Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 19
Od lat osiemdziesiątych XX wieku ilość danych zgromadzonych na nośnikach elektronicznych w świecie oraz ilość elektronicznie przesyłanych danych podwaja się co około 2.5 roku. Zmodyfikowane prawo Moore'a mówiące że wydajność procesorów podwaja się co 2 lata nadal obowiązuje ale w zmienionej postaci. Częstotliwość taktowania procesorów praktycznie zatrzymała się w 2003 roku a wzrost wydajności na cykl zegarowy jest wolny natomiast wzrasta ilość jąder w procesorze czyli procesorów w procesorze. Ale większość algorytmów jest tylko na jeden procesor ( jedno jądro) a skala trudności adaptacji algorytmów lub wynalezienia nowych aby wydajnie równolegle użyć wszystkich jąder jest duża a nawet bardzo duża. Duże problemy z efektywnością stwarza też użycie pamięci podręcznej Cache o czym jest jedno z cwiczeń.
Światowy PKB i wydajność pracy podwajają się circa co 20-30 lat. Zatem postęp w przetwarzaniu i przesyłaniu danych był orientacyjnie dziesięć razy szybszy niż wzrost PKB i wzrost wydajności pracy !
Rosnąca ilość danych nie oznacza że w takim tempie rośnie ilość istotnych informacji jak wynalazki czy ważne opracowania. Niektóre informacje w internecie powtórzone są miliony razy. Pojawiły się przykładowo liczne czasopisma pseudo - naukowe gdzie publikuje się śmieciowe artykuły po to aby pozorować pracę i uzyskiwać awanse oraz pieniądze. Wiele cennych informacji jest niepublikowanych a wyszukiwarki internetowe mają całe bazy danych informacji do których nie wolno podawać linków bo tak życzą sobie twórcy informacji. Wiele niepublikowanych artykułów i patentów dotyczących militarnej fizyki nuklearnej jest tajnych nawet obecnie.
Dygresja. W czasie wykładu profesor stwierdził że nierzadko wykładowcy nie rozumieją przedmiotu i uczą się wykładu na pamięć ale w końcu sami się nauczą. Bredzą odpowiadając na pytania studentów. Zdarza się przepisywanie w pracach doktorskich a nawet habilitacyjnych fragmentów zachodnich artykułów i książek bez zwracania uwagi na późniejsze poprawki czy potknięcia przy składaniu tekstu. Prawdziwa nauka powstaje z konkretnej potrzeby. Natomiast psedonaukowcy - teoretycy są tak oderwani od rzeczywistości że nie wiedzą co jest do czego i czemu to służy
Wcześniejszy cytat: „Kontrolowane procesy dzieli się zgrubnie na samoregulujące - samostabilizujące się, całkujące i niestabilne.”
Gdy w wyszukiwarkę internetową wpiszemy „process control” i alternatywnie słowa z „self-regulating / stable integrating unstable / runaway” to otrzymany od razu w miliony rezultatów z otwierającymi artykułami podającymi po angielsku zacytowane wyżej zdanie z dalszym jego rozwinięciem podobnym do tego co napisał autor. Nie znając podziału procesów do regulacji trudno jest przecież cokolwiek sensownie regulować czy sterować.
Podając wyszukiwarce „proces regulacja samoregulujące całkujące niestabilne” uzyskuje jeden relewantny link na temat.
Nauka i technologia rozwijają się ewolucyjnie - ciągle z wyraźnymi momentami przyśpieszenia przez epokowe wynalazki. Koncerny bacznie śledzą poczynania konkurencji. Wiedzę i doświadczenie można kupić w licencjach lub w gotowych fabrykach jest taka transakcja nie ma blokady politycznej. Można też cudze rozwiązania kopiować bez pozwolenia. Wszystkie bez wyjątku kraje cywilizowane szeroko praktykowały te metody.
Przykładowo BMW kupił w latach trzydziestych od Pratt & Whitney z USA licencję na gwiaździsty silnik lotniczy Hornet. Po udoskonaleniu był to silnik BMW132 a na jego bazie powstał znacznie mocniejszy bardziej skomplikowany legendarny BMW801, jeden z najlepszych silników lotniczych świata czasów wojny. Był to pierwszy silnik z kontrolerem ! Uczeń przerósł mistrza ! Kupowanie licencji i fabryk ma sens pod warunkiem rozebrania wszystkiego na detale pierwsze, rozgryzienia i dalszego ulepszania ! Potrafiono to robić w USA, Niemczech, Japonii, Korei a teraz Chinach. Połowicznym sukcesem takie działania kończyły się w ZSRR a w PRL były klapą.
Obecnie czołówka technologiczna coraz bardziej odrywa się od całej reszty świata. Tylko Tajwan Semiconductor Manufacturing Co (TSMC) i Samsung Electronics Co Ltd opanowali masowe wytwarzania najbardziej zaawansowanych chipów w technologii o rozdzielczości 5 nm. Rząd USA chce swoim koncernom udzielić dotacji w wysokości 30 mld dolarów aby budowały najnowocześniejsze fabryki chipów bowiem uzależnienie od producentów azjatyckich jest niepokojące i kompromitujące.
