokim koszcie maszyny.

Zastosowano w sterowaniu 6M dwa alternatywne rodzaje sensorów położenia każdej osi - resolvery czyli selsyny lub incrementalne kwadraturowe sensory optyczne z indexem. Fanuc opracował scalone interfejsy do tych sensorów co znacznie uprosiło konstrukcje systemu. Nie są one komercyjnie dostępne. Zastosowano analogowe serwomechanizmy z tyrystorowymi sterownikami fazowymi sterujące komutatorowe silniki prądu stałego DC. W przypadku resolverów napęd ma dodatkowo tachogenerator DC. Rozwiązania są technologiczne. Każdy inwerter trójfazowy ma dwa antyrównolegle połączone mostki tyrystorowe czyli 12 tyrystorów. Zastosowano więc dla uproszczenia montażu izolowane od radiatora moduły tyrystorowe. Do wyzwalania tyrystorów służy 12 małych transformatorków na płycie PCB sterownika. Gabaryty serwodrivów są wobec tego dość małe. System Fanuc 6M steruje dodatkowym ( nie wchodzącym w skład systemu 6M ) napędem wrzeciona obrabiarki oraz magazynem narzędzi poprzez dodatkowy dedykowany sterownik PLC. Schematy są jednocześnie połowicznie ideowe i poglądowe. Pokazana jest z grubsza zawartość stosowanych hybrydowych układów scalonych. Stosowanie tych układów pozwala ograniczyć spore wymiary płyt drukowanych. Opracowanie schematu ideowego z płyt drukowanych PCB i dokumentacji nie jest specjalnie trudne. W układach nie ma żadnych udziwnień aczkolwiek są one zoptymalizowane.

W nowszych servodrivach rodziny 6M na mniejsze moce zastosowano w inwerterach mostki z tranzystorami Darlingtona sterowane sygnałem PWM. Elektronika sygnałowa jest znacznie prostsza niż dla tyrystorów ale tranzystory mocy są jednak znacznie droższe od tyrystorów. Trwają prace badawcze na kluczami mocy i z pewnością przyniosą oczekiwane rezultaty. Brak jest obecnie dobrych kluczy do energoelektroniki. Tranzystor dużej mocy Darlingtona stosuje kilkanaście mniejszych struktur połączonych równolegle co znajduje obraz w cenie modułu. Wyłączalne bramką tyrystory GTO pracują z większą gęstością prądu ale są kłopotliwe aplikacyjnie i wysokostratne dynamicznie co ogranicza częstotliwość modulacji PWM. Tranzystory Mosfet z marną antyrównoległą pasożytniczą diodą nie nadają się do „wysokich” napięć.

Także silnik komutatorowy, choć osiągnął wysoki stopień doskonałości, jest przeżytkiem i obecnie Fanuc stosuje już silniki prądu zmiennego. Konkurencyjna ASEA pierwszy komercyjny napęd do robota z silnikiem AC wprowadziła w 1982 roku.

Sterowanie CNC jest skomplikowane i interdyscyplinarne. Składa się komputera m.in. Interpretującego kod G i zarządzającego maszyną ze specyficzną konsolą operatora maszyny oraz interfejsem wejściowym do sensorów mierzonych kątów i wyjściowymi przetwornikami D/A zadanej prędkości. Serwomechanizmy mają energoelektroniczne inwertery sterujące silniki oraz automatyczne regulatory prądu i prędkości silnika.

Sterowania CNC ilustrują zasadę że w światowej gospodarce złożoność popłaca.

Nie jest znany cennik sterowań 6M ale są to generalnie urządzenia drogie. Z drugiej strony wydajne, wielonarzędziowe centrum obróbcze może kosztować nawet 200 tysięcy dolarów. Jednak pracując bez przerwy to centrum obróbcze amortyzuje się po maksymalnie 5-7 latach.

Funkcjonują już całe hale maszyn CNC z automatycznymi podajnikami i odbierakami detali oraz system transportowych i robotami. Cała dobę czuwają inżynierowie i technicy serwisu aby błyskawicznie przywrócić sprawność maszynom z usterką.

Obecnie roboty głównie spawają i malują nadwozia w przemyśle samochodowym. Opłaca się je stosować przede wszystkim tam gdzie praca ludzka jest droga.

Dogasająca II Zimna Wojna i opadające napięcia w stosunkach międzynarodowych sprawiają że spora ilość miejsc pracy przenoszona jest z krajów zachodu do krajów III Świat gdzie praca jest bardzo tania. Nasilenie tego procesu przyhamuje rozwój maszyn CNC i robotów.

Na rysunku systemu Fanuc 6M pokazano użycie kwadraturowego sensora inkrementalnego w systemie maszyny CNC. Prostokąt obramowany przerywana linia to komputer m.in interpretujący obróbczy G-code bazujący na procesorze Intel 8086. Komputer ma na wyjściach każdej osi 12 bitowe przetworniki D/A typu DAC80 sterujące analogowe serwomechanizmy prędkościowe. Elementami mocy w inverterach są sterowane fazowo tyrystory lub tranzystory Darlingtona pracujące z modualcją PWM przy mniejszej mocy serwomechanizmu. Sygnał prędkości uzyskuje się sygnału z sensora inkrementalnego w przetworniki F/V częstotliwość na napięcie.

Pętle prędkościowa i prądowa są realizowane analogowo dlatego ze użyty procesor 8086 jest zdecydowanie za wolny i za słaby do realizacji często uruchamianego algorytmu serwa programowego wymagającego m.in. wielu operacji mnożenia. Przy obecnym tempie wzrostu szybkości procesorów ekonomiczne programowe serwa programowe pojawią się już za ca kilka lat.

Na rysunku systemu Fanuc 6M pokazano także użycie resolvera lub induktosyna w systemie maszyny CNC. Ponieważ interface resolvera produkcji Fanuc nie wytwarza sygnału prędkości to pochodzi z on extra Tachogeneratora wbudowanego w servosilnik prądu stałego DC. Zastosowanie dodatkowego Tachogeneratora nie jest rozwiązaniem eleganckim ani optymalnym.

N.B We wszystkich sektorach produkcji i technologi konkurować mogą tylko USA, Japonia i Niemcy ( wiadomo które) a więc najsilniejsze gospodarki świata. Mogą ale i tak tego często nie czynią koncentrując siły i środki na wybranych odcinkach technologii.

Blok wschodni miał funkcjonować w swoim równoległym „systemie światowym”. Nie wiadomo kto ma w bloku produkować sterowania do maszyn CNC i robotów ? Widać ze tego że RWPG jest już tylko wydmuszką.

Polska nie musi się zajmować akurat sterowaniami maszyn CNC i robotów. Jest sporo bardzo dobrze rokujących na przyszłość branż. Znakomicie rokuje nowoczesna farmacja i w tej dziedzinie nie jesteśmy słabi ! Zatem są całkiem niezłe podstawy do poszukiwań leków no i wtórnej produkcji. Tymczasem tym w jakim kierunku mamy iść nikt się naprawdę nie interesuje bowiem trwa od 10 lat kryzys i mamy takie przyziemne problemy jak wojenna i powojenna aprowizacja kartkowa w najprostsze artykuły.

Servomechanizm ma trzy kaskadowe pętle regulacji:

-Położeniową pętlę programowa z regulatorem P

-Analogową pętle prędkościową z regulatorem PI

-Analogową pętle prądowa z regulatorem PI

Japończycy są mistrzami miniaturyzacji. W konstrukcji elektroniki servomechanizmu zastosowano moduły co pozwoliło dużo elektroniki upakować na jednej płycie drukowanej.

Na schemacie pokazano jednak zawartość modułów i takiej należało zresztą oczekiwać. Zasilanie inverterom podano poprzez dość masywne transformatory trójfazowe. Indukcyjność rozproszenia transformatorów i ich rezystancja ogranicza do bezpiecznego poziomu prądy zwarć jakie mogą wystąpić przy tak zwanym przewrocie invertera.

NB. Margines kąta fazowego pracy inwersyjnej musi musi być dość duży dla bezpieczeństwa.

Transformatory, warystory i kondensatory skutecznie tłumią zakłócenia sieciowe i w drugą stronę zakłócenia generowane przez tyrystory.

Układ elektroniczny wykonano głównie na typowych wzmacniaczach operacyjnych oraz

układach CMOS rodziny CD4000. Układy analogowe zasilane są napięciem +/-15V. Układy cyfrowe zasilane są napięciem +15V a wyjściowe +24V. Układy rodziny CD4000 są wygodne w tym zastosowaniu. Łatwa jest współpraca z nimi i duży jest margines tolerowanych szumów.

Regulatory PI wykonane są w konfiguracji wzmacniaczy odwracających z szeregowym dwójnikiem RC realizującym dynamikę regulatora PI. Poziomy wyjściowe regulatorów są precyzyjnie ograniczane. W modzie Stop dwójnik RC regulatora prędkości jest zwarty tranzystorem JFet.

