سالها پیش که طراحی دیجیتال پا به عرصه ی وجود نهاد و IC های استانداردی چون گیتها ، فلیپ فلاپ ها ، لچ ها شمارنده هاو... و بعدها به تدریج پردازنده هایی با قدرت محدود که اولین کامپیوتر های شخصی بر اساس آنها طراحی شده بود دنیای دیجیتال را به وجود آوردند، تصور روزی که فاصلهی سخت افزار و نرم افزار به حد کنونی برسد به طوری که تمام مرزهای طراحی را در نوردیده و سخت افزار به نرمی و انعطاف پذیری درآید بسیار دشوار بود.
اما بعد ها با طراحی حافظه های قابل برنامه ریزی دوباره و فن آوری EPROM (حافظه های پایای با قابلیت برنامه ریزی و پاک سازی )و PAL(آرایه های منطقی قابل برنامه ریزی)، و سرانجام فن آوری آرایه های سوئیچ های فیوزهای قابل برنامه ریزیچند باره ، انقلابی نوین را درعرصه طراحی دیجیتال به وجود آورد کهمفهوم طراحی دیجیتال را دچار تحولی عظیم در عرصه های دیدگاه معماری ،حجم طراحی ،سرعت و نوع نگرش به طراحی دیجیتال نموده است.
طوری که امروزه FPGA ها (آرایه های گیتی قابل برنامه ریزی میدانی)یک بوم نقاشی سفید را در اختیار طراح قرار می دهندکه به او اجازه می دهد تا طراحی دیجیتال خود را آنچنان که می خواهد و با هر حجم و پیچیدگی لازم ،طراحی و سپس به جای اتخاب IC های استاندارد و جدا از هم و کنار هم قرار دادن آنها در روی یک مدار ووصل کردن آنها ازطریق یک بورد مدار چاپی (PCB)،با استفاده از یکی از زبانهای توصیف سختافزاری نظیر VHDL ، هر یک از قطعات دیجیتالی مورد نیاز را نوشته و با وصل کردن نرم افزاری آنها ،سرانجام فایل کامپایل شده نهایی را زا طریق یک رابط سخت افزاری بر روی یک بسته سخت افزاری خام با تعداد پایه های مورد نیاز برنامه ریزی کرده و از این IC جدید "خود ساخته" استفاده کند.
اما آنچه که قابلیت و توانایی FPGA ها را بالا برده است توانایی هایی است که پاره ای از آنها در زیر آمده است :
1-امکان تعریف هر یک از پایه های IC به صورت ورودی یاخروجی یا هر دو
2-امکان تعریف وضعیت عملکرد هر پایه در هنگام استفاده یا عدم استفاده.به عنوان مثال عملکردHIGH امپدانس(Z)در هنگام عدم استفاده و یا قرار گرفتن در یک وضعیت منطقی صفر یا یک در هنگام عدم استفاده.
3-امکان تشخیص تغیبیرات سطوح یا لبه های پایین رونده یا بالا رونده منطقی اعمال شده به هر پایه.
4-امکان برنامه ریزی چند باره از طریق پایه های برنامه ریزی jTAG(یکی از استاندارد های برنامه ریزی IEEE)و تغییر معماری آن).
5-امکان تغییر متناوب معمار ی داخلی با استفاده از سری های Bootable که نقشه معماری آنها در یک حافظه خارجی نگهداری شده و با تغییر آدرس برنامه ریزی می توان IC را بامعماری جدید Bootکرده و از آن استفاده کرد
6-امکان برنامه ریزی در مدار (ISP)که این قابلیت را به وجود می آورد تا بدون اعمال تغییرات سخت افزاری و تنها از طریق پورت برنامه ریزی jTAG، معماری داخلی IC را تغییر داد .
7-محدوده گستره ای از پایه های قابل استفاده در این IC ها که از بسته های 44 پایه تا 514 پایه و حتی بالاتر با حجم گیتی داخلی متفوت که بسته به نیاز بر اساس میزان پیچیدگی داخلی و تعداد پایه های IC را تغییر داد.
8-کاهش حیرت انگیز حجم مدار و مجتمع سازی در ابعادی تنها به مساحت چند سانتی متر مربع.
9-یکسان سازی عناصر طراحی و از میان بردن تمامی مشکلات ناشی از عدم تطابق استاندارد های مختلف(LS,HC,s,AS,...).
10-از میان بردن تمامی نویز های ناشی از وجود قطعات مختلف و مجزا در مدار.
11-کاهش چشمگیر توان مصرفی و اتلاف توان.
12-افزایش سرعت پردازش و خطاهای انتشار به دلیل استفاده از فناوری پیشرفته و دستیابی به خطاهای انتشار تا 4ns و فرکانس کلاک فرارتر از 178 مگاهرتز.
13-کار با دو سطح ولتاژ 5v و 3.3v جهت استفاده از آنها در دستگاه های قابل حمل مانند گوشی های موبایل
14-ضریب ایمنی صد در صد به دلیل عدم امکان دستیابی به محتوای داخلی و عدم توان توصیفمحتوای داخلی به دلیل انجام ساده سازی و فشرده سازی بسیار پیچیده.
و بسیاری از قابلیتهای حیرت انگیز دیگر که امکان انجام یک طراحی مجتمع ،کم حجم ،بهینه و سریع را فراهم می آورد. محصولات گر چه شرکتهای بسیاری بسته های FPGA را تولید می کنند اما از میان آنها در شرکت ALTERA و Xilinx از جمله عمده ترین تولید کنندگان این محصول هستند که از این میان شرکتXilinx نوع دیگری از این بسته ها را با نام CPLDرا تولید می کند که به صورت Bootable عمل می کنند،بدین معنی که داده های برنامه ریزی معماری داخلی خود را از یک حافظه ی خارجی خوانده و خود را پیکر بندی کرده و سپس آماده کار می شوند .تمامی این محصولات با توجه به تعداد پایه هاو حجم پیچیدگی قابل برنامه ریزی در انها بر اساس تعداد گیتهای داخلی در بازار موجود و قابل دسترس هستند . از جمله سری های پر قدرت و پرحجم آنها سری flex از محصولات شرکتALTERA که در نمونه ای از آن می توان یکCPU مدل 486 را جای داد. زبانهای برنامه نویسی از جمله زبانهای متداول برنامه نویسی سخت افزار ABEL,AHDL,VERILOG,VHDL هستند که هر یک با استفاده از syntax خاص خود برای توصیف سخت افزار مورد استفاده قرار می کیرند که با استفاده از هر یک از آنها می توان هر طراحی دیجیتالی را به زبان آنها نوشته و تحلیل و سپس استفاده کرد.
