Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 59

 Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 59

 Doskonalone konstrukcje samochodów elektrycznych EV są coraz bardziej dojrzałe.
Niemiecki magazyn "Auto Bild" przeprowadził na autostradzie w lecie z prędkością  130 km / h  test 36 samochodów elektrycznych dostępnych w europejskich salonach. Zasięgi podawane przez producentów EV podczas pomiaru w cyklu WLTP, nijak mają się do zużycia energii podczas jazdy z prędkością circa 130 km/h. Utrata zasięgów wynosiła od 18% do blisko 55%.
Przykładowo dla Tesla Model 3  autostradowy zasięg spada o 39,70 %
W lecie opory toczenia są najmniejsze podobnie jako opór aerodynamiczny rozrzedzonego powietrza. Oczywiście rezultaty zimowe z dodatkowo włączonym podgrzewaniem byłyby jeszcze znacznie gorsze.
Zatem samochody EV na dalekie wakacje w ogóle się nie nadają.

Na wykresach podano przewidywane emisje w produkcji aluminium, amoniaku, stali, cementu oraz w wydobyciu ropy naftowej i gazu ziemnego przy przejściu na technologie wodorową i przy elektryfikacji.

 Dzięki energii otrzymywanej wtórnie ( pierwotnie z paneli PV i wiatraków) z wodoru globalne zużycie gazu ziemnego będzie w 2050 roku będzie mogło zmaleć o 56 %, a ropy naftowej nawet o 73 %. Przewidywania mają to do siebie że z reguły się nie sprawdzają
Jak dotychczas różnica między teoretycznie możliwą energetyczną sprawnością procesu elektrolizy wody a uzyskiwaną praktycznie wartością jest jednak ogromna a postęp jest powolny.
Aby świat przeszedł w przemyśle ( tylko w wymienionych branżach ) na technologie niskoemisyjną musiałby zainwestować ponad 2 bln dolarów w nowe technologie i dwa razy tyle w infrastrukturę.

 Wydatki budżetowe na badania i rozwój D&R są w Polsce mizerne. Pieniądze te i tak są rozkradane i marnowane.

Tymczasem norweski producent OZE ( 250 zatrudnionych osób, 43 miliony paneli od 1996 ) Rec Solar,  wstrzymał produkcję na pół roku. Skutkiem wysokiej ceny energii elektrycznej, firma od miesięcy notuje znaczne straty. Energia słoneczna nie jest "tania" i dlatego firma nie używa jej  do produkcji paneli słonecznych.
Coś tu nie gra w narracji o OZE !

Prezydent Francji kasandrycznie oświadczył, że żyjemy u kresu ery obfitości, a kryzys gospodarczy i kryzys demokracji będą już czymś normalnym.
Nadchodzi epoka skrajnego bogactwa nielicznych i pauperyzacji narodów.
Pomimo wojny i wysokiej inflacji sektor produktów luksusowych przeżywa złote czasy - informuje belgijski dziennik „De Standaard”. Rosną zyski firm oferujących drogie ubrania, perfumy oraz biżuterię. 
Bogaci Rosjanie nadal wydają pieniądze, ale zamiast w Europie robią to teraz w Dubaju lub innych miastach Bliskiego Wschodu.

"W Wielkiej Brytanii i Niemczech rosną obawy o pompy ciepła. Pojawiły się ostrzeżenia, że instalacje te mogą generować bardzo wysokie koszty dla właścicieli, a nawet - w skrajnych przypadkach - prowadzić do przeciążenia sieci energetycznej i przerw w dostawach prądu dla całych dzielnic. Badanie realizowane w Niemczech sugerują, że coś jest na rzeczy."
https://www.wnp.pl/energetyka/pompy-ciepla-pod-ostrzalem-pada-coraz-wiecej-trudnych-pytan,614023.html

Amerykanie na energetykę patrzą trochę trzeźwiej. Jednym z filarów podpisanej przez prezydenta Bidena ustawy antyinflacyjnej jest rozwój energetyki jądrowej i przekazanie na sektor energetyczny (świeżo wydrukowanych ) 370 mld dolarów.