Światowy rynek półprzewodników w 2021 roku wzrośnie prawdopodobnie o 10,9% do 488 mld USD. Rynek najszybciej rośnie w sektorze sensorów 16,8% i układów analogowych lub mieszanych 15,2%.
Beneficjentami światowego wzrostu produkcji półprzewodników będą producenci maszyn do produkcji chipów - ASML, Canon, Nikon, Applied Materials. Mają pozycje bliską monopolu światowego. Najnowocześniejsze urządzenia do fotolitografii oferuje Holenderski koncern ASML. Ale nie każdy może kupić bo o tym decyduje wielka polityka! Przykładowe urządzenie ASML waży 40 ton i jest przed transportem rozbierane na kilka części do czystego transportu. Koszt to ponad 70 mln dolarów. Elektronika urządzenia zawiera 800 płyt drukowanych różnej wielkości i ponad 1300 kabli. Użyto zjawisk fizycznych które gdzie indziej są na raczkującym poziomie badań podstawowych. Od takich badań do takiego urządzenia do produkcji masowej mija 15-30 lat.
Apple w 2006 roku przestawił się na procesory Intela, od których teraz odchodzi. Od 2020 roku TSMC na podstawie projektu Apple produkuje procesor M1 zawierający ponad 14 mld tranzystorów ! Zdaniem Apple procesory Intela w praktyce są za mało wydajne i zbyt energożerne.
Produkcje własnych projektów chipów do swoich wyrobów zleciły już Xiaomi, Huawei, Oppo, Samsung (!) a zapowiada... Facebook.
Podstawy każdej technologii tworzy fizyka i chemia – biochemia.
Ogromny gospodarczy i naukowo - techniczny wkład w II Wojnę miały USA i Wielka Brytania oraz ZSRR a z drugiej strony Niemcy jako III Rzesza. Niemcy mieli przed wojną najlepszych fizyków świata a obawy Anglików i Amerykanów że zrobią bombę jądrową przed nimi były jak najbardziej uzasadnione tym bardziej że Niemcy rakiety do ich przenoszenia głowic jądrowych już mieli.
Po epoce regulatorów mechanicznych i pneumatycznych przyszedł czas na elektronikę. W 1945 roku regulatory elektroniczne PI/PID były praktycznie tajną nowością. A.J. Young w 1945 roku opisał sześć elektronicznych regulatorów PID ze świata a w tym dokumentacje i sprzęt zajęty przez armie USA w Niemczech:
1. Leeds & Northrup, 2. Manning, Maxwell & Moore, 3. The Swartwout Company – USA
4. Hartman & Braun, 5. Schoppe & Faeser – Niemcy
5. Evershed & Vignolles – Wielka Brytania
Czyli USA, Niemcy, Wielka Brytania. Ale praktycznie w każdej nowoczesnej dziedzinie największy potencjał miały kolejno właśnie USA, Niemcy i Wielka Brytania. W ZSRR wszystko było tajne ale regulatory elektroniczne pojawiły się tam w późnych latach pięćdziesiątych.
W 1959 roku firma Foxboro z USA wyprodukowała pierwszy w świecie w pełni tranzystorowy przemysłowy regulator PID a w gigantycznej rafinerii Texaco w Port Artur w 1959 roku pioniersko komputer zaczął sterować „Polymerization Unit No. 1”, który propylen i butylen z krakingu zamieniał w składnik wysokooktanowej benzyny.
Złożone systemy działają, budując pozycje koncernów i państw i zarabiając pieniądze, zatem od wielu dekad. W roku 1950 firma The Bristol Company ( producent instrumentów kontrolnych w Waterbury w USA ) podała że w dużej rafinerii ( faktycznie była to już petrochemia ) było zainstalowanych około 500 regulatorów, 1500 wskaźników i 800 rejestratorów. W centralnej sterowni przyrządy wskazujące zajmowały powierzchnię ponad 3 x 6 metrów. Były to przyrządy pneumatyczne, które stosowano długo jako że są naturalnie bezpieczne w palnym i wybuchowym otoczeniu.
W pierwszej połowie lat siedemdziesiątych automatyka rafinerii przerabiającej 10 Mt ropy naftowej rocznie miała około 1200 punktów pomiarowych i 250 obwodów regulacji często kilku regulatorowych.
Do lat czterdziestych rafinerie w USA stosowały głównie atmosferyczną i próżniową destylacje w kolumnach rektyfikacyjnych oraz reforming katalityczny i kraking dla obniżenia lepkości produkowanych paliw. Rafinerie zaczęły się niedługo komplikować w czasie II Wojny. Dodatkowo zastosowano procesy absorbcje, adsorbcje, krystalizacje, ekstrakcje, pirolizę, polimeryzacje, izomeryzacje, uwodornienie, alkilacje. Oprócz paliw i smarów produkuje się rozpuszczalniki, asfalt, parafiny, wosk i całą linie produktów chemicznych oraz tworzyw sztucznych. Współpracujące instalacje produkują olefiny, nawozy mineralne, pestycydy, substancje zapachowe do wód toaletowych i perfum.... Łącznie produkuje się ponad 10 tysięcy przeróżnych towarów !