حسگر يك وسيله الكتريكي است كه تغييرات فيزيكي يا شيميايي را اندازه گيري مي كند و آن را به سيگنال الكتريكي تبديل مي نمايد. حسگرها در واقع ابزار ارتباط ربات با دنياي خارج و كسب اطلاعات محيطي و نيز داخلي مي باشند. انتخاب درست حسگرها تأثير بسيار زيادي در ميزان كارايي ربات دارد. بسته به نوع اطلاعاتي كه ربات نياز دارد از حسگرهاي مختلفي مي توان استفاده نمود: فاصله ، رنگ ، نور ،صدا ،حركت و لرزش ، دما ، دود ، و...
اما چرا از حسگرها استفاده مي كنيم ؟ همانطور كه در ابتداي اين گفتار اشاره شد حسگرها اطلاعات مورد نياز ربات را در اختيار آن قرار مي دهند و كميتهاي فيزيكي يا شيميايي موردنظر را به سيگنالهاي الكتريكي تبديل مي كنند.مزاياي سيگنالهاي الكتريكي را مي توان بصورت زير دسته بندي كرد: پردازش راحتتر و ارزانتر، انتقال آسان ،دقت بالا ،سرعت بالا ، و...
حسگرهاي مورد استفاده در رباتيك:
در يك دسته بندي كلي حسگرهاي مورد استفاده در رباتها را مي توان در يک دسته خلاصه كرد: – حسگرهاي تماسي ( Contact )
مهمترين كاربردهاي اين حسگرها به اين شرح مي باشد: – آشكارسازي تماس دو جسم – اندازه گيري نيروها و گشتاورهايي كه حين حركت ربات بين اجزاي مختلف آن ايجاد مي شود .
در شكل يك ميكرو سوئيچ يا حسگر تماسي نشان داده شده است. در صورت برخورد تيغه فلزي به مانع و فشرده شدن كليد زير تيغه همانند قطع و وصل شدن يك كليد ولتاŽ خروجي سوئيچ تغيير مي كند. – حسگرهاي هم جواري (Proximity ) آشكارسازي اشيا نزديك به روبات مهمترين كاربرد اين حسگرها مي باشد.
انواع مختلفي از حسگرهاي هم جواري در بازار موجود است از جمله مي توان به موارد زير اشاره نمود: القايي ،اثرهال ،خازني ،اولتراسونيك ، نوري
– حسگرهاي دوربرد ( Far away) كاربرد اصلي اين حسگرها به شرح زير مي باشد: – فاصله سنج (ليزو و اولتراسونيك) – بينايي (دوربينCCD)
در شكل يك زوج گيرنده و فرستنده اولتراسونيك (ماورا صوت) نشان داده شده است. اساس كار اين حسگرها بر مبناي پديده داپلر مي باشد. - حسگر نوري (گيرنده-فرستنده) يكي از پركاربردترين حسگرهاي مورد استفاده در ساخت رباتها حسگرهاي نوري هستند. حسگر نوري گيرنده- فرستنده از يك ديود نوراني (فرستنده) و يك ترانزيستور نوري (گيرنده) تشكيل شده است.
خروجي اين حسگر در صورتيكه مقابل سطح سفيد قرار بگيرد 5 ولت و در صورتي كه در مقابل يك سطح تيره قرار گيرد صفر ولت مي باشد. البته اين وضعيت مي تواند در مدلهاي مختلف حسگر برعكس باشد. در هر حال اين حسگر در مواجهه با دو سطح نوري مختلف ولتاژ متفاوتي توليد مي كند
در زير يك نمونه مدار راه انداز زوج حسگر نوري گيرنده فرستنده نشان داده شده است. مقادير مقاوتهاي نشان داده شده در مدلهاي متفاوت متغيير است و با مطالعه ديتا شيت آنها مي توان مقدار بهينه مقاومت را بدست آورد.
انواع توان در شبکه های توزیع
می دانیم در شبکه های جریان متناوب توان ظاهری که از مولدها دریافت می شود به دو بخش توان مفید و غیر مفید تقسیم می شود . نحوه این تقسیم به شرایط مدار بستگی دارد به این معنی که هر قدر ضریب توان (CosΦ) به يك نزدیکتر باشد سهم توان مفید بیشتر است . این اتفاق در مدارتی رخ می دهد که مصارف اهمی آن بیشتر است .مانند سیستمهای روشنایی یا تولید گرما توسط انرژی برق . اما می دانیم که سهم عمده مصارف شبکه ها را مصرف کننده های (اهمی – سلفی ) دریافت می کنند . مانند الکتروموتورها – ترانسفورماتورهای توزیع – چوکها و .... که درآنها سیم پیچ یا سلف نقش اصلی را ایفا می کند . در سیمپیچها به علت خاصیت ذخیره سازی انرژی الکتریکی بصورت میدان مغناطیسی توان همواره بین شبکه و سلف رد و بدل می شود . سلف در یک چهارم زمان تناوب توان دریافت می کند و در یک چهارم بعدی زمان ، توان را به شبکه پس می دهد . درست است که نتیجه ریاضی این عمل یعنی عدم مصرف انرژی زیرا توان داده شده به سلف با توان دریافت شده از ان برابر است اما در عمل این اتفاق رخ نمی دهد زیرا توان پس داده شده به شبکه امکان استفاده را برای مولد ایجاد نمی کند و این توان در هر حالتی از مولد دریافت شده است . و برای رسیدن به مصرف کننده اهمی – سلفی از شبکه توزیع شامل : سیمها – کابلها و ... عبور کرده است .
