Sadržaj Predavanja1. Upoznavanje s osnovnim logičkim sklopovima (logička vrata, brojila, registri, pokazivači

memorije)

2. Brodski Električki i Elektronički Sustavi

3. Mjerenja Faze Pomoću Lissajousovih Krivulja

Osnovni Logički Sklopovi• Logička vrata:• "OR" vrata

• "AND" vrata

• "XOR" vrata

• "NOT" vrata (invertor)

• "NOR" vrata

• Sekvencijalni sklopovi:• Latchevi (SR-Latch, D-Latch)

• Brojila (counteri)

• Registri

Digitalni Signali

Kod digitalne logike signal može poprimiti samo neke konačne vrijednosti. Primjerice, kod TTL sklopova logička nula se smatra naponom od 5V dok je logička nula 0V. Postoji još "CMOS Low Level Voltage" 3.3V nivo logičke jedinice i koristi se da se smanji disipacija snage u integriranom krugu (IC)

Analogni signal Digitalni signal

Do sada smo razmatrali analogne sklopove gdje se ulazni napon 𝑢𝑖𝑛 𝑡 i izlazni napon 𝑢𝑜𝑢𝑡 𝑡mijenja kontinuirano s vremenom. Amplituda može imati proizvoljne vrijednosti.

Digitalni Signali - TTL (Transistor-Transistor Logic)Idealno TTL signal od 5V predstavlja logičku jedinicu, dok 0V predstavlja logičku nulu. Kod stvarnih TTL integriranih krugova stvarne vrijednosti logičke 0 i logičke 1 odstupaju od ovih idealnih vrijednosti.

Za TTL logičke ulaze logička nula je u području između 0 i 0.8V a logička jedinica je u području od 2V-5V.

Za TTL logičke izlaze logička nula je u području između 0 i 0.5V a logička jedinica je u području od 2.7V-5V.

Digitalni Signali - CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor)

CMOS naponski nivoi su različiti od TTL naponskih nivoa:

Za CMOS logičke ulaze logička nula je u području između 0 i 1.5V a logička jedinica je u području od 3.5V-5V.

Za CMOS logičke izlaze logička nula je u području između 0 i 0.05V a logička jedinica je u području od 4.95V-5V.

Zbog toga treba obratiti pažnju ako se kombiniraju CMOS i TTL integrirani krugovi!

7400 Serija Digitalnih Integriranih Krugova (IC)• Serija 7400 digitalnih IC-a sastoji se od nekoliko stotina integriranih krugova kojima se implementira od logičkih vrata, flip-flopova, transcievera sve do ALU (Arithmetic Logic Unit)

• Originalno serija 7400 je izvedena u TLL logici a kasnije u CMOS i BiCMOS (to su CMOS integrirani krugovi kompatibilni sa TTL integriranim krugovima)

• Kod TTL logike standardni TTL ima oko 10ns "gate delay" i disipaciju od oko 10mW. Najnapredniji modeli TTL serije su 74LS (low power Schottky 10ns delay i oko 2mW disipacija) te 74AS, 74ALS i 74F (Fast 3.4ns delay i 5mW)

• Kod CMOS izvedbi 74 serije poznate su 74HC i 74HCT serije. HCT serija je kompatibilna sa TTL naponskim nivoima

• Najnaprednija izvedba u CMOS tehnologiji nosi oznaku 74VHC (very high speed cmos)

Digitalni Signali - Propagation DelayKada se stanje na ulazu digitalnog IC-a promijeni, izlaz se ne mijenja trenutačno već protekne neko vrijeme da se promjena propagira kroz integrirani krug.

Na slici su NOT vrata (inverter)

𝜖1 je vrijeme propagacije potrebno da se 1 na ulazu propagira u 0 na izlazu. To propagacijsko vrijeme se označava još sa 𝑡𝑃𝐻𝐿. Dakle 𝜖1 = 𝑡𝑃𝐻𝐿.