Miedzy nitkami różnych instalacji występuje synergia bowiem można na przykład używać w innym procesie odpadowe ciepło lub produkty uboczne. Zrazem rośnie trudność w uruchomieniu wielkiej, skomplikowanej i splecionej instalacji.
Około 600 rafinerii świata przetwarza dziennie około 14 milionów m3 ropy naftowej produkując rocznie towary wartości ( bez podatków ) około 6000 mld dolarów. W europejskim modelu podatkowym bardzo wysokie podatki i opłaty od paliw są podstawowym wpływem podatkowym do budżetów państw. Przy średniej cenie ropy naftowej podatki i opłaty stanowią ponad 60 % ceny paliwa.
Ropę naftową transportuje się dużymi tankowcami i rurociągami o dużych średnicach. Optymalna lokalizacja rafinerii zależy od jej charakteru. Gdy jest to rafineria eksportowa korzystne jest położeniu w porcie dokąd wydobyta ropa trafia rurociągami i skąd tankowcami odbierane są z rafinerii produkty. W przypadku rafinerii tranzytowej gdy zaopatrzenie i odbiór są z morza także korzystne jest położenie w porcie. Przy imporcie tankowcami rafineria w porcie rurociągami produktowymi i cysternami kolejowymi zaopatruje kraj. Gdy rafineria jest zasilana rurociągiem lądowym korzystna jest lokalizacja w środku kraju aby minimalizować koszt działania sieci rurociągów produktowych i koszt transportu kolejowego. W rafineriach występuje efekt skali produkcji ale wydłuża się kosztowny transport produktów.
Atutem rafinerii jest zdolność przetwarzania różnych gatunków ropy co ma znaczenie m.in. w niespokojnych czasach gdy trzeba zapewnić awaryjne zaopatrzenie w ropę.
Ropa naftowa jest najważniejszym towarem w handlu międzynarodowym. Dysponowanie przez państwa cywilizowane własnymi zasobami ropy naftowej i gazu ziemnego wyraźnie przyspiesza ich rozwój. Problemy gospodarcze i polityczne Wielkiej Brytanii zaczęły słabnąć wraz z eksploatacją pokładów ropy i gazu ziemnego pod dnem morza. Gdy rosło wydobycie można się było siłowo rozprawić z pasożytującymi na kraju górnikami węgla kamiennego. Współczesne państwo i gospodarka nie działają bez ropy i gazu. Stąd odcięcie dostaw może mieć fatalne skutki.
Ponieważ węgiel koksujący (z którego wytwarza się wytrzymały mechanicznie koks hutniczy ) jest dużo droższy od węgla energetycznego a koksownie są uciążliwe środowiskowo w Japonii odsiarczoną ropę wtryskiwano pod dużym ciśnieniem od dołu wielkiego pieca aby oszczędzić ilość używanego koksu. Oczywiście wtedy gdy ropa naftowa była tania.
W czasie wojny szybko opracowano w USA wielką produkcje paliwa lotniczego o wysokiej liczbie oktanowej do wysilonych, doładowanych silników tłokowych.
Japonia desperacko zdecydowała zaatakować USA, które blokowały jej zaopatrzenie w niezbędną ropę naftową. Klęka Niemców idących po radziecką ropę pod Stalingradem oznaczała faktycznie przegraną wojnę. W III Rzeszy do wyprodukowania litra paliwa zużywano 7 kg węgla kamiennego lepszej jakości. Ciężka chemia oparta o węgiel jest totalnie niekonkurencyjna wobec chemii opartej o ropę naftową i gaz ziemny. Doskonałym dowodem tego był też przemysł PRL.
Przed wojną USA miały więcej samochodów niż reszta świata i konsumowały 59% paliw silnikowych świata. Oczywiście armia niemiecka miała czołgi i samoloty do akcji bojowej ale gro transportu wykonywała kolej i... 2.75 mln koni, które także jedzono po oblężeniu pod Stalingradem.
Gdy w latach pięćdziesiątych zaczęto stosować w elektronicznej automatyce tranzystory, zastosowano sygnał prądowy ( czyli pętle prądową ) 4-20mA emulujący sygnał pneumatyczny 3-15 psi. Przy czym nadal stosowano pneumatyczne organa wykonawcze oraz przetwornik sygnału prądowego 4-20mA na pneumatyczny 3-15psi.
Zaletami pętli prądowej 4-20mA z "żywym zerem" ( Life zero ) jest względna prostota, łatwość diagnozy sprawności ( Sygnał poniżej 3.8mA lub powyżej 20.5mA oznacza błąd. Normalnie sygnał zawsze jest powyżej 4mA i poniżej 20mA - z reguły wynosi około 10-12 mA czyli w środku zakresu ), możliwość zasilania sensora z pętli ( Minimalny prąd pętli 4 mA jest w zupełności wystarczający do zasilenia elektroniki całkiem skomplikowanego sensora ) oraz odporność sygnału na zakłócenia i możliwość stosowania dość długich połączeń.
