Realizace výukových pracovišť a příprava 33 ks návodů laboratorních úloh umožňujících online a distanční formy výuky na FEKT

Realizacevýukovýchpracovišťa příprava33ksnávodůlaboratorních úlohumožňujícíchonlineadistanční formyvýukynaFEKT      HlavníčinnostivýstupuA2‐8: 1. Sběrinformačníchzdrojůasestavenírámcelaboratorníchúlohavymezenírozvíjených kompetencístudentů 2. Nákupmateriáluadrobnéhomajetkuprorealizacilaboratorníchúlohajejichkompletace 3. Vypracovánídílčíchčástí(cílů,zadání,teoretickéhoúvodu,postupuatd.)kdanýmlaboratorním úlohám 4. Kompletacenávoduklaboratorníúlozeajazykovékorekce    Brno31.12.2023  PředloženýtextjevýstupemprojektuNPO_VUT_MSMT‐16609/2022vrámcispecifickéhocíleA2:Rozvoj v oblasti distanční výuky, online výuky a blended learning. Tento výstup byl realizován na Fakultě elektrotechnikyakomunikačníchtechnologií. - Operační zesilovače - NÁVOD K LABORATORNÍMU CVIČENÍ Garant předmětu: - Ing. Jiří Sekora, MBA - Autoři textu Ing. Jiří Sekora, MBA Ing. Martin Králík Ing. et Ing. Jana Schwarzerová, MSc. Brno 15. 12. 2023 Předložený text je výstupem projektu NPO_VUT_MSMT-16609/2022 v rámci specifického cíle A2: Rozvoj v oblasti distanční výuky, online výuky a blended learning. Tento výstup byl realizován na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií. BPC-LDTA – laboratorní cvičení č. 1 - 2 - 1.1 Zadání úlohy 1. Seznamte se s operačními zesilovači. Prostudujte si katalogový list zesilovače TL062 a nastudujte základní parametry zesilovače. 2. Zapojte základní varianty zapojení s operačními zesilovači: a) invertující zapojení, b) neinvertující zapojení, c) napěťový sledovač, d) diferenční zesilovač. 1.2 Teoretický úvod Přestože doménou zpracování biologických signálů je především jeho úprava v číslicové, nelze opomíjet ani podceňovat význam kvalitního zpracování signálů v oblasti analogové, neboť právě tento proces má zcela zásadní význam v celém akvizičním řetězci včetně zpracování již digitalizovaných záznamů. De facto první částí každého akvizičního řetězce bude kromě senzoru (tj. převodníku fyzikální neelektrické veličiny na elektrickou, zpravidla napětí) operační zesilovač. Dle aplikací můžeme využít následující topologie zapojení operačních zesilovačů: 1.2.1 Invertující zapojení operačního zesilovače Invertující zesilovač přivádí vstupní napětí přes impedanci R1 na invertující vstup, obrací tak polaritu napětí. Zesílení je omezováno pomocí zpětnovazebního rezistoru R2 umístěného mezi výstup a invertující vstup. Na neinvertující vstup je přiveden nulový potenciál (GND). Zesílení invertujícího zesilovače je dáno vztahem: 𝐴 = − 𝑅2 𝑅1. Vstupní impedance je snížena rezistory R1 a R2, nelze tak již uvažovat vysokou impedanci vstupu (ideálně blížící se nekonečnu). OBRÁZEK 1 SCHÉMA ZAPOJENÍ INVERTUJÍCÍHO ZESILOVAČE BPC-LDTA – laboratorní cvičení č. 1 - 3 - 1.2.2 Neinvertující zapojení operačního zesilovače Neinvertující zesilovač přivádí vstupní napětí na neinvertující vstup, který není nijak spojen se zpětnou vazbou. Zesílení je omezeno zpětnovazebním zapojením R3 a R4 mezi výstup, invertující vstup a zem (GND). Tvoří tak napěťový dělič R3 / R4 definující „nulovou“ hodnotu napětí pro invertující vstup. Zesílení neinvertujícího zesilovače je větší než 1 a je definováno vztahem: 𝐴 = 1 + 𝑅4 𝑅3. Vstupní impedance je vyšší než u invertujícího zapojení zesilovače, neboť vstup není přímo ovlivněn zpětnovazebními rezistory. OBRÁZEK 2 SCHÉMA ZAPOJENÍ NEINVERTUJÍCÍHO ZESILOVAČE 1.2.3 Napěťový sledovač Napěťový sledovač, nazýván též jako impedanční transformátor, je zapojení operačního zesilovače a neinvertujícím vstupem a zpětnou vazbou ve formě „bypassu“ vůči invertujícímu vstupu. Zesílení zesilovače je 𝐴 = 1, zesilovač tak zcela zachovává původní signál co do velikosti i fáze. Význam tohoto zapojení je vysvětlen druhým označením – impedanční transformátor, zapojení se často používá jako vstupní část pro kaskádu jiných zesilovačů, které by mohly nežádoucím způsobem impedančně zatížit vstupní signál. BPC-LDTA – laboratorní cvičení č. 1 - 4 - Diferenční zesilovač Diferenční, nebo též rozdílový zesilovač je zapojení operačního zesilovače, jehož dva vstupy jsou zapojeny nezávisle. Měří tak rozdíl napětí na vstupech nezávisle na signálové zemi (GND). Diferenční zesilovač se často používá jako součást přístrojového zesilovače. Zesílení diferenčního zesilovače je dáno vztahem 𝐴 = (𝑈𝐼𝑁−− 𝑈𝐼𝑁+) ∙ 𝑅7 𝑅5. Obvykle se z důvodu vyšší kvality zesilovače vyrábí diferenční zesilovač jako součást přístrojového zesilovače s pevně danými hodnotami rezistorů (R5 = R6 = R7 = R8). 1.3 Sestavení úlohy S využitím operačního zesilovače (741, TL06x, TL07x apod.) realizujte postupně všechna uvedená zapojení. Zesilovače napájejte z laboratorního zdroje symetrickým napájecím napětím o bezpečné hodnotě ±5 V. Vstupní napětí dodejte z funkčního generátoru. Vyzkoušejte různé režimy (DC, sinusový průběh, pravoúhlé impulzy) a různé frekvence. Výstup sledujte osciloskopem. Kontrolní otázky: 1. Jak se projeví změna napájecího napětí ze symetrického ±5 V na nesymetrické +5 V. 2. Jak se projeví změna frekvence až k maximální frekvenci definované výrobcem? 3. Jak se u pravoúhlých impulzů projeví rychlost přeběhu zesilovače? 4. Jak se chová zesilovač v případě, že vstupní napětí je blízké napájecímu napětí nebo vyšší? BPC-LDTA – laboratorní cvičení č. 1 - 5 - 1.4 Použitá literatura [1] ONDRÁČEK, Zdeněk. Elektronika pro fyziky. Brno: Masarykova univerzita, 1998. ISBN 80-210-1741-4. [2] PUNČOCHÁŘ, Josef. Operační zesilovače: historie a současnost. Praha: BEN - technická literatura, 2002. ISBN 80-7300-047-4. [3] Texas Instrument - TL06xx Low-Power JFET-Input Operational Amplifiers [pdf]. 1978, rev. 2023. [Cit. 2023-12-01] Dostupné z: www.ti.com/lit/ds/symlink/tl062.pdf - Symetrický napájecí zdroj - NÁVOD K LABORATORNÍMU CVIČENÍ Garant předmětu: - Ing. Jiří Sekora, MBA - Autoři textu Ing. Jiří Sekora, MBA Ing. Martin Králík Ing. et Ing. Jana Schwarzerová, MSc Brno 15. 12. 2023 Předložený text je výstupem projektu NPO_VUT_MSMT-16609/2022 v rámci specifického cíle A2: Rozvoj v oblasti distanční výuky, online výuky a blended learning. Tento výstup byl realizován na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií. BPC-LDTA – laboratorní cvičení č. 2 - 2 - 1.1 Zadání úlohy Seznamte se s potřebami napájení operačních zesilovačů při snímání signálu v obou polaritách napětí. Seznamte se s pojmem „symetrické napájecí napětí“ a „nábojová pumpa“. Sestavte zapojení nábojové pumpy v režimu invertujícího měniče. 1.2 Teoretický úvod Biologické signály ve formě elektrického napětí se mohou vyskytovat v obou polaritách napětí (vztaženo ke společné signálové a napájecí zemi). Pracovní napětí operačních zesilovačů je striktně omezeno napájecím napětím. Při aplikacích OZ vycházející z předchozí úlohy (BPC-LDTA lab. 01) jste měli možnost seznámit se se základním typem zapojení operačních zesilovačů využívajících nesymetrické i symetrické napájecí napětí. V této úloze se zaměříme na sestavení symetrického napájecího napětí, které představuje základní koncept v elektronice. Umožňuje efektivní a stabilní provoz mnoha zařízení, neboť poskytuje stejnou středovou úroveň napětí s opačnými polaritami. Máme-li k dispozici pouze jedno napájecí napětí, např. získané napájením obvodu z baterií za účelem vytvoření plovoucího napájení a tím galvanického oddělené obvodu, není reálné pomocí dvou stejných zdrojů sestavit symetrické napětí. Nejen, že není možné snadno zajistit dva stejné zdroje napětí (např. různé nabité baterie), ale porušení symetrie by mohlo vést v tom lepším případě k chybnému zpracování a následné interpretaci signálu. Symetrické napájecí napětí je tak možné využít zapojením invertujícího DC/DC měniče typu „nábojová pumpa“, jehož idealizovaný model je na obrázku 1. OBRÁZEK 1 IDEÁLNÍ MODEL INVERTUJÍCÍHO MĚNIČE S NÁBOJOVOU PUMPOU Model využívá 4 spínačů, přičemž sepnuty jsou vždy dva z nic. Při nabíjení pumpy vstupním napětím VIN je sepnuta dvojice spínačů S1 a S3 a kondenzátoru C1 je nabíjen na hodnotu napájecího napětí VIN. Vybíjení pumpy je potom zajištěno dvojící spínačů S2 a S4, BPC-LDTA – laboratorní cvičení č. 2 - 3 - které „otočí“ polaritu kondenzátorů připojení křížem, tedy kladná polarita kondenzátoru je přivedena k zemi a záporná polarita k výstupu VOUT. Výstup je filtrován nárazovým kondenzátorem C2. V ideálním případě je výstupní napětí VOUT = −VIN. Získáme tak dvě úrovně napětí vůči zemi, tj. +VIN a −VIN, kdy jsou si hodnoty napětí ideálně rovny. Přepínání nábojové pumpy řídí hodinový kmitočet (na obr. naznačen vlevo dole), který je zpravidla upravován zpětnovazebními obvody tak, aby měnič reagoval na změny napětí způsobené změnou proudového odběru na výstupu. 1.3 Sestavení úlohy Sestavte obvod podle zapojení na obr. 2. Jak napájecí napětí můžete využít laboratorní zdroj nebo baterie. Dejte pozor na limity napájení (např. pro TL7660 je to 1,5 V až 10 V). OBRÁZEK 2 SCHÉMA ZAPOJENÍ INVERTUJÍCÍHO MĚNIČE Úkoly: 1. Na jaké frekvenci pracuje vnitřní oscilátor? 2. Je s ohledem na tuto frekvenci možné využití invertujícího měniče pro aplikace snímání biologických signálů? 3. Uvažujte napájení pomocí 2 akumulátorů (celkové napětí +3 V). S využitím katalogového listu navrhněte takové zapojení zdroje napájecího napětí, při kterém bude možné pomocí operačního zesilovače zpracovávat napětí v rozsahu ±5 V. - Přístrojový zesilovač - NÁVOD K LABORATORNÍMU CVIČENÍ Garant předmětu: - Ing. Jiří Sekora, MBA - Autoři textu Ing. Martin Králík Ing. Martin Mézl, Ph.D. Ing. Jiří Sekora, MBA Brno 15. 12. 2023 Předložený text je výstupem projektu NPO_VUT_MSMT-16609/2022 v rámci specifického cíle A2: Rozvoj v oblasti distanční výuky, online výuky a blended learning. Tento výstup byl realizován na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií. Název předmětu – laboratorní cvičení - 2 - 1.1 Zadání úlohy Sestrojte podle schématu přístrojový zesilovač. Funkčnost zesilovače ověřte na EKG simulátoru zobrazením zesíleného EKG na osciloskopu. 