Trójfazowy prąd zmienny zasilający inverter jest mierzony przekładnikami. Co do wartości bezwzględnej jest identyczny z prądem zasilającym silnik. Podany jest do sześciodiodowego prostownika trójfazowego. Sygnał z prostownika nie ma oczywiście znaku. Znak prądu silnika wynika z tego który pełny mostek tyrystorowy jest aktywny.

Wyjście regulatora prądu podane jest do trójfazowego sterownika fazowego. Sterownik mimo iż zbudowany z rozsądnej ilości elementów ma bardzo dobre parametry. Na schemacie nie podano wartości elementów i autor je samodzielnie zaprojektował. Imitowany sterownik działa znakomicie. Synchronizujące napięcie trójfazowe podano do trzech modułów. Każdy zawiera przeciwzakłóceniowy filtr dolnoprzepustowy RC drugiego rzędu ( kaskada dwóch inercji ) i komparator bez histerezy wprowadzającej błąd fazy. Sygnał z komparatora modułu podano do układu czasowego generującego impuls sterujący zależnie od napięcia sterującego. Sygnały poprzez bramki podane są do tranzystorowych modułów wzmacniaczy mocy ( dla małej mocy impulsów do średniej mocy tyrystorów są przesadnie skomplikowane ) sterujących 12 transformatorków ale w danym momencie oczywiście tylko sześciu jednego aktywnego mostka trójfazowego. Sterownik fazowy jest prostszy niż podobne rozwiązanie koncernu Siemens, gdzie zastosowano bipolarne wysoko - poziomowe bramki rodziny FZK.

Nakład pracy do produkcji zmniejsza użycie izolowanych modułów tyrystorowych, które są jednak drogie. Niemniej użyto złącz i okablowania łączącego piny G-K modułów tyrystorów z płytą PCB.

Jest tu miejsce na innowacje.

Tanie są tyrystory masowo produkowane w „plastikowych” technologicznych obudowach TO220 i TOP3. Tyrystor BT152 firmy Philips ma prąd anodowy Itav=13A i prąd Itrms=20A. Tyrystory są zatem odpowiednie do małej – średniej mocy servodrivów, których produkowanych jest najwięcej. Mocniejsze ( prądy 25A i 40 A ) są tyrystory w równie tanich obudowach TOP3. Dwanaście tyrystorów może być w linii zamontowane przy brzegu płyty PCB. Mogą być od radiatora izolowane jednym odcinkiem taśmy izolacyjnej ( posmarowanej termicznym smarem silikonowym ) i wspólnie dociśnięte do radiatora sztywnym odcinkiem kształtownika stalowego profilu U dokręconym śrubami do radiatora. Radiator może być wspólny dla kilku inwerterów

Gdyby zwarciowa wytrzymałość prądowa szerokich ścieżek energoelektronicznej płyty drukowanej PCB z grubą warstwą miedzi okazała się za mała można je estetycznie wzmocnić miedzianym drutem czy wyciętą blaszką miedzianą.

Można stosować dwa trzy tyrystorowe półmostki co czynią inni producenci czyli w sumie sześc tyrystorów na napęd ale kosztem dwukrotnie mniejszego pasma, które i tak jest dość wąskie jako że wynika z częstotliwości sieci zasilającej i ilości pulsów inwertera. Pasmo i czas stabilizacji napędów wpływają na szybkość pracy czyli wydajność maszyny w której zastosowano sterowanie CNC.

Na płycie PCB servodriv-u Fanuc 6M znajdują się także układy pomocnicze monitorujące poprawną pracę oraz logika bezpieczeństwa i sygnalizacji błędów diodami LED i sygnałami dla sterującego komputera.

Kompletny system sterowania Fanuc 6M jest bardzo skomplikowany. Jest trudny do diagnozy i naprawy. Naprawa czy nastrojenie modułów w fabryce dysponującej odpowiednimi testerami jest prosta ale bez tego jest okropnie trudna. Ponieważ gwarancyjna naprawa jest kosztowna dla producenta a trudność z późniejszą naprawą psuje wiarygodność firmy, Japończycy postawili na jakość i niezawodność.

W 1982 roku Mitsubishi wypuścił małego szkoleniowego robota „Move Master”

sterowanego komputerem Apple. Robocik o wadze 8 kg i wysokości 25 cm ma 5 osi napędzanych silnikami krokowymi. Początkową dokładność pozycjonowania 1 mm znacznie później polepszono. Udźwig wynosi 500 gram a maksymalny zasięg ramienia wynosi 645 mm. Robocik służy głównie do nauki programowania robotów. Kontroler wykonano na procesorze Z 80. System po udoskonaleniu jest całkiem użyteczny i może być też stosowany jako docelowy.

Niezawodne sterowanie robotów przemysłowych głosem jest obecnie wykonywalne w rozsądnym koszcie. Już w 1982 roku koncern NEC wprowadził terminal SR-100 sterowany głosem, przeznaczony do biur i laboratoriów. W czasie poniżej 300 ms rozpoznawał 120 nauczonych go wcześniej przez użytkownika słów ( w dowolnym języku ) z prawdopodobieństwem conajmniej 99%. Terminal oparty był o prosty procesor DSP.

Obecnie nie ma jeszcze na tyle wydajnych procesorów DSP aby robot mógł samosterować się obrazem z kamery telewizyjnej. Ale w sumie niewiele już brakuje do analizy obrazów.

W Wielkiej Brytanii przeciwko wprowadzaniu robotów przemysłowych protestowały związki zawodowe co zarządy firm określają jako „sabotaż przyszłości kraju” .

41. Dokumentacja. Fuji. DSR-80 Series Maintance Manual

Dokumentacja zawiera schematy serwonapędów stosowanych do napędu spindle czyli wrzecion maszyn CNC wraz z dodatkowymi kartami PCB - adapterami do współpracy z automatycznymi systemami wymiennych narzędzi.

42. Serwomechanizmy obrabiarek sterowanych numerycznie. J.Mierzejewski. WNT 1977

Książka jest konkretna i wartościowa. Ewidentnie brakuje aktualizacji tej pozycji.

Maszyny synchroniczne:

43. Tyrystorowe układy napędowe z maszyną synchroniczną. J.Mazurek, G. Przywara. WNT 1980.

Zawiera schematy modeli maszyn synchronicznych łatwe do symulacji programowej.

44. Large Synchronous Machines. Walker J. H. Clarendon Press, Oxford, 1981.

45. Wybrane zagadnienia konstrukcji i eksploatacji turbogeneratorów. Bytnar A. PWN, Warszawa, 1983.

46. Modicon 984 Family Control Products AEG 1987

Kasetowy system automatyzacji pełni role sterownika PLC lub komputera procesowego. Szybkość skanowania wejść binarnych wynosi w rodzinie kontrolerów 0.75 do 5 ms/ k wejść. Wejścia są w standardzie 5V TTL, 24Vdc, 24Vac, 115Vac, 220Vac. Wyjścia przekaźnikowe na 24Vac, 115Vac, 220 Vac oraz tranzystorowe na 5V TTL i 24 Vdc. Oprócz wejść binarnych system ma także wejścia analogowe i binarne wejścia specjalne czyli szybkie liczniki. Wejścia analogowe są w standardzie 4-20 mA , 1-5 V oraz 10 V. Są także ośmiokanałowe karty do sensorów PT100 i termopar. Do realizacji funkcji regulatora PID potrzebne są dedykowane moduły. Porty komunikacyjne obsługują protokół Modbus, Modbus Plus i Modbus II. Do programowania i jako komputer systemowy obecnie stosowany jest PC AT a dawniej stosowano m.in. minikomputery DEC PDP-11.

47. References – Basic Industries AEG 1987

Publikacja przedstawia wybrane obiekty w świecie do których AEG dostarczył energetykę, energoelektronikę, napędy i automatykę. W wolnym tłumaczeniu Basic Industries według AEG ( to nie jest termin używany w języku angielskim ) to Przemysł Ciężki: Górnictwo, Huty i Stalownie, Zautomatyzowane Odlewnie, Gorące i Zimne Walcownie... Także metale kolorowe.

Pierwsza linia „Continous Casting plant” czyli do Ciągłego Odlewania Stali z wyposażeniem AEG jest z 1969 roku ale polskie hutnictwo dalej bezsilnie boryka się z tematem. Pierwszy patent Bessemera na ciągłe odlewanie jest z 1857 roku ! Technologia ciągłego odlewania zaczęła upowszechniła się po wojnie a intensywniej w latach sześćdziesiątych. Obecnie odlewany jest duży repertuar przedmiotów – półproduktów i produktów. Stosowane są obecnie w instalacji COS liczne sensory i silne serwomechnizmy. Współczesny system kontrolny CO(S) bazuje na sterownikach PLC i komputerze. COS to podstawowa technologia automatyzacji stalowego procesu hutniczo - stalowego !