نتیجه اینکه سلف توانی را از مولد دریافت می کند اما این توان را به شبکه پس می دهد . این توان قابل استفاده نیست و در مسیر عبور تلف می شود . پس مقدار از توان تلف می شود . مصرف کننده های فوق برای انجام اینکار به توان مذکور نیاز دارند اما این توان برای شبکه مضر است و زیانهای زیر را در پی دارد :
- اضافه شدن جریان مولد و درنتیجه نیاز به مولدهایی با توانهای بیشتر
- چون جریان شبکه زیاد می شود به سیمها و کابلهایی با سطح مقطع بالاتر برای کاهش افت ولتاژ نیاز است که این موضوع هزینه اولیه شبکه را افزایش می دهد .
- اتلاف توان در شبکه های توزیع بصورت حرارت روی می دهد در نتیجه هر کاری کنید نمی توانید از این اتلاف جلوگیری کنید . نتیجه این اتلاف توان ،کاهش ولتاژ مصرف کننده می باشد که این موضع راندمان مصرف کننده را پایین می آورد .
- نمی توان این توان را به مصرف کننده های اهمی سلفی تحویل نداد زیرا کار آنها مختل می شود .
خازن ناجی شبکه های تولید و توزیع
توان هم در خازنها بصورت توان غیر مفید است درست مانند سلفها در یک چهارم پریود موج متناوب ،توان دریافت می کنند و در یک چهارم بعدی توان را تحویل می دهند پس خازنها هم مانند سلفها باعث افرایش توان راکیتو ( غیر مفید ) شبکه می شوند اما اتفاق بامزه زمانی روی می دهد که خازن و سلف با هم در شبکه قرار گیرند .
این دو برعکس هم عمل می کنند . یعنی زمانی که سلف توان می گیرد خازن توان می دهد و زمانی که سلف توان می دهد خازن توان می گیرد . پس توانهای غیر مفید این دو فقط یکبار از شبکه دریافت می شود و در زمانهای بعد بین آنها تبادل می شود بدون اینکه مولد این توان را تحمل کند . پس مصرف کننده های اهمی سلفی توان راکتیو خود را دریافت می کنند و مولد و شبکه توزیع آنرا تولید و پخش نمی کنند زیرا این کار را خازن انجام می دهد . این خازنها از حالا به بعد ، خازنهای اصلاح ضریب توان نام می گیرند و وظیفه آنها تامین توان راکتیو مورد نیاز مصرف کننده های اهمی سلفی است .
اتصال خازن به شبکه
خازنهای اصلاح ضریب توان باید در شبکه بصورت موازی قرار گیرند . برای اینکار در شبکه های تکفاز باید به فاز و نول وصل شوند و در شبکه های سه فاز پس از اتصال بصورت ستاره یا مثلث آنگاه به سه فاز متصل می شوند . مانند نقشه زیر :
این خازنها باید از انواعی انتخاب شوند که بتوانند دایمی در مدار قرار گیرند پس باید بتوانند ولتاژ شبکه را تحمل کنند در محاسبه خازن از انواعی استفاده می شود که ولتاژ مجاز آنها 15% بیشتر از ولتاژ شبکه باشد .
محاسبه خازن
نقش خازن در شبکه کاهش توان راکتیو مصرف کنند های اهمی – سلفی از دید مولدها است . با این اتفاق ضریب توان مفید به یک نزدیک می شود . پس با کنترل ضریب توان امکان کنترل توان راکتیو وجود دارد . این کار بکمک یک کسینوس فی متر صورت می گیرد . یعنی بکمک کسینوس فی متر می توان دریافت که ضریب توان و در نتیجه توان راکتیو در چه وضعیتی قرار دارد .
دامنه تغییرات ضریب توان (CosΦ) : نمودار زیر دامنه تغییرات ضریب توان را نشان می دهد .
خازن مذکور باید برابر نیاز شبکه باشد در غیر اینصورت خود توان راکتیو از مولد دریافت می کند و همچنین سبب افزایش ولتاژ آن می شود . پس باید خازن مطابق نیاز شبکه محاسبه شود .
پرسش : شبکه به چه مقدار خازن نیاز دارد ؟
پاسخ : مقداری که ضریب توان را به یک نزدیک کند . این مقدار خازن خود توان راکتیوی ایجاد می کند که توان راکتیو مصرف کننده اهمی – سلفی را جبران می کند . پس مقدار خازن به مقدار توان راکتیو مدار بستگی دارد . هر قدر این توان قبل از خازن گذاری بیشتر باشد ، اندازه خازن نیز بزرگتر خواهد بود .
با توجه به مطالب گفته شده باید برای محاسبه خازن دو مقدار مشخص شود :
یک – مقدار ضریب توان شبکه قبل از خازن گذاری
دو – مقدار ضریب توان شبکه بعد از خازن گذاری که انتظار داریم شبکه به آن برسد
سه - اندازه توان اکتیو
پس از تعیین این مقادیرمراحل زیر را پی می گیریم . برای مقدار ضریب توان مطلوب مثلا عدد 9/0 مقدار خوبی است . حال دو مقدار ضریب توان داریم یکی ضریب توان شبکه قبل از خازن گذاری و دیگری ضریب توان مطلوب که می خواهیم با گذاردن خازن به آن برسیم . بکمک رابطه زیر مقدار توان راکتیو مورد نظر را که با آمدن خازن تامین می شود محاسبه می کنیم . ( توجه : در خرید خازنهای اصلاح ضریب توان بجای فارد برای تعیین ظرفیت خازن از میزان توان راکتیو آن خازن سخن گفته می شود.)
