Μηχανοτρονική Μάθημα ΙI Διασύνδεση, τροφοδοσία και επικοινωνία συστημάτων

Μηχανοτρονική Μάθημα ΙI Διασύνδεση, τροφοδοσία και επικοινωνία συστημάτων Καθηγητής Αντώνιος Γαστεράτος, Δρ. Αθανάσιος Ψωμούλης Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης, Δ.Π.Θ. 1

Διασύνδεση, Τροφοδοσία και Επικοινωνία Συστημάτων Μηχανοτρονικά συστήματα Μικτά συστήματα, τα οποία εκτός των μηχανολογικών διατάξεων περιλαμβάνουν διάφορες ηλεκτρικές, ηλεκτρονικές και υπολογιστικές διατάξεις. Η καλή (σωστή, αποδοτική και αξιόπιστη) λειτουργία των συστημάτων αυτών, πέραν από την καλή λειτουργία του καθενός εκ των διαφορετικών εξαρτημάτων/υποσυστημάτων ξεχωριστά, εξαρτάται από: 1. την σωστή, αποδοτική διασύνδεση τους με τις ελάχιστες δυνατές απώλειες (προσαρμογή σύνθετης αντίστασης, μετατροπή ρεύματος σε τάση και τάσης σε ρεύμα, χρήση αντιστάσεων άνω/κάτω έλξης ή εξειδικευμένων κυκλωμάτων προσαρμογής για τη σύνδεση κυκλωμάτων διαφορετικής τεχνολογίας, θωράκιση από παρεμβολές, κλπ.) 2. την σωστή, σταθεροποιημένη (σύμφωνα με τις προδιαγραφές) τροφοδοσία τους 3. την σωστή (κατάλληλότερη ανά περίπτωση - σειριακή σύγχρονη ή ασύγχρονη, παράλληλη) επικοινωνία τους για την μεταφορά δεδομένων/εντολών. 2

Μονόθυρο Δίκτυο Μονόθυρο δίκτυο I Δίκτυο κυκλωματικών στοιχείων με ένα ζεύγος ακροδεκτών (Θύρα - σημείο πρόσβασης στο δίκτυο) Γνωστά μονόθυρα: αντιστάτης, πυκνωτής, πηνίο Θύρα V - μονόθυρο δίκτυο 3

Δίθυρο Δίκτυο Δίθυρο δίκτυο I 1 I 2 Δίκτυο κυκλωματικών στοιχείων με δύο ζεύγη ακροδεκτών (2 Θύρες - σημεία πρόσβασης στο δίκτυο) Γνωστά δίθυρα: τρανζίστορ, τελεστικός ενισχυτής, μετασχηματιστής Θύρα V 1 - δίθυρο I 1 δίκτυο I 2 V 2 - Θύρα Δεν μπορούν να γίνουν συνδέσεις μεταξύ δύο ακροδεκτών διαφορετικών θυρών του ίδιου δίθυρου δικτύου. Μπορούν να γίνουν συνδέσεις μεταξύ των δύο ακροδεκτών της κάθε θύρας του ίδιου δίθυρου δικτύου. Κοινή περίπτωση σύνδεσης τροφοδοσίας και φορτίου σε ένα δίθυρο δίκτυο. I 1 I 2 πηγή V 1 - δίθυρο δίκτυο V 2 - φορτίο 4

Δίθυρο Δίκτυο Η ανάλυση των δίθυρων δικτύων γίνεται γιατί: τα δίκτυα αυτά είναι χρήσιμα στην μοντελοποίηση συστημάτων επικοινωνιών, ελέγχου, παροχής ισχύος και ηλεκτρονικών. γνωρίζοντας τις παραμέτρους (σύνθετη αντίσταση, σύνθετη αγωγιμότητα, υβριδικό h, αντίστροφο υβριδικό g, μετάδοση t, αντίστροφη μετάδοση t -1 ) ενός δίθυρου δικτύου μπορούμε να το χειριστούμε σαν ενα μαύρο κουτί όταν το χρησιμοποιούμε / ενσωματώνουμε μέσα σε ένα μεγαλύτερο κύκλωμα/σύστημα. Θύρα V 1 - I 1 I 2 I 1 δίθυρο δίκτυο I 2 V 2 - Θύρα Σε ένα δίθυρο δίκτυο μπορούμε να συσχετίσουμε μεταξύ τους τις τέσσερις μεταβλητές V 1, V 2, I 1 και I 2, (από τις οποίες δύο είναι εξαρτημένες και δύο ανεξάρτητες) μέσω των παραμέτρων του δίθυρου δικτύου (σύνθετη αντίσταση, σύνθετη αγωγιμότητα, υβριδικό h, αντίστροφο υβριδικό g, μετάδοση t, αντίστροφη μετάδοση t -1 ). Όπως και στην περίπτωση των τελεστικών ενισχυτών ενδιαφερόμαστε μόνο για τη συμπεριφορά των διθύρων στους ακροδέκτες τους και όχι για το εσωτερικό τους κύκλωμα. 5

Δίθυρο Δίκτυο Έξι εναλλακτικοί τρόποι περιγραφής ενός δίθυρου δικτύου Έξι πιθανά ζευγάρια ανεξάρτητων μεταβλητών από τις οποίες προκύπτει η τιμή των εξαρτημένων μεταβλητών και οι παράμετροι που προκύπτουν ανάλογα με την επιλογή ανεξάρτητων και εξαρτημένων μεταβλητών. ** Οι παράμετροι σύνθετης αντίστασης z και σύνθετης αγωγιμότητας y χρησιμοποιούνται ευρέως στη σύνθεση φίλτρων, καθώς επίσης και στο σχεδιασμό/ανάλυση δικτύων κατανομής ισχύος και προσαρμογής σύνθετης αντίστασης. 6

Δίθυρο Δίκτυο Εξισώσεις που συσχετίζουν τις ανεξάρτητες μεταβλητές I 1, I 2, με τις εξαρτημένες μεταβλητές V 1, V 2, μέσω των παραμέτρων σύνθετης αντίστασης z Θύρα V1 - I 1 I 2 I 1 δίθυρο δίκτυο I 2 V 2 - Θύρα Ισοδύναμο κύκλωμα δίθυρου δικτύου αναπαραστoύμενο με παραμέτρους σύνθετης αντίστασης z Υπολογισμός παραμέτρων σύνθετης αντίστασης z z 11 = σύνθετη αντίσταση εισόδου με την έξοδο ανοιχτοκυκλωμένη z 21 = σύνθετη αντίσταση μεταφοράς από τη θύρα 2 στη θύρα 1 με την έξοδο ανοιχτοκυκλωμένη z 12 = σύνθετη αντίσταση μεταφοράς από τη θύρα 1 στη θύρα 2 με την είσοδο ανοιχτοκυκλωμένη z 22 = σύνθετη αντίσταση εξόδου με την είσοδο ανοιχτοκυκλωμένη 7

Δίθυρο Δίκτυο Εξισώσεις που συσχετίζουν τις ανεξάρτητες μεταβλητές V 1, V 2, με τις εξαρτημένες μεταβλητές I 1, I 2, μέσω των παραμέτρων σύνθετης αγωγιμότητας y Θύρα V1 - I 1 I 2 I 1 δίθυρο δίκτυο I 2 V 2 - Θύρα Ισοδύναμο κύκλωμα δίθυρου δικτύου αναπαραστoύμενο με παραμέτρους σύνθετης αγωγιμότητας y Υπολογισμός παραμέτρων σύνθετης αγωγιμότητας y y 11 = σύνθετη αγωγιμότητα εισόδου με την έξοδο βραχυκυκλωμένη y 21 = σύνθετη αγωγιμότητα μεταφοράς από τη θύρα 2 στη θύρα 1 με την έξοδο βραχυκυκλωμένη y 12 = σύνθετη αγωγιμότητα μεταφοράς από τη θύρα 1 στη θύρα 2 με την είσοδο βραχυκυκλωμένη y 22 = σύνθετη αγωγιμότητα εξόδου με την είσοδο βραχυκυκλωμένη 8