Europa Zachodnia szykuje się na kryzys energetyczny. Zabronione jest ogrzewanie pomieszczeń powyżej temperatury 19 C a w lecie chłodzenie poniżej 27 C. Nie wolno oświetlać witryn sklepów i pomników. Zmniejszona jest jasność ulicznych latarni. Rekomendowane jest skrócenie kąpieli i wiele innych oszczędności. Dla niezdyscyplinowanych potężne grzywny.

Produkcja nawozów ( szczególnie azotowych) w Europie już od jakiegoś czasu jest ograniczana, zawieszana  lub likwidowana.
W Polsce circa 3/4 gazu ziemnego zużywa przemysł i energetyka. Jego cena jest obecna w większości wyrobów przemysłowych.

Sierpniowa 2022 roku cena uprawnienia EUA do emisji CO2 wynosiła 94 €. Jeśli po takich cenach Polski rząd  sprzeda całe tegoroczne 75 milionów EUA to zarobi ponad 7 miliardów euro czyli 34 miliardy zł. Zatem od lat są środki ma modernizacje energetyki ale są defraudowane.

W resztkach pocisku przeciwradiolokacyjnego HARM widać  datę produkcji czerwiec 1991 roku. 30 lat do typowa data "przydatności do spożycia" dla pocisków AGM-88 HARM i podobnych  a lepszego sposobu utylizacji niż w antenie rosyjskiego radaru systemu przeciwlotniczego i antybalistycznego obecnie nie ma.

Koncerny mikroelektroniczne od początku miały podwójna natura. Z jednej strony projektują układy scalone z drugiej rozwijają technologie mikroelektroniczną.
Prototypy układów analogowych i cyfrowych budowo z dyskretnych tranzystorów. Dopiero później użyto do pracy wydajnych komputerów. Na zdjęciach widać takie układy i dyskusje twórców przy tablicy. Maski rysowano ręcznie. Najprostsza ze wszystkich była technologia PMOS.
Koncepcje procesorów badano budując prototypy z układów TTL i MOS ( pamięć mikroprogramu ).
Intel 8008 zastąpił istniejący procesor ze 100 układów TTL. Więcej układów TTL miał praszczur procesora Motorola 6800.

Motorola w 1976 roku rozpoczęła kosztowną pionierska konstrukcje programu do automatycznego rozłożenia bloków i elementów oraz narysowani masek IC. Procesor  68000 (1979, 3.5 µm )  to już produkt ich stworzonego programu.
Procesor AMD AM8088 (1982) identyczny ( te same przekazane maski i proces ) do Intela i8088.  AMD z inicjatywy Intela rozpoczął  produkcje procesorów x86 bowiem IBM wymagał istnienia drugiego producenta elementów do swojego  5150 PC. Jednocześnie Intel sprzedał projekt i8086 japońskiemu NEC po czym zaczął się z nim procesować wokół niejasności umowy. Procesory  NEC-a linii V przebiły Intela pod każdym względem.

Intel i80286 (1982 – 1.5 µm) użyty w  IBM PC AT i wszystkich klonach. Zdolny pracować pod  Windows 3.1

Procesor sygnałowy DSP NEC uPD77P20 (1982 – 1.5 µm ): 16x16 hardware multiplier, 512x23 bit program ROM, 510x13 bit data ROM, 128x16 data RAM. Równolegle dedykowany DSP z peryferiami wypuścił niemiecki (!) ITT.

Na zdjęciu założycielka  ARM i twórca listy rozkazów rodzin ARM  - genialna  Brytyjka Sophie Wilson. Obecnie są one produkowane miliardami i są używane wszędzie !