W pętli prądowej 4-20mA (wejście systemu automatyki jest z takim standardem niezależne od rodzaju zmiennej procesowej ) może pracować sensor temperatury ( sensor z adapterem pętli 4-20mA jest znacznie droższy niż typowa RTD PT100 czy termopara ), ciśnienia, poziomu, przepływu, PH lub każdej innej zmiennej procesowej.
Wyjściowa pętla prądowa 4-20mA może także sterować aktuator, często przetwornik prądu pętli na ciśnienie dla organu wykonawczego. W pętlę można dodatkowo włączyć tylko izolowane odbiorniki sygnału jak bierny miernik magnetoelektryczny. Izolowany odbiornik aktywny niestety był i jest kosztowny co jest problemem i istotną wadą pętli prądowej.
Pożarów i wybuchów w rafineriach było dużo.
Procesy spalania, wybuchu i detonacji są skomplikowane i chętnie modelowane na komputerach. Mieszaniny gazów palnych z powietrzem i tlenem są zapalne w dość szerokim zakresie składu, ciśnień i temperatur. Prędkość rozprzestrzeniania się płomienia przy paleniu jest niewielka i rośnie przy przejściu w wybuch. Zdefiniowana w normach Minimalna energia zapłonu Emin jest to najmniejsza energią kondensatora, którego wyładowanie iskrowe czasem wywołuje zapłon badanej mieszaniny gazowo - powietrznej. Pomiary Emin wykonuje się dla mieszanin o składzie zbliżonym do stechiometrycznego, w warunkach normalnych, w zamkniętym zbiorniku. Wartości minimalnych energii zapłonu mieszanin gazowych są bardzo małe i zależą od rodzaju gazu. Minimalna według norm oznacza że zapłon następuje co około 1000 iskier elektrycznych.
Wybuch może przejść w detonacje. Stężeniowe granice detonacji są znacznie węższe niż granice stężeniowe palenia i wybuchu. Nie w każdej palnej mieszance może w ogóle wystąpić detonacja.
Najbardziej podatne na detonacje są palne mieszaniny gazowe, ale także w niektórych mieszaninach pyłowo- powietrznych może dojść do detonacji. Prędkość czoła fali uderzeniowej detonacji jest ogromna i może przekroczyć 7 km/ sec. Ciśnienie fali uderzeniowej jest potężne i zdolność kruszenia twardych „ścianek” jest duża.
Zasadą iskrobezpieczeństwa w górnictwie ( głównie metan ), gazownictwie, petrochemii i chemii jest ograniczenie energii w obwodzie iskrobezpiecznym do takiej wartości, która w ogóle nie może spowodować zapłonu mieszaniny palnej - wybuchowej – detonacyjnej zarówno przy zwarciu obwodu z pojemnością jak i przy rozwarciu obwodu z indukcyjnością.
W normach iskrobezpieczeństwa jest przykładowo wymieniana jak inicjator zapłonu energia ze zwartego kondensatora pojemności 0.2 uF z napięciem 20 V ( to 0.04 mJ energii ) lub energia z indukcyjności 24 mH z rozłączonym prądem 35 mA (0.0147 mJ ). Energia z kondensatora mogłaby teoretycznie wystarczyć do zapłonu mieszanki z wodorem ale pamiętać należy że tylko część energii z kondensatora zamieni się w energie inicjacyjną iskry.
Wybuchy eliminuje się:
-zapobiegając powstaniu stężenia wybuchowego
-inertyzując przez zmniejszanie stężenia tlenu
-eliminując źródła zapłonu.
Do zbiorników paliwa na statku doprowadza się schłodzone gazy spalinowe silnika Diesla ( inertyzacja) i stężenie tlenu w gazie w zbiorniku jest na tyle niskie że zapłon par paliwa nie może nastąpić.
Gdy totalne 100% zapobieżenie wybuchowi jest niemożliwe „zbiornik” procesowy wyposaża się w proste zawory dekompresyjne które są normalnie zamknięte i same otwierają się przy wybuchu na skutek ciśnienia. Klapy projektuje się rutynowo.
Sygnał początka wybuchu w zbiorniku może pochodzić z sensora ciśnienia i fotodiody. Kontroler momentalnie aktywuje zawory ciśnieniowych zbiorników środka gaśniczego ( halony, proszki antykatalityczne i woda pod wysokim ciśnieniem ) i wybuch zostaje stłumiony. Szczytowe ciśnienie zostaje zredukowane circa 20 razy w stosunku do sytuacji bez tłumienia.
Rozchodzący się wybuch w rurociągu można po detekcji zatrzymać i rozproszyć zasuwą uruchomioną ładunkiem pirotechnicznym ponieważ czasu na reakcje jest bardzo mało.