𝜖2 je vrijeme propagacije potrebno da se 0 na ulazu propagira u 1 na izlazu. To propagacijsko vrijeme se označava još sa 𝑡𝑃𝐿𝐻. Dakle 𝜖2 = 𝑡𝑃𝐿𝐻.

Vremena tranzicije 𝑡𝑃𝐿𝐻 i 𝑡𝑃𝐻𝐿 se uvijek odnose na izlaz i bez obzira da li se radi o inverteru ili ne.

ILI (OR) vrataMogu se jednostavno izvesti pomoću dvije diode i otpornika:

Ako dovedemo TTL pozitivni nivo (+5V) na bilo koji od ulaza (A ili B) na toj diodi će biti pad napona 0.7V

To znači da će na otporu biti pad napona od 4.3V što je više od TTL aktivnog nivoa (2.5V)

Dakle na izlazu C imamo napon od 4.3V bez obzira na koji ulaz (A ili B ili na oba ulaza A i B istovremeno). Stoga možemo pisati tablicu istine:

Logički simbolOR vrata

ILI (OR) vrata - 74HC32Quad 2 input OR vrata. Quad dolazi od činjenice da 74HC32 se zapravo sastoji od 4 OR vrata

Logički simbol Pin configuration

NOT vrata ili InverterZadaća NOT vrata (invertera) je da logičko stanje na ulazu invertira te da na izlazu da obrnuto stanje logičko stanje od onog na ulazu. Primjerice ako je na ulazu logička "0" na izlazu će se pojaviti logička "1" i obrnuto.

NOT vrata se mogu izvesti pomoću signalnog tranzistora koji je spojen kao prekidač (switch).

Ako je na ulazu tranzistora logička "0" onda transistor ne vodi. U tom slučaju sva struja prolazi kroz otpor R2 i izlazi na OUT izlaz. Pod uvjetom da je otpor R2 dovoljno mali pad napona na R2 je toliki da se izlaz može smatrati logičkom jedinicom (TTL i CMOS naponski nivoi)

Ako je na ulazu napon koji odgovara logičkoj jedinici, tada tranzistor vodi te je pad napona na R2 veći. Ako je R2 dobro izabran tada taj napon može biti veći od 4V te je izlazni napon takav da se može smatrati logičkom nulom.

NOT vrata u IC IzvedbiIC izvedba NOT vrata je česta u obliku hex invertera. To je IC serije 74' tj. nosi oznaku 7404 (može biti 74HC04, 74HCT04 itd.) Hex inverter ima 6 ulaza, 6 invertirajućih izlaza te jedan pin napajanja i jedan pin za uzemljenje.

AND ili "I" vrataAND vrata kombiniraju dva ulaza te na izlazu daju rezultat koji ovisi o oba inputa. Kod and vrata, izlaz će dati logičku "1" jedino ako su na oba ulaza dovedene logički "1". Za sve ostale kombinacije ulaza ( (1,0),(0,1),(0,0) ) na izlazima dobijemo logičku "0".

Na slici su AND vrata u tranzistorskoj izvedbi. Ako je na bilo kojem od ulaza logička "0" tada jedan od tranzistora ne vodi te kroz otpor R2 ne teče struja te je napon OUT na logičkoj 0.

Jedino ako su na oba ulaza dovedeni naponi koji odgovaraju logičkoj jedinici tada oba tranzistora vode i kroz otpor R2 teče struja takva da pad napona na OUT izlazu odgovara logičkoj "1"

AND vrata u IC izvedbiIC izvedba AND vrata je kod serije 74' obično IC 7408 i dolazi u obliku "quad 2-input" AND vrata.To znači da 7408 ima ukupno 8 ulaza te 4 izlaza što ukupno sa napajanjem i uzemljenjem daje 14 nožica IC-a.

XOR Vrata (exclusive OR)XOR vrata su vrata sa dva ulaza te jednim izlazom. Na izlazu daju jedinicu ako, i samo ako, je samo jedan od ulaza "1". U svim ostalim slučajevima se na izlazu pojavljuje logička "0".