1.2 Teoretický úvod Při snímání biosignálů chceme obvykle zesilovat rozdíl elektrických potenciálů mezi dvěma místy – například u svodu I 12svodového EKG mezi levou a pravou rukou. K tomuto lze teoreticky použít rozdílový (diferenční) zesilovač s operačním zesilovačem, jehož zapojení je na obrázku 1. OBRÁZEK 1 ZAPOJENÍ ROZDÍLOVÉHO ZESILOVAČE Takový diferenční zesilovač v ideálním případě zesiluje nekonečněkrát rozdíl potenciálů mezi invertujícím a neinvertujícím vstupem, zatímco zesílení souhlasného napětí přivedeného na oba vstupy bude ideálně nulové. V reálu bude rozdílové zesílení dáno hodnotami odporů v zapojení, pokud budou hodnoty odporů R1=R3 a R2=R4, pak bude platit, že 𝑈𝑜𝑢𝑡 =𝑅2 𝑅1𝑈𝑖𝑛. Reálné zapojení nám však v případě měření biosignálů přináší dva problémy. Jednak je to skutečnost, že před vstupní odpory musíme předřadit ještě odpor systému elektroda-kůže, u kterého nemůžeme předpokládat vždy stejnou hodnotu, podmínka R1=R3 tak nebude s nejvyšší pravděpodobností dodržena. Druhým problémem je nízká vstupní impedance diferenčního zesilovače, která je dána součtem odporů R1 a R2. Řešení se tak nabízí ve formě přístrojového zesilovače na obrázku 2. Jedná se v podstatě o diferenční zesilovač rozšířený o další operační zesilovač na každém vstupu. Takové řešení má poté dvě výhody – jednak jsou oba zesilovače OZ-2 a OZ-1 zapojeny jako neinvertující a jejich impedance je tak dána impedancí vstupu použitého OZ, což jsou běžně velmi vysoké hodnoty nad požadavky hodnot pro měření biologických signálů, díky čemuž pak drobné rozdíly impedance systému elektroda-kůže nemají velký vliv na vstupní impedanci celého systému. Druhou výhodou je skutečnost, že při dodržení podmínky shody velikosti odporů Rx a R´x je dáno celkové zesílení přístrojového zesilovače jako 𝐴𝑈=(2𝑅2 𝑅1+1)𝑅4 𝑅3, Název předmětu – laboratorní cvičení - 3 - což umožňuje volbu celkového zesílení pouze pomocí rezistoru R1. OBRÁZEK 2 SCHÉMA PŘÍSTROJOVÉHO ZESILOVAČE Pro sestavení přístrojového zesilovače ve cvičení bude použit zesilovač TL064, což je pouzdro obsahující čtyři operační zesilovače najednou. To usnadňuje zapojení, neboť je potřeba přivést napájecí napětí pouze jedenkrát. Schéma součástky je na obrázku 3. OBRÁZEK 3 SCHÉMA ZESILOVAČE TL064 Jako zdroj signálu bude použito simulované EKG z přístroje Ferronato FC3D. Měřen bude rozdíl potenciálů mezi svody R a L, což odpovídá svodu I. Přístroj generuje signál na napěťové úrovni 1 mV s možností změny tepové frekvence mezi 60 a 130 tepy za sekundu. 1.3 Postup měření a zpracování 1) Připravte si pracoviště. Pro práci budete potřebovat laboratorní zdroj se dvěma sadami kabelů, nastavený do režimu Sériový zdroj, aby mohl být použitý jako zdroj symetrického napájení. Dále potřebujete sadu kabelů s krokosvorkami pro připojení EKG simulátoru, EKG simulátor Ferronato FC3D a osciloskop. 2) Určete výsledné zesílení přístrojového zesilovače na základě vzorce uvedeného v 1.2. Název předmětu – laboratorní cvičení - 4 - 3) Zapojte obvod podle schématu na obrázku 4. Jako napájecí napětí zesilovače volte Vcc = ±10 V. Dbejte především na správně pospojování zemnících kabelů. Jako operační zesilovače zvolte libovolné 3 OZ z TL064. 4) Ověřte správnost zapojení kontrolou průběhu signálu na osciloskopu. Srovnejte průběh signálu na vstupu a výstupu. Pozor: s ohledem na milivoltovou úroveň signálu je třeba měřit výstup ze simulátoru se sondou v útlumu 1:1. OBRÁZEK 4 SCHÉMA ZAPOJENÍ Název předmětu – laboratorní cvičení - 5 - 1.4 Použitá literatura [1] Rozman J. a kol.: Elektronické přístroje v lékařství, Academia, 2006 [2] Texas Instruments TL06xx Low-Power JFET-Input Operational Amplifiers: katalogový list. Rev. Aug 2023. 2023. Dostupné také z: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl064.pdf - Analogová detekce QRS komplexu - NÁVOD K LABORATORNÍMU CVIČENÍ Garant předmětu: - Ing. Jiří Sekora, MBA - Autoři textu Ing. Martin Králík Ing. Martin Mézl, Ph.D. Ing. Jiří Sekora, MBA Brno 15. 12. 2023 Předložený text je výstupem projektu NPO_VUT_MSMT-16609/2022 v rámci specifického cíle A2: Rozvoj v oblasti distanční výuky, online výuky a blended learning. Tento výstup byl realizován na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií. Název předmětu – laboratorní cvičení - 2 - 1.1 Zadání úlohy Sestavte obvod a za použití EKG simulátoru jako zdroje signálu detekujte QRS komplexy pomocí indikační LED diody. Ověřte funkčnost při nižší i vyšší tepové frekvenci. 1.2 Teoretický úvod Detekce QRS komplexu je jednou ze základních metod zpracování signálu EKG. Správně detekované QRS komplexy umožňují získat důležité kardiologické parametry, jako je tepová frekvence, přítomnost arytmií, případně sloužit pro analýzu variability srdeční frekvence. Metod pro detekci QRS komplexu existuje celá řada, s ohledem na plánovanou analogovou aplikaci bude použita zjednodušená varianta Pan-Tompkins algoritmu – signál z EKG simulátoru bude nejprve předzesílen, následně filtrován pásmovou propustí, zesílen na finální úroveň a indikován pomocí LED diody, jak naznačuje schéma na obrázku 1. OBRÁZEK 1 SCHÉMA QRS DETEKCE Pro předzesílení bude použit přístrojový zesilovač, jehož vlastnosti a výhody byly probírány v předchozím cvičení. Zde bude ovšem použit hotový zesilovač AD620, jehož schéma je na obrázku 2. Tento zesilovač nabízí vhodné parametry pro zesílení biologických signálů – především nízké hodnoty šumu a vysoké CMRR. Nespornou výhodou je možnost nastavení zesílení pomocí jediného rezistoru RG, kdy hodnota zesílení je dána jako 𝐴 = 49.4𝑘Ω 𝑅𝐺 + 1. OBRÁZEK 2 SCHÉMA ZESILOVAČE AD620 Pro filtraci bude využit aktivní filtr 4. řádu, propustné pásmo filtru je voleno s ohledem na kmitočtové vlastnosti QRS komplexu 12-32 Hz. Pro realizaci samotného filtru bude podobně jako v předchozím cvičení použit zesilovač TL064, především proto, že nabízí 4 OZ v jednom pouzdře. Schéma tohoto zesilovače je na obrázku 3. Předzesílení Filtrace PP Zesílení Indikace Název předmětu – laboratorní cvičení - 3 - OBRÁZEK 3 SCHÉMA ZESILOVAČE TL064 Finální zesílení bude voleno tak, aby byl signál dostatečně zesílený pro rozblikání LED diody. Zde je třeba uvažovat řadu proměnných, od hodnoty A u předzesilovače, přesnost odporů v kaskádě filtrů, až po zvolenou barvu LED diody. Obecně lze říci, že finální hodnota špičkového napětí signálu by měla dosahovat zhruba 3 V. Možné zapojení finálních členů zesílení a indikace je naznačeno na obrázku 4, hodnoty odporů nejsou uvedeny záměrně s ohledem na výše uvedené a je tak na uvážení studenta, jaké hodnoty zvolí. Rovněž použití invertujícího zapojení je jenom jedna z možností. Pro finální zesílení by měl být nicméně použit jeden ze zbývajících OZ v TL064. OBRÁZEK 4 ZAPOJENÍ FINÁLNÍHO ZESÍLENÍ A INDIKACE 1.3 Postup měření a zpracování 1) Připravte si pracoviště. Pro práci budete potřebovat laboratorní zdroj se dvěma sadami kabelů, nastavený do režimu Sériový zdroj, aby mohl být použitý jako zdroj symetrického napájení. Dále potřebujete sadu kabelů s krokosvorkami pro připojení EKG simulátoru, EKG simulátor Ferronato FC3D a osciloskop. Pro napájení všech zesilovačů volte hodnotu symetrického napětí ±10 V. 2) Signál z EKG simulátoru zesilte na voltovou úroveň za použití zesilovače AD620. Hodnotu RG tedy zvolte tak, abyste dosáhli zesílení zhruba 1000x až 1200x. Název předmětu – laboratorní cvičení - 4 - 3) Proveďte filtraci předzesíleného signálu (VIN) s použitím schématu na obrázku 5. Zkontrolujte průběh signálu na výstupu VOUT a proveďte měření špičkové hodnoty napětí s pomocí osciloskopu 4) Na základě naměřených hodnot z bodu 3 sestavte poslední dva bloky finálního zesílení a indikace. Pro realizaci můžete jako inspiraci použít schéma na obrázku 4. 5) Ověřte funkčnost zapojení a indikace QRS komplexu pro hodnoty tepové frekvence 60 i 130 tepů za minutu. OBRÁZEK 5 SCHÉMA PÁSMOVÉ FILTRACE Název předmětu – laboratorní cvičení - 5 - 1.4 Použitá literatura [1] PAN, Jiapu a TOMPKINS, Willis J. A Real-Time QRS Detection Algorithm. Online. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 1985, roč. BME-32, č. 3, s. 230-236. ISSN 0018-9294. Dostupné z: https://doi.org/10.1109/TBME.1985.325532. [cit. 202312-10]. [2] Texas Instruments TL06xx Low-Power JFET-Input Operational Amplifiers: katalogový list. Rev. Aug 2023. 2023. Dostupné také z: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl064.pdf [3] Analog Instruments - Low Cost Low Power Instrumentation Amplifier AD620: katalogový list. Rev. H. 2011. Dostupné také z: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ad620.pdf. Název předmětu – laboratorní cvičení - 2 - 1.1 Zadání úlohy Tato úloha navazuje na úlohu ‘Měření RPM s Arduino’ spojena s programování pro Arduino za funkční jednotky na pomezí hardware-software, pro určení RPM připojeného ventilátoru. 1. Programování Arduina pro PWM: Naprogramujte Arduino tak, aby každou sekundu četlo teplotu pacienta (můžete použít teplotní senzor) a na základě této hodnoty generovalo PWM signál. Například, pokud je teplota vyšší než určitá hranice, generujte plný PWM signál, pokud je nižší, generujte nízký PWM signál. 2. Implementace regulace teploty: Na základě změřené teploty určujte potřebný výkon ventilátoru pomocí PWM. Přidejte podmínky pro zlepšení stability, například postupné zvyšování nebo snižování výkonu, aby nedocházelo k náhlým změnám. 3. Vizualizace v Arduino IDE: Vypisujte změřenou teplotu a nastavený PWM signál do Serial Monitoru pro sledování. Volitelně použijte grafický výstup v Serial Plotteru pro vizualizaci změn teploty a PWM signálu v čase. 4. RPM měření ventilátoru: Pokud chcete měřit otáčky ventilátoru, můžete použít stejný postup jako v zadání s měřením RPM pomocí halových sond. Namísto generování PWM signálu na základě teploty můžete přidat další část kódu, která čte otáčky ventilátoru a upravuje PWM signál na základě této hodnoty. 