Dość wszechstronnym elementem zabezpieczającym jest dioda Zenera. Jej przeciążeniowa tolerancja impulsowa zależy jednak od konkretnej technologii wykonania. Maksymalna tolerowana moc podana diodzie Zenera impulsem o czasie 10 ms jest 4-100 razy większa od mocy ciągłej. Oczywiście do zabezpieczeń trzeba wybrać diody o dużej tolerancji impulsowej a wybór niewłaściwej diody może być kosztownym nieporozumieniem. Plastikowe diody Transil ( to jedna z nazw firmowych ) rodziny 1.5 KExx tolerują moc ciągłą ( przy idealnym chłodzeniu wyprowadzeniami ) 5W, moc w impulsie o czasie 10 ms 500 W i 1 ms impuls o mocy 1500 W czyli w nazwie 1.5 ( KW).
Do iskrobezpiecznych układów ( głównie do pętli prądowej 4-20 mA z zasilaniem nominalnym 24Vdc ) oferowane są od lat sześćdziesiątych „Bariery Zenera”.
„Bariera Zasilania” ma od bezpiecznej strony zasilania bezpiecznik 32-50 mA. Zbyt wysokie napięcie zasilanie powoduje działanie pierwszej diody Zenera i bezpiecznika. Prąd w pętli w obszarze wybuchowym jest ograniczony rezystorem ( w prostych tanich wykonaniach) lub dwu końcówkowym stabilizatorem prądu ( jest to specjalny tranzystor JFet ) lub pozystorem PTC. W przypadku scalonego stabilizatora prądu konieczne jest użycie drugiej diody Zenera dla jego ochrony. Tanie, prymitywne rozwiązanie bariery zasilania z rezystorem ograniczającym prąd, mocno obniża napięcie zasilania na sensorze w petli i niemożliwie może być awaryjne zasilanie systemu z akumulatora o nominalnym napięciu 24 Vdc które w czasie pracy jest znacznie niższe.
Bariera Obwodu od strony bezpiecznej ma znów bezpiecznik a od strony chronionej rezystor ograniczający maksymalny wpływający prąd i diodę Zenera miedzy nimi. Diody Zenera w obu barierach normalnie nie przewodzą a przy ograniczeniu napięcia prąd oddają szyny montażowej i do solidnego uziemiającego przewodu wyrównania potencjału PAL.
Przez Bariery Obwodu można też dołączyć sensory PT100, termopary i inne bierne sensory.
Znacznie silniejsze impulsy niż ochronna dioda Zenera absorbuje Warystor ale w przeciwieństwie do diody przy silnych impulsach ulega stopniowemu zużyciu.
O ile trzeba zapobiegać groźnemu niepożądanemu zapłonowi mieszanki substancji palnej z powietrzem to zapłon roboczy w urządzeniu jest konieczny i pożądany.
-Iskra na świecy zapłonowej silnika benzynowego zapala sprężoną mieszankę benzyny lub LPG z powietrzem. Optymalizacja konstrukcji i sterowania pozwoliła zminiaturyzować cewkę zapłonową tak że jest ona „przedłużeniem” świecy zapłonowej bez kabla WN.
-Pożądany jest niezawodny zapłon iskrą wytwarzaną przez generator wysokiego napięcia na kuchence gazowej z generatora wbudowanego lub ręcznej zapalarki i w boilerze gazowym. Masowo produkowany generator wysokiego napięcia ma być tani i niezawodny. Jest taki dzięki jego masowej, zautomatyzowanej produkcji.
-Do zapłonu aerozolu oleju opałowego ( mazutu) za palnikiem w piecu przemysłowym - energetycznym stosuje się iskrownik dużej mocy do którego doprowadza się wysokie napięcie 50 Hz z transformatora sieciowego WN o dużym rozproszeniu podobnego do zasilającego neony reklam.
-Impuls ( 4-10 KV ) wysokiego napięcia doprowadza się z maleńkiego transformatorka do ksenonowego „palnika” lampy błyskowej i z większego do ulicznej lampy sodowej ( do 60KV ) gdy wymagany jest natychmiastowy zapłon.
-Zapalane impulsem WN lampy wyładowcze stosuje się też w przyrządach analitycznych.
-Trudna konstrukcyjnie jest bezdotykowa zapalarka łuku w spawarce TIG z uwagi na to ze prąd spawania dochodzi do 500 A.
-Impuls „pioruna” z generatora testowego do badania transformatora Najwyższego Napięcia ma potężną energie
-Mniejszą energie ma testowy generator „pioruna” do sieci SN i nn.
W zapalniczce palacza wykorzystano do generacji wysokiego napięcia efekt piezoelektryczny.
Przy zapobieganiu szkodliwemu zapłonowi trzeba energie impulsu obniżyć poniżej poziomu który tylko bardzo rzadko powoduje zapłon a przy zapłonie intencjonalny energia-moc jest tak duża że zapłon musi nastąpić zawsze, nawet w najbardziej zaburzonych okolicznościach.
