eli 2012 1 - cvut.cznoel.feld.cvut.cz/vyu/eli/prednasky/eli_2012_1.pdf · • permanentní paměti...

19
Elektrotechnika pro informatiky Elektrotechnika pro informatiky Prof. Ing. Jan Uhlíř , CSc. Prof. Ing. Jan Uhlíř , CSc. 2012/2013

Upload: others

Post on 01-Jan-2020

20 views

Category:

Documents


0 download

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

I [A]I [A]

U [V]U [V]

IU

R = [ ]ΩI

IUP . [W]

I [A]I [A]

U [V]U [V]

IU

R = [ ]ΩI

IUP .= [W]

• Vlastnosti reálného zdroje ELI‐MC_1.cir(Dynamic DC)

ELI li 2012 1 df• ELI‐sli‐2012_1.pdf

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

Děkuji za pozornost

����� ����� ���� �

������� � ��������� ���� �� ����� ������� ����� � ������

�� !"#�$�� �� ��$%���� � ���&�� 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).

��