1.2 Teoretický úvod Pulzní šířková modulace (PWM) je technika elektronického řízení, která umožňuje efektivní řízení výkonu elektrického zařízení. Princip spočívá v periodickém střídání mezi dvěma stavy - "zapnuto" a "vypnuto". Délka trvání "zapnuto" a "vypnuto" se mění (moduluje), čímž se ovlivňuje průměrný výkon zařízení. PWM je často využíváno k řízení rychlosti motorů, jasu světla, a v našem případě k řízení otáček ventilátoru pro regulaci teploty. Charakteristika PWM: Frekvence: Určuje, jak často je PWM signál periodicky opakován. Vyšší frekvence znamená rychlejší opakování cyklů, což může být žádoucí pro některé aplikace. Stupně (rozlišení): Vyjadřuje, na kolik úseků se perioda PWM signálu rozděluje. Vyšší rozlišení umožňuje přesnější kontrolu výkonu. Název předmětu – laboratorní cvičení - 3 - Délka pulzu: Poměr doby, po kterou je signál "zapnutý", k celkové periodě. Vyšší podíl znamená vyšší průměrný výkon. Regulace teploty pacienta: Regulace teploty pacienta je klíčovým prvkem v péči o pacienta. Důvody pro regulaci teploty pacienta Prevence hypotermie a hypertermie – Udržování normální tělesné teploty je nezbytné pro zabránění hypotermie (přehřátí) nebo hypertermie (podchlazení), což může způsobit vážné zdravotní problémy. Podpora hojení ran – Při optimální teplotě se proces hojení ran urychluje. Regulace teploty může být klíčovým faktorem v chirurgických a ošetřovatelských postupech. Stabilizace metabolismu – Tělesná teplota ovlivňuje metabolické procesy v těle. Udržení stabilní teploty přispívá k optimálnímu fungování enzymů a dalších biochemických procesů. Péče o kriticky nemocné pacienty (př. jednotka intenzivní péče) – Pacienti v kritickém stavu, například ti na jednotce intenzivní péče, mohou mít narušenou schopnost samostatně regulovat svou teplotu. Kontrolovaná regulace teploty pomocí ventilátoru a PWM může být důležitým prvkem v péči o tyto pacienty. V případě pacientů může regulace teploty probíhat například pomocí chladičů nebo ohřívačů, které jsou ovládány systémem s PWM pro dosažení přesné a efektivní kontroly teploty. 1.3 Zapojení obvodu Postupujte ze zapojení obvodu z úlohy ‘Měření RPM s Arduino’. A pouze obvod rozšiřte o teplotní senzor a ventilátor. Teplotní senzor: Použijte digitální teplotní senzor, např. DS18B20. Připojte jeho vývody k Arduinu. V případě DS18B20 by to mohlo být například: VCC -> 5V na Arduinu GND -> GND na Arduinu DATA -> Digitální pin (např. pin 2 na Arduinu) Ventilátor: Ventilátor připojte k výstupu, který podporuje PWM. Většina Arduin má označené piny, které podporují PWM (často označené tildou nebo "PWM"). VCC -> 5V na Arduinu GND -> GND na Arduinu PWM -> PWM pin na Arduinu Název předmětu – laboratorní cvičení - 4 - 1.4 Postup měření a zpracování 1) Připojení teplotního senzoru: Propojte teplotní senzor (například DS18B20) s Arduinem podle schématu zapojení. 2) Připojte Arduino k počítači a otevřete Arduino IDE. 3) Nastavení knihoven: Nainstalujte knihovy OneWire a DallasTemperature. To můžete udělat pomocí správce knihoven v Arduino IDE (Soubor -> Správce knihoven). 4) Implementace kódu pro měření teploty: Vytvořte nový Arduino projekt a napište kód pro měření teploty ze senzoru. Tak aby v Seriál monitor se vypisovala každou sekundu aktuální hodnota teploty v °C. 5) Vizualizace dat: implementovat vizualizaci pomocí Serial Plotter v Arduino IDE. - Měření kožního odporu v diagnostice - NÁVOD K LABORATORNÍMU CVIČENÍ Garant předmětu: - Ing. Jiří Sekora, MBA - Autoři textu Ing. et Ing. Jana Schwarzerová, MSc Ing. Martin Králík Ing. Jiří Sekora, MBA Brno 15. 12. 2023 Předložený text je výstupem projektu NPO_VUT_MSMT-16609/2022 v rámci specifického cíle A2: Rozvoj v oblasti distanční výuky, online výuky a blended learning. Tento výstup byl realizován na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií. Název předmětu – laboratorní cvičení - 2 - 1.1 Zadání úlohy Cílem této laboratorní úlohy je se seznámit s měřením kožního odporu v diagnostických aplikacích. Využijeme Arduino k monitorování odporu při připojení pacienta a implementujeme signalizaci, zda je použit gele nebo nikoli. 1. Úkol: Připojení Arduino k PC a ověření správného portu Implementujte program pro Arduino, který každou sekundu vypisuje do Serial Monitoru text "Hello World". Tímto úkolem se studenti seznámí s prostředím Arduino IDE a základy programování pro Arduino. 2. Úkol: Měření Kožního Odporu s Děličem Napětí Sestrojte dělič napětí a připojte pacienta (kolegu) k obvodu. Pozorujte zvýšení napětí na osciloskopu a dopočítejte odpor kože (Rk). 3. Úkol: Předzpracování Signálu s TL072 pro Arduino Sestrojte obvod s TL072 pro předzpracování signálu z elektrod měřících kožní odpor. Připojte Arduino a načtěte předzpracovaný signál pomocí analogového vstupu. Vizualizujte signál v Serial Plotteru v Arduino IDE. 4. Úkol: Rozpoznání Připojení s či bez Gelu Nastavte práh softwarového algoritmu tak, aby rozpoznal, zda jsou elektrody spojeny s pacientem s gelem nebo bez něj. Implementujte indikátor pomocí LED na Arduinu, který signalizuje, zda jsou elektrody spojeny s pacientem s gelem či bez gelem. Tato laboratorní úloha poskytuje praktický vhled do problematiky měření kožního odporu v diagnostických situacích a zapojení Arduina pro monitorování a zpracování signálů. 1.2 Teoretický úvod Měření kožního odporu se stává klíčovým prvkem v diagnostických procedurách, kde je sledována elektrická vodivost kůže pacienta. Tato technika nachází využití v různých oblastech, včetně medicíny, kde je důležitá pro monitorování bioelektrických signálů, elektrokardiogramů (EKG) a dalších diagnostických postupů. Princip měření kožního odporu: Elektrický odpor kůže závisí na jejím stavu, zejména na obsahu vlhkosti. Při připojení elektrod k povrchu kůže dochází k měření odporu, který odráží elektrickou vodivost tkání. Tento odpor Název předmětu – laboratorní cvičení - 3 - může být ovlivněn faktory jako je suchost kůže, či přítomnost gele, který zvyšuje vodivost a tím i odpor. Dělič Napětí a Signalizace: Pro měření napětí využijeme dělič napětí, který umožní odečítat změny v elektrickém potenciálu spojeném s kožním odporu pacienta. Arduino následně zpracuje a vizualizuje tyto signály. Kromě toho implementujeme algoritmus, který rozeznává, zda jsou elektrody spojeny s pacientem s gelem nebo bez něj, a signalizuje tuto skutečnost pomocí LED na Arduinu. Předzpracování Signálu s TL072: Pro efektivní zpracování signálů z elektrod a jejich následnou vizualizaci využijeme operační zesilovač TL072. Tím získáme zpracovaný signál, který lze snadno načíst a interpretovat pomocí Arduino. 1.3 Schéma obvodu Obr. 1 Schéma obvodu zapojení pro měření kožního odporu 1.4 Postup měření a zpracování 1) Připojení elektrod Elektrod: Připojte elektrody k pacientovi. Jistěte se, že jsou elektrody dobře přilepeny na kůži pro spolehlivé měření. 2) Sestrojení Děliče Napětí: Sestrojte dělič napětí pomocí rezistorů. 3) Sestrojte obvod s operačním zesilovačem TL072 pro předzpracování signálu. Připojte výstup TL072 k dalšímu analogovému vstupu na Arduinu. Název předmětu – laboratorní cvičení - 4 - 4) Připojení K Arduinu: Připojte výstup děliče napětí k analogovému vstupu na Arduinu. 5) Programování Arduino: 2.1) Základní Program pro Zjištění Funkčnosti: Implementujte program pro Arduino, který každou sekundu vypisuje do Serial Monitoru text "Hello World". To slouží pro ověření správného připojení a funkčnosti Arduina. 2.2) Měření a Dopočítání Odporu Rk: Načtěte hodnoty napětí z elektrod pomocí analogového vstupu a dopočítejte odpor kůže (Rk) na základě naměřených hodnot napětí. 2.3) Předzpracování Signálu: V Arduino implementujte kód pro načítání a předzpracování signálu z TL072. Vizualizace v Serial Plotteru: Vizualizujte předzpracovaný signál v Arduino IDE pomocí Serial Plotteru pro kontrolu správnosti signálu. Rozpoznání Elektrod s Gelem: Nastavte práh pro rozpoznání, zda jsou elektrody s gelem nebo bez něj. Implementujte indikátor LED na Arduinu pro vizuální signalizaci. 6) Měření a Analýza Výsledků: Měření Kožního Odporu: Provádějte měření kožního odporu u pacienta. Zaznamenávejte naměřené hodnoty odporu Rk. Analýza Výsledků: Srovnávejte naměřené hodnoty odporu s očekávanými výsledky. Diskutujte o vlivu faktorů, jako je stav kůže a použití gelu. - Electrical Simulation of Metabolic Pathways in Arabidopsis thaliana INSTRUCTIONS FOR LABORATORY EXERCISES Guarantor: - Ing. Jiří Sekora, MBA - Authors Ing. et Ing. Jana Schwarzerová, MSc Ing. Martin Králík Ing. Jiří Sekora, MBA Brno 15th Dec 2023 The presented text is the output of the project NPO_VUT_MSMT-16609/2022 within the specific objective A2: Development in the field of distance education, online education and blended learning. This output was realized at the Faculty of Electrical Engineering and Communication Technologies LDTA – Systems Biology - lab exercise - 2 - 1.1 Task assignment Design and implement an electrical engineering laboratory experiment to simulate the photosynthesis process in the model plant – Arabidopsis thaliana. The goal is to provide students with hands-on experience in understanding the electrical analogies of photosynthesis and the factors influencing this crucial plant metabolic pathway. 1.2 Theoretical introduction Photosynthesis, the fundamental metabolic process in plants, plays a pivotal role in harnessing solar energy to convert carbon dioxide and water into carbohydrates, providing energy for plant growth and sustaining life on Earth. Arabidopsis thaliana, a small flowering plant and a model organism in plant biology, serves as an ideal candidate for studying photosynthesis due to its well-characterized genome and rapid life cycle. In this laboratory experiment, we aim to bridge the realms of biology and electrical engineering by simulating key metabolic pathways involved in photosynthesis using electrical circuitry. The overarching goal is to provide students with a tangible and hands-on understanding of the electrical analogies inherent in the photosynthetic process, enabling them to explore the factors influencing this vital plant metabolic pathway. 1. Overview of Photosynthesis: Photosynthesis is a complex biochemical process occurring in chloroplasts, where sunlight is captured by pigments such as chlorophyll, and the captured energy is used to convert carbon dioxide and water into glucose and oxygen [1]. This process can be divided into two main stages: the light-dependent reactions and the light-independent reactions (Calvin cycle) [2]. 2. Electrical Analogies in Photosynthesis: The photosynthetic process involves the flow of electrons through the photosynthetic electron transport chain, coupled with the generation of ATP (adenosine triphosphate) and the reduction of NADP+ to NADPH. These electron and energy transfers can be analogously represented in electrical circuits. The solar panel, serving as a light source, simulates sunlight, while voltage sources and current generators represent the electron carriers and metabolites participating in the photosynthetic pathway. 3. Components of the Electrical Circuit: Our simulated photosynthetic circuit comprises key components, including the solar panel, representing the variable intensity of sunlight; voltage and current sources, emulating electron carriers and metabolites; resistors, simulating resistance encountered in metabolic pathways; capacitors, mimicking energy storage and release; switches and transistors, replicating LDTA – Systems Biology - lab exercise - 3 - enzymatic regulation and control points; and sensors for measuring voltage and current at critical points in the circuit. 4. Rationale for Simulation: The simulation of photosynthesis through electrical engineering offers a unique educational approach, allowing students to observe and manipulate the electrical analogs of complex biological processes. This hands-on experience not only enhances their comprehension of photosynthesis but also fosters an appreciation for the interdisciplinary nature of biological and electrical systems. 5. Experimental Objectives: The primary objectives of this laboratory experiment are to familiarize students with the electrical analogies of photosynthesis, calibrate the circuit to varying light intensities, simulate the electron transport chain, investigate enzymatic regulation, and explore the impact of variable parameters on the simulated photosynthetic process. In conclusion, this theoretical introduction sets the stage for an immersive exploration into the electrical analogs of photosynthesis in Arabidopsis thaliana. By combining principles from biology and electrical engineering, students will gain a comprehensive understanding of the intricate metabolic pathways involved in one of nature's most crucial processes. This interdisciplinary approach not only deepens their knowledge but also cultivates a holistic perspective on the interconnectedness of biological and electrical systems. 1.3 Components and Equipment 1) Solar Panel (Light Source): This will represent sunlight, the energy source for photosynthesis. Use a variable light source or adjustable resistors to simulate different light intensities. 2) Voltage and Current Sources: Utilize voltage sources and current generators to simulate electron carriers and metabolites involved in the photosynthetic electron transport chain. 3) Resistors and Capacitors: Represent resistors to model resistance encountered in metabolic pathways, and capacitors to simulate energy storage and release in various metabolic intermediates. 4) Switches and Transistors: Implement switches and transistors to simulate enzymatic regulation and control points within the photosynthetic pathway. 5) Voltage and Current Sensors: Incorporate sensors to measure voltage and current at key points in the simulated photosynthetic circuit, enabling students to monitor changes in electrical parameters analogous to photosynthetic processes. 6) Data Acquisition System: Integrate a data acquisition system to record and visualize changes in voltage and current over time. - Polovodičové spínací prvky - NÁVOD K LABORATORNÍMU CVIČENÍ Garant předmětu: Ing. Jiří Sekora, MBA Autoři textu Ing. Jiří Sekora, MBA Ing. Martin Králík Ing. Martin Mézl, Ph.D. Brno 15. 12. 2023 Předložený text je výstupem projektu NPO_VUT_MSMT-16609/2022 v rámci specifického cíle A2: Rozvoj v oblasti distanční výuky, online výuky a blended learning. Tento výstup byl realizován na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií. Silnoproudá a přístrojová elektrotechnika – laboratorní cvičení č. 6 - 2 - 1.1 Zadání úlohy 1. Seznamte se s výkonovými polovodičovými spínacími prvky. 2. Prostudujte charakteristiku tyristoru a triaku. 3. Sestavte zapojení pro spínání stejnosměrného proudu tyristorem pomocí nucené komutace 1.2 Teoretický úvod Polovodičové spínací prvky jsou vícevrstvé polovodičové součástky, které umožňují řízení toku elektrického proudu (součástkou) pomocí menších řídících proudů. Tyto součástky umožňují tzv. bezeztrátovou regulaci výkonu. Princip spínání výkonu tyristorem je na obr. 1, časové průběhy řídícího proudu a proudu protékajícího tyristorem je na obr. 2. OBRÁZEK 1 ŘÍZENÍ VÝKONU TYRISTOREM OBRÁZEK 2 ČASOVÉ PRŮBĚHY ŘÍDICÍHO IMPULZU (VLEVO) A PROUDU TYRISTOREM (VPRAVO) Z charakteristik je patrné, že pracovní oblast tyristoru je pouze v jedné půlvlně (z pohledu orientace součástky kladné půlvlně). Bude-li vstupním proudem střídavý harmonický průběh (sinusový průběh), tyristor je schopen přenést maximálně jednu polovinu celého výkonu. Silnoproudá a přístrojová elektrotechnika – laboratorní cvičení č. 6 - 3 - Toto omezení eliminuje součástka s další vrstvou – triak. Časové průběhy řídicího proudu a proudu protékajícího součástkou jsou na obr. 3. OBRÁZEK 3 ČASOVÉ PRŮBĚHY ŘÍDICÍHO IMPULZU (VLEVO) A PROUDU TRIAKEM (VPRAVO) Jak je patrné z obou průběhů (obr. 2 a obr. 3), obě součástky jsou ze sepnutého stavu nulovány při ztrátě proudu, tedy komutací napětí (průchodem „nulou“). Jakým způsobem lze tedy bezeztrátově řídit stejnosměrný proud? Řízení stejnosměrného proudu je též možné, pokud zajistíme nucenou komutaci napětí. Možné řešení je na obr. 4. OBRÁZEK 4 NUCENÁ KOMUTACE PŘI POUŽITÍ TYRISTORU V OBVODU STEJNOSMĚRNÉHO PROUDU Pokud po sestavení obvodu přivedeme napájecí napětí, v obvodu se „nic neděje“. Při sepnutí tlačítka s označením „ON“ dojde k řízenému průrazu tyristoru TY1, který přejde do vodivého stavu. Proud přes TY1 protéká a LED1 svítí. Na „levé“ straně kondenzátoru C1 je napětí blízké nule, na „pravé“ straně kondenzátoru je napětí blízké napájecímu napětí. Silnoproudá a přístrojová elektrotechnika – laboratorní cvičení č. 6 - 4 - V případě stisku tlačítka s označením „OFF“ dojde k sepnutí tyristoru TY2, na „pravé“ straně kondenzátoru C1 prudce klesne napětí z napájecího napětí na napětí blízké nule, na což kondenzátor reaguje derivačně, tedy na „levé“ straně dojde k prudkému poklesu napětí pod 0 V (matematicky k hodnotě −∞, prakticky až k záporné hodnotě napájecího napětí). Tento prudký pokles pod napětí 0 V způsobí krátkodobou komutaci a dojde k rozpojení výkonového prvku. Tyristor TY1 nevede proud a LED1 zhasne. 1.3 Sestavení úlohy Sestavte úlohu dle schématu zapojení na obr. 4. 1. Vyzkoušejte stisk tlačítka „ON“, stisk tlačítka „OFF“ a ověřte funkci zapojení. 2. Vyzkoušejte stisk obou tlačítek („ON“ i „OFF“ současně) a zdůvodněte, co nastalo. 3. Připojte oba kanály osciloskopu na oba póly kondenzátoru C1 (vůči zemi) a sledujte časové průběhy napětí na kondenzátoru. Ověřte oba předchozí body (1. i 2.). 1.4 Použitá literatura [1] FROHN, Manfred. Elektronika: polovodičové součástky a základní zapojení. Praha: BEN - technická literatura, 2006. ISBN 80-7300-123-3. - Pulzně-šířková modulace - NÁVOD K LABORATORNÍMU CVIČENÍ Garant předmětu: Ing. Jiří Sekora, MBA Autoři textu Ing. Jiří Sekora, MBA Ing. Martin Králík Ing. Martin Mézl, Ph.D. Brno 15. 12. 2023 Předložený text je výstupem projektu NPO_VUT_MSMT-16609/2022 v rámci specifického cíle A2: Rozvoj v oblasti distanční výuky, online výuky a blended learning. Tento výstup byl realizován na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií. Silnoproudá a přístrojová elektrotechnika – laboratorní cvičení č. 7 - 2 - 1.1 Zadání úlohy Seznamte se s principem pulzně-šířkové modulace (PWM). Sestavte modulátor pomocí časovače 555 a tento modulujte pomocí různých průběhů z funkčního generátoru. 1.2 Teoretický úvod Analogové signály jsou spojité co do času i napětí. Pro přenos analogových signálů např. optickou cestou, např. z důvodu jejich galvanického oddělení, je třeba takový signál upravit, jelikož optické prvky mají zpravidla silně nelineární charakteristiku. Je tak třeba transformovat analogový spojitý signál (na obr. 1 oranžově) na signál diskrétní – modulovaný analogovým signálem (černě). OBRÁZEK 1 ČASOVÝ PRŮBĚH ANALOGOVÉHO SIGNÁLU A JEHO PREZENTACE V PULZNĚ-ŠÍŘKOVÉ MODULACI Modulovaný signál je třeba upravit tak, aby reagoval na velikost vstupního napětí. Moduluje se tedy „šířka pulzu“ (odtud pulzně-šířková modulace) a to tak, že se v rámci periody opakování mění střída tak, aby poměr šířky impulzu vůči periodě opakování lineárně odpovídal velikosti vstupního napětí. Již z principu je patrné, že PWM přinese do původního signálu zásadní nevýhodu ve formě vzorkování. S ohledem na frekvence obsažené v původním spojitém signálu je třeba i zde dodržet vzorkovací teorém a zvolit základní frekvenci časovače alespoň dvojnásobnou proti nejvyšší frekvenci obsažené v původním spojitém signálu. Jako základní časovací obvod pro generování PWM můžeme využít časovač 555 v režimu astabilního klopného obvodu se základní střídou kolem 50 %. Silnoproudá a přístrojová elektrotechnika – laboratorní cvičení č. 7 - 3 - OBRÁZEK 2 VNITŘNÍ ZAPOJENÍ OBVODU 555 Časovač 555 (na obrázku 2) je poměrně univerzální obvod obsahující napěťový dělič (5 k / 5 k / 5 k), který dělí napájecí napětí na 1/3 a 2/3. Tyto napětí jsou přivedena na dva komparátory, které přepínají RS klopný obvod. Stav klopného obvodu je převeden na výstup v podobě napěťové úrovně 0 V nebo +VCC. Pokud bude na vstup č. 5 (Control Voltage) přivedeno libovolné analogové napětí, a to i proměnné v čase, dojde k ovlivnění hodnoty napětí odpovídající původně hodnotě 2/3 VCC a tím dojde k ovlivnění hraničních hodnot pro oba komparátory. Tato hodnota analogového napětí má tak přímý vliv na periodu opakování výstupního signálu u na samotnou hodnotu šířky výstupního impulzu – dochází tak ke změně střídy výstupního signálu přímo ovlivněné analogovou hodnotou napětí na vstupu 5. OBRÁZEK 3 SCHÉMA ZAPOJENÍ PWM POMOCÍ ČASOVAČE 555 Silnoproudá a přístrojová elektrotechnika – laboratorní cvičení č. 7 - 4 - Na obr. 3 je schéma zapojení časovače 555 v režimu astabilního klopného obvodu. Uvažujte maximální frekvenci analogového signálu pro modulaci 𝑓 MAX =10 kHz. Nastudujte katalogový list časovače 555 a navrhněte obvodové prvky C1, R1 a R2 tak, aby základní frekvence časovače byla 20 kHz a střída cca 50 %. Hodnota kondenzátoru C2 = 10 nF a předřadný rezistor pro LED zvolte 470 . 1.3 Postup měření a zpracování 1. Zapojte zapojení dle schématu na obr. 3 s využitím vypočtených hodnot součástek. 2. Pomocí osciloskopu zobrazte napětí na výstupu (1. kanál) a napětí na kondenzátoru C1 (2. kanál). Oba kanály osciloskopu si zobrazte ve stejném napěťovém měřítku, nejlépe s překryvem přes sebe, aby bylo možné průběhy vzájemně porovnat. Optimální měřítko je 1 V / dílek. 