W ręcznej zapalarce do kuchni gazowej jednotranzystorowa przetworniczka z transformatorkiem ferrytowym wytwarza z napięcia paluszkowej baterii 1.5V napięcie ładujące kondensator 470 nF/100V. Gdy napięcie przekroczy napięcie avalanche diody 1N4148 pracującej tu w charakterze diody Zenera ( jest tańsza od diody Zenera na takie napięcie ) wyzwolony zostanie czuły tyrystor i stworzony jest obwód rezonansowy z naładowanego kondensatora i uzwojenia pierwotnego podwyższającego transformatorka WN jako iż tyrystor z antyrównoległą diodą 1N4007 jest kluczem dwukierunkowym. Użyto małego wałeczka jako rdzenia ferrytowego w transformatorze WN. Dla łatwości izolacji i wykonania oraz zmniejszenia pojemności uzwojenie WN jest podzielone na sześc części. Średnica transformatorka WN wynosi 14.5 mm a długość 18 mm. Transformatorek jest tani z racji automatycznej, masowej produkcji. Warto zauważyć że wyzwolony tyrystor zwiera wyjście przetworniczki zakłócając jej prace !
Zapalarka wbudowana w kuchnie gazową zasilana z sieci 230Vac jest jeszcze prostsza i tańsza w produkcji bowiem nie ma przetworniczki. Zarówno w zapalarkach sieciowych jak i bateryjnych zamiast tyrystora z układem wyzwalania stosowany jest też SIDAC czyli jakby DIAC ale dużej mocy. Z reguły mają one nominalne napięcie trigger 200/220/240/260 V. Przy impulsach o czasie trwania 10 us i częstotliwości powtarzania 50Hz prąd maksymalny szczytowy wynosi 120 A a przy powtarzaniu 5 Hz 280A.
O ile DIAC z reguły wyzwalający triaki zdobył ogromną popularność i jej bardzo tani to niestety dwu końcówkowy SIDAC jest dość „drogi”. Producenci podają że są one dedykowane do zapalarek gazu, do impulsowego wyzwalania lamp ksenonowych i od układu zapłonu świetlówek rurowych.
Wbudowana w gazową kuchnie zapalarka gazu oszczędza czas kucharza i koszt zapałek psujących też spalinami atmosferę w mieszkaniu.
Dygresja. Przedwojenny bandycki rząd udzielił szwedzkiej firmie monopolu na produkcje zapałek i były one w Polsce szokująco drogie. Zmechanizowana produkcja zapałek już wtedy była bardzo tania. Stąd głęboko prawdziwe „Dzielić zapałkę na czworo” Na wsi zapałek w ogóle nie używano. Gdy pojawiły się zapalniczki importowane z Niemiec i z USA rząd nakazał ich rejestracje i wnoszenie od nich opłat !
1.Jeśli transmitancja układu dynamicznego B(s) / A(s) jest funkcją wymierną to zawsze można wybrać macierze A,B,C,D dla uzyskania modelu w postaci równań stanu. Wybór macierzy jest niejednoznaczny bo określony z dokładnością do izomorficznego przekształcenia zmiennych stanu.
Oczywiście wybieramy taką reprezentacje transmitancji jaka jest wygodna do konkretnego celu.
Podaj nazwy reprezentacji transmitancji przez równania stanu pokazane na rysunkach.
Współczynniki H(s) powstaje ze współczynników A(s) i B(s). Gdy na rysunku nie ma współczynników bi to znaczy ze transmitancja nie ma zer.
Ćwiczenie.
1.Mierzony na wyprowadzeniu diody 1.5KE rozładowujący impuls prądu ( zgrubnie mierzony jest przez DSO mały spadek napięcia, skala do odgadnięcia !) naładowanego do napięcia 32V kondensatora płynący przez diodę 1.5KE22A widać na oscyloskopie. Upływ diody po rozładowaniu się nie powiększa i dioda nie wykazuje żadnych trwałych zmian.
Katalogi nie podają impulsowej tolerancji zwykłej diody Zenera mocy 1.3 W. Stosując wielokrotne rozładowanie kondensatora ( oczywiście dużo mniejszego niż użytego dla diody 1.5KE... ) z rosnącą energią spróbuj ustalić jaki jest dla niej bezpieczny równoważny impuls prostokątny o czasie 1 ms. Ponieważ procedura jest niszcząca trzeba uważać aby diody za szybko nie uszkodzić.
Jakie są objawy zdegradowania – przeciążenia diody Zenera ?
2.Proces zapłonu mieszanek gazów z powietrzem śledzi drogie profesjonalne urządzenia laboratoryjne m.in. z szybką kamerą.
W ćwiczeniu stary przekaźnik załączany generatorem z częstotliwością 4 Hz ( wyższa częstotliwość jest niemożliwa bez rezonansów mechanicznych. Zmiana położenia przekaźnika odrobinę zmienia jego zachowanie ! ) z „otwartym stykiem” rozładowuje kondensator 1 uF ładowany rezystorem z zasilacza lub przerywa prąd w indukcyjność 10 mH ( w pętli jest zasilacz a stałą czasowa L/R jest wystarczająca do narośnięcia prądu po okresowym załączeniu ) co powoduje delikatne iskrzenie styków przekaźnika. Pod styk doprowadzany jest strumyczek palnego gazu z niezapalonej zapalniczki krzesiwowej ( celowo takiej użyto i nie należy jej zapalać krzesiwem ) Zwiększając napięcie zasilacza w obu przypadkach w pewnym momencie nastąpi zapłon gazu z zapalniczki. Natychmiast należy odsunąć zapalniczkę i odciąć dopływ gazu aby nie zniszczyć przekaźnika. Dla bezpieczeństwa jest gaśnica pod ręką. Bez gaśnicy nie wolno podejmować czynności ! W momencie zapłonu zapala się też słupek gazu w powietrzu dając efekt akustyczny i nie należy nad przekaźnikiem trzymać twarzy.