Do krystalizatora systemu COS płynny metal ( stal circa 1560 C ) podawany jest z kadzi pośredniej do której metal jest dostarczany kadziami z pieców łukowych. Kadź pośrednia jest konieczna dla zachowania ciągłości odlewania przy zmianie kadzi transportowych i dla precyzyjnej kontroli szybkości odlewania. Sterowany i skoordynowany musi być cały system łącznie z załadunkiem pieców łukowych i kontrolą procesów w nich oraz synchronizacją walcowni, cięcia produktu i przesyłania do magazynu wyrobów gotowych. Żarzący się ciągły odlew z krystalizatora ( stal circa 1000 C ) bezpośrednio dostaje się na linię walcownicza i dalej jest cięty na fragmenty.

W mocno chłodzonym krystalizatorze przez który przesuwa się ciągły odlew zestaleniu ulegają warstwy zewnętrzne a wnętrze jest nadal płynne. Temperatura metalu i szybkość przesuwu odlewu w krystalizatorze muszą być ściśle kontrolowane aby zestalone warstwy odlewu nie uległy przerwaniu co spowoduje wyciek płynnego metalu. Ściany krystalizatora są poruszane aby odlew nie przyległ do nich.

Odlewany metal musi być jednorodny i dobrze przygotowany bowiem wydzielające się z niego przy zastyganiu gazy pogarszają własności odlewu.

Trudne jest rozpoczęcie procesu. Do krystalizatora wkłada się pas startowy odlewu i uruchamia wlew metalu. Początek odlewu jest później odrzucany lub sprzedawany jako produkt podgatunkowy. Z tego względu proces prowadzi się jak tylko najdłużej można !

System COS dominuje na systemem tradycyjnym jakością, uzyskiem i ceną. Systemy Ciągłego Odlewania dynamicznie się rozwijają. Znanych jest sporo odmian tego procesu.

W każdym razie huta czy kraj który systemu COS nie opanował odpada ze „stalowej gry”.

Współcześnie mając informacje o konstrukcji systemów COS i symulacyjny program komputerowy wykonanie COS wydaje się niezbyt trudne.

Do napędu walcarek stosuje się od dawna potężne, regulowane napędy tyrystorowe.

Ze zdjęć trudno jest ocenić od kiedy w systemach AEG stosowane są komputery ale najpóźniej od połowy / końca lat siedemdziesiątych. Na pokazanych zdjęciach współczesny przemysł ciężki jest nowoczesny ! Z niemieckich podmiotów którym AEG dostarczył obiekty wymieniono: firmy Krupp-a, Thyssen, Mannesmann.

W gospodarce w której jest już zakumulowane dużo stali stopniowo zbędne stają się kosztowne Huty Zintegrowane produkujące nową stal z rudy żelaza. Wystarczają piece łukowe z liniami Ciągłego Odlewanie Stali czyli Mini Huty. Złom przetapiany jest na nową wstęgę stali.

Koncern AEG istnieje od 1887 roku. Prowadził produkcje na podstawie patentów Thomasa Alva Edisona. AEG w Niemczech osiągnął pozycje prawie monopolistyczną współpracując z koncernem General Electric współzałożonym przez Edisona. Od zakończenia I Wojny AEG stopniowo traci pozycje na rzecz Siemensa. W Czasie II Wojny koncern produkował głównie na potrzeby militarne dla armii, lotnictwa i floty. Uczestniczył de facto w zbrodniach wojennych. W latach II Wojny szczytowo na potrzeby militarne kierowano około 60% produkcji. Z tego względu gigantyczny AEG według postanowień konferencji poczdamskiej miał ulec podziałowi i likwidacji. Alianci nie wykonali jednak tego postanowienia ponieważ Niemcy były najważniejszym sojusznikiem USA w Zimnej Wojnie w której liczono się z agresją ZSRR przeciw Europie. W NRD zakłady koncernu AEG upaństwowiono. Koncern AEG miał ogromny repertuar produkcyjny. Od połowy lat sześćdziesiątych AEG współpracował coraz mocniej z Siemensem. W 1986 roku AEG został sprzedany koncernowi Daimler-Benz AG. Wydaje się że Niemcy chcą mieć jeden narodowy koncern elektrotechniczny Siemens i za niecelowe uważali istnienie konkurencyjnych w wielu segmentach firm. Niecelowe było bezproduktywne rozpraszanie energii w sytuacji gdy trzeba konkurować ze światem a nie z samym sobą. Zakłady AEG istnieją i się rozwijają ale zmieniany jest układ właścicielski czyli szyld.

Przed wojną koncerny i banki USA jednocześnie budowały przemysłową potęgę Niemiec i ZSRR !

48. Computer Control of Machines and Processes, John G. Bollinger, Neil A. Duffie, Addison-Wesley 1988.

W książce rozsądnie wyważono proporcje podstawowej teorii i praktyki komputerowych systemów sterowania. Powinna być on przetłumaczona i wydana w Polsce mimo iż jej poziom nie jest wysoki ale odpowiedni do standardowych problemów.

Jednym z ważnych omawianych tematów jest „Noninteractive control” czyli sterowanie odsprzężone. Obiekt wielowejściowy i wielowyjściowy ( MIMO - Multi Input Multi Output ) z reguły każdym swoim wyjściem reaguje na każde wejście czyli występują interakcje. Interakcje są zarówno dynamiczne jaki i statyczne. Interakcje występują powszechnie psując jakość regulacji.

Teoretycznie aby wyeliminować interakcje i uzyskać niezależne sterowanie odsprzężone tak aby każde wejście systemu regulacji powodowało tylko reakcje jednego wyjścia należy odwrócić dynamikę modelu procesu obiektu. Analiza wrażliwości prowadzi do prostego wniosku ze uzyskany system regulacji często będzie bardzo wrażliwy czyli zupełnie nieprzydatny.

Teoretyczność owego odsprzęgania wzmacnia fakt że w polskojęzycznej literaturze ( znanej autorowi ) nie ma ani jednego przykładu na realną regulacje obiektu MIMO i odsprzęgania.

Natomiast można próbować statycznie z wyjść regulatorów "niezależnych ( po odsprzężeniu ) pętli regulacji " wyliczyć zmienne sterujące organami wykonawczymi. To często daje dobre wyniki.

Przykład odsprzęgania z omawianej książki. Niech będzie pomieszczenie gdzie chcemy otrzymywać tropikalny klimat. W pomieszczeniu są sensory temperatury i wilgotności. Wentylator dostarcza z zewnątrz strumień świeżego i zimnego powietrza do którego regulowanym zaworem wpuszczamy strumień gorącej pary wodnej. Tyle samo nieświeżego powietrza opuszcza pomieszczenie. W pomieszczeniu jest także regulowany grzejnik elektryczny. Strumień pary wodnej dostarcza wodę do atmosfery pomieszczenia i ciepło. A grzejnik elektryczny dostarcza tylko ciepło. Wilgotność względna jest funkcja ilości wody w powietrzu pomieszczenia i temperatury. Rozwiązanie systemu regulacji jest proste ale za autorami podamy je za chwile aby czytelnik mógł się zastanowić.

Weźmy drugi przykład ( za Bailey Control ) sporządzania mieszaniny dwóch płynnych składników "1" i "2". Dwa regulowane zawory przez które płyną substancje do mieszalnika otrzymują rozkazy F1 i F2, litera F od Flow czy przepływ. Za mieszalnikiem znajdują się sensory mierzące strumień F i stężenie C (od concentration ) substancji "1" w mieszaninie substancji "1" i "2".

Z zewnątrz czyli z warstwy nadrzędnej, przychodzą do systemu sygnały zadane przepływu Fs i stężenia Cs mieszaniny, litera s od set czyli sygnał zadany Do regulatora PID strumienia podane są sygnały Fs i F i wytwarza on wyjściowy sygnał Fr. Do regulatora PID stężenia podane są sygnały Cs i C i wytwarza on sygnał Cr. Jak z sygnałów wyjściowych regulatorów Fr i Cr wytworzyć sygnały sterujące zaworami F1 i F2

F = F1 + F2 , C = F1 / (F1 + F2)

Jeśli damy F1 = Fr * Cr i F2 = Fr ( 1 - Cr ) , to regulacja jest odsprzężona ( przynajmniej statycznie bez uwzględnienia mieszalnika ), co łatwo sprawdzić przez podstawienie.

Otrzymany wynik jest zgodny z intuicją. Obydwa zawory są otwierane / zamykane przez regulator strumienia wyjściem Fr. Zawór F1 jest otwierany / zamykany przez regulator stężenia Cr a zawór F2 oczywiście przymykany / otwierany aby zgadzała się sumaryczna ilość podawanych obu substancji.