محاسبه خازن در این مرحله تمام می شود و مقدار توان بدست آمده همان مقدار خازن موردنیاز است . Q = P . F
علم الکترونیک با اختراع ترانزیستور وارد فاز جدیدی از تحقیق و اختراع شد .هر روز اخباری را مبنی بر اختراعات جدید در زمینه الکترونیک می شنویم که مطمئنا در کالبد شکافی این اختراعات به نقش پر اهمیت ترانزیستور پی خواهیم برد .
ترانزیستور یک قطعه سه پایه است که ساختار فیزیکی آن بر اساس عملکرد نیمه هادی ها می باشد.ترانزیستور را از دو نوع نیمه هادی با نام سلسیوم و ژرمانیوم می سازند.عموما در یک تقسیم بندی ترانزیستور ها را به دو دسته ترانزیستور های BJT و FET تقسیم می کنند . ترانزیستور های BJT با نام ترانزیستور های پیوند دو قطبی و ترانزیستور های FET با نام ترانزیستور های اثر میدان شناخته شدهاند.FETها دارای سرعت سوئیچینگ کمتر از BJT هستند .
معمولا ترانزیستور را با دو دیود مدل سازی می کنند از این مدل برای تشخیص سالم بودن ترانزیستور استفاده می کنند.عملکرد ترانزیستور هابه عنوان یک طبقه در مدار بستگی به نظر طراح دارد اما در صورتی که ترانزیستور را یک جعبه سیاه در نظر بگیریم که دارای دو ورودی و دو خروجی است با توجه به اینکه ترانزیستور دارای سه پایه است باید یکی از پایه ها را به عنوان پایه مشترک بین ورودی و خروجی در نظر بگیریم. این پایه مشترک اساس آرایش های مختلف ترانزیستور است .یکی از پایه های ترانزیستور با نام Base و پایه دیگر با نام امیتر (تزریق کننده) و پایه آخر با نام کالکتور (جمع کننده ) شناخته شده است . بسته به اینکه کدامیک از پایه های مذکور به عنوان پایه مشترک در نظر گرفته شود آرایش های بیس مشترکCommon Base – کالکتور مشترکCommon Collector- امیتر مشترک Common Emitter – ممکن خواهد بود.
هر کدام از این آرایش ها دارای یک خصوصیت خواهند بود که متفاوت با دیگر آرایش ها است مثلا امیتر مشترک دارای بهره توان بسیار زیاد است و یا بهره ولتاژ بیس مشترک زیاد است و...
ترانزیستور در هر مداری می تواند متفاوت از قبل ظاهر شود- منبع ولتاژ یا منبع جریان و یا تقویت کننده ولتاژ و ....- این تفاوت را المانهای همراه ترانزیستور که اکثرا مقاومت و خازن(دیود و...) هستند تعیین می کنند نحوه قرار گیری این المانها به همراه ترانزیستور و منبع تغذیه را بایاس ترانزیستور گویند.در مدار های بایاس برای ترانزیستور یک ولتاژ مثبت به همراه زمین یا یک ولتاژ مثبت به همراه ولتاژ منفی را برای ترانزیستور بسته به کاربرد در نظر می گیرند .
عملکرد ترانزیستور ها(BJT) در سه ناحیه تعریف می شود . 1-ناحیه قطع 2- ناحیه فعال 3- ناحیه اشباع
این سه ناحیه بر اساس بایاس پایه های ترانزیستور و ولتاژ آن ها تعریف می شود . ترانزیستور در مدارات عمدتا به صورت زیر ظاهر می شود : 1- به عنوان کلید به منظور قطع و وصل قسمتی از مدار
از ترانزیستور در ناحیه قطع و اشباع به عنوان کلید دیجیتال و سوئیچ استفاده می کنند .ولتاژ VCE در حالت اشباع کمتر از 0.2 است . در حالت اشباع توان تلف شده ترانزیستور بسیار کم است زیرا توان تلف شده ترانزیستور از حاصلضرب ولتاژ VCE و IC بدست می آید که هردو مقدار کوچکی هستند. 2- به عنوان تقویت کننده ولتاژ 3- به عنوان تقویت کننده جریان 4- به عنوان منبع جریان ثابت 5- به عنوان منبع ولتاژ ثابت و... در 4 مورد بعدی بالا از ترانزیستور در ناحیه فعال که همان ناحیه خطی عملکرد ترانزیستور است استفاده می شود .
آرایش های مداری مشهور :
1- امیتر فالوور (Emitter follower) :
شکل موج خروجی دنبال کننده شکل موج ورودی است (وجه تسمیه) مقاومت کوچک موجود در بیس به منظور جلوگیری از نوسانات ناخواسته قرار گرفته است .
1- زوج دارلینگتون
هر ترانزیستور دارای یک خصوصیت با نام بتا β است که بهره جریان ترانزیستور است در زوج دارلینگتون بتای زوج ترانزیستور از ضرب 2β1*β حاصل می شود که مقداری نزدیک به چند هزار خواهد شد .البته در این آرایش ترانزیستور خروجی باید تحمل این جریان کالکتور را داشته باشد که مسئله مهمی در طراحی است.
1- منبع جریان ثابت در این آرایش ولتاژ هر کدام از دیود ها 0.7 است و در نتیجه ولتاژ بیس ترانزیستور 1.4 خواهد شد ولتاژ VBE (ولتاژ بیس – امیتر) هم در حدود 0.7 است پس جریان عبوری از امیتر مقدار 0.7/RE خواهد بود با انتخاب مناسب RE می توان مقدار جریان را به دلخواه انتخاب کرد .
4 – منبع ولتاژ ثابت در این مدار ولتاژ خروجی توسط دیود زنر تامین می شود .ولتاژ خروجی تقریبا 0.7 کمتر از ولتاژ شکست زنر است .