Z napięcia i pojemności kondensatora i prądu oraz indukcyjności cewki wynika zmagazynowana w nich energia. Dlaczego trzeba użyć wielokrotnie większej energii do zapłonu niż to wynika z minimalnych energii podanych w tabeli. Dlaczego różne są energie do zapłonu z kondensatora i cewki ?
3.Maksymalne napięcie podane oscyloskopowi jest niewielkie i użycie sondy 1:10 pozwala obserwować większe sygnały. Na wyjściu opisanej ręcznej zapalarki z bateryjką do której przyłączono samochodową świece zapłonową jest napięcie „6KV” W szereg z wyjściowym kondensatorem zapalarki 27 pF dano szeregowo kondensator 27 nF pojemnościowego dzielnika ca 1000:1. Szeregowy rezonans LC kondensatora z jego indukcyjnością wewnętrzną i wyprowadzeń zniekształca szybkie sygnały i należy stosować analog połączenia Kelwina dołączając końcówki oscyloskopu najbliżej ciała kondensatora 27 nF. Jaka jest z różnych powodów optymalna pojemność takiego kondensatora dzielnika WN ? Jaki jest czas opadania wysokiego napięcia przy przebiciu ? Jak można poprawić dokładność takiego dzielnika pracującego z oscyloskopem ?
4.W samochodzie złożone wielofunkcyjne urządzenie ECU jest kompletne i samodzielne.
Schematy instalacji samochodowych z ECU są ogólnie dostępne natomiast dokumentacje ECU są poufne. Na przykładowym schemacie mocno nadużyto słowa ”komputer”. ECU jest tu interfejsem CAN połączone z kontrolerem ABS no i z tablicą przyrządów i dalej ze złączem diagnostycznym z CAN.
Dla zmniejszenia ilości elementów i podniesienia niezawodności ECU stosuje się dedykowane układy scalone interfejsów. Są one produkowane wyłącznie dla producenta ECU, który mógł układ zaprojektować lub zlecić projekt lub są to układy z oferty katalogowej ale mają nic nie mówiące oznaczenie wymyślone przez nabywcę. Przykładowo tą praktykę rozpoczął stosować koncern HP.
-W przykładowym ECU z połowiczną dokumentacją określ do czego służą układy scalone ( także mocy ) z nic nie mówiącym oznaczeniem.
Poufność informacji o ECU staje się zrozumiała w kontekście gigantycznego oszusta popełnionego przez niemieckie koncerny samochodowe w samochodach z silnikami Diesla z ECU produkcji koncernu Bosch. Silniki mocno nie spełniały norm środowiskowych i truły społeczeństwa symulując tylko poprawne zachowanie w czasie testów. Uczciwa konkurencja azjatycka była zaś przestępczo zwalczana rygorystycznymi normami czystości spalin.
5. Na rynku światowym złożoność kosztuje i jest opłacalna ! ECU jest odporne na wibracje i jako hermetyczne odporne na zanieczyszczenia. Ale pracuje tylko z przewidzianymi dla niego sensorami i wykonawcami. Kontroler PLC ma wzmocnioną konstrukcje mechaniczną ale chcąc pracować z sensorami trzeba dołożyć kolejne moduły co absolutnie wyklucza zastosowanie takiego zestawu w trudnym środowisku. Koncerny pokonały tą trudność realizując „uniwersalne wejście” dla wszelkich typowych sensorów jak termopary, PT100, PT1000, 0/1-5mA, 0/4-20mA, 0-1, 0-10V... Elektronika takiego uniwersalnego interface jest skomplikowana ale przy zastosowaniu małych elementów SMD nie zajmuje dużo miejsca na płycie drukowanej PCB. Małym mankamentem jest niepełne wykorzystanie własności – zakresu przetwornika A/D Konfiguracja interfejsu jest wybierana programowo ( skala, offset i parametry do linearyzacji jeśli akurat jest stosowana z tym sensorem programowa linearyzacja oraz binarny stan przełączników w interfejsie ) i przez przyłączenie sensora do kilku z czterech zacisków kanału.
Przełącznikami są klucze CMOS, tranzystory Mosfet ale mają szkodliwą oporność załączenia Rdson ( może być kompensowany programowo jak ze temperatura w urządzeniu jest mierzona ale parametr Rdson ma dyspersje ) i upływ. Oba szkodliwe parametry rosną z temperaturą. Z reguły w najtrudniejszym miejscu jest dlatego stosowany jeden miniaturowy hermetyczny przekaźnik.