Zastosowanie sterowania odsprzężonego daje radykalna poprawę jakości regulacji i sterowania a czasem w ogóle umożliwia wykonanie systemu.

Wróćmy do pomieszczenia z tropikalna atmosfera.

49. Holland-Merten , Hanbuch Der Vakuumtechnik. Halle ( Salle ) 1953

Pierwsze wydanie książki było w 1936, drugie w 1949 a trzecie w 1952 roku. Objętość 850 stron. Zjednoczone przez Prusy Niemcy szeroko czerpiąc amerykańskie wzory szybko rozwijały i modernizowały opóźnioną gospodarkę. Wydawano wysoce kompetentne poradniki szczegółowo omawiające stan rozwoju różnych technik nie przejmując się obcymi ale też i niemieckimi patentami. Ta edukacja techniczna wysokiej próby miała spore znaczenie w szybkim rozwoju Niemiec. Przed II Wojną Niemcy mieli najlepszych fizyków świata. Na jakiej zasadzie książkę „niemieckich” autorów wydano w podzielonych na NRF i NRD Niemczech dokładnie nie wiadomo. Niemcy zachodnie pomagają NRD jak tylko mogą. Nie jest tajemnicą że technologie mikroelektroniczną NRD ma od swoich zachodnich braci. USA przymyka na to oko. Ale i tak NRD nie daje sobie rady co dowodzi wadliwości despotycznego systemu nakazowo – rozdzielczego. Może być prawdą to że Anglosasi dali na pół wieku Europe Środkowo Wschodnią ZSRR w arendę do eksploatacji tytułem wkładu ludzkiego w pokonanie III Rzeszy. W przyszłym roku mija okrągłe 50 lat agresji ZSRR na Polskę w 1939 roku.

Technika próżniowa ma bardzo wiele zastosowań. Procesy produkcyjne mikroelektroniki odbywają się w próżni. Część omawianych rozwiązań jest bardzo przestarzała ale niektóre używane są nawet obecnie. W Polsce ewidentnie brakuje takich ale super nowoczesnych poradników.

50. Meyers Konversations Lexicon Leipzig und Wien 1907

Główna niemiecka encyklopedia rozpoczęła żywot w 1839 roku. Joseph Meyer chciał aby Lexicon trafił do wszystkich, także profesjonalistów w swojej branży. Stąd wysoki poziom artykułów w tej encyklpedii. Nakład 240 tysięcy kompletów.

Arcydzieło sztuki wydawniczej. Zwracają uwagę wprost przepiękne, liczne kolorowe wkładki wraz z pergaminowymi przekładkami. Oczywiście Polski nie ma na mapach.

Niemcy z opóźnieniem ale z przytupem przystąpili do cywilizacyjnego wyścigu. Pierwsze trzytomowe wydanie „Encyclopaedia Britannica” wydrukowano bowiem w latach 1768-1771 zaś 28 tomowa Francuską „Encyclopedie” została ukończona w 1772 roku.

Wzorując się na liderach w XIX wieku wiele krajów mniejszych i zapóźnionych wydało swoje encyklopedie. W XX wieku encyklopedie są drukowane w potężnych nakładach. Nierzadko w mieszkaniu czy domu wielotomowa encyklopedia na półce jest ozdobą.

51. Prywatny album schematów układów regulacji + pliki na dyskietkach

Pierwsze pneumatyczne regulatory PI / PID zastosowano w przemyśle w drugiej połowie lat trzydziestych oczywiście razem z sensorami i aktuatorami.

Przekaźnikowe kontrolery ( współczesna nazwa to PLC ) funkcjonują od początku wieku. Technologia produkcji i towarzysząca jej automatyzacja bujnie się w cywilizowanym świecie rozwijają.

W cywilizowanym świecie przed automatyzacją procesów produkcyjnych nie ma ucieczki. Natomiast w III Świecie niski koszt pracy ludzkiej sprawia ze automatyzacja nie ma tam ekonomicznego sensu. W Polsce automatyzacja raczkuje.

Urządzenia automatyki przetwarzają informacje ale ich niezbędna do poprawnej pracy parametryzacja sama polega na użyciu informacji o systemie w którym pracują.

Informacja od zarania dziejów człowieka ma wielkie znaczenie gospodarcze, polityczne i militarne. Jest tak samo ważna jak wszelki kapitał rzeczowy i finansowy oraz praca. Informacja – wiedza w każdym systemie stopniowo się rozpowszechnia.

W dziedzinie chemii różne nowoczesne metody syntezy, które szeroko się przyjęły, są omawiane w specjalistycznych wydawnictwach. Nie są w każdym razie tajemnicą. Natomiast szczegóły układów regulacji w ogólnie dostępnych źródłach nie są publikowane.

W języku polskim parę schematów rzeczywistych układów regulacji stosowanych w energetyce zawiera znakomita książka "Urządzenia i układy automatycznej regulacji", Z.Trybalski, PWN 1980.

Polska nie kreuje technologi a tylko ją przestarzałą kupuje z drugiej ręki w ZSRR ( który ją kupił wcześniej na zachodzie ) i na zachodzie. Aby oszukiwać Polaków zakupy licencji i obiektów przemysłowych były i są na zapisie cenzury. Zatem importujemy wiedzę wbudowaną w kupowane technologie. W światowym podziale pracy jesteśmy tanimi wyrobnikami, którzy generalnie ( są całkiem liczne wyjątki ) nie mają własnej wiedzy. Szokująco wysokie są ceny łapówkarskich zakupów. Za wyposażenie zakładów chemicznych Police 2 zapłaciliśmy aż miliard osiemset milionów franków. Władze polityczne uprawiają propagandę sukcesu mówiąc o „polskiej nauce i technice”. „Naukowców” uprawiających serwilizm wobec sowieckiej władzy kreuje PZPR i bezpieka. „Naukowcy” doradzali Gierkowi aby brał dolarowe pożyczki na modernizacje kraju co zakończyło się spektakularną katastrofą. System wpadł w pułapkę która sam stworzył i zastawił na siebie. „Polska nauka” to strupieszały twór biurokratyczno – pozoracyjny ze swoimi marksistowskimi obrzędami.

Na wieloźródłowych schematach albumu pokazano różne obiekty wraz z regulatorami, układami - algorytmami wyliczania wartości zadanych, rozprzęgania pętli regulacji i sterowaniem logicznym. Regulatory P-PI-PID pracują w układach selekcyjnych i kaskadowych. Podano optymalne (!) nastawy regulatorów, optymalne metody „ograniczenia” całkowanie ( oczywiście informacja o przesterowania czyli niemożliwości wykonania rozkazu zawsze jest podana do wyższego piętra hierarchii systemu ) oraz czasy przestawiania serwomechanizmów regulatorów krokowych. Jest to kopalnia konkretnej bezcennej wiedzy ! W pięciu przypadkach zastosowano inny algorytm regulacji niż PI-PID. W czterech przypadkach wskazano publikacje gdzie są one omówione. Zatem algorytm PI-PID z różnymi modyfikacjami jest koniem roboczym automatyki.

Autor nie jest alfą i omegą. Może zweryfikować tylko część podanych danych – są one absolutnie prawdziwe !

Na zachodzie koncerny „światowe” latami zbierają informacje w zakładowych bibliotekach i na dyskach komputerów. Koncerny światowe nawzajem się szpiegują i doskonale wiedzą co robi konkurencja ! W polskim filmie "Wielki Szu" są adekwatne do tej sytuacji teksty.

- Graliśmy uczciwie: ty oszukiwałeś, ja oszukiwałem, wygrał lepszy.

- Szczęście? Hm, szczęście trzeba umieć sobie zorganizować !

Polska „profesura” stając na czele polskiego dziadostwa bawi się przepisywaniem zachodnich źródeł raczej nie rozumiejąc sedna sprawy.

W albumie nie ma ani jednej instalacji chemii opartej o węgiel kamienny z czego prosty wniosek że została ona definitywnie porzucona !

Polska ma dotkliwy deficyt w produkcji tworzyw sztucznych, których nawet na tle NRD i Czechosłowacji produkujemy per capita bardzo mało. Plastiki potrzebne są w dużej ilości na przykład motoryzacji. Produkcja plastików automatycznie zmodernizuje nam cześć gospodarki. Źródła zachodnie podają ze jeden pracownik w nowo rozbudowanej petrochemii prawie automatycznie daje prace 6-8 pracownikom w branżach wykorzystujących nowo uruchomione produkty. Niezależnie od tego na rynku światowym jest popyt na tworzywa sztuczne i ewentualny nadmiar można wyeksportować.

Wśród schematów w albumie jest i produkcja różnych (!) nowoczesnych tworzyw sztucznych.

Najnowsze zakłady petrochemiczne są bardzo skomplikowane ale marże na nowoczesnej chemii są naprawdę wysokie i gra warta jest świeczki !