Wpierw potężny DEC nie był w stanie dotrzymać technologicznego kroku liderom mikroelektroniki i tworzył wielochipowe procesory do swoich komputerów. Następny poległ IBM.
Na zdjęciu  wielochipowe monstrum IBM CPU do IBM 9672 ( IBM System/390 Parallel Enterprise Server ) z 1997 roku. Pomarańczowe kwadraty to chipy. Od spodu procesor ma  4000 pinów.
Potwór nie był bynajmniej wydajny i szybko z niego zrezygnowano.

Kolejne, coraz mniejsze  generacje mikrokontrolera  Microchip PIC16C54 wykonanego w technologiach  1.2µm, 0.9µm i 0.7µm.

Mikrokontroler 32 bitowy ST Microelectronics STM32F103ZCT6 (2008) STM32 bazujący na ARM Cortex-M3.

Mikrokontroler Atmel ATmega8L (2004, 2013) architektura 8-bit AVR: 8kB flash, 512 byte EEPROM, 1kB RAM. ATMega8 użyto w pierwszej generacji Arduino.

Firmy Tajwanu o nic nie mówiącej nazwie produkują ogromne ilości IC – zabawki, AGD, RTV, komputery, smartfony . 


 Od lat znakomite są perspektywy nowoczesnej farmacji. Rosną koszty funkcjonowania ochrony zdrowia. Bardzo ważne są w laboratoriach automatyczne analizatory. Stosowane jest automatyczne rozpoznawanie obrazów. Ważne są badania kliniczne prototypów leków na pacjentach w dużej mierze automatycznie planowane i nadzorowane on – line. Wyniki dla dobrej wiarygodności są  analizowane automatycznie. 
Korupcja w badaniach leków w USA jest ogromna a nawet bez badań stosowano szczepionkę eksperymentalną na  Covid-19. Po latach okazuje się że szalenie drogie leki nie działają ale mają ciężkie skutki uboczne.
Amerykańska Agencja Żywności i Leków (FDA) dopuściła na rynek lek Zynteglo koncernu biotechnologicznego Bluebird Bio, który będzie kosztował 2,8 mln dolarów. Preparat ma być stosowany w  terapii genowej rzadkiej choroby, bete-talasemii, wymagającej częstych transfuzji - podaje Reuters. Beta-talasemia, zwana też niedokrwistością tarczowatokrwinkową, w ciężkiej postaci wymaga transfuzji krwi co dwa do pięciu tygodni. Przed zatwierdzeniem leku przez FDA dyrektor operacyjny Bluebird Bio Tom Klima powiedział agencji Reutera, że średni koszt transfuzji w ciągu całego życia pacjenta sięga w USA 6,4 mln USD, więc Zynteglo mimo wysokiej ceny "wciąż może być opłacalny dla pacjentów". Koncern prowadzi rozmowy z ubezpieczycielami medycznymi bogatych osób w nadziei, że rozważą jednorazowe dopłaty do leczenia Zynteglo.

Sekwencje czynności rozruchu i odstawianie procesu ciągłego są z reguły tym bardziej rozbudowane im większy jest obiekt z głównym procesem ciągłym.
Procesy wsadowe powtarzane są okresowo.
Na rysunku pokazano reaktor wsadowy i wymaganą sekwencje stanów. Na dole rysunku  wymieniono operowane przyrządy.  

Wsadowo pracują też de facto samoloty. „Fault tolerant”, https://drive.google.com/open?id=1N9hLzAi-rKcQqZdIhjijErmFIGJGnknE
„Piloci sekwencje startów i lądowań wykonują ściśle według instrukcji obsługi samolotów. Aby pilot czegoś nie zapomniał stosuje się check - listę. Samolot musi być z zapasem zatankowany tak aby mógł wylądować na zapasowym lotnisku. Sekwencje startu i lądowań na tle sekwencji rozruchowych i odstawiających spotykanych w przemyśle są proste. Rutynowe sekwencje czynności jak obniżenie prędkości i wysokości na ścieżce do lądowania, wysunięcie flap i podwozia są trywialne  Piloci radiem otrzymują warunki pogodowe i ruchowe. Rozwiązanie jest przestarzałe i informacje powinny być przesyłane między komputerami modemem radiowym...
Sekwencja startowa prostej rakiety na paliwo stałe jest z reguły nieodwracalna i niesterowalna. W locie następuje odrzucanie kolejnych stopni rakiety małymi ładunkami wybuchowymi celowo uszkadzającymi połączenia wyczerpanych stopni. Niedobrze gdy po długim czasie lotu śmiercionośnej rakiety okaże się że jest ona niesprawna. Toteż można na początku lotu zaprogramować krótkie intensywne testy - manewry aby przetestować sprawność wszystkich lub najważniejszych systemów. Tracimy co prawda bezcenny czas i paliwo czyli graniczny zasięg celu ale gdy rakieta okaże się wadliwa można natychmiast wystrzelić kolejną która wykona mordercze zadanie niesprawnej rakiety.   
Odliczanie do startu amerykańskiego wahadłowca kosmicznego trwa aż 43 godziny. Sekwencja startowa ma liczne przerwy pozwalające ewentualnie usuwać dostrzeżone usterki oraz dostosować się do pogody. Przykładowo tankowanie paliwa do zbiorników kriogenicznych rozpoczyna się 6 godzin przed startem. Łącznie sprawdzanych jest kilkaset parametrów i dokonywanych jest kolejno kilkadziesiąt uruchomień różnych urządzeń. Nawet po sekwencyjnym zapłonie trzech silników głównych SSME można jeszcze przerwać start wahadłowca co zresztą wielokrotnie miało miejsce.”


Sprawdzenie
1.Wymień wszystkie rodzaje układów scalonych IC stosujące wewnętrzne wzmacniacze operacyjne OPA, uproszczone quasi OPA i Wzmacniacze Instrumentalne.  Także układy nędzne. Historyczne i obecne.

2.W scalonych przetwornikach DAC i ADC o bardzo dużej dokładności problemem jest zakłócający spadek napięcia na podłożu układu scalonego. Z tego względu stosuje się sygnały symetryczne. W układzie z przełączanymi pojemnościami ilość przełączników i kondensatorków rośnie co prawda dwukrotnie ale innego wyjścia nie ma.
Na schemacie pokazano wyjściowy wzmacniacz operacyjny ( pracuje w bardzo trudnych warunkach ) o różnicowym wejściu ( wejściowa para różnicowa przewodności P ma mniejsze szumy niż N )  i o różnicowym wyjściu stosowany w 24 bitowych DAC Sigma Delta w technologii CMOS o dynamice ponad 120 dB. Ma pasmo ponad 40 MHz.

Dla największej dynamiki wyjściowy sygnał wspólny czyli suma napięć wyjściowych winna wynosić 0.5 Vc. Na schemacie  pokazano jednak tylko w postaci bloków układy czuwające nad sygnałami wspólnymi.
-Narysuj schematy do tych bloków
-Wyjaśnij jak działa zastosowana kompensacja częstotliwościowa  „Nested compensation”

3.Zwykle system z interfejsami CAN jest liniowy a przewód jest dopasowany falowo na obu swoich końcach.
Na rysunku pokazano interfejsy CAN o wspólnym GND w topologii gwiaździstej.
-Wyjaśnij pracę tego systemu metodą „papier i ołówek”
-Jaka jest maksymalna szybkość działania tego układu z 5 urządzeniami CAN?
-W jakim celu zastosowano dwójnik RC 10 Ohm + 15 nF ?

Ćwiczenie.
1.Procesory DSP są z reguły stałoprzecinkowe. Użycie drogiego procesora zmiennoprzecinkowego tam gdzie wystarczający jest procesor stałoprzecinkowy powoduje że towar jest niekonkurencyjny.
Na rysunku pokazano filtr IIR pierwszego rzędu.

Z układu filtru wynika jego transmitancja „z” i jej moduł.