Δίθυρο Δίκτυο Εξισώσεις που συσχετίζουν τις ανεξάρτητες μεταβλητές I 1, V 2, με τις εξαρτημένες μεταβλητές V 1, I 2, μέσω των υβριδικών παραμέτρων h Θύρα V1 - I 1 I 2 I 1 δίθυρο δίκτυο I 2 V 2 - Θύρα Ισοδύναμο κύκλωμα δίθυρου δικτύου αναπαραστούμενο με υβριδικές παραμέτρους h Υπολογισμός υβριδικών παραμέτρων h h 11 = σύνθετη αντίσταση εισόδου με την έξοδο βραχυκυκλωμένη h 21 = πρόσω κέρδος ρεύματος με την έξοδο βραχυκυκλωμένη h 12 = ανάστροφο κέρδος τάσης με την είσοδο ανυχτοκυκλωμένη h 22 = σύνθετη αγωγιμότητα εξόδου με την είσοδο ανυχτοκυκλωμένη 9

Δίθυρο Δίκτυο Εξισώσεις που συσχετίζουν τις ανεξάρτητες μεταβλητές V 1, I 2, με τις εξαρτημένες μεταβλητές I 1, V 2, μέσω των αντίστροφων υβριδικών παραμέτρων g Θύρα V1 - I 1 I 2 I 1 δίθυρο δίκτυο I 2 V 2 - Θύρα Ισοδύναμο κύκλωμα δίθυρου δικτύου αναπαραστούμενο με αντίστροφες υβριδικές παραμέτρους g Υπολογισμός αντίστροφων υβριδικών παραμέτρων g g 11 = σύνθετη αγωγιμότητα εισόδου με την έξοδο ανυχτοκυκλωμένη g 21 = πρόσω κέρδος τάσης με την έξοδο ανυχτοκυκλωμένη g 12 = ανάστροφο κέρδος ρεύματος με την είσοδο βραχυκυκλωμένη g 22 = σύνθετη αντίσταση εξόδου με την είσοδο βραχυκυκλωμένη 10

Εξισώσεις που συσχετίζουν τις ανεξάρτητες μεταβλητές V 2, I 2, με τις εξαρτημένες μεταβλητές V 1, I 1, μέσω των παραμέτρων μετάδοσης t ( ή ABCD) Δίθυρο Δίκτυο Υπολογισμός των παραμέτρων μετάδοσης t (ή ABCD) A (ή t 11 ) = λόγος τάσεων με την έξοδο ανυχτοκυκλωμένη B (ή t 12 ) = αρνητική μετάδοση σύνθετης αντίστασης με την έξοδο βραχυκυκλωμένη C (ή t 21 ) = μετάδοση σύνθετης αγωγιμότητας με την έξοδο ανυχτοκυκλωμένη D (ή t 22 ) = αρνητικός λόγος ρευμάτων με την έξοδο βραχυκυκλωμένη 11

Δίθυρο Δίκτυο Εξισώσεις που συσχετίζουν τις ανεξάρτητες μεταβλητές V 1, I 1, με τις εξαρτημένες μεταβλητές V 2, I 2, μέσω των παραμέτρων αντίστροφης μετάδοσης t -1 ( ή abcd) Υπολογισμός των παραμέτρων αντίστροφης μετάδοσης t -1 (ή abcd) a (ή t -1 11 ) = κέρδος τάσεων με την είσοδο ανυχτοκυκλωμένη b (ή t -1 12 ) = αρνητική μετάδοση σύνθετης αντίστασης με την είσοδο βραχυκυκλωμένη c (ή t -1 21 ) = μετάδοση σύνθετης αγωγιμότητας με την είσοδο ανυχτοκυκλωμένη d (ή t -1 22 ) = αρνητικό κέρδος ρευμάτων με την είσοδο βραχυκυκλωμένη 12

Δίθυρο Δίκτυο Ε ξ ι σ ώ σ ε ι ς π ε ρ ι γ ρ α φ ή ς τ η ς λειτουργίας ενός npn - τρανζίστορ μ έ σ ω τ ω ν υβριδικών του παραμέτρων h Ι σ ο δ ύ ν α μ ο κ ύ κ λ ω μ α δ ί θ υ ρ ο υ δ ι κ τ ύ ο υ αναπαραστούμενο με υβριδικές παραμέτρους h Κύκλωμα npn τρανζίστορ κοινού εκπομπού Ισοδύναμο κύκλωμα npn τρανζίστορ κοινού εκπομπού αναπαραστούμενο με υβριδικές παραμέτρους h Κύκλωμα ενός npn τρανζίστορ κοινού εκπομπού αναπαραστούμενο με υβριδικές παραμέτρους h μαζί με την πηγή τροφοδοσίας του και του φορτίου του 13

Δίθυρο Δίκτυο Πίνακας μετατροπών μεταξύ των διαφόρων παραμέτρων ενός δίθυρου δικτύου 14

Παράδειγμα Να υπολογίσετε τις παραμέτρους z για το παρακάτω δίθυρο δίκτυο. Επειδή z11 = V1/I1 όταν Ι2=0 και εφαρμόζοντας το δεύτερο κανόνα του Kirchhoff όταν Ι2=0 λαμβάνουμε: V1 = I1Ζ1 Ι1Ζ3 = I1(Ζ1 Ζ3) Επομένως: z11 = V1/I1 = Ζ1 Ζ3 Ομοίως, z21 = V2/I1 όταν Ι2=0 και από το σχήμα απευθείας προκύπτει πως: V2 = Ι1Ζ3 Επομένως: z21 = V2/I1 = Ζ3 Επιπλέον z22 = V2/I2 όταν Ι1=0 και εφαρμόζοντας το δεύτερο κανόνα του Kirchhoff όταν Ι2=0 λαμβάνουμε: V2 = I2Ζ2 Ι2Ζ3 = I2(Ζ2 Ζ3) Επομένως: z22=v2/i2 =Ζ2 Ζ3 Τέλος, z12 = V1/I2 όταν Ι1=0 και από το σχήμα απευθείας προκύπτει πως: V1 = Ι2Ζ3 Επομένως: z12 = V1/I2 = Ζ3 Το δίθυρο δίκτυο αποτελείται μόνο από ωμικές αντιστάσεις και συνεπώς είναι αμοιβαίο. Πραγματικά z12=z21. Αντικαθιστώντας τις τιμές των αντιστάσεων από το σχήμα προκύπτει ότι: z11 = 10Ω 5Ω = 15Ω z12 = z21 = 5Ω και z22 = 5Ω 5Ω = 10Ω 15 V 1 I 1 Ζ 1 =10Ω Ζ 2 = 5Ω I 2 Ζ 3 = 5Ω V 2

Δίθυρο Δίκτυο I 1 I 2 Εξισώσεις μετατροπής δικτύου τύπου Τ σε τύπου Π Ζ 1 Ζ 2 V 1 Ζ 3 V 2 Εξισώσεις μετατροπής δικτύου τύπου Π σε τύπου Τ I 1 I 2 Ζ c V 1 Ζa Ζb V 2 16

Παράδειγμα Να υπολογίσετε το ισοδύναμο κύκλωμα τύπου Π για το κύκλωμα τύπου Τ που εξετάσαμε στο προηγούμενο Παράδειγμα. Με εφαρμογή των τιμών των αντιστάσεων απευθείας στις Σχέσεις μετατροπής Τ σε Π μπορούμε να λάβουμε τις τιμές των Ζa, Ζb και Ζc: V 1 I 1 Ζ 1 =10Ω Ζ 2 = 5Ω I 2 Ζ3= 5Ω V 2 Ζa = (10 5 5 5 5 10)Ω2/5Ω = 25Ω Ζb = (10 5 5 5 5 10)Ω2/10Ω = 12,5Ω Ζc = (10 5 5 5 5 10)Ω2/5Ω = 25Ω Συνεπώς το ισοδύναμο δίθυρο δίκτυο είναι όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. I 1 Ζ c =25Ω I 2 V 1 Ζ a = 25Ω Ζb= 12,5Ω V 2 17

Σύνδεση Δίθυρων Δικτύων Απλά δίθυρα δίκτυα μπορούν να θεωρηθούν ως δομικά κυκλωματικά στοιχεία τα οποία μπορούν να συνδεθούν κατάλληλα έτσι ώστε να υλοποιήσουν πολύπλοκα δίκτυα, ή μεγάλα, πολύπλοκα δίκτυα μπορούν να μελετηθούν/αναλυθούν πολύ ευκολότερα αν σπάσουν σε διασυνδεδεμένα απλούστερα δίθυρα δίκτυα. Τρόποι σύνδεσης: σε σειρά (πλεονεκτικότερη περιγραφή των δίθυρων δικτύων μέσω των παραμέτρων σύνθετης αντίστασης z), παράλληλα (πλεονεκτικότερη περιγραφή των δίθυρων δικτύων μέσω των παραμέτρων σύνθετης αγωγιμότητας y), σε διαδοχή / αλληλουχία (cascade) [πλεονεκτικότερη περιγραφή των δίθυρων δικτύων μέσω των παραμέτρων μετάδοσης t (ή ABCD)] 18

Σύνδεση Δίθυρων Δικτύων σε Σειρά 19

Σύνδεση Δίθυρων Δικτύων Παράλληλα 20

Σύνδεση Δίθυρων Δικτύων σε Διαδοχή/Αλληλουχία 21

Θεώρημα μέγιστης μεταφοράς ισχύος Οι πραγματικές (μη ιδανικές) πηγές διαθέτουν εσωτερική αντίσταση (R S ). Όταν συνδέονται με ένα φορτίο (R L ), δεν μπορεί να εμφανιστεί όλη η τάση ανοικτοκύκλωσης τους στο φορτίο, αλλά ένα μέρος της εμφανίζεται ως πτώση τάσης στην εσωτερική τους αντίσταση. Δεν μπορούμε να επέμβουμε στην εσωτερική αντίσταση μιας πηγής. Μπορούμε να διαλέξουμε την τιμή αντίστασης φορτίου που θα βελτιστοποιεί την διατιθέμενη από την πηγή ισχύ; Στο παραπάνω ερώτημα απαντά το θεώρημα της μέγιστης μεταφοράς ισχύος ή νόμος του Jacobi. Για να μεγιστοποιθεί η ισχύς που μία πηγή με πεπερασμένη εσωτερική αντίσταση αποδίδει σε ένα εξωτερικό φορτίο, θα πρέπει η τιμή της αντίστασης του φορτίου να είναι ίση με την τιμή της εσωτερικής αντίστασης της πηγής. - για dc κυκλώματα: R L = R S (η αντίσταση φορτίου είναι ίση με την εσωτερική αντίσταση της πηγής) - για ac κυκλώματα: Z L * = Z S (η σύνθετη αντίσταση φορτίου είναι ίση με την μιγαδική συζηγή της εσωτερικής σύνθετης αντίστασης της πηγής) 22

Θεώρημα μέγιστης μεταφοράς ισχύος Ανεξάρτητη πηγή και φορτίο, όπου Rs=25 Ω, RL μεταβλητή από 0 έως 100 Ω και VS=100 V 23

Θεώρημα μέγιστης μεταφοράς ισχύος Η μεταφορά ισχύος μεγιστοποιείται όταν η αντίσταση φορτίου γίνει ίση με την εσωτερική αντίσταση της πηγής. Ποια είναι όμως απόδοση του συστήματος; Ως απόδοση του συστήματος ορίζεται ο λόγος της ισχύος που καταναλώνεται στο φορτίο προς τη συνολική ισχύ που αποδίδει η πηγή στο κύκλωμα. Επομένως η ισχύς που αποδίδεται στο κύκλωμα μεγιστοποιείται μεν όταν R L = R S, αλλά η απόδοση η είναι μόνο 50%. Για να μεγιστοποιηθεί η απόδοση θα πρέπει να συμβαίνει R L = οο ή R S = 0, ή να συμβαίνουν και τα δύο. 24

Θεώρημα μέγιστης μεταφοράς ισχύος Ανεξάρτητη πηγή, δίθυρο δίκτυο και φορτίο I L V TH R TH δίθυρο δίκτυο R L Η απώλεια ισχύος σε db είναι : όπου P (a) και P (b) η ισχύς που καταναλώνεται στο φορτίο μετά και πριν την εισαγωγή του δίθυρου δικτύου, αντίστοιχα. Η παραπάνω Σχέση μπορεί να γραφτεί και ως λόγος ρευμάτων, ως εξής: όπου Ι L(a) και Ι L(b) το ρεύμα στο φορτίο μετά και πριν την εισαγωγή του δίθυρου δικτύου, αντίστοιχα. 25

Παράδειγμα Έστω ότι η πηγή του παρακάτω σχήματος με εσωτερική αντίσταση 75 Ω είναι συνδεδεμένη με ένα φορτίο επίσης 75 Ω. Να υπολογίσετε: (α) την απόδοση του κυκλώματος πριν και μετά την εισαγωγή του δίθυρου δικτύου και (β) την απώλεια ισχύος μετά την εισαγωγή του δίθυρου δικτύου. (α) Πριν την εισαγωγή του δίθυρου δικτύου η απόδοση είναι: η = 1/(75Ω/75Ω 1)x100% = 50% και το ρεύμα φορτίου είναι: Ι L = 15V/(75Ω75Ω) = 100mA, το οποίο είναι το Ι L(b) 15V 75Ω 75Ω 1kΩ 1,3kΩ Μετά την εισαγωγή του δικτύου, το ρεύμα Ι στο συνολικό κύκλωμα είναι: Ι = Ε/(R S (R 2 (R 1 R L ))) = 15V/611,58Ω = 22,6mA R S =75Ω I R 1 =1kΩ Λόγω του διαιρέτη ρεύματος το ρεύμα φορτίου είναι: Ι L = Ι (R 2 (R 1 R L ))/(R 1 R L ) = 12,4mA, το οποίο είναι το Ι L(a) E=15V I 2 R 2 =1,3kΩ R L =75Ω και το ρεύμα στην αντίσταση R 2 είναι: Ι 2 = Ι (R 2 (R 1 R L ))/R 2 = 10,2mA I L Συνεπώς η συνολική κατανάλωση ισχύος είναι: P = I 2 R S I 2 2 R2 I L 2 (R1 R L ) = 339mW εκ των οποίων στο φορτίο καταναλώνονται τα I L 2 RL = 11,5mW Συνεπώς η απόδοση είναι: η = (11,5mW/339mW) x 100% = 3,39% μόλις. (β) Η απώλεια ισχύος λόγω της εισαγωγής του δίθυρου δικτύου είναι: 20log(100/12,4) = 18,13dB 26