Wywiad ZSRR ( i podporządkowany mu wywiad PRL ) dostarczał kiedyś wielkie ilości skradzionych dokumentów i dokumentacji. Ale czasy motywowanych ideologicznie szpiegów bezpowrotnie minęły i od dawna ZSRR nie ma pieniędzy aby bezideowym szpiegom dużo płacić. Stąd uzysk informacji został ograniczony.

W obszarach gdzie mamy własną wiedzę powinniśmy ostro eksportować. Polska robi całkiem dobre kosmetyki oparte o własne patenty. Oczywiście zachód nie wpuści nas na swoje rynki ale na zachodzie świat się nie kończy. Polska ma prawo używania marki Nivea, która jest jedna z najlepiej rozpoznawalnych marek kosmetyków w świecie ! Przecież powinniśmy produkować setkę wyrobów pod tą marką. Składniki użyte do produkcji kremu Nivea są trywialne w produkcji i obecne w handlu międzynarodowym. Polskie kosmetyki są prywatnie wywożone do krajów RWPG i krajów arabskich gdzie mają bardzo dobrą opinie. Mamy patenty na syntetyczne substancje zapachowe !

Na zachodzie posiadanie autorów patentów jest bezcenne. Można spokojnie produkować w oparciu o ukradziony ale nie opatentowany pomysł i zawsze można powiedzieć że to samodzielne opracowanie bo mamy potężne biuro D&R. Gdy coś w chemii – farmaceutyce jest opatentowane to nasz „patenciarz” szybko znajdzie substancje o identycznych własnościach dajmy na to z podstawionym potasem zamiast sodu.

Proste laboratorium chemiczne nie jest drogie. Drogie jest laboratorium wyrafinowane ale i do niego jesteśmy w stanie wykonać drogi przyrząd.

Rzecz w tym że Polska od 1980 roku nie ma rządu, który by wyznaczył kierunek rozwoju. Junta wojskowa pewnie myślała że gospodarce można rozkazywać i nałożyć na nią regulamin.

Mnóstwo jest zastosowań idei ujemnego sprzężenia zwrotnego czyli regulacji. W energoelektronicznych układach regulacji z wykonawczymi tyrystorami i tranzystorami mogą występować szkodliwe drgania subharmoniczne. Ale w polskiej literaturze ten temat nie istnieje co dowodzi że autorzy książek naprawdę niewiele wiedzą i nie mają styku z praktyką bo drgań subharmonicznych nie sposób jest nie zauważyć. Ich obecność jest niedopuszczalna i trzeba przedsięwziąć proste środki przeciwdziałania

52. Numerical techniques for stochastic systems. North Holland 1980

„A collection of papers based on the lectures presentes at the conference on Numerical Techniques for Stochastic Systems, held at Gargnano, Italy, September 1979.”

53. R. P. Brent, Algorithms for Minimization without Derivatives, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1973

Stosowane są w minimalizacji funkcji celu gradientowe i bezgradientowe metody optymalizacji. Metody minimalizacji w ogólności znane są z literatury. Zasadniczą wadą wielu implementacji jest niewiarygodnie wprost powolna zbieżność oraz zawodność.

Metoda kierunków sprzężonych Powella jest bezgradientową, iteracyjną metodą optymalizacji bez ograniczeń. Nie jest wymagalna różniczkowalność funkcji celu. Dla form kwadratowych minimum osiąga się w N krokach. Teoretycznie metody bezgradientowe powinny być wolniej zbieżne.

Richard Brent jako książkę wydał swoją uzupełnioną rozprawę doktorską gdzie w szczegółach, a jak wiadomo diabeł zawsze tkwi w szczegółach, omówił swoją efektywną implementację metody Powella. Książka zawiera wydruk procedur w języku Algol. Po adaptacji na język Pascal działa niezawodnie !

Przy sprawdzeniu na podanych w literaturze przykładach - funkcjach celu, ilość ich wyliczeń jest znacznie mniejsza niż w innych metodach !

54. Applied Numerical Analysis. Curtis F. Gerald, Patrick O. Wheatley, Addison Wesley, 1984.

Od strony teoretycznej poziom wykładu jest średni. Za każdym rozdziałem są wydruki procedur w Fortranie 77 co jest ogromną zaletą książki. Te procedury, których użył autor działają. Interesujące są także zadania do samodzielnego rozwiązania oraz część rozwiązań do nich. Teksty procedur i przykładów na komputer PC winny być umieszczone na załączonej do książki dyskietce ponieważ koszt dyskietki już jest niewielki. Pierwsze wydania ukazały się w czasach sprzed ery komputerów PC ale one obecnie dominują ilościowo.

Metoda Bairstowa służy do znajdowania pierwiastków wielomianów dowolnego rzędu poprzez ich rozkład na czynniki kwadratowe. Pierwiastki mogą być zespolone. Zamieszczona procedura generalnie działa dość niezawodnie i bardzo szybko na tle innych metod. W pobliżu rozwiązania algorytm ma szybką zbieżność kwadratową. Ale są przypadki wolnej zbieżności liniowej lub rozbieżności i przy rozbieżności trzeba algorytm znacznie rozbudować o inny algorytm aby procedura w 100% była niezawodna.

Jak zwykle „diabeł tkwi w szczegółach”.

55. Algorytmy kombinatoryczne. E.Reingold, J.Nievergelt, N.Deo. PWN 1985.

Polskie tłumaczenie jest spóźnione o 8 lat za amerykańskim oryginałem. Książka omawia m.in. wyszukiwanie wyczerpujące, wyszukiwanie, sortowanie, algorytmy grafowe. Nie ma tekstów procedur do omawianych algorytmów a stworzenie procedur na podstawie szkicu może być trudne.

Języki programowania Algol i Fortran nadają się do metod numerycznych ale poza macierzami nie mają żadnych struktur danych. Struktury danych posiadają języki programowania Pascal i C. Z tych dwóch bardziej uniwersalny jest język C. Zyskuje on na popularności.

Zaimplementowany w Pascalu lub C algorytm w którym występują struktury danych jest czytelny i względnie łatwy do analizy.

56. Algorytmy + struktury danych N. Wirth, WNT 1980.

Przetłumaczony oryginał jest z 1976 roku.

Treść: Podstawowe struktury danych. Sortowanie . Algorytmy rekurencyjne. Dynamiczne struktury informacyjne. Struktury językowe i kompilatory.

Konstruowane przykłady są w języku Pascal, który ma wydajne i wygodne środowisko Turbo Pascal na komputerze PC. Niestety przykład kompilatora PL/0 z książki ma błędy.

Pascal w obecnej postaci nie nadaje się do konstruowania dużych programów i to jest jego zasadnicza wada ! W zasadzie niemożliwa jest praca zespołowa nad dużym programem w Pascalu.

Także strukturalny język C jednak przewyższa podobny do niego Pascal swoją uniwersalnością i elastycznością. Pierwszy kompilator Pascala powstał w 1970 roku a C w 1972 roku. Pascal jest bezpośrednim spadkobiercą Algolu a C pośrednim przez język B i BCPL. Pascal jest standardem ISO od 1982 roku a C dopiero czeka na standaryzacje.

Program w Pascalu jest z założenia bezpieczny podczas gdy program w C jest potencjalnie niebezpieczny.

57. Intermediate problem solving and data structures, P. Helman, R. Veroff, The Benjamin / Cummings Publishing Company Inc 1986

Książka podobna do oryginalnej zawartości książki N. Wirtha, która zainspirowała rodzinę takich książek. Działające przykłady także w języku Pascal. Tego rodzaju funkcje czy procedury sortowanie i wyszukiwania danych są podstawą do budowy większego użytkowego programu i jako takie powinny być zawartością standardowych bibliotek. Do zestawu funkcji bibliotecznych optymalny byłby demonstracyjny program używający tych funkcji i pokazujący elastyczność ich stosowania.

58. Alternating Sequential-Parallel Processing, Y. Wallach, Springer-Verlag 1982

Rozwiązywanie na komputerach równoległych równań Ax=b i innych zadań algebry liniowej. Rozpływ mocy w sieciach energetycznych. Jedynymi komercyjnymi superkomputerami z instrukcjami SIMD ( Single Instruction Multiple Data ) są komputery Cray. Zbudowano też modele eksperymentalne komputerów omówione w książce. Aby efektywnie użyć komputera równoległego trzeba stworzyć odpowiedni równoległy algorytm co jest ogromna wadą tych komputerów. Niemniej znanych jest sporo równoległych algorytmów do metod numerycznych.

Nic nie wskazuje na to aby mikrokomputery równoległe z wektorowymi instrukcjami SIMD lub wieloprocesorowe szybko zyskały na popularności. Niemniej prace badawcze nad zrównolegleniem algorytmów mogą dać w przyszłości słodkie owoce.