از میان سه تقویت کننده امیتر مشترک و کلکتور مشترک و بیس مشترک ، تنها تقویت کننده امیتر مشترک است که میتواند هم بهره ولتاژ و هم بهره جریان بزرگتر از یک داشته باشد. به همین جهت کاربردهای این تقویت کننده بسیار متنوع تر از دو نوع دیگر است. همچنین ملاحظه می شود که مقاومت ورودی و مقاومت خروجی تقویت کننده امیتر مشترک دارای تغییرات زیادی نبوده و در هر حال در محدوده منحنی های مربوط به بیس مشترک و کلکتور مشترک قرار دارد.
در تقویت کننده بیس مشترک ، AI کمتر از واحد، AV تقریباً مشابه تقویت کننده امیتر مشترک ، مقاومت ورودی کمترین مقدار و مقاومت خروجی بیشترین مقدار است. همانطور که قبلاً گفته شد کاربردهای این تقویت کننده در فرکانسهای پایین کم بوده و بعضاً به عنوان منیع جریان ثابت یا برای تطبیق یک منبع جریان با مقاومت داخلی کم به یک مقاومت بار بزرگ مورد استفاده قرار می گیرد. این تقویت کننده اکثرا به منظور تقویت ولتاژ سیگنال در فرکانسهای بالا و در ورودی طبقات RF(Radio Frequency) به کار میرود.
تقویت کننده کلکتور مشترک دارای بهره جریان نسبتاً زیاد ) برابر تقویت کننده امیتر مشترک( ، بهره ولتاژ کمتر از واحد، بیشترین مقاومت ورودی و کمترین مقاومت خروجی در مقایسه با دو نوع تقویت کننده دیگر است. بدین لحاظ از این تقویت کننده عمدتاً به عنوان بافر برای تطبیق یک منبع ولتاژ با مقاومت داخلی زیاد به یک مقاومت بار کوچک استفاده می شود.
Ri = R’i || RB
تکنیک بوت استراپینگ
Z1 اثر مقاومت Z در ورودی و Z2 اثر مقاومت Z در خروجی است.
رله های جريانی : رله های جريانی به منظور حفاظت شبکه های الکتريکی در مقابل عيوب ناشی از خطاهای جريان بکار ميروند . عمده عيوبی که توسط رله های جريانی تشخيص داده می شوند عبارت است از : þاتصال کوتاه در شبکه þاضافه جريان þاضافه بار þجريان نشتی (ارت فالت) þعدم تقارن جريان سه فاز þکاهش بار ( در مورد موتورها) þافزايش مدت زمان راه اندازی (در مورد موتورها) þقفل بودن روتور (در مورد موتورها)
حفاظت اتصال کوتاه و اضافه جريان و اتصالی زمين : اولين و يکی از مهمترين حفاظت هايی که در يک سيستم وجود دارد حفاظت اتصال کوتاه و اضافه جريان و نشتی زمين می باشد . اين حفاظت ها با حفاظت اضافه بار تفاوت آشکاری دارد چون حفاظت اضافه بار بر اساس ظرفيت حرارتی واحد می باشند . در اين نوع حفاظت جريان سه فاز توسط سه عدد ترانسفورمر جريان حس می گردند و به رله انتقال می يابند و بر اساس آن حفاظت صورت می گيرد . در مورد حفاظت فوق منحنی قطع رله از اهميت بسيار زيادی برخوردار است زيرا حفاظت صحيح بر اساس آن صورت ميگيرد . اين رله ها می توانند دارای دو گروه منحنی قطع باشند : þ نوع زمان ثابت که پارامتر جريان و زمان به هم وابستگی ندارند و به صورت جداگانه تنظيم می گردند و رله بر اساس جريان تنظيمی در زمان تنظيم شده فرمان قطع را صادر می کنند . þ نوع زمان کاهشی که در اين حالت زمان قطع رله با يک منحنی به جريان عبوری از رله مرتبط می باشد . به اين صورت که هر چه جريان عبوری از رله بيشتر گردد زمان قطع رله کمتر خواهد بود . بسته به عملکرد و نوع استفاده از رله منحنی های استانداردی برای اين رله ها تعريف می گردد که بشرح زير است :
Standard Inverse Curve (SIT) Very Inverse Curve (VIT) Extremely Inverse Curve (EIT) Ultra Inverse Curve (UIT)
حفاظت سيستم های الکتريکی از اهميت بسيار زيادی برخوردار است و امروزه کمپانی های متعددی در حال طراحی و ساخت رله های حفاظتی می باشند . برخی از کمپانی های معتبر که در اين زمينه مشغول به فعاليت می باشند را معرفی می کنيم.
Siemens , Alstom , ABB , GE Power , Schneider , CEE , Reyroll
به طور کلی رله های حفاظتی بايد دارای مشخصات زير باشند : þسرعت عملکرد : اين پارامتر در رله های حفاظتی بسيار حائز اهميت است چون رله های حفاظتی هنگام خطا موظفند با سرعت هرچه تمامتر بخش های معيوب را از قسمت های سالم جدا نمايند . þحساسيت : اين پارامتر به حداقل جريانی که سبب قطع رله می گردد بر ميگردد . þتشخيص و انتخاب در شرايط خطا : اين پارامتر نيز بسيار مهم است زيرا در شبکه هايی که دارای چند باس بار و رله حفاظتی هستند هنگام وقوع خطا می بايد قسمت معيوب به درستی تشخيص داده شده و از شبکه جدا گردد و قسمتهای سالم به کار خود ادامه دهد. þپايداری : اين پارامتر به اين باز ميگردد که يک رله حفاظتی به تمامی خطاهايی که در محدوده حفاظتی خود به درستی عکس العمل نشان دهد و در مقابل خطاهای اين محدوده عکس العملی نشان ندهد .