Προσαρμογή Σύνθετης Αντίστασης Σε κάθε σημείο διασύνδεσης εξαρτημάτων, όπως οι αισθητήρες, οι ενεργοποιητές, τα κυκλώματα αποκατάστασης σήματος, κ.ά., είναι απαραίτητο να προσαρμόζονται σωστά οι σύνθετες αντιστάσεις εξόδου - εισόδου τους, προκειμένου να επιτευχθεί η ονομαστική τους απόδοση. Αρνητικά αποτελέσματα της μη ορθής προσαρμογής της σύνθετης αντίστασης δύο διασυνδεδεμένων εξαρτημάτων είναι: η μεγάλη απώλεια ισχύος (μη ικανοποίηση του θεωρήματος μέγιστης μεταφοράς ισχύος) και η αύξηση της θερμοκρασίας η παραμόρφωση του σήματος κατά τη λήψη μέτρησης από ένα αισθητήριο (το πλάτος του σφάλματος που μπορεί να προκύψει μπορεί να υπερβαίνει κατά πολύ τα λοιπά σφάλματα μέτρησης) η εμφάνιση διαφοράς φάσης μεταξύ του σήματος εισόδου και του σήματος εξόδου τα ανεπαρκή επίπεδα σήματος εξόδου, τα οποία μπορούν να καταστήσουν δύσκολη τη λειτουργία εξόδου, όπως επεξεργασία και μετάδοση σήματος ή οδήγηση ενεργοποιητή. 27

Προσαρμογή Σύνθετης Αντίστασης Ορισμένα αισθητήρια, όπως αυτά που βασίζουν τη λειτουργία τους στο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, παρουσιάζουν μεγάλη σύνθετη αντίσταση εξόδου, της τάξεως των αρκετών kω, και επίπεδο σήματος σχετικά χαμηλό για μετάδοση, επεξεργασία, ενεργοποίηση και έλεγχο. Η λύση στο πρόβλημα αυτό είναι η εισαγωγή διαδοχικών κυκλωμάτων ενίσχυσης με το πρώτο να αποτελεί τον ενισχυτή προσαρμογής σύνθετης αντίστασης (κύκλωμα τελεστικού ενισχυτή με ανάδραση, με υψηλή σύνθετη αντίσταση στην είσοδο και χαμηλή - μερικά Ω - στην έξοδο). Μία συσκευή υψηλής αντίστασης εισόδου παρουσιάζει συνήθως το πλεονέκτημα της χαμηλής κατανάλωσης ισχύος. Αντίθετα μία συσκευή με χαμηλή αντίσταση εισόδου αποτελεί πηγή φόρτωσης της προηγούμενης βαθμίδας, αφού η υψηλή κατανάλωση ισχύος που απαιτεί μία τέτοια συσκευή απορροφείται από αυτή. 28

Παράδειγμα Στο παρακάτω σχήμα έχουμε ένα διαιρέτη τάσης που αποτελείται από δύο αντιστάσεις 1kΩ και 2kΩ. Η τάση στην αντίσταση 2kΩ είναι 8V λόγω του διαιρέτη. Παράλληλα στη δεύτερη αντίσταση θέλουμε να συνδέσουμε αντίσταση 10Ω. Αρχικά το ρεύμα που ρέει στο διαιρέτη τάσης είναι 12V/ 3kΩ = 4mA. Αν υποθέσουμε ότι συνδέουμε το φορτίο απευθείας, τότε θα είναι παράλληλα με την αντίσταση 2kΩ και η συνολική αντίσταση θα είναι 1kΩ (2kΩ 10Ω) = 1kΩ. 1kΩ 2kΩ 12V 10Ω Επομένως το ρεύμα στο διαιρέτη τάσης θα είναι περίπου 12V/1kΩ = 12mA. Αυτό θα περάσει σχεδόν αποκλειστικά από την αντίσταση 10Ω, κάνοντας την πτώση τάση στα άκρα της σχεδόν 120mV και όχι 8V που θέλαμε. Το αποτέλεσμα λοιπόν είναι ότι η μικρή αντίσταση φορτίου θα «ρίξει» την τάση και θα «στεγνώσει» το ρεύμα. 29

Παράδειγμα Για την αποφυγή του προβλήματος αυτού θα χρησιμοποιηθεί ένας απομονωτής ως ενισχυτής προσαρμογής σύνθετης αντίστασης, όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα. 1kΩ 12V Αρχικά το ρεύμα που έχουμε στο διαιρέτη τάσης είναι 12V/3kΩ = 4mA. Συνδέοντας τον απομονωτή, όπως φαίνεται στο σχήμα, το ρεύμα στο διαιρέτη τάσης παραμένει 4mA και δε διακλαδίζεται στο σημείο λήψης του διαιρέτη τάσης, γιατί η αντίσταση εισόδου του τελεστικού ενισχυτή είναι «άπειρη». 2kΩ Έτσι η τάση στο σημείο λήψης παραμένει 8V, η οποία μεταφέρεται λόγω του τελεστικού από τη μη αναστρέφουσα στην αναστρέφουσα είσοδο και μέσω της ανάδρασης στην έξοδο και από κει στο φορτίο. 30

Μηχανισμοί Σύζευξης Τα ασθενή σήματα που προέρχονται συνήθως από αισθητήρια μπορεί να υποφέρουν από την παρουσία θορύβου αν δεν ληφθούν κατάλληλα μέτρα. Ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή: μορφή θορύβου ή οποία προκαλείται από διακυμάνσεις μαγνητικών πεδίων λόγω γειτνίασης με γραμμές ισχύος ac ή με ηλεκτρικές μηχανές μπορεί να επηρεάσει οποιοδήποτε τμήμα του συστήματος, περιλαμβανομένων του αισθητηρίου, των ηλεκτρονικών, της διασύνδεσης τρόποι αποφυγής: η απομάκρυνση του συστήματος από την πηγή ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής η χρήση οπτικής ίνας για τη μετάδοση του σήματος, αφού η οπτική μετάδοση σήματος είναι απρόσβλητη σε ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή όταν η μετάδοση γίνεται με καλώδιο, τότε αυτό μπορεί να είναι συνεστραμμένο ή θωρακισμένο, κάτι που κάνει τον θόρυβο να επάγεται ισοδύναμα και να καταστέλλεται πιο εύκολα με έναν ενισχυτή οργανολογίας 31

Μηχανισμοί Σύζευξης Ρεύμα σήματος επιστροφής και βρόχοι γείωσης Η ορθή γείωση λοιπόν είναι απαραίτητη για την ασφάλεια προσωπικού και εξοπλισμού. Η γείωση είναι ένα πραγματικό ισοδυναμικό επίπεδο που χρησιμοποιείται ως κοινό δυναμικό αναφοράς απομακρυσμένων συστημάτων. Στην ιδανική περίπτωση η αγωγιμότητα του εδάφους είναι άπειρη, πρακτικά ομως είναι πεπερασμένη. Οπότε πάντα θα υπάρχει αντίσταση μεταξύ δύο απομακρυσμένων σημείων γείωσης και επομένως και διαφορά δυναμικού, κάτι που προκαλεί τη ροή ρεύματος επιστροφής. αισθητήριο σήμα πεπερασμένη αγωγιμότητα εδάφους ρεύμα επιστροφής σύστημα πρόσκτησης δεδομένων Περίπτωση ενός αισθητηρίου, το οποίο είναι απομακρυσμένο από το υπόλοιπο σύστημα πρόσκτησης δεδομένων και συνδέεται με αυτό με μονή γραμμή. Το αποτέλεσμα είναι να υπάρχει ρεύμα σήματος επιστροφής. 32

Μηχανισμοί Σύζευξης Ρεύμα σήματος επιστροφής και βρόχοι γείωσης θα πρέπει να εξασφαλίζεται ότι η αγώγιμη σύνδεσή ενός συστήματος με τη γείωση γίνεται μέσω μιας πάρα πολύ μικρής σύνθετης αντίστασης (τυπικά < 0.1Ω). Η παρουσία παρασιτικών ρευμάτων στο βρόχο γείωσης έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή σήματος κοινού ρυθμού, το οποίο πρακτικά είναι θόρυβος, αφού η τάση κοινού ρυθμού δημιουργεί σφάλμα στη μετρούμενη τάση. V ο V ο Περίπτωση που σε ένα κύκλωμα που περιλαμβάνει αισθητήριο παρουσιάζεται βρόχος γείωσης και πώς αυτός μπορεί να αποφευχθεί Z S V S αισθητήριο Z S V S αισθητήριο A βρόχος γείωσης V ΑΒ B A V ΑΒ B 33

Μηχανισμοί Σύζευξης - Χωρητική V N χωρητική σύζευξη Η χωρητική σύζευξη παρατηρείται σε σημεία όπου γειτνιάζουν αγωγοί, μεταξύ των οποίων μπορούν να δημιουργηθούν ηλεκτροστατικά πεδία. Z S V S αισθητήριο R L Όταν δύο αγωγοί είναι τοποθετημένοι σε παράλληλη διάταξη συμπεριφέρονται σαν οπλισμοί πυκνωτή χαμηλής απόδοσης. Έτσι, εμφανίζονται παρασιτικές χωρητικότητες που επηρεάζουν την πιστότητα του σήματος. Z S αισθητήριο V S R L V N C P Ισοδύναμο κύκλωμα Η παρασιτική χωρητικότητα εξαιτίας της χωρητικής σύζευξης έχει μοντελοποιηθεί ως πυκνωτής (C P ) και η πηγή θορύβου ως ανεξάρτητη πηγή τάσης (V N ). Αντιμετώπιση διαχωρισμός/απομάκρυνση των δύο αγωγών, προστασία του διαταρασσόμενου αγωγού με θωράκιση (χρήση ομοαξονικού καλωδίου) 34

Μηχανισμοί Σύζευξης - Επαγωγική Z S V S αισθητήριο V N R L Η επαγωγική σύζευξη παρατηρείται: (α) όταν δύο αγωγοί βρίσκονται πολύ κοντά, και ο ένας τους διαρρέεται από εναλλασσόμενο ρεύμα, (β) εξαιτίας της ύπαρξης ασύρματων μέσων (π.χ. κινητά τηλέφωνα) που μπορούν να επηρεάσουν ένα ενσύρματο ηλεκτρονικό σύστημα, (γ) σε περιπτώσεις που το σύστημα βρίσκεται κοντά σε κυκλώματα μεταγωγής ή σε ηλεκτρονόμους (ρελέ), καθώς και (δ) σε περιπτώσεις ραδιοσυχνοτικής σύνδεσης, όπου συμβαίνει σύζευξη συχνότητας. Ισοδύναμο κύκλωμα R L Η παρασιτική επαγωγή εξαιτίας της επαγωγικής σύζευξης έχει μοντελοποιηθεί με τα πηνία ενός μετασχηματιστή και η πηγή θορύβου ως ανεξάρτητη πηγή τάσης (V N ). Z S V S αισθητήριο V N Αντιμετώπιση μείωση των ακτινοβολιών στο επίπεδο του αγωγού που προκαλεί τη διαταραχή, με προστασία του διαταρασσόμενου αγωγού από εξωτερικά μαγνητικά πεδία, με την ενθυλάκωση του συστήματος σε υλικό πολύ χαμηλής διαπερατότητας. 35

Μετατροπείς Τάσης σε Ρεύμα και Ρεύματος σε Τάση Σε ορισμένα κυκλώματα (π.χ. μετατροπείς ψηφιακού σήματος σε αναλογικό) η έξοδος είναι τάση ενώ χρειαζόμαστε ρεύμα ή το αντίστροφο, δηλαδή η έξοδος είναι ρεύμα ενώ χρειαζόμαστε τάση. Στις περιπτώσεις αυτές χρειαζόμαστε μετατροπέα τάσης σε ρεύμα ή ρεύματος σε τάση, αντίστοιχα. Ο πιο απλός τέτοιος μετατροπέας είναι μία απλή αντίσταση, η οποία με βάση το νόμο του Ohm επαρκεί για τη μετατροπή τάσης σε ρεύμα ή το αντίστροφο. Ωστόσο, λόγω ανοχών, ατελειών και κυρίως φόρτωσης η λύση αυτή δεν είναι ικανοποιητική σε εφαρμογές που απαιτούν ακρίβεια. Για το λόγο αυτό συνήθως χρησιμοποιούμε κυκλώματα τελεστικών ενισχυτών μαζί με αντιστάσεις. 36

Μετατροπείς Τάσης σε Ρεύμα και Ρεύματος σε Τάση Μετατροπέας τάσης σε ρεύμα V i R CS I L R L Η είσοδος V i η οποία οδηγεί τη μη αναστρέφουσα είσοδο του τελεστικού ενισχυτή, εμφανίζεται και στον κόμβο άθροισης. Έτσι το ρεύμα Ι L αναπτύσσεται πάνω στην αντίσταση R CS και είναι ανεξάρτητο του φορτίου R L : Ι L = V i /R CS δηλ. οι μεταβολές του ρεύματος εξαρτώνται μόνο από τις μεταβολές της τάσης εισόδου. 37

Μετατροπείς Τάσης σε Ρεύμα και Ρεύματος σε Τάση Μετατροπέας ακριβείας τάσης σε ρεύμα Η είσοδος V i εφαρμόζεται στη μη αναστρέφουσα είσοδο του τελεστικού ενισχυτή ενώ στην αναστρέφουσα είσοδο εφαρμόζεται ανάδραση από την πηγή ενός MOSFET. I L R L Η έξοδος του τελεστικού ενισχυτή οδηγεί την πύλη του MOSFET. V i Λόγω της πολύ υψηλής αντίστασης εισόδου του τελεστικού ενισχυτή η είσοδος V i εμφανίζεται και στον κόμβο άθροισης και επομένως και στην αντίσταση R CS. R CS Το ρεύμα στον απαγωγό θα είναι V i /R CS, το οποίο θα είναι το ίδιο στην πηγή του MOSFET (Ι L ), ανεξάρτητα από το φορτίο που θα θέσουμε σε αυτήν, αρκεί το MOSFET να άγει, κάτι για το οποίο φροντίζει ο τελεστικός ενυσχυτής. 38

Μετατροπείς Τάσης σε Ρεύμα και Ρεύματος σε Τάση Μετατροπέας ρεύματος σε τάση V I i R VS Η έξοδος του τελεστικού ενισχυτή V o παράγεται από το ρεύμα Ι i και η τιμή της ρυθμίζεται από την αντίσταση R VS : V o I i V o = Ι i R VS 39

Μετατροπείς Τάσης σε Ρεύμα και Ρεύματος σε Τάση Μετατροπέας ακριβείας ρεύματος σε τάση V I i Η έξοδος του τελεστικού ενισχυτή V o παράγεται από το ρεύμα Ι i, και η τιμή της ρυθμίζεται από την αντίσταση R VS, αλλά ως προς μία αρνητική τάση αναφοράς V, παρά ως προς τη γείωση. I i V o R VS -V 40

Αντιστάσεις Άνω και Κάτω Έλξης Στα εν λειτουργία ψηφιακά κυκλώματα, τα οποία αποτελούν μέρος ενός ευρύτερου συστήματος, όλες οι είσοδοι, είτε χρησιμοποιούνται είτε όχι, θα πρέπει να τίθενται (πολώνονται) σωστά, σε υψηλή (High) ή χαμηλή (Low) λογική στάθμη, ανάλογα με την επιθυμητή λειτουργία. Πρόβλημα: Η μη ικανοποίηση του κανόνα αυτού, όπως δηλ. σε περιπτώσεις (a) μή σωστής πόλωσης/ οδήγησης εισόδου/ων, ή (b) ύπαρξης μόνιμα ή για κάποια χρονικά διαστήματα ασύνδετης/ ων εισόδου/ων, μπορεί να οδηγήσει το κύκλωμα σε δυσλειτουργία (ταλαντώσεις, αυξημένο θόρυβο, αυξημένη κατανάλωση, απρόβλεπτη λειτουργικότητα) ή ακόμη και στην καταστροφή του. Επίλυση: (a) Εξασφάλιση της ορθής πόλωσης/οδήγησης των εισόδων με τεχνικές που θα παρουσιαστούν σε μεθεπόμενες διαφάνειες (b)σύνδεση των ασύνδετων είσόδων (floating inputs), είτε σε υψηλή στάθμη (High - Vcc) μέσω αντιστάσεων άνω έλξης (Pull-up), είτε σε χαμηλή στάθμη (Low - GND) μέσω αντιστάσεων κάτω έλξης (Pull-down). ** Εξαίρεση αποτελούν ολοκληρωμένα ψηφιακά κυκλώματα τα οποία περιλαμβάνουν εσωτερικά αντιστάσεις άνω ή κάτω έλξης για τις εισόδους τους. 41

Αντιστάσεις Άνω και Κάτω Έλξης Στάθμη εισόδου Στάθμη εξόδου 3,3V 3,3V 3,3V Λογικό 1 14 13 12 11 10 9 8 V CC Λογικό 1 2,7V 2,4V 2,3V 2V Απροσδιόριστη κατάσταση Gnd 1 2 3 4 5 6 7 Απροσδιόριστη κατάσταση 0,8V 0,8V 0,4V 0,4V 0V Λογικό 0 Λογικό 0 0V Λογικές στάθμες οικογένειας Low Voltage TTL 42

Αντιστάσεις Άνω και Κάτω Έλξης Λανθασμένη Υλοποίηση (Ασύνδετες Είσοδοι Α, Β, όταν οι διακόπτες a, b είναι ανοιχτοί) Λανθασμένη Υλοποίηση (Βραχυκύκλωμα μεταξύ της τροφοδοσίας και της γείωσης, όταν οι διακόπτες a, b είναι κλειστοί) Σωστή Υλοποίηση (Οδήγηση των Εισόδων Α, Β, μέσω αντιστάσεων άνω έλξης όταν οι διακόπτες a, b είναι ανοιχτοί) 43

Αντιστάσεις Άνω και Κάτω Έλξης 5V 5V 1 2 3 4 5 6 7 Gnd V CC 14 13 12 11 10 9 8 1 2 3 4 5 6 7 Gnd V CC 14 13 12 11 10 9 8 Μέγιστη αποδεκτή αντίσταση άνω έλξης: Μέγιστη αποδεκτή αντίσταση κάτω έλξης: Χρήση μικρότερης αντίστασης άνω έλξης θα μας δώσει ταχύτερη απόκριση αλλά και μεγαλύτερο περιθώριο λάθους σε περιπτώσεις όπου η ανοχή της αντίστασης ή η τ ά σ η τ ρ ο φ ο δ ο σ ί α ς α π ο κ λ ε ί ν ο υ ν α π ό τ ι ς προυπολογιζόμενες. Βέβαια, η αντίσταση αυτή δεν πρέπει να είναι πολύ μικρή καθώς κάτι τέτοιο θα προκαλέσει αύξηση του ρεύματος με επακόλουθη αύξηση της κατανάλωσης ισχύος. Συνηθισμένη τιμή αντιστάσεων άνω έλξης είναι τα 10 kω, αν και γενικά μπορεί να κυμαίνεται από 1 kω έως 100 kω (κυκλώματα TTL). 44 Χρήση μικρότερης αντίστασης κάτω έλξης θα μας δώσει μεγαλύτερο περιθώριο λάθους σε περίπτωση που η α ν ο χ ή τ η ς α ν τ ί σ τ α σ η ς α π ο κ λ ε ί ν ε ι α π ό τ η ν προυπολογιζόμενη. Βέβαια, η αντίσταση αυτή δεν πρέπει να είναι πολύ μικρή καθώς κάτι τέτοιο θα προκαλέσει αύξηση του ρεύματος με επακόλουθη αύξηση της κατανάλωσης ισχύος. Συνηθισμένη τιμή αντιστάσεων κάτω έλξης είναι τα 100 Ω, αν και γενικά μπορεί να κυμαίνεται από 50 Ω έως 1 kω (κυκλώματα TTL).

Παράδειγμα Παράδειγμα χρήσης μίας αντίστασης άνω έλξης στην έξοδο ενός αντιστροφέα ανοιχτού συλλέκτη (open-collector): Θέλουμε να οδηγήσουμε μία κόκκινη LED με τον αντιστροφέα ανοιχτού συλλέκτη 74LS06 (TTL Hex Inverter Buffer/Driver) και διαθέτουμε τροφοδοσία 12 V. Αν η LED απαιτεί ρεύμα Ι LED = 15 ma, η τάση καμπής της είναι 1,7 V και η τάση στην έξοδο του αντιστροφέα είναι 0.1 V όταν η είσοδός του είναι σε λογικό 1, να υπολογίσετε την τιμή της αντίστασης άνω έλξης RPU που οδηγεί τη LED. Η τιμή της αντίστασης άνω έλξης υπολογίζεται από το νόμο το Ohm ως εξής: 45

Διασύνδεση Ηλεκτρονικών Συσκευών Διαφορετικών Οικογενειών Oι πλέον χρησιμοποιούμενες λογικές οικογένειες είναι οι TTL: [standard TTL (74 or 54), low-power TTL (74L or 54L, high-power TTL designed as 74H or 54H), low-power Schottky TTL (74LS or 54LS), Schottky TTL (74S or 54S), advanced low-power Schottky TTL (74ALS or 54ALS), advanced Schottky TTL (74AS or 54AS), Fast TTL (74F or 54F)] και οι CMOS: (4000A, 4000B, 4000UB, 54/74C, 54/74HC, 54/74HCT, 54/74AC, 54/74ACT). Οι συσκευές CMOS δεν είναι συνήθως τόσο ταχείς όσο οι TTL, παρότι η υπο-οικογένεια HC είναι αρκετά γρήγορη. Επιπλέον οι συσκευές CMOS δεν παρουσιάζουν υψηλή κατανάλωση ισχύος και διατίθενται σε μία ευρεία γκάμα τάσεων τροφοδοσίας. 46

Διασύνδεση Ηλεκτρονικών Συσκευών Διαφορετικών Οικογενειών Τα κυκλώματα TTL λειτουργούν με ονομαστική τάση τροφοδοσίας 5V Τα κυκλώματα CMOS μπορεί να λειτουργούν με ονομαστική τάση τροφοδοσίας έως και 15V (και παραπάνω) 47

Διασύνδεση Ηλεκτρονικών Συσκευών Διαφορετικών Οικογενειών Όταν χρησιμοποιούμε ολοκληρωμένα κυκλώματα διαφορετικών οικογενειών μαζί στο ίδιο κύκλωμα πρέπει να εξασφαλίζουμε ότι αυτά μπορούν να επικοινωνήσουν μεταξύ τους, δηλαδή ότι : οι διαφορές στις λογικές στάθμες θα προσαρμοστούν, όπως επίσης και το ρεύμα οδήγησης. x 48

Διασύνδεση Ηλεκτρονικών Συσκευών Διαφορετικών Οικογενειών Παράδειγμα οδήγησης ενός αντιστροφέα οικογένειας CMOS (4009) από μιας πύλη NAND της στάνταρ οικογένειας TTL (7400) με αντίσταση άνω έλξης. 5V 5V 5V Όσο πιο μικρή είναι η τιμή της αντίστασης άνω έλξης, τόσο πιο γρήγορα το σήμα ανέρχεται στα 5V, αλλά η κατανάλωση ισχύος γίνεται μεγαλύτερη στη χαμηλή λογική κατάσταση. 7400 2,2kΩ 4009 Αν δεν τίθεται περιορισμός ταχύτητας, τότε μία αντίσταση άνω έλξης με τιμή 4,7kΩ είναι η τυπική επιλογή για διασύνδεση TTL με CMOS και αποτελεί σχετικά οικονομική λύση όσον αφορά στην κατανάλωση ισχύος. 49