59. Modele i wrażliwość układów sterowania. A. Wierzbicki, WNT 1977

Zazwyczaj lepsze własności mają zamknięte układy sterowania ze sprzężeniem zwrotnym. Pracę w awaryjnej konfiguracji otwartej po uszkodzeniu sensorów czy innych elementów traktujemy jako zło konieczne. W książce pokazano wrażliwość różnych struktur sterowania dla przykładowego modelu. Układ otwarty nie musi być aż taki zły.

We współczesnym przykładzie ECU silnika samochodowego współpracującego z sondą Lambda program może w zbierać informacje do dobrego sterowania wtryskiem paliwa do silnika w układzie otwartym w czasie gdy wszystko jest sprawne.

60. The J&P Transformer Book, 1983

To jest już 11 ciągle aktualizowana, rozszerzana i zmieniana edycja książki Johnson & Phillips z 1925 roku. Obszerna książka ( ponad 900 stron ) uważana jest za podstawowe, standardowe źródło praktycznej wiedzy dla inżynierów od transformatorów energetycznych. Mnóstwo rysunków i zdjęć. Druga pozycja autorów J&P dotyczy rozdzielni.

61. Schemat instalacji do usunięcia kwaśnych gazów z surowego gazu ziemnego.

Schemat instalacji firmy … do usunięcia kwaśnych gazów z surowego gazu ziemnego wraz ze zgrubnie pokazanym iskrobezpiecznym systemem automatyki. Zastosowano w pomysłowym systemie 6 regulatorów i wybieraki ekstremum dla implementacji regulacji selekcyjnej oraz rozbudowane niezawodne sterowanie dyskretne na kontrolerze PLC.

Wiedza i pomysły napędzają w I Świecie wzrost gospodarczy dający bogactwo, stabilność i spokój społeczny. Im więcej środowiska naukowców i konstruktorów mają zgromadzonej wiedzy i pomysłów tym łatwiej rodzą się kolejne pomysły. Nauka i technologia rozwijają się ewolucyjnie i znajomość stosowanych rozwiązań pozwala je modyfikować i obmyślać lepsze w myśl zasady – „lepsze wrogiem dobrego”.

NB. Jeśli Polska ma się rozwijać to drogi, głębinowy węgiel kamienny musi stopniowo odejść w przeszłość. Ma być zastąpiony ropą, gazem ziemnym i energią jądrową. Polska ma mocno niedorozwiniętą petrochemie i ona musi być z korzyścią dla gospodarki narodowej rozbudowana.

62. Der Analogrechner - Beschreibung mit 150 Programmbeispielen aus Mathematik, Regelungstechnik und Physik. LEYBOLD-HERAEUS GMBH. Kserokopia.

Na 150 przykładów składają się problemy trywialne ale także zaawansowane i trudne.

Szczyt popularności maszyn hybrydowych przypadł na początek lat siedemdziesiątych. Wraz ze wzrostem szybkości komputerów szybko straciły one na znaczeniu.

W potężnych amerykańskich, niemieckich i japońskich koncernach używano potężnych maszyn analogowych a od połowy lat sześćdziesiątych hybrydowych do rozwiązywania poważnych zadań.

Czechosłowacki analogowy komputer ADT 3000 komunikuje się i jest sterowany cyfrowym komputerem ADT4000 będącym kopią maszyny Hewlett Packard rodziny HP 2100 w zestawie ADT 7000. Z tego zestawu użytkowników interesuje tylko i wyłącznie komputer ADT 4000 a maszyna analogowa ADT3000 jest niechciana i upłynniana za grosze. Bez komputera użyteczność maszyny analogowej ADT 3000 jest wątpliwa.

Sensory czyli Transducers – Do produkcji sensorów coraz szerzej stosuje się technologie mikroelektroniczne monolityczną i cienkowarstwową – sensory temperatury, ciśnienia, przyspieszenia, incrementalne kąta obrotu (monolityczna macierz fotodiod z interfejsem ), kamery i linijki CCD.

Ale technologie tradycyjne nadal są w szerokim użytku. Żaden system pomiarowy lub sterowania nie jest lepszy niż użyty w nim sensor !

63. Transducer Interfacing Handbook, Dan Sheingold, Analog Devices. 1980

64.Transducers in Mechanical and Electronic Design, Harry L. Trietley, Marcel Dekker, Inc. 1986.

65. Measurement Systems Applications and Design, Ernest O. Doebelin, McGraw-Hill, 1987.

66. Dokumentacja minikomputera HP 2100

Obszerna dokumentacja HP jest czytelna i łatwa do analizy. HP trzyma się do chwili obecnej listy rozkazów od 1966 roku ciągle ja rozbudowując ( wzorem IBM I Intela ) ale obecnie robi się ona archaiczna i niewygodna.

Lektura polecana dla każdego kto chce projektować scalone procesory i inne układy. Jak dotychczas scalone procesory naśladują architektury użyte w komputerach i minikomputerach ale to się przecież kiedyś zmieni.

67. Zapobieganie przesterowaniom przetworników A/D typu ICL7106 i 7109. Opracowania autora.

Jednoukładowe 3 1/2 cyfrowe multimetry Intersil ICL7106 sterują wyświetlacze ciekłokrystaliczne zaś mniej popularne układy ICL7107 sterują wyświetlacze LED. Układy zdobyły ogromną popularność m.in. w produkowanych masowo multimetrach. Układ ICL7109 zawiera identyczny konfiguracyjnie 13 bitowy przetwornik A/D metody podwójnego całkowania ale ma interface do mikrokomputera a nie do wyświetlacza.

Układy wykonane są technologi CMOS. Z uwagi na wysokie napięcia niezrównoważenia wewnętrznych wzmacniaczy operacyjnych CMOS zastosowano Autozerowanie. Gdy do wejścia przetwornika podamy napięcie przekraczające zakres pomiaru to zakłócone są kolejne pomiary a układ długo wychodzi z przesterowania. Gdy przetworniki ICL7109 poprzedzimy multiplexerem aby otrzymać system wielo - wejściowy to przesterowanie w jednym kanale zakłóci wszystkie pozostałe kanały czego nie można tolerować. Układ autozerowania jest prosty ale bardzo niedoskonały. Układ przetwornika A/D zmodyfikowano dla szybkiego wyjścia z przesterowania dopiero w dokładniejszych przetwornikach 4 1/2 cyfrowych. Nie zyskały one jednak dotychczas popularności.

Układy ICL7106,7,9 mogą wprost współpracować z sensorami RTD PT100 lub innymi co jest ogromną zaletą. Sensorem temperatury może być też dioda. Przetworniki całkujące są wolne ale przy właściwej częstotliwości przetwarzania mogą tłumić zakłócenia sieciowe.

Autor podał rozwiązania problemu. Działają bardzo dobrze niewiele zmniejszając funkcjonalność układów. Wielokanałowy system z układem ICL7109 i multiplexerami CMOS dla sensorów PT100 bardzo dobrze pracuje z mikrokomputerkiem ZX Spectrum.

68. Fluxgate, HP428B i magnetometry. Opracowania autora.

Ziemia jest w przybliżeniu dipolem magnetycznym. Bieguny magnetyczne nie pokrywają się z biegunami geograficznymi Ziemi. Linia łącząca bieguny magnetyczne tworzy z osią obrotu Ziemi kąt bliski 10 stopni. Bieguny magnetyczne przesuwają się po okręgu po powierzchni Ziemi z prędkością około 15 km na rok. Średnia indukcja pola przy powierzchni Ziemi wynosi około 45 mikrotesli i mieści się w przedziale 25-65 mikrotesli. Obecnie pole magnetyczne Ziemi zanika ze stałą połowienia 1400 lat. Średni czas między przebiegunowaniami Ziemi wynosi ćwierć miliona lat ( od stu tysięcy do 50 milionów lat ) a ostatnie miało miejsce około 800 tysięcy lat wstecz.

Pole magnetyczne Ziemi jest mimo wszystko dość wiarygodnym źródłem informacji o położeniu nawigującego obiektu. Jest dobrze zbadane i przewidywalne. Ziemskie pole magnetyczne zakłócają złoża mineralne i burze magnetyczne. Chińczycy niby kompasu używali już na początku ery nowożytnej. W Europie kompas znany jest od XII wieku.

Stalowe kadłuby statków zakłócają pole magnetyczne Ziemi i konieczna jest trudna kalibracja. Ziemskie pole na składowe horyzontalne i pionową. Do jego pomiaru trzeba trzech sensorów. Na statkach których pokład jest poziomy składową horyzontalną wektora można mierzyć dwoma ortogonalnymi magnetometrami. Jeśli pokład nie jest poziomy trzeba zespól magnetometrów umieścić na przegubie utrzymującym je w poziomie. Jeśli obiekt porusza się szybko trzeba stosować trzy sensory i przelicznik.