دسته بندی رله های حفاظتی بر اساس پارامترهای اندازه گيری : الف) رله های جريانی : اين رله ها بر اساس ميزان جريان ورودی به رله عمل می کند . حال اين جريان می تواند جريان فازها , جريان سيم نول , مجموع جبری جريانهای فازها باشد (رله های جريان زياد – رله های ارت فالت و .... ) و جريان ورودی رله می تواند تفاضل دو يا چند جريان باشد ( رله های ديفرانسيل و رستريکت ارت فالت ) ب) رله های ولتاژی : اين رله ها بر اساس ولتاژ ورودی به رله عمل ميکند اين ولتاژ می تواند ولتاژ فازها باشد (رله های اضافه يا کمبود ولتاژ و ....) و يا ميتواند مجموع جبری چند ولتاژ باشد ( رله تغيير مکان نقطه تلاقی بردارهای سه فاز) ج) رله های فرکانسی : اين رله ها بر اساس فرکانس ولتاژ ورودی عمل ميکند ( رله های افزايش و کمبود فرکانس) د) رله های توانی : اين رله ها بر اساس توان عمل می کنند به عنوان مثال رله هايی که جهت توان را اندازه گيری می کنند يا رله هايی که توان اکتيو و راکتيو را اندازه گيری می کنند . ه) رله های جهتی : اين رله ها از جنس رله های توانی هستند که بر اساس زاويه بين بردارهای ولتاژ و جريان عمل ميکنند مانند رله های اضافه جريان جهتی که در خطوط چند سو تغذيه رينگ و پارالل بکار می روند و يا رله های جهت توان که جهت پرهيز از موتوری شدن ژنراتور هنگام قطع کوپلينگ آن بکار ميرود . و) رله های امپدانسی : مانند رله های ديستانس که در خطوط انتقال کاربرد فراوانی دارند . ز) رله های وابسته به کميت های فيزيکی : مانند حرارت – فشار – سطح مايعات و .... مانند رله بوخ هلتس ترانسفورمرها ح) رله های خاص : رله هايی هستند که برای منظورهای خاص به کار ميروند مثلا رله تشخيص خطای بريکر – رله مونيتورينگ مدار تريپ بريکر – رله لاک اوت و .....
باپیشرفت علم الکترونیک وساخته شدن مدارات پیچیده الکترونیکی به علت اشکالاتی که در تولید مدارات به طریقه سیم کشی ایجاد گردید ساختن مدارات به صورت چاپی رایج شد. در یک مدار چاپی عناصر بر روی یک طرف فیبر قرار گرفته و عبور جریان از لایه نازک مس طرف دیگر فیبر انجام می پذیرد.تولید مدارات از این طریق باعث کوچک شدن حجم مدار و همچنین باعث رعایت فواصل خطوط عبور جریان از یکدیگر وایجاد خاصیت خازنی کمتر میگردد.
در زیرمزیتهایی که باعث رایج شدن مدارهای چاپی به جای مدارهای سیم کشی گردید : آورده شده است.
1 - در مدار چاپی از شلوغ شدن اتصالات و سیم کشی ها جلوگیری میشود.
2- در مدار چاپی اندازه مدارات کوچک میشود.
3 - تعمیر و دنبال کردن عیب در مدار چاپی به سهولت انجام می گیرد.
4 - مونتاژ در مدار چاپی سریع و اسان انجام گرفته ومقرون به صرفه میباشد.
5- تکثیر وتولید زیاد به طریقه مدار چاپی آسان تر است. مزیتهای فوق باعث گردید که تمام کارخانجات درتولید و تکثیر لوازم الکترونیکی از روش مدار چاپی استفاده نمایند. برای تولید مدارات چاپی جداول و استانداردههایی از طرف کارخانه جات سازنده عناصر در مورد اندازه حقیقی و شکل ظاهری المانها انتشار می یابد که طراحی مدار چاپی باید با در نظر گرفتن جداول و استانداردهای مزبور انجام گیرد. برای تبدیل یک مدار الکترونیکی به مدار چاپی روشهای مختلفی وجود دارد که مراحل زیر در تمام روشها مشابه می باشد.
1- چسباندن ورقه نازک مس روی فیبر عایق ( مرحله ساخت فیبر مدار چاپی ).
2- طراحی مدار با در نظر گرفتن اندازه حقیقی و استانداردهای موجود در طراحی مدار چاپی.
3- استفاده از روشهای رایج در انتقال مدار روی فیبر وترسم مدار به وسیله عنصر مقاوم در برابر اسید (مانند مازیک ضد آب )
4- قرار دادن فیبر در داخل اسید و از بین بردن مسهای که عنصر مقاوم روی آن رسم نگردیده است.
5- تمیز کردن فیبر وسوراخ نمودن آن .
6- لحیم کاری عناصر بر روی فیبر. به طوریکه قبلآ گفته شد مراحل فوق باید با در نظر گرفتن استانداردههای موجود انجام پذیرد. اکنون به بررسی استانداردهای مختلف طراحی وتولید مدار چاپی می پردازیم. الف- استاندارد فیبر مدار چاپی :
فیبرهای مدار چاپی به دو صورت کلی ساخته میشوند که شامل فیبر یک لایه و دولایه میباشد. در فیبرهای یک لایه در یک طرف فیبرعایق لایه مس وجود دارد وارتباط بین پایه های عناصر وهدایت جریان تنها در یک طرف انجام می گیرد و المانها در طرف دیگر قرار می گیرند. در طراحی مدار چاپی روی فیبر یک لایه باید ارتباط پایه ها را تنها در یک طرف در نظر گرفت و مدار را طراحی نمود.
در فیبرهای دو لایه در دو طرف فیبرلایه مس وجود دارد و میتوان برای ارتباط پایه عناصر از دو طرف فیبر استفاده نمود. فیبرهای دو لایه برای مدارهای با ارتباط زیاد و حجم کم استفاده میشود و در طراحی مدار چاپی ارتباط پایه ها در دو طرف در نظر گرفته می شود.