Do wejść uniwersalnych urządzenia dołączono jako sensory PT100 różne dokładne rezystory, dekadę udającą sensor RTD PT100 o zmiennej temperaturze oraz potencjometr zwiększonej mocy ( aby jego nagrzewanie nie wywoływało dryftu ) udający sensor do pętli prądowej 4-20 mA. Po programowej konfiguracji interfejsów widać że to normalnie stabilnie działa. Po ”awaryjnym” zwarciu sensora 4-20 mA prąd zwarcia w pętli szybko spada i urządzenie normalnie działa, poza tym jednym kanałem, ale nic się nie dymi i nie pali i po usunięciu zwarcia kanał dość szybko wraca do normalnej pracy. Sytuacja awaryjna jest meldowana interfejsami CAN zdalnemu operatorowi. Aby trzymać koszta na sensownym poziomie często jest tak że większa część wejść jest dedykowana tylko do konkretnych sensorów a tylko część puli wejść jest uniwersalna dla zachowania elastyczności - uniwersalności całości urządzenia. Faktycznie urządzenie może pracować z różnymi maszynami z różnymi sensorami w które wyposażył je producent maszyn.
-Wskaż na schemacie gdzie do zacisków kanału należy przyłączyć poszczególne rodzaje sensorów i które klucze i jak zostaną ustawione przez konfigurujący je program. Czy jest możliwa modyfikacja lub rozbudowa schematu aby pozbyć się mechanicznego przekaźnika ?
6.Silnikowy zapłon elektroniczny rozpowszechnił się dopiero po opanowaniu produkcji wysokonapięciowych tranzystorów Darlingtona o bardzo szerokim obszarze SOA zdolnych awaryjnie zaabsorbować przy napięciu Uceo rzędu 400 V zgromadzoną w polu magnetycznym cewki zapłonowej energie bez wyładowania na świecy zapłonowej. W późniejszym rozwiązaniu dodano do B-C zintegrowaną diodę Zenera aby tranzystor był zdolny absorbować większą energię przy napięciu niższym od Uceo.
Z wolnym mikrokontrolerem stabilizacje prądu ( czyli energii iskry ) zapewniał układ analogowy z próbkującym rezystorem mocy w emiterze Darlingtona. Po osiągnięciu właściwego prądu kolektora tranzystor pracował dalej w obszarze aktywnym co wiązało się ze szkodliwą stratą mocy. Wydajniejszy mikrokontroler znając napięcie zasilania i predykowany moment wyłączenia tranzystora włączał go w takim momencie aby prąd uzyskał właściwy poziom z pewnym zapasem. Od długiego czasu są też produkowane tranzystory IGBT sterowane poziomem logicznym z diodą Zenera między G-C jako że przebiciowa zdolność tranzystora IGBT absorpcji energii w przeciwieństwie do Mosfeta jest mała i musi on absorbować dużą energie tylko w obszarze aktywnym.
Idea ECU jako urządzenia przetwarzającego informacje nie bardzo jest zgodna z połączeniami o sporym prądzie i napięciu do cewki zapłonowej. Toteż tranzystor Darlington / IGBT lub układ scalony mocy z wysokonapięciowym kluczem z metalową podstawą do chłodzenia dodano do cewki zapłonowej tworząc niewielki moduł.
Użyty w ćwiczeniu popularny moduł Magneti Marelli BAEQxxx ( wszyscy światowi potentaci produkują jego ekwiwalent ) po podaniu mu na wejście zbyt długiego załączającego sygnału sterującego H zaczyna sam generować ( Twin Spark ? ) impulsy zapłonowe. Ponieważ wejście jest w module podciągnięte do zasilania rezystorem wystarczy dołączyć zasilanie i moduł sam generuje impulsy WN !
Nie należy ustawiać elektrody iskrownika dołączonej do wyjścia cewki zapłonowej na odległość większą od 12 mm czemu odpowiada napięcie przebicia około 30 * 1.2 = 36 KV bowiem moduł może ulec przebiciu czyli zniszczeniu a nie jest on tani.
Zamiast iskrownika można też dać świecie zapłonowa. Od strony GND szeregowo z nią włączona jest dioda Zenera ( 5 połączonych szeregowo) na napięcie 1000V ( o tyle jest większe napięcie w fazie indukcyjnej wyładowania w świecy w cylindrze) i rezystor do pomiaru prądu.
Po chwili wyczuwalny jest zapach generowanego w iskrach wyładowania ozonu – „świeże” powietrze jak po burzy ale ozon jest toksyczny. Po czasie poziom ozonu zaczyna wskazywać czuły sensor ( rozdzielczość 0.001 ppm ) połączony z miernikiem. Energetyczna sprawność generacji ozonu w tym przypadkowym wyładowaniu elektrycznym jest jednak okropnie mała.
-Określ w grubym przybliżeniu tą sprawność syntezy ozonu.
-Jak w naturze powstaje ozon i co go niszczy ? Jak można wydajnie produkować ozon skoro jest użyteczny w zastosowaniach ? Na przykład działanie bakteriobójcze ozonu jest około 50 razy skuteczniejsze i 3000 razy szybsze niż chloru.
-Jaka jest sprawność energetyczna tej „przetwornicy” ( moc dostarczona do świecy i diody Zenera w stosunku do pobieranej z zasilacza ) przy jeśli przy wyładowaniu indukcyjnym na świecy jest napięcie 700V.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz