eli 2012 1 - cvut.cznoel.feld.cvut.cz/vyu/eli/prednasky/eli_2012_1.pdf · • permanentní paměti...
TRANSCRIPT
Elektrotechnika pro informatikyElektrotechnika pro informatiky
Prof. Ing. Jan Uhlíř, CSc.Prof. Ing. Jan Uhlíř, CSc.
2012/2013
Témata předmětupTéma 1
• Stejnosměrný zdroj a spotřebič – elektrický obvod
• Základní vztahy v ss elektrickém obvodu – proud, napětí, výkon, práce
• Rezistor jako spotřebič – Ohmův zákon, voltampérová charakteristika
• Stejnosměrný zdroj napětí – ideální, reálný (zatížený) j ý j p , ý ( ý)
• Kirchhofovy zákony
• Přehled a vlastnosti stejnosměrných zdrojů
Ch kt i tik d jů č t ě l kt i k lád ý h t bili é í• Charakteristiky zdrojů včetně elektronicky ovládaných – stabilizované, s omezením, s pojistkou
• Zdroj proudu
Téma 2
• Zdroj střídavého napětí, elektrovodná síť, rizika síťového napájení, transformátor
• Dioda – element propustný jen při jedné polaritě napětí – voltampérová p p ý j p j p p pcharakteristika
• Diodový obvod jednocestného usměrňovače
• Kondenzátor jako element pro vyhlazení pulzujícího napětí usměrňovače• Kondenzátor jako element pro vyhlazení pulzujícího napětí usměrňovače
Téma 3
• Základní vztahy pro ideální kondenzátor – kapacitor (náboj proud čas)• Základní vztahy pro ideální kondenzátor – kapacitor (náboj, proud, čas)
• Přechodné děje při nabíjení a vybíjení kapacitou
• Superkapacitor jako stejnosměrný zdroj
Téma 4
• Induktor jako setrvačný element – základní vztahy
• Přechodné děje na induktoru s rezistory j y
• Elektronické spínače – MOSFET
Téma 5
Ob d í či d é k it• Obvody se spínači – odporové, s kapacitory
• Indukční měniče napětí
• Blokové schéma spínaného zdroje
Téma 6
• Logické stavy a jejich reprezentace elektrickými signály,
• Logické členy jmenovité hodnoty a tolerance logických úrovní• Logické členy, jmenovité hodnoty a tolerance logických úrovní,
• Kompatibilita, zatížitelnost, konflikty
• Zpoždění a hazardní stavy
Téma 7
• Elementární logické bloky,
• Kombinační ‐ hradla, dekodéry,
• Sekvenční klopné obvody registry čítače posuvné registry• Sekvenční ‐ klopné obvody, registry, čítače, posuvné registry
Téma 8
• Paměti s adresovým výběrem obsahu
• Permanentní paměti ROM, PROM,…. Flash ‐ princip
• Statické a dynamické paměti RAM – princip
• Další možnosti přístupu k datům ‐ LIFO, FIFODalší možnosti přístupu k datům LIFO, FIFO
Téma 9
• Paralelní a sériová data, asymetrický a diferenciální signál
Sé i á li k l i dl héh d í• Sériová linka – vlastnosti dlouhého vedení,
• Časové parametry (bitová rychlost),
• Kódování a zabezpečení dat
Téma 10
• Magnetický záznam na HD,
• Principy optického záznamu CD a DVD• Principy optického záznamu CD a DVD
Téma 11
• Motory a pohybové mechanizmy
• Kolektorové a bezkolektorové motory
• Krokové motory• Krokové motory
• Pohybové mechanizmy v HD a CD mechanikách
Téma 12
• Zobrazovací principy – znakový, segmentový, rastrový
• Zobrazení barev
• Svítivé diody – elektrické a optické vlastnostiSvítivé diody elektrické a optické vlastnosti