فیبرهای یک لایه ودو لایه از نظر جنس فیبر مختلف میباشند و هر کدام از فیبرها مشخصات خاص خود را دارند.
فیبرها از نظر نوع جنس به دو بخش فیبر فنلی و فیبر فایبرگلاس تقسیم بندی می شوند.
فیبر فنلی : از ترکیب لایه های کاغذ در محلول فنل ساخته میشود ورایج ترین نوع فیبر مدار چاپی می باشد.
این فیبر به علت قیمت ارزان آن در تولید اغلب دستگاههای تجاری بکار میرود ودر مقابل حرارت مقاومت زیادی ندارد. به این سبب در دستگاههای حساس وگرانقیمت استفاده نمی شود.
فیبر فایبر گلاس : این فیبر دارای چند نوع مختلف میباشد و از ترکیب فشرده الیاف پشم شیشه در محلول چسب های مختلف مانند اپوکسی ساخته میشود . این نوع فیبر تحمل حرارت زیاد را داشته واز نظر استحکام نیز مقاوم تر از نوع فنلی می باشد. کار کردن با این فیبر ساده میباشد زیرا ارتباط پایه های عناصر از پشت فیبر دیده میشود و بررسی مدار هنگام تعمیر آسانتر انجام میگیرد.
به علت گران بودن این فیبر در دستگاههای گرانقیمت وحساس از آن استفاده میشود. فیبرها در ضخامتهای 1mm ,2mm,3mm ساخته شده اند وبصورت استاندارد عرضه میگردند.
لایه های مس چسپانده شده روی فیبر مدار چاپی نیز دارای مشخصات واستانداردهایی میباشد. ضخامت لایه مس وصل شده بر روی فیبر معمولآ 25 و50 و75 میکرو متر استفاده میشود. ب- استاندارد طراحی مدار چاپی :
تبدیل یک نقشه الکترونیکی به نقشه مدار چاپی باید طبق استانداردهای موجود ورعایت مسائلی انجام پذیرد.یک نقشه الکترونیکی میتواند در هر اندازه و شکلی کشیده شود اما مدار چاپی باید طوری تهیه شود که در آن استاندارد واصول مدار چاپی و اندازه حقیقی المانها در نظر گرفته شود. طراحی مدار چاپی باید با رعایت فواصل پایه ها وحجم المانها متناسب با اندازه حقیقی انجام پذیرد. مثلآ اگر بخواهیم یک مقاومت 2 وات را به طور افقی در فیبر قرار دهیم ب علت اینکه فاصله بین دو پایه آن 17میلی متر است باید در طراحی مدار چاپی نیز حداقل 17 میلی متر فاصله بین دو پایه در نظر بگیریم.
برای طراحی مدار چاپی از طرف کارخانه سازنده عناصر جداول واستانداردهائی در مورد پایه مقاومتها و دیودها وترانزیستور وآی سی وغیره منتشر میگردد که طراحی مدار چاپی بر مبنای این جدولها انجام می پذیرد.
علاوه بر رعایت اندازه المانها نکات دیگری نیز باید در طراحی مدار چاپی در نظر گرفته شود. در زیر مهمترین نکاتی که باید در طراحی مدار چاپی رعایت شود آورده شده است. 1- نقشه الکترونیکی بصورتی به نقشه مدار چاپی تبدیل شود که ورودیها در یک طرف وخروجیها در طرف دیگر قرار گیرند.
2- عناصر حرارتی مانند مقاومتها و ترانزیستورها ی پر وات کنار المانهای حساس به حرارت مانند دیودها وترانزیستورهای کوچک قرار نگیرند .
3- المانها به صورتی در مدار قرار گیرند که هنگام تعمیر به راحتی بتوان آنها را در آورد وتعویض نمود.
4- در نظر گرفتن مکانهای که در نقشه الکترونیکی در نظر گرفته نمیشود مانند رادیاتورها و جای پیچ وغیره...
5- در مدار های فرکانس بالا تا جای که امکان دارد فاصله ها کوتاهتر وپایه المانها هم کوتاهتر باشد.
6- پهنای خطوط ارتباط باید متناسب با جریان عبوری و مقاومت ایجاد شده باشد.ولتاژ وصل شده به مدار چاپی باید با در نظر گرفتن استانداردهای موجود انجام پذیرد. حداقل فاصله بین دو خط ارتباط متناسب با تغییر ولتاژ مدار تغییر مینماید. در صورتیکه فاصله خطوط با در نظر گرفتن ولتاژ مدار از حد مجاز کمتر شود باعث ایجادجرقه یا ارتباط بین دو خط میگردد . حداقل فاصله بین دو نقطه متناسب با ولتاژ مدار در جدول زیر آورده شده است.
حداقل فاصله mm
ولتاژdc و ماکزیممولتاژac
0.5 0
50 v
0.7 51
100v
1 101
170v
1.2 171
250v
3 250
500v
طرز ساخت بورد مدار چاپی با استفاده از ماژیک
طریقه ساخت فیبر مدار چاپی بوسیله ماژیک
مواد لازم: ماژیک واترپروف، اسید پاک کننده مس (کلرید آهن) ابتدا یک ماژیک واترپروف (ضد آب) تهیه می کنید. توجه نمایید که حتما ضد آب و پر رنگ باشد . چون بعد از طراحی و آنهمه زحمت ممکن است داخل اسید از بین برود.قبل از هر چیز فیبر مسی را کاملا با یک سمباده نرم سمباده می زنید مطمئن شوید که هیچ لایه ای روی مس نباشد. چرب هم نباشد.