Simbol XOR vrata

IEEE Simbol XOR vrata

Tablica istine za XOR vrata

Brodski Električki i Elektronički SustaviDanašnji brodovi manje i srednje veličine sadrže veći broj električkih i elektroničkih uređaja:

1. AC Punjači Baterija (akumulatora)

2. Uređaji za podizanje sidra

3. Audio Sustavi

4. Pumpe za ispumpavanje mora

5. Bočni motori za manevriranje

6. Električni uređaji za pripremu hrane

7. Električni uređaji u sanaciji (sanitarije)

8. Električni vinčevi

Brodski Električki i Elektronički Sustavi9. Alternatori (generatori električne energije)

10. Istrumentacija motora (indikatori, pokazivači)

11. Starter motora

12. Grijači za toplu vodu

13. Inverteri (za solarne panele DC/AC konverzija)

14. Rasvjeta (navigacijska svjetla i osvjetljenje na brodu)

15. Navigacijska i komunikacijska elektronika

16. televizija

17. Upravljanje zakrilcima (trim tabs)

Brodski Električki i Elektronički Sustavi18. Električki sustavi frižidera i klimatizacije

19. Transformatori (izolacijski) za priključak na obalne AC izvore

20. AC Generatori

Svi ovi nabrojani uređaji mogu se klasificirati kao električni (AC generatori, elektromotori) i elektronički (npr. GPS, autopilot, eletroničke navigacijske karte itd.)

Neki od nabrojenih uređaja se napajaju pomoću AC izvora a neki pomoću DC izvora. Također do svakog od ovih uređaja dolazi odgovarajući električni vod. Primjerice na brodu velikih dimenzija može biti instalirano na desetke kilometara kabela.

Svaki od ovih uređaja će se tijekom vijeka trajanja trajanja broda barem jednom pokvariti te će morati biti ili popravljen ili zamijenjen istim ili odgovarajućim novim uređajem.

Kategorizacija Brodskih Električnih i Elektroničkih Sustava

Električni sustavi:

1. Električni krugovi za elektromotore jake struje

2. Električni krugovi za elektromotore slabe struje

3. Alternatori

4. Električni krugovi rasvjete

5. Rezistivni AC krugovi (grijanje)

6. Punjači baterija i inverteri

7. AC izvori

Elektronički sustavi:

1. Komunikacijska oprema

2. Navigacijska oprema

3. Oprema za zabavu (TV/Audio)

S obzirom na održavanje brodskih električnih sustava električne i elektroničke sustave možemo podijeliti:

Električni krugovi za elektromotore slabe i jake strujeElektrični krugovi za elektromotore jake struje mogu se naći kod:

1. Startera (elektromorori za pokretanje)

2. Uređaja za podizanje sidra

3. Elektromotora za propulziju (thrusters)

4. Motora za Električne vinčeve

Svaki od ovih uređaja sadrži ujedno i uređaj slabe struje za upravljanje motorom (dualni su AC/DC). Uglavnom su to DC električni krugovi za upravljanje relejem (solenoidom).

Električni krugovi za elektromotore slabe struje nalaze se kod:

1. Elektromotora u Hladnjacima (AC/DC)

2. Elektromotora u Pumpama za ispumpavanje

3. Elektromotora za ventilaciju

4. Elektromotora za upravljanje zakrilcima

5. Elektromotora u sanitarnim krugovima

Postupci kod električnih krugova za elektromotore jake strujeTipični problemi koji se manifestiraju kod električnih krugova za elektromotore jake struje su:

• Motor se ne pokreće prilikom aktiviranja (ne reagira na prekidač)

• Motor je spor, ne postiže očekivanu brzinu vrtnje

• Često pokretanje uređaja za zaštitu električnih krugova (ispadanje osigurača)

Testiranje električkih krugova elektromotora jake struje - primjer

Testiranje električkih krugova elektromotora slabe struje - primjer

AlternatorAlternator je elektromehanički uređaj koji pokreće motor (sa unutarnjim sagorjevanjem) i proizvodi električnu energiju u formi AC električne struje te se nalaze u gotovo svim vozilima sa motorima s unutarnjim sagorjevanjem.