• LCD
• OLED
Pl• Plasma
Téma 13
• Akustický vstup a výstup počítačů
• Vzorkování analogového signálu
• Digitalizace – princip A/D převodu
• Principy D/A převodu• Principy D/A převodu
1. téma• Elektrický obvod – zdroj, spotřebič• Elektrické napětí, proud, výkon• Stejnosměrné napětí – zdrojeStejnosměrné napětí zdroje• Spotřebiče – rezistory (Ohmův zákon)• Zatížený reálný zdroj• Kirchhofovy zákonyKirchhofovy zákony
1. Kirchhofův zákon – simulaceELI-MC 3.Cir_(Dynamic DC)2. Kirchhofův zákon – simulaceELI-MC_4.Cir(Dynamic DC)( y )
Zd j t j ě éh ětí di itál í ří t jZdroje stejnosměrného napětí pro digitální přístroje primární (nenabíjecí – baterie)sekundární (nabíjecí – akumulátory superkapacitory)sekundární (nabíjecí akumulátory , superkapacitory)elektronické (usměrňovače, měniče napětí, fotovoltaika)
Primární zdroje ‐ bateriePrimární zdroje baterie
Typ baterie Napětí Rychlost samovybíjení Provozní teplota
Uhlíko‐zinková, zinko‐chloridová
1,5 V 80% kapacity za 3-4 roky -18° až 55°C
Alkalická 1,5 V 80% kapacity za 5-7 let -18° až 55°C
Lithiová 1,5-1,8 nebo 3,6 V 0.6% za rok; 7-15 let skladovací doba -40° až 60°C
Kapacita (AAA) Kapacita (AA) Kapacita (D)
Uhlíko‐zinková, i k hl id á
375-650 mWh 575-1250 mWh 3500-8000 mWhzinko‐chloridová
375 650 mWh 575 1250 mWh 3500 8000 mWh
Alkalická 1250 mWh 2800 mWh 14425 mWh
Lithiová 1275-1450 mWh 2400 mWh nevyrábí se
h // i h lbl j /b i /http://michaelbluejay.com/batteries/
Nejběžnější akumulátory
Typnapětí hustota energie výkon efektivita samovybíjení počet cyklů
(V) (Wh/kg) (Wh/L) (W/kg) (%) (%/měsíc) (za život)(V) (Wh/kg) (Wh/L) (W/kg) (%) (%/měsíc) (za život)
Lead–acid (olověný)2,1 30-40 60-75 180 70%-92% 3%-4% 500-800
1 2 40 60 50 150 150 70% 90% 20% 1500Nickel–cadmium (NiCd)
1,2 40-60 50-150 150 70%-90% 20% 1500
Nickel–metal hydride (NiMH)
1,2 30-80 140-300 250-1000 66% 30% 500-1000
3 6 150 250 250 360 1800 99% 5% 10% 1200 10000Lithium-ion (Li-ion)
3,6 150-250 250-360 1800 99%+ 5%-10% 1200-10000
Lithium-ion polymer (LiPol)
3,7 130-200 300 3000+ 99.8% 5% 500~1000
http://en.wikipedia.org/wiki/Rechargeable_battery
Vztah objemu a hmotnosti k dosažitelné ampérhodinové j pkapacitě
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Secondary_cell_energy_density.svg
PřístrojePřístroje
l ři j j k d j á• Voltmetr – připojujeme na svorky zdroje, má velký (nekonečný) odpor, změří vnitřní napětí zdroje
• Ampérmetr – připojujeme do série se p p p j jspotřebičem (nikdy ne na svorky zdroje), má malý (nulový) odpor, změří proud procházející ý ( ý) p , p p jobvodem
• Wattmetr – má proudové a napěťové svorky• Wattmetr – má proudové a napěťové svorky, které se zapojují jako V‐metr a A‐metr
PříkladPříklad
V lt t ěřil ětí tíž é b t ii 10V• Voltmetr změřil napětí na nezatížené baterii 10V. Po připojení spotřebiče s jmenovitým příkonem 10V/10W, pokleslo napětí na svorkách baterie10V/10W, pokleslo napětí na svorkách baterie na 9,8V. Jaký je vnitřní odpor baterie?