Pojawienie się żyroskopów i nawigacji inercyjnej zmniejszyło zainteresowanie kompasami, także elektronicznymi. Ale popularyzacja mikrokontrolerów i komputerów sprawiła że kalibracja jest automatyczna i ostatnio wzrosło zainteresowanie kompasami.

Gwałtowne zainteresowanie magnetometrami przyniosła II Wojna Światowa. Służyły one do wykrywania niemieckich okrętów podwodnych i do inicjacji wybuchu min morskich.

Czułe FluxGate na pokładach amerykańskich samolotów wraz ulepszonymi przyrządami obserwacyjnymi i nasłuchem radiowym pomagały namierzać i śledzić niemiecki Wilcze Stada. Niszczyciele i bombowce kończyły dzieło.

Przyrząd HP428 ( HP Journal Vol 9, June - July 1958, "A Clip-On DC Milliammeter for Measuring Tube and Transistor Circuit Currents - 428A" ) to opatentowany ( patenty dawno straciły ważność ) magnetometr FluxGate ( brak jest dobrej polskiej nazwy , sensor transduktorowy ) służący do pomiaru prądu płynącego przewodami. Sensor powstał jednak pierwotnie do czytania czeków z magnetycznym atramentem. Pierwsze patenty na elektroniczne kompasy z FluxGate są z 1932 roku. Przyrząd 428 z 1958 roku był lampowy ale omawiana trochę późniejsza ulepszona wersja wersja 428B zbudowana na dwustronnej płytce drukowanej (!) jest tranzystorowo – lampowa. Początkowo użyto tranzystorów germanowych.

Po zrozumieniu idei pracy magnetometru jego budowa jest łatwa. Generator dostarcza symetrycznego ( pozbawionego drugiej harmonicznej ) sygnału nasycającego rdzeń FluXGate. Częstotliwość sygnału w przyrządzie HP wynosi 20 KHz. Drugie ortogonalne uzwojenie sensora odbiera sygnału z drugą harmoniczną ( u HP 40 KHz) proporcjonalną do natężenia mierzonego pola magnetycznego. Sygnał po selektywnym ( im węższe jest pasmo tym lepsza jest czułość ale też węższe pasmo pomiaru ) wzmocnieniu jest podany do detektora synchronicznego i dalej do integratora podającego uzwojeniu pomiarowemu prąd kompensujący mierzone pole magnetyczne.

HP zastosował symetryczny generator i wzmacniacz. Ale obecnie łatwiej jest do symetryzacji sygnału podzielić sygnał prostokątny przerzutnikiem D połączonym jako T.

Autor zbudował czuły magnetometr dobrze mierzący pole magnetyczne Ziemi. Kluczowy jest właściwy materiał magnetyczny na sensor i jego wielkość. Z zastosowaniem współczesnych elementów elektronicznych konstrukcja jest bardzo prosta.

Konkurentem dla Fluxgate w mało wymagających zastosowaniach jest czujnik Halla.

69. Electronics and Wireless World

Czasopismo poświęcone technologii elektronicznej jest na przyzwoitym poziomie ale za dużo jest w nim ogłoszeń i cenników. Sporo artykułów z laboratoriów samych producentów. Przykładowo w numerze 1987 / 05 pokazano jak dla systemu z procesorem 68020 z koprocesorem zmiennoprzecinkowym 68881 w trzech instrukcjach przeprowadzić transformacje Polar – Cartesian !

70. The Great Transformation, Karl Polanyi, Farrar & Rinehart, 1944.

Narodziny ekonomi rynkowej w Wielkiej Brytanii w dobie rewolucji przemysłowej. Społeczne i gospodarcze konsekwencji wielkiej transformacji. Polanyi podważył dotychczasowe cudaczne teorie pojawienia się kapitalizmu. Polanyi krytykuje rynek i twierdzi że nie ma on zdolności samoregulacji. Książka nad którą pracował prawie 10 lat ma kolejne wydania i jest kompletnie w Polsce nieznana a jest to kamień milowy do zrozumienia naszych czasów.

71. Industrial control electronics, J.M.Jacob, Englewood Cliffs, Prentice Hall 1988

Jedna z niewielu książek poważnie, szczegółowo traktująca o elektronice przemysłowej.

72. Texas Instruments Digital Signal Processing Application with the TMS320 family. Dallas. Texas Instruments 1986

Wbudowana technologia DSP gwałtownie zyskała na popularności wraz z odtwarzaczem Compact Disc. Rodzina TMS320 to ogólnego zastosowania procesory DSP dla których typowe jest szybkie wykonania instrukcji mnożenia i akumulowania. Już obecnie znanych lub proponowanych jest kilkadziesiąt zastosowań procesorów DSP, które jeszcze obecnie są drogie. Wydaje się że specyficzne dla DSP rozkazy winien mieć każdy wydajny mikrokontroler a osobna specjalizacja DSP winna zaniknąć wraz z upowszechnieniem przetwarzania cyfrowego wszelkich sygnałów.

73. Automatic Control Engineering, F.H. Raven, McGraw-Hill, St. Louis, 1987.

Dużo ( 566 stron ) konkretów automatyki. Pozycja łatwa do zrozumienia nawet dla laików.

74. C Development Tools for the IBM PC, A.Brady, Prentice Hall, NY 1986

Książka ( + dyskietka ) zawiera opis i kod źródłowy w języku C dla systemu menu, formatek ekranów wprowadzania danych, obsługi terminala, zarządzania plikami, system zarządzania plikami B-Trees, sortowanie plików i pamięć podręczna cache. Można użyć kompilatorów Aztec, DeSmet, Lattice, Eco-C88, Let's C, Microsoft C, Turbo C. System B-Trees jest wydajny.

Polecana dla twórców systemów baz danych lub programów dla prowadzenia przedsiębiorstw i innych.

75. Triakowy stabilizator napięcia sieciowego autora.

Ponieważ napięcie wyjściowe z tyrystorowego sterownika fazowego jest odkształcone zastosowano w pętli regulacji napięcia wyjściowego dokładny przetwornik wartości skutecznej RMS. Regulator całkujący w pętli regulacji uzupełniono o inercje aby uniknąć drgań subharmonicznych.

NB. Temat drgań subharmonicznych w energoelektronicznych układach regulacji nie istnieje w polskiej literaturze.

Poważnym problemem w układach tyrystorowych ( także sterowniki z triakami ) są generowane zakłócenia radiowe. Filtrem przeciwzakłóceniowym w stabilizatorze jest indukcyjność rozproszenia wejściowego autotransformatora podwyższającego oraz kondensator typu X na wejściu zasilającym 220 Vac.

NB. Indukcyjność rozproszenia trójfazowego transformatora sieciowego jest także filtrem we wszelkich napędach tyrystorowych. Gdy nie jest stosowany transformator użyty jest trójfazowy dławik komutacyjny z identycznym skutkiem.

Na odrysowanych oscylogramach pokazano wprowadzane zakłócenia – zniekształcenia napięcia sieciowego. Użyto prostego górnoprzepustowego filtru RC aby wyeksponować niewielkie zakłócenia na tle napięcia sieciowego. Impedancje sieci zasilających są dość różne i oscylogramy będą w każdym przypadku trochę różne. Odbiornik radiowy z anteną ferrytową zasilany z tego samego gniazdka co stabilizator nie wykazuje zakłóceń na zakresie fal długich i średnich.

Mimo specjalnego sterowania bramki triaka, obciążeniem nie może być czysta indukcyjność na przykład całkowicie jałowo pracujący transformator o małych stratach.

76. Sipart DR 20. Siemens AG 1987

Ten bardzo nowoczesny, samodzielny, kompletny controller pojawił się w 1987 zastępując starszą linie. Urządzenie w odróżnieniu od starszych produktów ma tylko jeden procesor a nie dwa jak poprzednio w których jeden dedykowano do zadań komunikacyjnych. Produkowany jest w rożnych opcjach i jest baza rozwojową dla bardziej złożonych urządzeń, chodzi głownie o program. Sercem urządzenia jest nowoczesny mikrokontroler jednoukładowy 80535 w technologi NMOS i obudowie PLCC68 produkcji koncernu Siemens. Mikrokontroler został opracowany przez amerykański koncern AMD i Siemens kupił licencje na niego. Z kolei Philips kupił licencje na podobny procesor 80C552 wykonany w technologi CMOS, także w obudowie PLCC68, opracowany przez Signetics. Europejczycy są wiec dość słabi koncepcyjnie w procesorach i mikroelektronice. Z pewnością oba procesory będą stanowiły bazę do projektów i produkcji na dłuższy czas.

Do bardziej zaawansowanych urządzeń Siemens kupił licencje na mikrokontroler 16 bitowy a Philips na mikrokontroler 68070 bazujący na procesorze Motoroli 68000 ! Oba wykonane są w technologi CMOS.