Stałoprzecinkowy DSP stosuje arytmetykę ułamkową Fractional. „Sygnały” są 16 bitowe ale współczynniki do mnożenia tylko 8 bitowe.
W ośmiobitowym kodzie U2 liczbie -128 ( najmniejsza ) odpowiada w Fractional liczba -1 a liczbie 127 (największa ) liczba 0.9921...
Ale dalej w tekście współczynniki 8 bitowe są podane jako liczba bez znaku a nie w kodzie U2
W programie DSP (Fs = 34,63 KHz) pierwszy filtr (K7,8,9) służy do regulacji Sopranów a drugi filtr K10,11,12 służy do regulacji Basów.

Basy i Soprany są wynikowo maksymalnie podniesione / opuszczone o +12 / - 12 dB „asymptotycznie” względem częstotliwości 1 KHz.
Dla  maksymalnie podniesionych Basów współczynniki K10,11,12 wynoszą 127, 140, 125.
Dla  maksymalnie podniesionych Sopranów współczynniki K7,8,9 wynoszą 91, 192, 21.
Maksymalne wzmocnienie ( częstotliwość przy której jest maksymalne wzmocnienie oczywiście jest różna i zależna od ustawionych parametrów) filtru sopranów wynosi 1.
Maksymalne wzmocnienie / osłabienie  najniższych  basów przez filtr basów wynosi +-12 dB a przy częstotliwości > 1 kHz zawsze dąży do 1. 
Można użyć dowolnych narzędzi

-Podaj tabele współczynników dla korekcji -12, -9, - 6, -3, 0, 3, 6, 9 , 12 dB dla Basów i Sopranów

Trudnym zadaniem jest w przetwarzaniu DSP skalowanie sygnałów. Między filtrami sopranów i basów jest współczynnik K4 służący do skalowania sygnału tak aby w szczycie / szczytach charakterystyki częstotliwościowej wzmocnienie  całości było bliskie 1 czyli aby jak najmniejsze były w całym ( regulacja tonów to tylko jedno z zadań ) systemie szumy obcięć bez ryzyka przesterowania ( ALU w DSP jest z nasyceniem a nie „przewinięciem” jak w kodzie U2 i zniekształcenia nie są od razu straszne ) czyli powstawania zniekształceń nieliniowych. 

-Podaj wartości K4 w funkcji korekcji Basów i Sopranów.

2.Operacjami dużego kotła steruje PLC. Przed zapaleniem piec musi być przewietrzony aby nie doszło do wybuchu w nim resztek palnych gazów. 
Płomień w piecu detekuje układ „Flame sensor” o dwóch identycznych, niezależnych wyjściach binarnych. Mogą też być użyte dwa niezależne Flame sensor. PLC uruchamia jednocześnie za pomocą przekaźnika  pompę oleju dla palnika i dmuchawę oraz niezależnie układ zapłonowy. Po chwili sensor musi podać sygnał detekcji płomienia. PLC wyłącza układ zapłonowy gdy jest płomień ale gdy w przewidzianym czasie nie nastąpi zapłon generuje Alarm i blokuje sygnał dla pompy i wentylatora. Oczywiście gdy nie jest podawane paliwo sensor nie może wskazywać płomienia bo świadczy to o jakimś uszkodzeniu. Gdy płomień zgaśnie znów odcinane jest paliwo i generowany Alarm.
Ale dla bezpieczeństwa zasilanie z drugiej strony podaje  ( to funkcja AND ) przekaźnikowi prosty, niezawodny układ bezpieczeństwa bez mikrokontrolera. Po pojawieniu się wyjściowego rozkazu z PLC zezwala on na ca 3 sekundowe podanie paliwa bez detekcji płomienia a po tym czasie blokuje się odcinając zasilanie przekaźnika. Odetnie zasilanie gdy płomień zgaśnie w czasie pracy lub uszkodzi się  Flame sensor. Gdy sensor bez rozkazu podania paliwa daje sygnał płomienia także układ się zablokuje.
Funkcje bezpieczeństwa są więc zdublowane.   

-Zaprojektuj taki opisany prosty układ bezpieczeństwa.
-Porównaj swój schemat z istniejącym rozwiązaniem