• odpor spotřebiče • R = 10Ω• proud spotřebičem • I = 0,98A• odpor na kterém je 0,2V při proudu I = 0,98A• Ri = 0,204Ω• ELI-MC_5.cir
Zajímavosti na závěrZajímavosti na závěr
• Elektronicky řízené zdroje napětíStabilizovaný zdrojý j
Zdroj s omezením proudu ‐ nastavitelným
Zdroj s proudovou pojistkouZdroj s proudovou pojistkou
• Elektronicky řízený zdroj prouduOmezení napětí (dané napájecím zdrojem)
• Nabíječky akumulátorů• Nabíječky akumulátorů
����� ����� ���� �
������� � ��������� ���� �� ����� ������� ����� � ������
�� !"#�$�� �� ��$%���� � ���&�� R
'���� $%�"( ������� $% ����� �������� $%�"( �%$ ���$��� u
�� ��&���
)����� ���� ����� ������ ���� ������� $%�"( % ����������
*���������+ ,� ���$�� i � %������
!�%� ���� $%�"(� $% �������� % ���������(�(� ������� ����-
���� .��/� ����$
u = Ri, i =u
R, R =
u
i
�
)���� % $%�"( ����� ��$% ������ ���� � ��������� �&��������
�$��0�� ! ����� ��%����� �&%(� �� ����$ �&�������� ������
�� ��$ �����$��P (t) = u(t) · i(t), ��� ����$ �� �� 1%��� �2�.
!���$ � �%�� �����%���� �����
W (T ) =∫ T
0P (t)dt =
∫ T
0u(t)i(t)dt,
��� ����� *�$��0��+ �� � 1%����$���� �2��� ��� ���� �����%-
&�$$( ���&/� �3� *���% �&%(�� �% ��&�1%����$ ��2�� 4�2�5
6�7 486 2�+
������� � ������ ���� &��� �&�������� �$��0�� � ����"9��� ��
$% ��&� ����� �� �� $�����%�$�� ������� � ����� �� ��&�
�����$ $%�"( % ������ �&%�$�
WR =∫ T
0u(t)i(t)�� =
∫ T
0
u(t)2
R
�� =∫ T
0Ri(t)2��
�
������� ���� � � � ������
)�� ����& � ��/ ��:$����� ����&$( �������
;���&$( ����� $%�"( ������� $% ����� �������� $%�"( �%$ ���-
$��� u �� ��&���� % � ��� �#���$ ���$ ����� �����"$
*�� ����$�� �%���"$+ � *��+ ���� ������ !�&���$% u �����%����
������� ��� $%�"( ������� % � �%� �� �� ���$� � %� �� ��
�%������ ��"$
;���&$( ����� ������ �� ������ �%���( ����� �������%$ ���-
$� i(t)� % � �% �#��� ���&$��(� �� ��� ��&��� $% ��&���� %
��&%��� $%�"( $% ���� ��������
�
.���$%�� ���������� ��&���$
<%�"( � ����� ���(�� ���$�:���% $���$ ���$�%�� ��
��&��� % %������� %&� � ������ ����$%�(
.���$%�� ���� ���������� ��&���$ �� �"�( ����� �
• .���$%�� $%�"( ���� ��"�% �����%�� ������ ��&(�� % � -
�$%�(�� #����� <%�"( ���%������ �% �&%�$� �� � $% �������
� ��� #���% �%�($� ����(�� = ����&$" �&%�$�� ��&%��� $%�"(
����� ������� �� ��� #���% ��"���� *)�� = ����&$" ��%�$
��&%��"� � ����(�� $%�"( �����$�� ���$���+
• .���$%�� ������ �� ������ ���&(�� #����� *� �&$�� �����+
)���� ���%������ �% �&%�$�� �� � �����(�� ������ = ����&$"
����%�(�(�� � �(�% � � ##(� $%�"(� �� �(�% � $��#(�
$%�"(�
�
4 >������=/� ����$
?���� �#��� �����/ � ��&� �&�������� ������ �� � �%���
��%����� $�&���
R1
R3
R2u(t)
i4(t) i3(t)
i1(t)i2(t)
N∑n=1
in(t) = 0.