Alternatori za primjenu na brodovima su posebno prilagođeni okružju u kojem rade. Alternatori za primjenu na brodovima su dizajnirani tako da iskrenje na četkicama ne može zapaliti smjesu plinova koja se može naći u strojarnici.

Kod tretmana električnih problema krugova alternatora pretpostavlja se da je mehanička strana ispravna, da su remeni čvrsto pričvršćeni za motor te da je i sam alternator čvrsto pričvršćen za motor.

Alternator - Skica UređajaAlternator ju uređaj koji proizvodi električnu AC struju dok je motor sa unutarnjim izgaranjem u pogonu.

Što je vrtnja motora brža to se može generirati više električne struje.

U suštini je alternator trofazni generator gdje su faze napona međusobno razmaknute za 120𝑜.

Zadaća mu je dvojaka:

1. Generira električnu struju za punjenje baterija (akumulatora)

2. Generira električnu struju za pogon brodskih električnih uređaja.

Alternator - Komponente Sustava za Punjenje Baterija (akumulatora)

Sustav za punjenje baterija sastoji se od:

1. Generatora (alternatora)

2. Ispravljača napona

3. Baterije (akumulatora)

4. Indikatora punjenja baterije

5. Kabela koji povezuju pojedine komponente sustava

Alternator - dijelovi generatora Rotor generatora pokreće motor sa unutarnjim sagorjevanjem putem remena alternatora.

Magnetsko polje rotora se može proizvesti putem permanentnih magneta na rotoru ili se može proizvesti električki putem struje kroz rotor (te se onda može regulirati generacija struje alternatora)

Na namotima statora se generira AC električni napon putem elektromagnetske indukcije.

Naponski regulator je obično dio alternatora te se tako pretvara AC u DC napon.

Električna Shema Ispravljača Alternatora

Alternator pretvara mehaničku energiju motora (sa unutarnjim sagorijevanjem) u AC električnu energiju putem eleketromagnetske indukcije.

AC napon se pretvara u DC napon putem mosnog spoja koji se sastoji od 6 dioda.

Izolacijska dioda je se nalazi na izlazu iz alternatora. Njena svrha je da blokira bilo kakvu struju koja teče iz baterije unatrag prema alternatoru.

Električna Shema Alternatora - Trofazni Diodni Mostni Ispravljač

Naponi 𝑣1, 𝑣2 i 𝑣3 su fazno pomaknuti za kut

120𝑜 (odnosno 2𝜋

3izraženo u radijanima).

Dakle naponi 𝑣1, 𝑣2 i 𝑣3 se mogu izraziti:

(1) 𝑣1 = 𝑉𝑚cos(𝜔𝑡)

(2) 𝑣2 = 𝑉𝑚cos(𝜔𝑡 −2𝜋

3)

(3) 𝑣3 = 𝑉𝑚cos(𝜔𝑡 −4𝜋

3)

Gdje je 𝑉𝑚 amplituda faze alternatora. Amplituda pojedine faze je u vezi sa RMS vrijednosti (one mjerene na instrumentu) pojedine faze:

(4)𝑉𝑚 = 𝑉𝑅𝑀𝑆 2

Električna Shema Alternatora - Trofazni Diodni Mostni IspravljačAko zanemarimo pad napona na diodi, napon u točki A u bilo kojem trenutku odgovara maximumu napona 𝑣1, 𝑣2 i 𝑣3:

(5) 𝑣𝐴 = 𝑚𝑎𝑥(𝑣1, 𝑣2, 𝑣3)

S druge strane napon u točki B je jednak minimumu napona 𝑣1, 𝑣2 i 𝑣3:

(6) 𝑣𝐵 = 𝑚𝑖𝑛(𝑣1, 𝑣2, 𝑣3)

Napon 𝑉𝑂𝑈𝑇 na izlazu alternatora je jednak razlici napona 𝑣𝐴 i 𝑣𝐵:

(7) 𝑉𝑂𝑈𝑇 = 𝑣𝐴 − 𝑣𝐵

Može se izračunati (ekspanzijom 𝑉𝑂𝑈𝑇 u Fourierovu seriju) da je RMS vrijednost izlaznog napona:

(7) 𝑉𝑂𝑈𝑇 =3 3

𝜋𝑉𝑚 ≈ 1.65𝑉𝑚 ≈ 2.34𝑉𝑅𝑀𝑆 RMS vrijednosti su one vrijednosti koje

dobijemo mjerenjem na unimeru.