سپس با ماژیک تمام خطوط مورد نیاز را روی مس رسم نمایید. توجه نمایید که دست با مس تماس پیدا نکند چون باعث چرب شدن مس و در نتیجه داخل اسید مزاحمت ایجاد خواهد کرد
حدالامکان از یک ماژیک نوک تیز استفاده نمایید. البته ماژیک مخصوص این کار در بازار موجود می باشد.(ماژیک سی دی مناسب می باشد) بعد از مطمئن شدن از مدار باید آن را داخل اسید بیاندازید طریقه تهیه اسید برای پاک کردن سطح مسی
مواد لازم : اسید ، آب، ظرف پلاستیکی
یک ظرف پلاستیکی تهیه نمایید . توجه نمایید که حتما پلاستیکی باشد نه فلزی. بعد مقداری آب داخل آن بریزید به اندازه ای که حدودا ۱ سانت روی فیبر مسی را بگیرد. مقدار ۱۰۰ تا ۲۰۰ گرم در یک لیتر آب از اسید داخل آب بریزید و آرام ظرف را تکان دهید تا اسید کم کم حل شود چون در یک جا ایجاد گرما می کند و ممکن است که ظرف شما ذوب شود.
مطمئن شوید که اسید حل شده است. سپس فیبر مسی را که روی آن مدار مربوطه را طراحی کرده اید داخل آب اسید بیاندازید. حدود ۳۰ دقیقه کمتر یا بیشتر که بستگی به مقدار اسید دارد طول خواهد کشید که مسهایی که لازم نیست خورده شود. در این مدت زمان باید ظرف را آرام آرام تکان دهید تا کل آب اسید روی سطح مسی در حرکت باشد.
بعد از پاک شدن مسهای اضافی آن را از آب اسید بیرون آورده و بشورید. بیشتر از این هم داخل اسید نگذارید که قسمتهای مورد نیاز را هم خواهد خورد. سپس روی آن را با یک سمباده نرم پاک کنید. بعد نقاطی که لازم است را با یک مته ۱ یا نیم میل سوراخکاری کنید. حالا فیبر شما است.
موفق باشید. طریقه ساخت فیبر مدار چاپی بوسیله اسپری پزتیو20 مواد لازم: اسپری پزتیو 20 (positiv 20) ، سود سوز آور، طلق تراسپرنت یا فیلم ابتدا یک اسپری پزتیو 20 تازه تهیه نمایید. اگه مانده باشد در حقیقت فاسد شده است و آن حساسیت لازم در برابر نور را ندارد سود سوز آور را می توانید از مغازه های فروش تجهیزات پزشکی تهیه نمایید. ابتدا باید طرح مدار را تهیه نمایید. می توانید طرح را چاپ کرده و آن را به بازار و مغازه های مختلف مهرسازی، چاپ سیلک و چاپخانه ها بدهید که از روی آن فیلم بگیرند. بهترین کار این است که چند طلق ترانسپرنت که قابلیت چاپ با پرینتر لیزری را دارند را تهیه نمایید. طرح خود را روی طلق با یک چاپگر دقیق لیزری چاپ نمایید. بهتر است از طرحتان دو تا پرینت بگیرید و روی هم بگذارید که دیگر نوری از جاهای چاپ شده عبور نکند.
فیبر مسی را با یک سمباده نرم کاملا تمیز و عاری از هرگونه چربی نمایید. در یک مکان تاریک و بدور از گرد و غبار و وزش باد با استفاده از اسپری روی آن را رنگ پزتیو بزنید. با فاصله 30 سانتی و با زاویه 45 درجه و با حرکت منظم دست روی سطح مسی را بپوشانید. لازم نیست که چند دست بزنید. یک دست هم کافیست به شرطی که مطمئن شوید همه جای آن را پوشانده است. مواظب باشید که یکنواخت باشد و جایی از جای دیگر بیشتر نباشد .فیبر را حتما افقی بگیرید که رنگ روی فیبر بماند و نچکد.
حالا نوبت به خشک کردن فیبر می باشد. می توانید آن را در جای تاریک به مدت 12 تا 24 ساعت به حال خود بگذارید. باید از طریق گرم کردن اون رو خشک کنید. اگه دستگاه مخصوص خشک کن فیبر در اختیار داشته باشید کار راحت میشود. بعد از 10 الی 15 دقیقه فیبر کاملا خشک شده است. تمام این مراحل در محل تاریک انجام شود.
حالا یک ظرف بزرگ تهیه نمایید یک لامپ گازی یا مهتابی کوچک و یا دو سه لامپ معمولی (بسته به اندازه طرحتان دارد) را داخل ظرف بگذارید. یک شیشه روی ظرف بگذارید و طرح چاپ شده یا فیلم را روی آن . سپس فیبر روی طرح گذاشته به صورتی که سطح مسی رنگ خورده رو به پایین و روی طرح چاپ شده باشد. توجه نمایید که روی فیبر را با یک وزنه و یا یک شیشه دیگر سنگین نمایید که فیبر کاملا با فشار زیاد در مدت نور دهی به طرح بچسبد. تمام این مراحل در جای تاریک باید انجام شود. حالا لامپ و یا مهتابی را روشن نمایید.
به مدت 20 الی 30 دقیقه به آن نور دهید این مدت زمان کاملا بسته به شدت نور و مهمتر از آن بسته به کیفیت اسپری می باشد. اگر اسپری تازه باشد این مدت حتی می تواند کمتر باشد. چون در زمان خیلی کوتاهی در مجاورت نور عکس العمل نشان می دهد.
حالا باید یک ظرف تهیه نمایید تا در آن سودسوز آور را با آب حل نمایید. مقداری آب که 1 سانت روی فیبر را بگیرد را داخل ظرف بریزید و حدود 10 تا 20 گرم سود را داخل آن بریزید . زیاد نریزید که کل رنگ پزتیو را خواهد خورد. و به هم بزنید تا کاملا حل شود.
دوباره در یک محل یک کم تاریک فیبر مسی را داخل این محلول سود بیندازید و خیلی آرام آرام محلول را به مدت 30 تا 60 ثانیه تکان دهید. می بینید که جاهایی که لازم است خالی باشد کم کم در محلول حل می شود. بعد از این سریعا فیبر را بیرون آورده و با آب بشوید. حالا لازم است که آن را داخل اسید بیاندازید.