�
)��#��$"�� ��� �� � �$%��$� ����� �#��� �"�( ��"���� �� ��&�
,�-&� �� ����� $�&��� *% ���" $����� �#���$ ����� ���$���
���$ $�&�+� �%� $"��� ���$� ������ ����� �����$ '$%-
��$� � ����� �� �� �����$� ��"� ������ �� ��%�$�� $�� ����
� �$%��&� >&%�$� ��"� ������ �� ���$���"�$� ������ �� ��"�
������ �� �&%�$ � �����$ ������
�
@ >������=/� ����$
?���� $%�"( ���& &�����&$ �� �� � ������ �� � �%���
��%����� $�&���
i
R2R3
R1
u4(t)
u3(t)
u2(t)
u1(t)
N∑n=1
un(t) = 0.
�
?���� �����$( �������/
R
i(t)i(t)
R1 R2
u(t)u(t)
u1(t) u2(t) ux(t)
⇐⇒
A&����� ���$�� ������ R ��������� ���� �� �����%&�$$(
����� �����$%�� R1 % R2� �� %����� ��������� ���� �
������ �� ������� u(t) $%�%�( ����� i(t)� ���$� � (�� ����
�������( ������� � ������� R1 % R2 ' @ >������=��% ����$%
�/���� ������
�
u(t) = u1(t) + u2(t) = R1i(t) +R2i(t) = (R1 +R2)i(t)
u(t) = ux(t) = Ri(t) = (R1 +R2)i(t) −→ R = R1 +R2.
3�-&� �%�%��$� N �������/ � ����� �� ���$� �� $%��%�� ���$(�
��������� � �������R =
N∑n=1
Rn.
3�-&� ���&��$� ����� ������ �����/ ���$�&����� �������/ %
�����-&� �#��� ���$� ������ �%� �/���� ������ �%� ����
���$� $%�"( $% �%��� � $���
i(t) =u(t)
R1 +R2u1(t) = R1
u(t)R1 +R2
u2(t) = R2u(t)
R1 +R2.
.���$" $% n-� �������� ���� $%�"(
i(t) =u(t)∑Nn=1Rn
un(t) = Rnu(t)∑Nn=1Rn
(n = 1 . . . N).
�
)%�%&�&$( �����$( �������/
A&����� ����$ �����%&�$$( ������� *���� ���$�� R+� ����
������ ����� �� ������ $%�"( ���$�� �%�� �� ������ �����(
�%�% �%�%&�&$" �����$��� �������/
R
i(t)
R1 R2u(t)u(t)
i1(t) i2(t) ix(t)
⇐⇒
i(t) = i1(t) + i2(t) =u(t)R1+
u(t)R2
ix(t) =u(t)R= i(t)→ 1
R=1
R1+1
R2→ R =
R1.R2R1 +R2
.
��
)�������$�� ���$�� ������ ��$%������ �%�� �������
G = 1/R % ������� �� � ���$����� �����$� �?� *? 5 Ω−1+ 3�-&�
�%�%��$� N �������/ �%�%&�&$"� �� ���$� �� $%��%�� ���$(�
��������� � ������� R $��� �������( G
1R=
N∑n=1
1Rn
G =N∑
n=1Gn.
3%� ���� ���$� �����/� ��� �%���� � �������/ ���������(
����(�� ��� $%����$( $%�"B���� ������� )���� �#%� �$���
��$ ��&���� ����� i(t) ������(�( �� ��&�� � ����� ���� ��
���&��$ ����� �%����$ �/�$ ������� � �%� �� ����"&�$(
������ ���� ���$�&�� ������� ��$��
in(t) =i(t)Gn∑Nn=1Gn
(n = 1 . . . N).
��