Trofazni Diodni Mostni Ispravljač -normalizirane forme napona 𝑣1, 𝑣2 i 𝑣3

Trofazni Diodni Mostni Ispravljač - forme napona 𝑣𝐴, 𝑣𝐵 i 𝑣𝑂𝑈𝑇

Struja Rotora Alternatora - "field current"Stator ne može generirati električnu struju ako kroz namote rotora ne prolazi promjenjivo magnetsko polje.

To promjenjivo magnetsko polje se stvara putem struje kroz namote rotora ili je na rotoru permanentni magnet.

Inicijalno prilikom pokretanja motora ta struja potrebna za rotor dolazi iz baterije.

Kada se motor pokrene, struja rotora ne dolazi više iz baterije, već se dio DC struje vraća sa ispravljača na rotor.

Struja rotora dolazi na rotor obično putem regulatora.

Terminali AlternatoraTerminali (B+) i (B-) su terminali za punjenje baterije. Izlaz na tim terminalima je ispravljeni DC napon koji puni bateriju.

(D+) terminal je terminal za indikacijsko svijetlo

Terminal za ekcitataciju rotora (EXC) služe da se na njih dovede struja za rotorske zavojnice (bez kojih alternator ne može dati struju osim ako se ne radi o rotoru sa permanentnim magnetima). Ovi terminali se još označavaju sa oznakama (F+) i (F-) .

(G) je terminal uzemljenja (ground)

(T) je terminal koji daje impulse statora i može se koristiti u kombinaciji sa brojilima da se mjeri brzina vrtnje alternatora.

Manifestacije problema sa alternatorom1. Problemi sa alternatorom se najčešće manifestiraju u formi da baterije (akumulatori) nisu

ispravno napunjeni, tj. baterije su nedovoljno napunjene.

2. Baterije se mogu i prepunjavati. To se može primjetiti po npr. neobičnom mirisu u odjeljenju za punjenje baterija. Također se može primjetiti i po "napuhivanju" akumulatora ako sadrži niži nivo elektrolita. Kod zatvorenih akumulatora to se naravno ne može vidjeti niti se mogu nadopuniti nivoi elektrolita. Ako elektrolit u potpunosti ispari može doći do kratkog spoja te iskra unutar baterije može dovesti do eksplozije.

3. Ako alternator nije ispravan, može imati povišen EMI (elektromagnetska interferencija) koji može ometati elektroničku opremu na brodu (dakle ako neki od elektroničkih uređaja manifestira neobičan režim rada možda treba provjeriti i alternator)

Najčešći Uzroci Problema sa AlternatoromTipični primjer je kada alternator daje normalnu struju punjenja na svom izlazu ali se baterije ipak ne pune.

Alternatori imaju mali izlazni otpor, reda veličine 1/10 (alternator od 120A ima tipično izlazni otpor od 0.11 ) kao i cijeli izlazni krug alternatora. Ako mu se u seriju doda bilo kakav nepredviđeni otpor struja punjenja akumulatora nije dovoljna te se baterije ne pune ispravno.

Jedan od očitih uzroka povećanog otpora u krugu alternatora jest korozija na terminalima akumulatora, što je lako vidljivo golim okom te se može otkloniti čišćenjem.

Međutim, često se na terminalima kabela koji vode do alternatora stvara oku gotovo nevidljivi film koji se može predstaviti otporom. Takav film se stvara zbog korozije. Taj dodani otpor može biti velik u odnosu na cijeli krug alternatora te se akumulator ne punu dovoljnim iznosom struje.