Διασύνδεση Ηλεκτρονικών Συσκευών Διαφορετικών Οικογενειών Παράδειγμα απευθείας οδήγησης μιας πύλης NAND της υπο-οικογένειας LS TTL (74LS00) από έναν αντιστροφέα οικογένειας CMOS (4009). Παράδειγμα οδήγησης μιας πύλης NAND της στάνταρ οικογένειας TTL (7400) από έναν αντιστροφέα οικογένειας CMOS (4009) μέσω ενός απομονωτή 4041, ώστε να εξαλειφθεί το πρόβλημα οδήγησης 5V 5V 5V 5V 5V 4009 74LS00 4009 4041 7400 50

Διασύνδεση Ηλεκτρονικών Συσκευών Διαφορετικών Οικογενειών 3V 15V 5V 5V Διασύνδεση πύλης CMOS διαφορετικής τάσης τροφοδοσίας με TTL 4009 4041 7400 51

Διασύνδεση Ηλεκτρονικών Συσκευών Διαφορετικών Οικογενειών Διασύνδεση πύλης TTL με CMOS διαφορετικής τάσης τροφοδοσίας μέσω αντίστασης άνω έλξης και διπολικού τρανζίστορ 5V 7400 3V 15V 22kΩ 10kΩ 4009 3V 15V Εναλλακτική διασύνδεση πύλης TTL με CMOS διαφορετικής τάσης τροφοδοσίας μέσω απομονωτή ανοιχτού συλλέκτη και αντίστασης άνω έλξης 5V 5V 3V 15V 7400 7406 2,2kΩ 4009 3V 15V 52

Διασύνδεση Ηλεκτρονικών Συσκευών Διαφορετικών Οικογενειών 5V Τα ψηφιακά κυκλώματα με εξόδους ανοικτού συλλέκτη δεν έχουν δυνατότητα να έλξουν την έξοδό τους σε λογικό υψηλό, αφού δεν υπάρχει εσωτερικός βρόχος προς την τάση τροφοδοσίας. Έτσι η έξοδός τους είναι είτε γειωμένη όταν είναι σε λογικό χαμηλό είτε επιπλέει όταν είναι σε λογικό υψηλό και συνεπώς απαιτείται η σύνδεση μία αντίστασης άνω έλξης από τον ανοικτό συλλέκτη στην τάση τροφοδοσίας. Η τιμή της αντίστασης άνω έλξης εξαρτάται από την πτώση τάσης όταν το τρανζίστορ είναι σε κατάσταση αποκοπής. Όταν η έξοδος είναι σε λογικό χαμηλό το τρανζίστορ θα πρέπει να μπορεί να τραβήξει ρεύμα από την αντίσταση άνω έλξης και όταν η έξοδος είναι σε λογικό υψηλό το ρεύμα της αντίστασης θα πρέπει να είναι αρκετό ώστε να μπορεί να οδηγήσει ό,τι συνδέεται στη συνέχεια. Α Β C D 7400 7400 2,2kΩ Δύο ή περισσότερες έξοδοι συσκευών TTL ανοικτού συλλέκτη μπορούν να συνδεθούν με μία κοινή αντίσταση άνω έλξης. (ΑB) (CD)' Στην περίπτωση αυτή η συνδεσμολογία ισοδυναμεί με την έξοδο μιας πύλης ΚΑΙ, ονομάζεται καλωδιωμένη λογική ΚΑΙ, η οποία συνήθως συμβολίζεται όπως στο παραπάνω Σχήμα 53

Διασύνδεση Ηλεκτρονικών Συσκευών Διαφορετικών Οικογενειών V t V CC Πέραν από τις στάθμες τάσης και την ικανότητα οδήγησης μία άλλη ασυμβατότητα που μπορεί να προκύψει είναι όταν συνδέουμε μία αργή οικογένεια με μια γρήγορη. Ο ρυθμός με τον οποίο μεταβαίνει η έξοδος της αργής πύλης από τη μία λογική κατάσταση στην άλλη μπορεί να είναι τόσο χαμηλός ώστε ενώ η δεύτερη πύλη είναι έτοιμη να λάβει σταθεροποιημένα δεδομένα στην είσοδο της, η έξοδος της πύλης που οδηγεί να μην έχει προλάβει να είναι σε αποδεκτή λογική στάθμη (φαση μετάβασης). Στην περίπτωση αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί μία συσκευή υστέρησης όπως ο σκανδαλιστής Schmitt, που είναι ένας συγκριτής που υλοποιείται με θετική ανάδραση σε ένα τελεστικό ενισχυτή. 54

Διασύνδεση Ηλεκτρονικών Συσκευών Διαφορετικών Οικογενειών 15V 5V 5V 4,7kΩ V 1 74LS00 V 2-15V 55

Διασύνδεση Ηλεκτρονικών Συσκευών Διαφορετικών Οικογενειών 15V 5V 5V 3,4kΩ V 1 22kΩ 74LS00 V 2-15V 56

Διασύνδεση Ηλεκτρονικών Συσκευών Διαφορετικών Οικογενειών 15V 5V 5V 3,4kΩ V 1 74LS00 V 2-15V 57

Διασύνδεση Ηλεκτρονικών Συσκευών Διαφορετικών Οικογενειών 15V 5V 5V V 1 V 2 74LS00-15V 58

Διασύνδεση Ηλεκτρονικών Συσκευών Διαφορετικών Οικογενειών 5V 5V 15V 10kΩ M 7400 59

Διασύνδεση Ηλεκτρονικών Συσκευών Διαφορετικών Οικογενειών 5V 300Ω 5V 2,2kΩ 4011 60

Τροφοδοσία Συστημάτων Η dc τάση που λαμβάνουμε από την ανόρθωση ac τάσης παρουσιάζει ιδιαίτερα μεγάλη κύματωση, κάτι που καθιστά την πιστότητα των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων που τροφοδοτούνται από αυτή προβληματική. V Vp V Vp Vavrg Vavrg t t V Vp Vavrg V Vp Vavrg t t Τα ηλεκτρονικά και μηχανοτρονικά συστήματα, ιδιαίτερα αυτά που χρησιμοποιούνται για τη λήψη μετρήσεων από αισθητήρια, απαιτούν σταθερή τάση τροφοδοσίας χωρίς διακυμάνσεις. 61

Τροφοδοσία Συστημάτων Ι Δίοδος Zener R R - -VΖ V Vi IΖ IL RL V L Vi VΖ IL RL VL=VZ Δίοδος Zener Παρόμοια λειτουργία με τις κοινές διόδους στην ορθή πόλωση: για θετική τάση V>0.7V, η δίοδος zener άγει Διαφορετική λειτουργία (επιθυμιτή) στην αναστροφη πόλωση στην περιοχή κατάρευσης: για αρνητική τάση V>Vz, η δίοδος zener άγει κατά την αντίθετη φορά μείωση της ανάστροφης τάσης δεν προκαλεί μείωση της τάσης στα άκρα της διόδου Zener Επομένως μία δίοδος Zener είναι πολύ χρήσιμη για την υλοποίηση κυκλωμάτων σταθεροποίησης τάσης. 62 Η υψηλή κυμάτωση στην τάση εισόδου καταστέλλεται εξαιτίας της διόδου Zener. Αρκεί η Vz να είναι μικρότερη από την ελάχιστη τάση που παράγει η Vi και η σύνθετη αντίστασή της να είναι πολύ μικρότερη από την R. Αν ισχύουν τα παραπάνω στο φορτίο εφαρμόζεται τελικά σταθεροποιημένη τάση ίση με Vz. Ένα μικρό πρόβλημα με τη δίοδο Zener ως συσκευή σταθεροποίησης τάσης είναι ότι ως δίοδος παράγει ηλεκτρικό θόρυβο που αθροίζεται στη συνεχή τάση που σταθεροποιεί.