Jądrem mikrokontrolerów 80535 i 80C552 jest mikrokontroler 8051 Intel wzbogacony o liczne układy peryferyjne a w tym 8 wejściowy 8 bitowy przetwornik A/D (w 80535) mogący jednak , wspomożony programem, pracować z rozdzielczością 10 bitów. Taki wysoce zintegrowany mikrokontroler oszczędza wiele hardwaru, miejsca , oraz energii i obniża koszt wytworzenia urządzenia podwyższając przy tym niezawodność. Składa się to na wysoka konkurencyjność tego urządzania na rynku światowym. Prosty mikrokontroler należałoby uzupełnić licznymi portami I/O , kosztownym przetwornikiem A/D oraz przetwornikami D/A ( w mikrokontrolerze tą funkcje realizuje się PWM-em i filtrem ) , układem CTC oraz UARTem i Watchdogiem. . Wydaje się że urządzenie będzie głownie elastycznym regulatorem krokowym. Siemens sam będąc realizatorem wielu urządzeń przemysłowych bardzo dobrze dopasował controller do współczesnych wymagań technologicznych i instalacji przemysłowych maksymalizując jego funkcjonalność.

W kontrolerze jest do obsługi lokalna klawiatura, cyfrowe wyświetlacze LED, linijki LED-ów pokazujące wartości analogowe, diody LED sygnalizujące stany pracy , binarne wejścia i wyjścia, wejścia i wyjścia analogowe oraz opcjonalny link komunikacyjny. Do sterowania wyświetlaczy zastosowano proste specjalistyczne , dedykowane układy. Wydaje się że bardziej optymalny dla takiej klasy urządzeń byłby mikrokontroler w obudowie PLCC84 lub nawet 100 bowiem ilość peryferii układu 80535 nadal jest niewystarczająca.

Elektronikę umieszczono na dwóch płytkach drukowanych. Na pierwszej frontowej z przyciskami i wyświetlaczami znajduje się mikrokontroler 80535 ( taktowany tanim rezonatorem ceramicznym 12 Mhz a nie kwarcem ) oraz latch 74HCT373 demultiplexujący adres dla pamięci programu Eprom 27256 ( cześć pamięci jest niewykorzystana ). Do sterowania LEDów służą dwa 13 bitowe rejestry przesuwne sterowane przez procesor szeregowo typu TEA1017. Dane konfiguracyjne zawiera "szeregowa" pamięć EEprom typu 24C02 o pojemności 256 bajtów. Pewny sygnał Resetu wytwarza układ TL7705. Na płytce tej umieszczono mikroswitche przycisków które naciskane są przez operatora przez foliowy front oraz wyświetlacze LED.

Na drugiej płytce znajduje się zasilacz sieciowy (+5V, +24V, Vref ) zasilany z transformatora sieciowego 50/60Hz o napięciach 2x14Vac oraz układ kondycjonujący wejść analogowych wykonany na poczwórnym wzmacniaczu operacyjnym LM324 i podwójnym TA2453 oraz dwa przekaźniki wykonawcze. Układ hybrydowy na podłożu ceramicznym to zasilacz impulsowy 5V.

Liczna układów jest wprost znikoma na tle kontrolerów wykonanych na bazie procesorów a nie mikrokontrolerów z rozbudowanymi peryferiami... Regulator dostarcza odporne na zwarcie zasilanie 24Vdc do pętli prądowych sensorów 0-4/20mA a jego wyjście jest zabezpieczone nadprądowo.

Urządzenie jest uniwersalne i wielofunkcyjne. W dokumentacji producenta podano przykłady konfiguracyjne dla typowych zastosowań przemysłowych. Kontroler posiada cztery ( w tym dwie dodatkowe wsuwane płytki - adaptery ) a w tym dwa uniwersalne wejścia analogowe konfigurowane instalowanymi modułami wejściowymi z lub bez izolacji . Moduły te ( I/U/TC/RTD/R ) należy zamówić osobno i zainstalować to znaczy wsunąć i wcisnąć. Może pracować z termoparami, RTD PT100, pętlami prądowymi 4/20mA, potencjometrami i źródłami napięć. Sam regulator ma tylko pokazane na rysunku dwa wejścia 0-20mA czyli oporniki 249 Ohm na wejściach jako przetworniki I/U. Ma wyjście analogowe pętli prądowej 4/20mA oraz wejścia i wyjścia binarne. Konstrukcja wejść analogowych nie ma elementu nowości w stosunku do starszych urządzeń Siemensa toteż watek pominięto aby informacji nie powtarzać. Zakłócające sygnały na wejściach są słabo tłumione i wymagane jest wysokiej jakości ekranowane okablowanie.

Obliczenia wykonywane są w cyklu 97.8 ms. Używany jest do obliczeń 24 bitowy format zmiennoprzecinkowy z 16 bitową mantysą.

W okresie 20/16.6 ms (dla częstotliwości sieci odpowiednio 50/50Hz) pomiary z przetwornika A/D są uśredniane celem eliminacji zakłóceń.

Szybkość transmisji interface szeregowym V28 wynosi 300-9600 bodów. Wysyłane są wartości zmiennych a przyjmowane parametry i struktury wykonawcze.

Wygodę użytkownika powiększyłyby uniwersalne wejścia analogowe przełączane programowo i ewentualnie jumperami ale stopień komplikacji takowych jest bardzo znaczny i jest to melodia przyszłości. . Pełny wykaz użytych w kontrolerze układów scalonych IC oraz ich funkcje oraz uproszczony schemat podano w innym opracowaniu.

Mankamentem regulatora jest to że jest dostarczany bez dość drogich adapterów, które trzeba zamówić stosownie do swoich potrzeb. Adapter SES służy do komunikacji szeregowej z komputerem PC. Od strony regulatora adaptery mają złącze 6 stykowe.

Instrukcja obsługi jest zrozumiała i nie ma potrzeby powtarzania informacji z niej a sam regulator jest łatwy w użyciu.

Dla Polski taka z tego jest nauka że można podobne urządzenia produkować po zniesieniu embarga technologicznego na nowoczesną mikroelektronikę. Siemens jak widać w mikroelektronice też jest słaby co w niczym mu nie przeszkadza robić jedne z najlepszych w świecie gotowe wyroby.

Wybór odpowiedniego mikrokontrolera ma ogromne znaczenie dla kosztu hardware i dostępności narzędzi programistycznych.

77. Zestawienie używanych w urządzeniach mikroprocesorów i mikrokontrolerów

Każdy koncern mikroelektroniczny produkuje własne lub licencjonowane mikroprocesory i mikrokontrolery 4, 8 i 16 a ostatnio 32 bitowe bitowe. Część jest produkowana tylko na własny użytek. W „Układy scalone TTL w systemach cyfrowych, J.Pieńkos, J.Turczyński, WKiŁ, 1980, dano w załączniku na dwóch stronach tabelaryczne zestawienie produkowanych w 1976 roku mikroprocesorów i mikrokontrolerów.

Autor zebrał i skompilował informacje z wielu źródeł. Mikrokontrolery 4 bitowe używane są w odbiornikach telewizyjnych, gorszych magnetowidach, urządzeniach audio oraz kuchenkach mikrofalowych, pralkach, lodówkach, zmywarkach, alarmach, aparatach telefonicznych z sekretarką do nagrywania, zdalnym sterowaniu bram garażowych i posesjowych. Masowo produkowane mikrokontrolery są tanie ale mają pamięć programu ROM wykonaną maską i do zlecenia produkcyjnego trzeba załączyć opracowany program. Ale producenci oferują także odpowiednio droższe mikrokontrolery z konkretnym programem w pamięci do urządzenia, na przykład telewizora. W części tych zastosowań używane są też mikrokontrolery 8 bitowe. W drukarkach i ploterach pracują jednostki 8 i 16 bitowe. W klawiaturze komputera PC jest ośmiobitowy mikrokontroler. W urządzeniach przemysłowych ( PLC, komputery przemysłowe, regulatory, SCADA ) dominują procesory i mikrokontrolery 8 i 16 bitowe. W przyrządach pomiarowych, urządzeniach medycznych oraz sprzęcie militarnym stosuje się procesory i mikrokontrolery 8 i 16 bitowe. Przy krótkich seriach produkcyjnych program zawarty jest w zewnętrznej pamięci Eprom.

Projektując jakieś urządzenie dobrze jest wiedzieć jakie są w przybliżeniu wymagania na wydajność procesora w tej klasie urządzeń. Gdy stworzony program ma zbyt wysokie wymagania sprzętowe od razu widać że program musi być znacznie lepszy to znaczy mniejszy i szybszy.

Obecnie stworzenie niewyrafinowanego nowego mikroprocesora czy funkcjonalnej kopi istniejącego mikroprocesora nie jest trudne. Ale „kompletem” do układów scalonych są narzędzia środowiska programisty, użyteczna biblioteka i przykłady aplikacji. Z tym jest o wiele większy problem.