Primjera radi ako alternator od 120A radi u krugu koji ima ukupni otpor 0.2 ako mu se doda još 0.2 otpora zbog korozije onda više ne teče struja od 120A već od 60A.

Postupci Utvrđivanja Kvara na Alternatoru (punjenje baterije)Ommetar nije pogodan za testiranje kabela koji služe za provođenje jake struje. Razlog za to je što ommetar daje malu DC struju koja eventualno može proći kroz kabele. Međutim kod jakih struja korodirani kontakti nemaju dovoljnu kontaktnu površinu da kroz njih prođe jaka struja.

Test pada napona je jedini efektivni test kojim se može utvrditi da li je kabliranje ispravno (tj. da li konektori i kabeli imaju veći otpor od predviđenog) te da li alternator ispravno puni bateriju.

Da bi se provjerio pozitivni krug alternatora prvo se motor dovede na oko 2400rpm te se spoji negativni ulaz instrumenta na pozitivni (+) pol baterije a pozitivni ulaz instrumenta na pozitivni(+) terminal alternatora. Izmjereni pad napona ne smije biti veći od 0.5V. Ako je taj napon veći od 0.5V onda imamo veći otpor nego što je predviđen u krugu punjenja baterije te je potrebno naći uzrok problema.

Postupci Utvrđivanja Kvara na Alternatoru (punjenje baterije)Da se provjeri krug uzemljenja alternatora, spoji se negativni ulaz voltmetra (-) sa negativnim polom baterije a pozitivni ulaz voltmetra (+) na uzemljenje (kućište alternatora). Tako izmjereni napon ne smije biti veći od 0.3V. Ako je pad napona veći od 0.3V onda opet imamo povećan otpor bilo zbog korozije ili neispravnih (nečistih) spojeva kabela. Test se provodi kada motor radi na oko 2500 rpm.

Razlika između pada napona na alternatoru kada je motor pogonu i u leru je od 2.5V-0.5V. Ako je ta razlika manja od 0.5V ako je motor u pogonu (2500rpm) to može značiti da je na brodu više potrošača nego što alternator može dati struje. U tom slučaju treba postojeći alternator zamijeniti novim, tj. modelom koji može dati više struje.

Testiranje Struje Punjenja AlternatoraStruja koju daje alternator u krug baterije može se testirati pomoću strujnih kliješta.

Prvo se izmjeri napon alternatora kada je motor u leru (na B+ i B-izlazima alternatora za punjenje baterije) te se verificira da li je on između 13.5V i 15.3V.

Nakon toga se motor dovede na 2500rpm te se mjeri struja punjenja i verificira se da li je potrebna struja ona koja je potrebna za punjenje jedne ili više baterija.

Testiranje Struje Pobude RotoraAlternatora

Testiranje struje pobude alternatora se može raditi putem strujnih kliješta i to na F+ i F- izlazima alternatora.

To se izvodi tako što se da kontakt na motoru, ali se motor ne pokrene. Kad je dan kontakt kroz rotor teče struja pobude koja obično dolazi iz baterije (dok motor još nije pokrenut).

Ako struja kroz rotor ne teče kada smo dali kontakt na motoru to može značiti pokvareni regulator struje rotora na alternatoru.

Testiranje Dioda IspravljačaKod testiranja dioda ispravljača mjeri se takozvana "ripple napon" alternatora. Taj napon proizvodi mala AC struja koja je superponirana DC struji na izlazu alternatora.

Dobar alternator daje oko 0.5V ripple napon. Ako je taj napon veći od 0.5V to znači da je vjerojatno neka od ispravljačkih dioda neispravna.

Mjerenje Struje Curenja Alternatora (Leakage Current)

Ovo se mjerenje radi kada se da kontakt motora ali se motor još uvijek ne pokreće.

Multimer se spaja u seriju sa izlazom alternatora te se mjeri struja.

Struja curenja dioda (leakage current) mora biti maksimalno oko 0.5 mA. Ako je ta struja veća onda se radi o neispravnoj diodi i ona može isprazniti bateriju.

Jednostavni Postupak Testiranja Rada Alternatora