Παράδειγμα H πηγή Vi κυμαίνεται από 15V έως 20V και θέλουμε να τροφοδοτήσουμε φορτίο 1kΩ με σταθεροποιημένη τάση 13V. R Η δίοδος Zener 1Ν4468 έχει τα εξής χαρακτηριστικά: Vz = 13V και Pz = 1,5W Συνεπώς Ιmax = 115mA Vi IΖ IL RL V L Επιλέγοντας λοιπόν την 1Ν4468 πετυχαίνουμε στα άκρα του φορτίου σταθερή τάση 13V και το ρεύμα του φορτίου είναι επίσης σταθερό ΙL = 13V / 1kΩ = 13mA. Από το φύλλο προδιαγραφών του κατασκευαστή για την 1Ν4468 βρίσκουμε ότι το ελάχιστο ρεύμα για να είναι πολωμένη η δίοδος Zener είναι 7,2mA < 115mA, άρα επαρκεί για την εφαρμογή μας. Το ελάχιστο ρεύμα στην αντίσταση R είναι το άθροισμα των δύο παραπάνω ρευμάτων: ΙR_min = 13mA 7,2mA = 20,2mA Το ελάχιστο ρεύμα συμβαίνει όταν η τάση στην είσοδο είναι ελάχιστη, δηλαδή 15V. Η πτώση τάσης πάνω στην αντίσταση τότε είναι: VR_min = 15V 13V = 2V Επομένως η αντίσταση υπολογίζεται ως: R = 2V / 20,2mA = 99Ω 63

Τροφοδοσία Συστημάτων Σταθεροποιητές Τάσης 78XX 79XX Vin Cin In 78XX / 79XX Gnd Out Vout Cout In Gnd Out Gnd In Out Σε εφαρμογές που απαιτείται αξιόπιστη, σταθεροποιημένη τάση τροφοδοσίας χρησιμοποιούμε σταθεροποιητές τάσης τριών ακροδεκτών. Υπάρχει μεγάλη ποικιλία ολοκληρωμένων λύσεων για σταθεροποίηση τάσης με τις πλέον χρησιμοποιούμενες να είναι οι σειρές 78xx και 79xx, για σταθεροποίηση θετικών και αρνητικών τάσεων, αντίστοιχα. Η σειρά 78xx χρησιμοποιείται για τη σταθεροποίηση τάσεων από 5V (σταθεροποιητής 7805) έως 24V (σταθεροποιητής 7824). Η σειρά 79xx αντίστοιχα για σταθεροποίηση τάσεων από -5V (σταθεροποιητής 7905) έως 24V (σταθεροποιητής 7924). Όλα τα στοιχεία των σειρών 78xx και 79xx παρέχουν στην έξοδο ένα μέγιστο ρεύμα περίπου 1,5Α. Οι τιμές των εξωτερικών πυκνωτών ποικίλουν από 100nF έως 330nF, ενώ αν επιθυμούμε περαιτέρω εξομάλυνση της εξόδου μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε έναν επιπλέον πυκνωτή εξομάλυνσης 100μF. 64

Τροφοδοσία Συστημάτων Σταθεροποιητές Τάσης LM317 Vin In LM317 Adj 100μA Vref Out Vout R1 Adj In Out R2 Σε εφαρμογές που απαιτείται ρυθμιζόμενη, σταθεροποιημένη τάση τροφοδοσίας χρησιμοποιούμε ρυθμιζόμενους σταθεροποιητές τάσης. Τέτοιοι ρυθμιζόμενοι σταθεροποιητές είναι ο LM317 για θετικές και LM337 για αρνητικές τάσεις τροφοδοσίας, αποτελούν δε τους αντίστοιχους ρυθμιζόμενους σταθεροποιητές τάσης στις σειρές 78xx και 79xx, αντίστοιχα. Ο LM317 μπορεί να παρέχει ρεύμα 1,5Α με σταθεροποιημένες τάσεις εξόδου που μπορούν να κυμαίνονται από 1,25V έως 30V, ενώ οι μη σταθεροποιημένες τάσεις εισόδου κυμαίνονται μεταξύ 3V και 40V. Η μη σταθεροποιημένη τάση εισόδου πρέπει να είναι πάντα μεγαλύτερη κατά απόλυτη τιμή από τη σταθεροποιημένη τάση στην έξοδο της συσκευής, τουλάχιστον κατά 2,5V. Ο σταθεροποιητής αυτός διαθέτει επίσης δυνατότητα περιορισμού του ρεύματος και αναστολή λειτουργείας σε περίπτωση υπερθέρμανσης, κάτι που τον καθιστά ασφαλή έναντι βραχυκύκλωσης. 65

Επικοινωνία Συστημάτων Μονάδα Αποστολής (Εκπομπός) Μονάδα μετάδοσης Μέσο Μετάδοσης (Ασύρματη, Ενσύρματη, Οπτική Μετάδοση) Μονάδα Λήψης (Δέκτης) Μονάδα λήψης Σειριακή (αργή, χαμηλού κόστους, μεγάλες αποστάσεις, χαμηλό ποσοστό σφαλμάτων) Μονάδα μετάδοσης Μονάδα λήψης Παράλληλη (γρήγορη, υψηλού κόστους, μικρές αποστάσεις, υψηλό ποσοστό σφαλμάτων) 66

Επικοινωνία Συστημάτων ρολόι συγχρονισμού Μονάδα μετάδοσης περίοδος ρολογιού δεδομένα συγχρονισμού δεδομένα μετάδοσης Μονάδα λήψης Σύγχρονη Σειριακή (γρήγορη, χαμηλού κόστους, μεγάλες αποστάσεις, χαμηλό ποσοστό σφαλμάτων) ρολόι 1 Μονάδα μετάδοσης ψηφίο έναρξης χρόνος ψηφίου δεδομένα μετάδοσης ψηφίο λήξης ρολόι 2 Μονάδα λήψης Ασύγχρονη Σειριακή (αργή, υψηλού κόστους, μεγάλες αποστάσεις, υψηλό ποσοστό σφαλμάτων) 67

Επικοινωνία Συστημάτων Φορά / Κατεύθυνση Επικοινωνίας Μονάδα μετάδοσης Μονάδα λήψης Απλή (Simplex) Μονάδα μετάδοσης Μονάδα λήψης Μονάδα λήψης Μονάδα μετάδοσης Ημίδιπλη (Half-duplex) Μονάδα μετάδοσης Μονάδα λήψης Μονάδα λήψης Μονάδα μετάδοσης Πλήρως διπλή (Full-duplex) 68

Επιπλέον βιβλιογραφία Bolton, W., Instrumentation and Control Systems, 2nd Edition, Elsevier, Oxford, UK, 2015 Horowitz, P. and Hill, W., The Art of Electronics, 2nd Edition, Cambridge University Press, New York, 1989. Li Tan, J.J., Fundamentals of Analog and Digital Signal Processing, 2nd Edition, Authorhouse, Bloomington, Indiana, 2008. Malvino, A. and Bates, D., Electronics Principles, 8th Edition, McGraw-Hill, New York, 2016. McWhorter, G. and Evans, A., Basic Electronics, Master Publishing, Richardson, Texas, 1994. 69

Επιπλέον βιβλιογραφία Meier, F.A. and Meier, C.A., Instrumentation and Control Systems Documentation, 2nd Edition, International Society of Automation, 2011. Popovic, D. and Vlacic, L., Mechatronics in Engineering Design and Product Develepment, Marcel Dekker, New York, 1999. Rizzoni, G., Principles and Applications of Electrical Engineering, 5th Edition, McGraw-Hill, New York, 2005. Senturia, S.D. and Wedlock, B.D., Electronics Circuits and Applications, John Wiley and Sons, New York, 1975. Shetty, D. and Kolk, R., Mechatronics System Design, 2nd Edition, Cengage Learning, New York, 2011. Michael Thomas, H., Advanced Circuit Analysis and Design, CreateSpace Independent Publishing Platform, 2014. 70