3. Ke vstupu č. 5 obvodu IC1 připojte zdroj signálu tvořený funkčním generátorem, druhý kanál osciloskopu připojte k výstupu z generátoru 5 a porovnejte modulační a modulovaný signál. Tip: V případě, že je problematické nastavit správnou časovou základnu osciloskopu, je možné využít synchronizační výstup generátoru a spojit jej se synchronizačním vstupem osciloskopu. Časovou základnu je třeba v nastavení osciloskopu přepnout na externí sinchronizaci (funkce Trigger). 1.4 Použitá literatura [1] HÁJEK, Jan. Časovač 555: praktická zpojení s jedním časovačem. Dot. 2. čes. vyd. 555. Praha: BEN - technická literatura, 1999. ISBN 80-86056-92-9. [2] Texas Instruments – LM555 Timer [pdf]. [cit. 2023-11-03]. Dostupné z: www.ti.com/lit/ds/symlink/lm555.pdf [3] 555 Timer Tutorial [online]. Dostupné z: https://www.electronicstutorials.ws/waveforms/555_timer.html Spínané zdroje a DC/DC měniče NÁVOD K LABORATORNÍMU CVIČENÍ Garant předmětu: Ing. Jiří Sekora, MBA Autoři textu Ing. Jiří Sekora, MBA Ing. Martin Králík Ing. Martin Mézl, Ph.D. Brno 15. 12. 2023 Předložený text je výstupem projektu NPO_VUT_MSMT-16609/2022 v rámci specifického cíle A2: Rozvoj v oblasti distanční výuky, online výuky a blended learning. Tento výstup byl realizován na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií. Silnoproudá a přístrojová elektrotechnika – laboratorní cvičení č. 8 - 2 - 1.1 Zadání úlohy Seznamte se s principem DC/DC snižujícího i zvyšujícího měniče. Seznamte se s obvodem MC34063AP od Texas Instruments. Sestavte zvyšující DC/DC měnič pracující s variabilním vstupním napětí UIN v rozsahu +3 V až +12 V. Výstupní napětí měniče bude definováno pevně na hodnotu UOUT=13,75 V. 1.2 Teoretický úvod Spínané měniče umožnují změnu hodnoty stejnosměrného napětí o určité (i variabilní hodnotě) na jinou hodnotu. Podle režimu práce je možné je rozdělit na snižující – Step-Down DC/DC (UIN>UOUT), nebo zvyšující – Step-Up DC/DC (UIN<UOUT). DC/DC měniče dosahují poměrně vysoké účinnosti, u špičkových obvodů až 98 %. Měniče se využívají jako součást spínaných napájecích zdrojů. 1.2.1 Snižující měnič Na obr. 1 je schéma zapojení snižujícího měniče (Step-Down). Při sepnutí spínače S začne téct proud ze vstupu a přes induktor L na výstup a do kondenzátor C se začne nabíjet. Proud tekoucí induktorem začne lineárně růst a v induktoru se začne akumulovat energie v podobě magnetického pole. Po rozepnutí spínače S změní napětí na induktoru orientaci a proud poteče z induktoru L do zdroje přes D do země. Proud tekoucí induktorem bude lineárně klesat do doby, než opět sepne spínač S. Jako spínač lze použít např. MOSFET tranzistor s kanálem P. Napětí na výstupu tohoto měniče může být menší nebo rovno napětí vstupnímu, tj. UOUT≤UIN. OBRÁZEK 1 PRINCIP ČINNOSTI SNIŽUJÍCÍHO DC/DC MĚNIČE 1.2.2 Zvyšující měnič Schéma zapojení zvyšujícího měniče (Step-Up) je na obr. 2. Při sepnutí spínače S začne proud tekoucí induktorem L lineárně růst a v induktoru se začne akumulovat energie v podobě magnetického pole. Po rozepnutí spínače S se orientace napětí na induktoru z důvodu zanikajícího magnetického pole změní a napětí na induktoru je v součtu s napětím na vstupu měniče. - 4 - OBRÁZEK 4 ZAPOJENÍ GALVANICKÉHO ODDĚLENÍ S PWM MODULACÍ - 5 - 1.4 Použitá literatura [1] Description of Galvanic Isolation. Online. Schneider Electric. 2023. Dostupné z: https://www.se.com/us/en/faqs/FA157465/. [cit. 2023-12-15]. [2] Aimtec Series AM1S-Z: katalogový list. 03/22A. 2022. Dostupné také z: https://www.tme.eu/Document/7c8397475470cad706e63d15d1f66689/AM1S-Z.pdf. [3] American Bright LED - Product Datasheet BPC-817: katalogový list. Ver:1.0. Dostupné také z: https://www.americanbrightled.com/pdffiles/ir-uv/ir/BPC-817.pdf. Aplikace s mikroprocesory I NÁVOD K LABORATORNÍMU CVIČENÍ Garant předmětu: Ing. Jiří Sekora, MBA Autoři textu Ing. Jiří Sekora, MBA Ing. Martin Králík Ing. Martin Mézl, Ph.D. Brno 15. 12. 2023 Předložený text je výstupem projektu NPO_VUT_MSMT-16609/2022 v rámci specifického cíle A2: Rozvoj v oblasti distanční výuky, online výuky a blended learning. Tento výstup byl realizován na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií. Silnoproudá a přístrojová elektrotechnika – laboratorní cvičení - 2 - 1.1 Zadání úlohy 1. Seznamte se s mikrokontrolery Atmega na platformě Arduino. 2. Seznamte se s vývojovým prostředím Arduino IDE. 3. Pomocí vzorového příkladu se seznamte s kódem a chováním kontroléru a jeho programováním. 4. Zapojte podle návodu světelný semafor a sestavte funkce pro řízení jednotlivých barev semaforu. 5. Rozšiřte úlohu o digitalizace hodnoty na vstupu převodníku A0, s využitím funkcí knihovny Serial hodnoty vypisujte na výstup sériové linky (využijte funkce Serial Monitor a Serial Plotter). 1.2 Teoretický úvod Mikroprocesor (P) představuje centrální procesorovou jednotku (CPU), tedy sekvenční logický obvod, který vykonává binární operace pomocí zadaných instrukcí. Binární instrukce se zapisují např. takto: - add x0, x1 … do registru x0 přičti hodnotu v x1 - mov AFh, x1 … ulož hodnotu (AF)16 do registru x1 Mikropočítač je mikroprocesor rozšířený o programovou paměť, operační paměť a adresovatelné vstupy a výstupy. OBRÁZEK 1 BLOKOVÉ SCHÉMA MIKROPOČÍTAČE Mikrokontroler (C) představuje další rozšíření mikropočítače, jedná se o mikropočítač rozšířený v rámci jednoho pouzdra o různé integrované periferie. Může se jednat o různé čítače, časovače, převodníky, modulátory apod. Silnoproudá a přístrojová elektrotechnika – laboratorní cvičení - 3 - OBRÁZEK 2 BLOKOVÉ SCHÉMA VNITŘNÍ STRUKTURY MIKROKONTROLERU 1.3 Programování mikroprocesorů Základním prostředkem pro programování mikroprocesorů je sestavení programu pomocí instrukcí. Instrukce v jazyce srozumitelném pro mikroprocesor je prezentována formou zápisu v hexadecimálním kódu: mov r0, r1; addc r1, r2; mov Aeh, r0; Tento kód je kompilací přeložen do binární formy prezentované hexadecimálním kódem a uložen do paměti. Kód v paměti může vypadat např. takto: FBECFE5D8E0DEBFC. Pro programování platformy Arduino je možné využít Arduino IDE, které umožňuje kompilovat program sestavený v jazyce Wiring. Na následujících obrázcích je popsáno prostředí a jednotlivé kroky, které je třeba nastavit pro kompilaci a přenesení programu do mikrokontroleru. OBRÁZEK 3 ZÁKLADNÍ OKNO ARDUINO IDE Silnoproudá a přístrojová elektrotechnika – laboratorní cvičení - 4 - OBRÁZEK 4 UKÁZKA ZÁPISU PROGRAMU A JEHO KOMPONENTY OBRÁZEK 5 VÝBĚR KOMUNIKAČNÍHO PORTU PRO PROGRAMOVÁNÍ Silnoproudá a přístrojová elektrotechnika – laboratorní cvičení - 5 - OBRÁZEK 6 VÝBĚR PLATFORMY PRO KOMPILACI PROGRAMU Silnoproudá a přístrojová elektrotechnika – laboratorní cvičení - 6 - 1.4 Jednotlivé úlohy 1.4.1 Ukázkový příklad Otevřete si první ukázkový příklad Blink (File > Example > 01.Basics > Blink). Připojte Arduino UNO, zvolte správný port a ověřte zvolenou desku. Zkompilujte program a po ověření syntaxe uložte do paměti MP 1.4.2 Rozšíření o „semafor“ Definujte digitální I/O porty (např. D5, D6, D7) postupně pro barvy zelenou, oranžovou (resp. žlutou) a červenou. Ve funkci setup() nastavte vybrané I/O porty jako výstupní. Vytvořte si vlastní funkce, např. zelena(), které nastaví správně požadovanou kombinaci barev. Sestavte program pro postupné přepínání barev semaforu 1.4.3 Digitalizace analogové hodnoty Rozšiřte úlohu o čtení analogového vstupu, je třeba deklarovat vstup a novou proměnnou: int AnalogovyVstup = A0; int AnalogovaHodnota = 0; Do funkce setup() přidejte definici rychlosti sériové komunikace: Serial.begin(9600); V hlavní smyčce programu (funkce loop) bude obsahovat kód pro přečtení analogové hodnoty a její předání na sériový port: AnalogovaHodnota = analogRead(AnalogovyVstup); Serial.println(AnalogovaHodnota); Na vstup A0 přiveďte napětí v rozsahu 0 – 5 V (potenciometrem). Nyní si zobrazte zasílanou hodnotu pomocí dvou možností: • Vypsání hodnoty: Tools > Serial Monitor • Grafická prezentace hodnoty: Tools > Serial Plotter 1.4.4 Kontrolní otázky a úkoly 1. Jaký je bitový rozsah AD převodníku? 2. Pomocí funkce if rozšiřte aplikaci tak, aby semafor varoval při poklesu hodnoty na vstupu pod 200 oranžovou a pod 100 červenou barvou. Silnoproudá a přístrojová elektrotechnika – laboratorní cvičení - 7 - 1.5 Použitá literatura [1] Portál Arduino.cc – Language Reference [online]. 2023 [cit. 2023-12-10]. Dostupné z: https://www.arduino.cc/reference/en/ [2] Java T Point – Arduino Coding Basics [online]. 2023 [cit. 2023-12-10]. Dostupné z: https://www.javatpoint.com/arduino-coding-basics Aplikace s mikroprocesory II NÁVOD K LABORATORNÍMU CVIČENÍ Garant předmětu: Ing. Jiří Sekora, MBA Autoři textu Ing. Jiří Sekora, MBA Ing. Martin Králík Ing. Martin Mézl, Ph.D. Brno 15. 12. 2023 Předložený text je výstupem projektu NPO_VUT_MSMT-16609/2022 v rámci specifického cíle A2: Rozvoj v oblasti distanční výuky, online výuky a blended learning. Tento výstup byl realizován na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií. Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 1 Proces 3D tisku obvykle začíná navržením objektu v CAD (Computer-Aided Design) programu, skenováním existujícího objektu za pomocí 3D skeneru či stažením hotového modelu. Vytvořený model je pak převeden do formátu STL nebo takového, jež je podporován tiskovým softwarem. Tento software, často označovaný jako slicer, rozdělí model na tenké vrstvy a vytvoří G-kód, což jsou instrukce pro 3D tiskárnu. Základní typy tiskáren rozdělujeme na: • Fused Deposition Modeling (FDM): Používá termoplastický filament, který je roztaven a vytlačován vrstva po vrstvě. o Kartézská – Ovládání na třech lineárních osách. V různých kombinacích, kdy se pohybuje extrudér na dvou osách a podložka na jedné. Většina tiskáren čtvercového tvaru. o Delta – Využívají technologii třech ramen, které ovládají extruder nacházející se uprostřed. Ramena pracují v rozsahu 120 a jsou spolu spojena právě v místě extruderu. Proto mají delta tiskárny velký tiskový prostor a mohou pracovat rychleji. Poměrně složitá geometrie dělá tuto 3D tiskárnu těžší na sestavení a kalibraci. o Polar – 3D tiskárny na polárním systému využívají dvě osy pro pohyb tiskové hlavy a rotační podložky. Tento systém je jednodušší na sestavení, ale horší na ovládání a není příliš mnoho slicerů, které dokáží převádět do křivek. o Scara – Využívají pro ovládaní pohybu extruderu dvě robotická ramena nebo jedno dvoukloubé rameno. • Stereolitografie (SL): Používá tekutou pryskyřici, která se vytvrzuje pod vlivem UV světla. o DLP o SLA • Selective Laser Sintering (SLS): Používá práškový materiál, který je sintrován laserem. Fused Deposition Modeling (FDM), někdy také označované jako Fused Filament Fabrication (FFF), je jednou z nejpopulárnějších a nejrozšířenějších metod 3D tisku. Materiál je dodáván ve formě filamentu, který je v tiskové hlavě zahříván a uveden do tekutého stavu. Poté je Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 2 extrudován přes trysku a aplikován na tiskovou plošinu, kde rychle tuhne. Principem této technologie je postupné ukládání roztaveného plastu vrstvu po vrstvě na tiskovou podložku. Výhody a Omezení FDM Tisku FDM tisk nabízí řadu výhod, jako je nízká cena tiskových strojů a materiálů, jednoduchost použití a schopnost tisknout složité geometrie, které by byly obtížně vyráběny tradičními výrobními metodami. Nicméně, jako každá technologie, má i FDM svoje omezení. Mezi ně patří nižší povrchová kvalita ve srovnání s některými jinými metodami 3D tisku, viditelné vrstvy na výsledném tisku a omezení v tisku velmi jemných detailů. Nejpoužívanější materiály filamentu FDM tiskárny používají termoplastický materiál ve formě filamentu, který je navinut na cívce. 1. PLA (PolyLactic Acid): Vlastnosti: Biologicky odbouratelný a ekologicky šetrný plast, snadný na tisk, nízká teplota tání, dobrá pevnost a tuhost. Použití: Prototypy, dekorativní předměty, jednoduché hračky, domácí výrobky. Teplota trysky: 190–220 °C Teplota tiskové podložky: 20–60 °C (někdy není tisková podložka vůbec potřebná) 2. ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene): Vlastnosti: Vyšší pevnost a teplotní odolnost než PLA, odolnost vůči chemikáliím, vyžaduje vyšší teplotu tisku a uzavřenou konstrukci. Použití: Funkční prototypy, části strojů, automobilové komponenty, hračky (např. LEGO). Teplota trysky: 220–250 °C Teplota tiskové podložky: 90–110 °C (vyšší teplota je nutná pro zabránění zkroucení tisku) 3. PETG (Polyethylene Terephthalate Glycol): Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 3 Vlastnosti: Silný a odolný materiál, odolný vůči vodě a některým chemikáliím, dobrá pružnost, snadno tisknutelný. Použití: Nádoby na jídlo a pití, funkční díly, voděodolné aplikace. Teplota trysky: 230–250 °C Teplota tiskové podložky: 75–90 °C 4. Nylon: Vlastnosti: Vysoce odolný proti oděru, pevný a pružný, odolný vůči chemikáliím, absorbuje vlhkost. Použití: Ozubená kola, klouby, funkční prototypy, části vystavené tření a opotřebení. Teplota trysky: 240–260 °C Teplota tiskové podložky: 70–100 °C Je nutné však dodržet teplotu definovanou výrobcem filamentu !!! Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 4 Zadání Část 1: Návrh a příprava modelu v SolidWorks • Otevřete SolidWorks a vytvořte nový soubor. Navrhněte jednoduchý 3D model. Ujistěte se, že váš návrh zohledňuje základní principy pro FDM tisk, jako jsou dostatečně silné stěny a minimální množství převisů. • Zkontrolujte všechny rozměry a ujistěte se, že model neobsahuje žádné chyby. Proveďte potřebné úpravy pro optimalizaci modelu pro 3D tisk. • Po dokončení a kontrole modelu ho exportujte ve formátu STL. Část 2: Nastavení a úpravy v Průša Sliceru • Vyberte ze seznamu dostupných tiskáren model, který odpovídá tiskárně, na které budete tisknout (Zvoleno vyučujícím buď Creality nebo Ultimaker). • Otevřete Průša Slicer a importujte váš model (nazev_modelu.stl). • Vyberte materiál, který plánujete použít pro tisk. Ujistěte se, že nastavení teploty trysky a tiskové podložky odpovídá doporučení pro vybraný materiál. • Přizpůsobte nastavení vrstev, výplně, podpor a dalších parametrů tisku tak, aby vyhovovaly vašemu modelu a požadavkům na finální produkt. • Po nastavení všech parametrů generujte G-kód. Část 3: Tisk modelu • Přeneste vygenerovaný G-kód na SD kartu/ přenosný disk nebo přímo na tiskárnu pomocí USB kabelu. • Zajistěte, že tisková podložka je čistá a správně vyrovnaná. Předehřejte tiskárnu na nastavené teploty a vložte filament. • Spusťte tisk a pozorně sledujte první vrstvy, abyste zajistili správnou adhezi a absence problémů. • Po dokončení tisku nechte model vychladnout, než ho opatrně odstraníte z tiskové podložky. Pokud nejde u sklenené podložky, tak vložte do chladu. • Zkontrolujte kvalitu tisku a proveďte případné úpravy nebo dokončovací práce, jako je broušení nebo malování. Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 5 1. Část – Vytvoření modelu v Solidworks Solidworks je pokročilý CAD program, který se používá k návrhu a modelování 3D objektů. Umožňuje uživatelům vytvářet velmi detailní a složité modely, které mohou být následně využity pro 3D tisk. Podorbný popis: Spusťte SolidWorks na vašem počítači. Klikněte na "File" v levém horním rohu obrazovky a vyberte "New". Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 6 Zvolte "Part" pro vytvoření nového dílu a klikněte na "OK". Následuje vytvoření libovolného jednoduchého modelu, vhodného pro FDM 3D tisk. Je nutné brát v úvahu tloušťku stěny a detailů, které tiskárna není schopna pojmout. Krok 1: Nastavení Pracovní Plochy • V pravé části obrazovky vyberte požadovaný pohled (např. "Top" pro pohled shora). • Ujistěte se, že měřítko v pravém dolním rohu je nastaveno správně (např. 1:1). Krok 2: Vytvoření Základní Skici • Klikněte pravým tlačítkem myši na jednu z hlavních rovin (Front, Top, Right) a vyberte "Sketch". • Použijte nástroje jako "Line", "Rectangle", "Circle", atd. k vytvoření základního tvaru vašeho modelu. • Použijte nástroj "Smart Dimension" k přesnému nastavení rozměrů vaší skici. Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 7 Krok 3: Modelování 3D Objektu • Vyberte "Features" > "Extruded Boss/Base" a zadejte výšku pro vytvoření 3D objektu ze skici. • Použijte další nástroje z panelu "Features" (např. "Fillets" pro zaoblení hran, "CutExtrude" pro vyříznutí děr, atd.) k přidání detailů a úpravě tvaru vašeho modelu. Klikněte na "File" > "Save As", vyberte požadovaný adresář, zadejte název souboru, zvolte typ souboru .STL a klikněte na "Save". 2. Část – Příprava modelu v Průša Sliceru Průša Slicer je software, který převádí 3D model vytvořený v CAD programu na sadu instrukcí pro 3D tiskárnu. Proces se nazývá "slicing", jelikož je model virtuálně "nakrájen" na jednotlivé vrstvy, které tiskárna postupně vytiskne. Uživatel má v Průša Sliceru k dispozici širokou škálu Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 8 nastavení, která ovlivňují kvalitu a pevnost výsledného tisku, rychlost tisku, množství materiálu použitého k tisku a mnoho dalších faktorů. Podrobný popis: Spusťte PrusaSlicer na vašem počítači. Vyberte tiskárnu (zvolí vyučující) buď v liště (1.), kde je již seznam použitých tiskáren nebo zvolte printer setting (2.), kde je možné přidat novou tiskárnu. Průvodce výběrem tiskárny otevřete kliknutím na "Add/Remove printers". Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 9 Zde je možné vybrat buď tiskárnu Průša pro FDM (1.) nebo zvolit jiné výrobce, např. Creality (2.). Dále je nutné zvolit velikost trysky na vybrané tiskárně (3.). Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 10 Po výběru tiskárny s adekvátní tryskou je možné si vybrat předdefinované profily výrobcem pro různé typy filamentu. Vybrat generic PLA/PETG. Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 2 Výhody 3D skenování • Vysoká Přesnost – 3D skenery dokáží zachytit velmi přesné detaily a rozměry skenovaných objektů. • Rychlost – Proces skenování je obvykle rychlejší než tradiční metody měření, zejména u složitých nebo detailnějších objektů. • Jednoduchost – Ačkoliv samotné skenování může vyžadovat určitou odbornost, celkový proces od získání dat až po jejich zpracování je obvykle méně pracný a komplexní než alternativní metody. • Digitální Archivace – Umožňuje digitální archivaci fyzických objektů, což je užitečné v umění, archeologii a dalších oborech. • Zjednodušení Výrobních Procesů – Pomáhá ve vývoji produktu tím, že zjednodušuje procesy jako je reverzní inženýrství nebo kontrola kvality. Omezení 3D skenování • Omezení Velikosti Objektu – Některé typy skenerů mají omezení vzhledem k velikosti objektů, které mohou efektivně skenovat. Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 3 • Závislost na Barvě a Povrchu – Kvalita skenování může být negativně ovlivněna určitými typy povrchů, jako jsou lesklé, průhledné nebo velmi tmavé materiály, které mohou zkreslovat výsledky. • Náklady – Vysoce kvalitní 3D skenery a související software mohou být drahé. • Post-processing – Data získaná ze skenování často vyžadují rozsáhlé zpracování a úpravy. Parametry DAVID SLS-2 • Využívá technologii strukturovaného světlo. Promítání světelného obrazce a jeho následným snímáním pomocí kamery. • Velikost skenovaného objektu: 60 – 500 mm • Rozlišení/přesnost – 0,1% velikosti skenu • Doba jednoho skenu: sekundy Zadání Část 1: Kalibrace: • Nastavení Projektoru a Kamery: o Projektor – Zaostřete obrazce pomocí páčky na projektoru. o Kamera – Nastavte vzdálenost mezi kamerou a projektorem na výšku snímaného objektu (zhruba 20 cm). Úhel kamery nastavit mezi 20° až 25° pro minimalizaci degradace rozlišení a vzniku artefaktů, zaostření a jas. • Obraz a Jas: o Ujistěte se, že celý obraz je viditelný. o Upravte jas pro ideální úroveň dle amplitudy červeného signálu. • Kalibrační Desky: o Použijte kalibrační desky k zachycení pole bodů. Použijte vzor, který je větší než váš snímaný objekt. o V této fázi již pohybujete se skenerem jako celkem, již se nemění vzdálenost mezi kamerou a projektorem, ani úhel kamery Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 4 o Je nutné nasnímat všechny kalibrační body (6 kroužků). o Spusťte kalibraci a zvolte měrku na 240 mm. Část 2: Skenování: • Příprava: o Vyměňte kalibrační desky za sošku. o Upravte pohled tak, aby byla soška celá viditelná. o Spusťte program upravení a vyvážení bílé. • Samotné skenování: o Odstraňte sošku a nasnímejte pozadí, které odečteme od snímaného objektu. o Vraťte sošku a spusťte skenování. o Po každém skenu pootočte sošku o cca 45°, celkem proveďte zhruba 8 skenů okolo osy. Část 3: Spojení Skenů a Vytvoření 3D Modelu: • Spojení skenů: o Zobrazte si všechny skeny. o Skleny můžete spojit automaticky nebo ručně. o Jako první volíte vždy stacionární a další, který se na něj naformuje, tohle opakujete, dokud se nespojí všechny snímky. • Editace a dokončení: o Upravte síť, odstraňte artefakty. o Upravte rozlišení, ostrost a vyplňte případné díry. o Exportujte výsledný model ve formátu STL. o Model upravte v software SolidWorks. Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 5 1. Část – Kalibrace DAVID4 je software pro obsluhu 3D skeneru DAVID SLS-2. Umožňuje kalibraci skeneru pro různé velikosti skenovaného objektu, skenování a následné spojení jednotlivých snímky. Objekty mohou být v tomto rozhraní také do jisté míry upravovány, jako je odstranění vzniklých artefaktů. Software dále nabízí jednoduchý export naskenovaného objektu, pro další CAD SW, kde je možné vykonávat detailnější úpravy. Podrobný popis: Spusťte DAVID4_64bit na vašem počítači. 1. Nastavení projektoru – páčkou na projektoru je nutné zaostřit obrazec na skenovaný objekt. Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 6 2. Nastavení vzdálenosti mezi projektorem a kamerou by měla odpovídat výšce skenovaného objektu. (V tomto případě cca 20cm) 3. Úhel kamery by měl být nastaven mezi 20° až 25° pro předejití degradaci rozlišení vzniku artefaktů u skenovaného objektu. Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 7 4. Nastavení jasu projektoru a zaostření kamery – Je nutné odstranit kryt z kamery. Celou aparaturu dáme do pozice, aby byl vidět celý objekt. Zaostření kamery (na kameře) a jas projektoru (v pravém panelu) nastavíme dle amplitudy červeného signálu na objektu. Snažíme se dosáhnout co největší amplitudy sinusoidy, aniž by došlo k jejímu ořezání. Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 8 Nyní je třeba vyměnit daný objekt za kalibrační desky. Na kalibračních deskách se vždy nachází mapa s 6 kružnicemi. Hledáme takovou mapu, která odpovídá velikosti snímaného objektu (je větší než snímaný objekt). Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 9 Pole šesti kružnic je nutné zachytit na kameru, aby mohla proběhnou kalibrace. Kalibrační měřítko nastavíme dle velikosti použité mapy. V tomto případě to je 240 mm. Poté je nutní spustit kalibraci a na pozadí se vytvoří šachovnice (viz předchozí obr.), jejíž stěžejní body jsou právě ve vyznačených kružnicích. Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 10 2. Část – Skenování Desky následně budou odstraněny a přechází se kroku snímaní pozadí. Již je možné pohybovat jen s celým skenerem. Není možné posunout kameru nebo projektor. V opačném případě by bylo nutné znovu provést kalibraci. Po nasnímání pozadí, již přidáme pouze snímaný objekt. Při jeho skenování je nutné zaškrtnout pole „Odstranění pozadí“. Při skenování již nepohybuje ani se skenerem, pouze se skenovaným objektem. Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 11 Pro uspokojivý výsledek je nutné naskenovat, alespoň 8 skenů. Tedy sošku nastavíme do čelní pozice a provedeme skenování. Zkontrolujeme snímek v sekci sloučení tvarů, pootočíme sošku cca o 40° a provedeme další, dokud nemáme naskenovaný celý objekt. 1. Část – Sloučení snímků do objemového modelu Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 2 Stereolitografie (SL) je jednou z nejpřesnějších a nejdetailnějších technik aditivní výroby. Tato technologie využívá UV laser k vytvrzování tekuté fotocitlivé pryskyřice. Laser/projektor "kreslí" požadovaný vzor na povrchu pryskyřicového bazénu, vytvrzující materiál ve specifickém tvaru vrstvy. Po vytvrzení jedné vrstvy se tisková platforma posune, což umožňuje laseru vytvrzovat další vrstvu. Tento proces se opakuje, dokud není celý objekt kompletně vytvořen. Tato technologie umí zpracovávat hladké povrchy a složité geometrie. Tento tisk je často volbou pro projekty, kde jsou estetika a přesné detaily klíčové. Přestože proces SL tisku může být pomalejší a dražší ve srovnání s jinými metodami 3D tisku, jeho unikátní výhody ho činí nenahraditelným v mnoha specializovaných aplikacích. Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 3 Výhody • Jemné Detaily – SLA tisk umožňuje vytváření vysoce detailních a složitých modelů, což je ideální pro aplikace, kde jsou důležité malé detaily a přesné geometrie. • Hladké Povrchy – Oproti jiným technologiím 3D tisku, jako je FDM, SLA poskytuje hladší povrchy s méně viditelnými vrstvami, což znamená méně poúprav po tisku. • Vysoká Materiálová Přesnost – SLA tiskárny jsou schopny dosahovat velmi vysoké rozměrové přesnosti, což je klíčové pro technické aplikace a prototypování. • Široká Škála Materiálů – K dispozici je široký výběr pryskyřic s různými vlastnostmi, včetně pružných, průhledných, odolných a biokompatibilních. • Estetická Kvalita – SLA tisk je ideální pro aplikace, kde je estetika důležitá, například v umění, šperkařství nebo v designu produktů. Omezení SL Tisku • Menší Tiskové Plochy – SLA tiskárny obvykle nabízejí menší tiskové plochy ve srovnání s některými jinými typy 3D tiskáren, což omezuje velikost tisknutých objektů. • Náklady na Materiál – Pryskyřice používané v SLA tisku jsou obvykle dražší než filamenty používané v FDM. • Údržba Tiskárny – SLA tiskárny vyžadují pravidelnou údržbu, včetně čištění a kalibrace. • Čištění a Vytvrzování – Tisknuté objekty často vyžadují čištění od přebytečné pryskyřice a dovytvrzování v UV komoře. • Omezení Pryskyřic – Ačkoliv je k dispozici mnoho typů pryskyřic, rozsah materiálů není tak široký jako u jiných technologií 3D tisku. • Citlivost na UV Záření – Pryskyřice může být citlivá na dlouhodobé vystavení UV záření, což může vést k postupnému rozpadu materiálu. Nejpoužívanější materiály SLA tiskárny používají materiál ve formě pryskyřice. 1. Standardní pryskyřice: Vlastnosti: Dobrá celková pevnost a tuhost, střední detailnost. Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 4 Použití: Prototypy, umělecké předměty, modely, vzdělávací nástroje. 2. Průhledná pryskyřice: Vlastnosti: Vysoká průhlednost a světelná propustnost, dobrá povrchová kvalita. Použití: Čiré komponenty, optické prototypy, umělecké instalace. 3. Odolná a pevná pryskyřice: Vlastnosti: Vysoká mechanická pevnost a odolnost, dobrá odolnost proti opotřebení. Použití: Funkční díly, mechanické součásti, náhradní díly. 4. Flexibilní pryskyřice: Vlastnosti: Pružnost a ohebnost, odolnost proti nárazům. Použití: Ohebné části, protetické výrobky, gumové komponenty. 5. Vysokoteplotní pryskyřice: Vlastnosti: Vysoká tepelná odolnost, stabilita rozměrů při vyšších teplotách. Použití: Součásti pro automobilový průmysl, průmyslové komponenty, prototypy vystavené vyšším teplotám. 6. Pryskařice pro biokompatibilní tisk: Vlastnosti: Biokompatibilita (schválená pro kontakt s lidským tělem), sterilizovatelnost. Použití: Lékařské a zubní aplikace, ortopedické pomůcky, chirurgické nástroje. 7. Odlévací pryskyřice (Castable resin): Vlastnosti: Vysoká přesnost a detailnost, snadno vytavitelná. Použití: Šperkařství, slévárenství, výroba přesných odlitků. Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 5 Zadání Část 1: Návrh a příprava modelu v SolidWorks • Otevřete SolidWorks a založte nový projekt pro 3D model. • Navrhněte složitější 3D model, který využívá výhod SLA tisku - například jemné detaily a složité struktury. Zaměřte se na aspekty, které jsou specifické pro SLA. • Pečlivě zkontrolujte model, abyste se ujistili, že neobsahuje chyby a je optimalizovaný pro SLA tisk. • Po dokončení a kontrole modelu ho exportujte ve formátu STL. Část 2: Nastavení a Úpravy v Chitubox • Otevřete Chitubox a importujte soubor modelu (nazev_modelu.stl). • Vyberte z dostupných tiskáren model, který odpovídá vaší SLA tiskárně. (Creality LD-006) • Nastavte parametry tisku v Chitubox, včetně výběru pryskyřice, nastavení tloušťky vrstvy a expoziční doby. Dále nastavte umístění a hustotu podpor. • Po nastavení všech parametrů vygenerujte G-kód pro tisk. Část 3: Tisk Modelu a Dokončovací Práce • Před zahájením tisku ujistěte se, že je tisková nádrž čistá a obsahuje dostatek pryskyřice. Kontrolujte, zda je tisková platforma správně vyrovnaná a čistá. • Nahrání G-kódu do tiskárny a zahájení tiskového procesu. • Po dokončení tisku následují dokončovací práce: o Po dokončení tisku opatrně odstraňte model z tiskové platformy. Použijte vhodné nástroje k minimalizaci poškození jak modelu, tak tiskové platformy. o Vložte model do isopropylalkoholu (IPA) na odstranění přebytečné pryskyřice a zapněte čistící proces na 20 minut. Ujistěte se, že model je plně očištěný a nejsou na něm žádné nevytvrzené zbytky pryskyřice. Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 6 o Po očištění umístěte model do UV komory na dokončení vytvrzování. Doba potřebná k vytvrzení se může lišit v závislosti na typu pryskyřice. o Po vytvrzení může být třeba odstranit podpůrné struktury, brousit, nebo provádět jiné dokončovací práce pro dosažení požadovaného vzhledu a kvality povrchu modelu. Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 7 1. Část – Vytvoření modelu v Solidworks Solidworks je pokročilý CAD program, který se používá k návrhu a modelování 3D objektů. Umožňuje uživatelům vytvářet velmi detailní a složité modely, které mohou být následně využity pro 3D tisk. Podorbný popis: Spusťte SolidWorks na vašem počítači. Klikněte na "File" v levém horním rohu obrazovky a vyberte "New". Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 8 Zvolte "Part" pro vytvoření nového dílu a klikněte na "OK". Následuje vytvoření libovolného jednoduchého modelu, vhodného pro FDM 3D tisk. Je nutné brát v úvahu tloušťku stěny a detailů, které tiskárna není schopna pojmout. Krok 1: Nastavení Pracovní Plochy • V pravé části obrazovky vyberte požadovaný pohled (např. "Top" pro pohled shora). • Ujistěte se, že měřítko v pravém dolním rohu je nastaveno správně (např. 1:1). Krok 2: Vytvoření Základní Skici • Klikněte pravým tlačítkem myši na jednu z hlavních rovin (Front, Top, Right) a vyberte "Sketch". • Použijte nástroje jako "Line", "Rectangle", "Circle", atd. k vytvoření základního tvaru vašeho modelu. • Použijte nástroj "Smart Dimension" k přesnému nastavení rozměrů vaší skici. Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 9 Krok 3: Modelování 3D Objektu • Vyberte "Features" > "Extruded Boss/Base" a zadejte výšku pro vytvoření 3D objektu ze skici. • Použijte další nástroje z panelu "Features" (např. "Fillets" pro zaoblení hran, "CutExtrude" pro vyříznutí děr, atd.) k přidání detailů a úpravě tvaru vašeho modelu. Klikněte na "File" > "Save As", vyberte požadovaný adresář, zadejte název souboru, zvolte typ souboru .STL a klikněte na "Save". Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 10 2. Část – Příprava modelu v Chitubox Chitubox je software pro pro přípravu 3D modelů k tisku pomocí stereolitografických (SLA), Digital Light Processing (DLP) a LCD tiskáren. Umožňuje detailní nastavení tiskových parametrů, jako jsou tloušťka vrstvy, doba vytvrzení a další, což uživatelům poskytuje významnou kontrolu nad kvalitou a efektivitou tisku. Po dokončení přípravy modelu software slicuje soubor a generuje G-kód, připravený pro přímý tisk. Spusťte Chitubox na vašem počítači. Jděte do nastavení tiskárny (Settings) a přidejte novou tiskárnu. Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 11 V levém sloupci přidáte novou tiskárnu, kterou si následně zvolíte v menu. Vyberte "Creality" jako značku a poté vyberte model "LD-006". Pokud model není v seznamu, můžete ručně zadat specifikace tiskárny, včetně rozměrů tiskové plochy a dalších relevantních parametrů. Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 18 Po dokončení přípravy modelu a nastavení použijte funkci „Slice“ k převedení modelu na vrstvy. Prohlédněte si náhled tisku a zkontrolujte, zda vše vypadá správně a klikněte na tlačítko "Save". Chitubox uloží G-kód, který je potřebný pro SLA tiskárnu. Vložte USB disk do počítače a uložte vygenerovaný G-kód na disk. Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 19 3. Část – Příprava tiskárny a tisk modelu Krok 1: Kontrola a příprava tiskárny – Nutné pracovat v ochranných rukavicích!!! • Ujistěte se, že SLA tiskárna je vypnutá. • Odstraňte ochranný obal proti UV záření. • Očistěte podložku od případných nečistot po předešlém tisku. • Zkontrolujte množství pryskyřice v nádrži. o Pokud je prázdná, naplňte ji pryskyřicí určenou vyučujícím. o V případě, že již v nádobě nějaká pryskyřice nachází, tak je nutné využít stejný typ pryskyřice. Tento krok je však zapotřebí, kdy není v nádobě pryskyřice dostatek. • Očistěte spodek nádoby od případných nečistot. • Zavřete UV kryt Krok 2: Zahájení tisku • Vložte USB disk s uloženým G-kódem do slotu na tiskárně. • Na ovládacím panelu tiskárny vyberte nahráný G-kód a spusťte tisk. • Průběžně kontrolujte model Krok 3: Konec tisku a kontrola modelu – Nutné pracovat v ochranných rukavicích!!! • Po dokončení tisku a když je pryskyřice ztuhlá, opatrně odstraníte model z tiskové platformy pomocí nástrojů dodaných s tiskárnou. • Vyčistěte model od nepotřebných pryskyřic pomocí isopropylalkoholu (IPA) za pomocí mycí a vytvrzovací stanice Creality UW 02. o Umístěte nádobu s IPA do Creality UW 02. o Umístěte do nádoby výtisk. o Zavřete UV kryt o Zvolte čistí program (20 min) Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 20 • Po čištění model umístěte do UV vytvrzovací komory Creality UW 02 na 20 minut, aby se dosáhlo konečné pevnosti a odolnosti materiálu. o Zaměňte čistící nádobu za otočný podstavec, kde umístíte model. o Zavřete UV kryt o Zvolte vytvrzovací program (20 min) • Po dovytvrzení zkontrolujte kvalitu finálního tisku a proveďte případné dokončovací práce, jako je odstraňování podpůrných struktur, broušení nebo další povrchová úprava. Co je nutné odevzdat 1. Navržený 3D Model v Solidworks: Originální soubor modelu vytvořeného v programu Solidworks (ve formátu SLDPRT). 2. Exportovaný Model ve Formátu STL: Kromě originálního souboru je také zapotřebí exportovat a odevzdat model ve formátu STL, který byl použit pro přípravu tisku. 3. Protokol o Nastavení Tiskárny: Odevzdat dokument o délce 1-2 stránek, ve kterém bude popsáno, jakým způsobem jsou nastaveny parametry tiskárny v Chitubox a jakým způsobem byl realizován post-processing tisku. Tento dokument by měl obsahovat odůvodnění pro každou zvolenou volbu a popis, jak tyto volby ovlivňují konečný tisk. 4. Vytisknutý 3D Model, jež bude korespondovat s 3D návrhem. Reference https://www.solidworks.com/ https://www.prusa3d.com/ https://eshop.3dwiser.com/fff-fdm/ https://makerslab.cz/typy-3d-tiskaren/ https://www.pb-com.cz/soubor.php?id=23 https://www.fs.cvut.cz/ostatni/sekce-3dtisk/3dtisk/moznosti-3dtisk/rozdeleni-technologii3dtisk/fdm-3dtisk/ Úvod do iniciativy Průmysl 4.0– laboratorní cvičení 21 https://www.thingiverse.com/thing:4167332 - Měření mechanických vlastnostíNÁVOD K LABORATORNÍMU CVIČENÍ Garant předmětu: - doc. Ing. Tomáš Binar, Ph.D. - Autoři textu doc. Ing. Tomáš Binar, Ph.D. Ing. Pavel Šafl Brno 31. 12. 2023 Předložený text je výstupem projektu NPO_VUT_MSMT-16609/2022 v rámci specifického cíle A2: Rozvoj v oblasti distanční výuky, online výuky a blended learning. Tento výstup byl realizován na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií. Trhací zařízení Cíle cvičení Cílem této laboratorní úlohy je poskytnout studentům praktický pohled na proces mechanických zkoušek pomocí trhacího zařízení. Studenti budou aktivně zapojeni do měření a vyhodnocování mechanických vlastností materiálů, což rodzšíří jejich chápání materiálového inženýrství a základů mechaniky. Teoretický úvod Mechanické zkoušky: Mechanické zkoušky pro polymerní materiály jsou metody používané k posouzení a charakterizaci jejich mechanických vlastností. Následující jsou některé z nejčastěji používaných mechanických zkoušek pro polymerní materiály: 1) Tahová zkouška (Tenzilní zkouška): Princip: Materiál je podroben silnému tahovému napětí, a zaznamenávají se deformace a síly působící na materiál. Informace: Získá se informace o pevnosti, modulu pružnosti a tahové deformaci. 2) Ohybová zkouška: Princip: Materiál je ohýbán a měří se síly a deformace v důsledku ohybu. Informace: Poskytuje údaje o ohybové pevnosti, modulu pružnosti v ohybu a dalších ohybových vlastnostech. 3) Stlačová zkouška: Princip: Materiál je vystaven tlaku a měří se síly a deformace při stlačení. Informace: Poskytuje informace o stlačové pevnosti a modulu pružnosti ve smyku. Technological projecting and logistic– laboratorní cvičení 1 4) Tlaková zkouška: Princip: Materiál je zatěžován tlakem a měří se síly a deformace v důsledku tlaku. Informace: Poskytuje údaje o tlakové pevnosti a modulu pružnosti v tlaku. 5) Únava materiálu: Princip: Materiál je opakovaně zatěžován a uvolňován, měří se jeho odezva na cyklické zatížení. Informace: Poskytuje informace o životnosti materiálu a jeho schopnosti odolávat opakovaným cyklickým zatížením. 6) Tření a opotřebení: Princip: Měří odolnost materiálu proti tření a opotřebení při interakci s jinými materiály nebo povrchy. Informace: Poskytuje údaje o odolnosti materiálu v různých podmínkách tření. Každá z těchto zkoušek slouží k posouzení konkrétních mechanických vlastností polymerních materiálů a je vybrána v závislosti na konkrétních požadavcích a aplikacích daného materiálu. Standartní výroba vzorků pro dané zkoušky: Výroba vzorků pro mechanické zkoušky polymerních materiálů je klíčovým krokem pro získání spolehlivých dat o jejich mechanických vlastnostech. Zde jsou obecné kroky pro výrobu vzorků: 1) Materiál: Pro zahájení výroby vzorků polymerních materiálů zvolte reprezentativní vzorek s kvalitními vlastnostmi, který bude sloužit jako výchozí materiál pro testování. Kvalita výchozího materiálu má klíčový vliv na konečné výsledky testů, a proto je důležité vybrat vhodný materiál s přesně definovanými vlastnostmi. 2) Výběr tvaru vzorku: Technological projecting and logistic– laboratorní cvičení 2 Při volbě tvaru vzorku pro mechanické zkoušky věnujte pozornost normám a specifikacím testu. Standardizované tvary, jako jsou "dogbone" nebo ploché proužky, jsou často preferované pro svou schopnost poskytnout konzistentní výsledky. 3) Návrh vzorku: Pečlivě navrhněte vzorek s přesnými rozměry a geometrií, které odpovídají konkrétnímu testu. Přesný návrh vzorku je klíčovým prvkem pro dosažení validních a reprodukovatelných výsledků, což má zásadní význam pro interpretaci mechanických vlastností materiálu. 4) Příprava materiálu: Připravte polymerní materiál na zpracování. V případě termoplastů může to zahrnovat roztavení a následné formování, zatímco u termosetů bude častěji využíván postup vyhřívání a formování. Důkladná příprava materiálu je klíčová pro dosažení konzistentních výsledků testů. 5) Vytvarování vzorku: Vyberte vhodný proces formování, jako je lití, vstřikování, extruze nebo vyřezávání, a tvarujte materiál do požadovaného tvaru vzorku. Správný proces formování zajistí, že vzorky budou odpovídat požadovaným specifikacím a normám. 6) Chlazení a zpevnění: Důkladně chlaďte vzorek po jeho vytvoření, což je klíčové pro získání požadované pevnosti a odolnosti v souladu s materiálovými vlastnostmi. Rychlé nebo nedostatečné chlazení může ovlivnit strukturu materiálu a následně výsledky zkoušek. 7) Opracování vzorku: Podle specifikací testu opracujte povrch vzorku. Odstraňte přebytečný materiál nebo proveďte další úpravy podle požadavků testu. Povrch vzorku může ovlivnit chování materiálu během testování, a proto je důležité věnovat pozornost jeho úpravě. 8) Označení vzorku: Technological projecting and logistic– laboratorní cvičení 3 Každý vzorek jasně označte informacemi o použitém materiálu, rozměrech a případně směru zpracování. Kvalitní označení je nezbytné pro správnou identifikaci vzorků a interpretaci výsledků. 9) Kontrola kvality: • Pravidelně provádějte kontrolu kvality vzorků, abyste zajistili, že splňují přesné požadavky pro daný test. Důsledná kontrola kvality přispívá k dosažení spolehlivých a reprodukovatelných výsledků při mechanických zkouškách polymerních materiálů. • Důkladná a pečlivá příprava vzorků je klíčovým faktorem pro získání přesných a reprodukovatelných výsledků při mechanických zkouškách polymerních materiálů. Technological projecting and logistic– laboratorní cvičení 4 Zadání • Část 1: o Měření délky vzorků: Změřte délku každého vzorku (L) a zaznamenejte ji. Tato hodnota bude sloužit pro výpočet deformace a prodloužení. o Měření průměru vzorků: U vzorků s hladkým povrchem změřte průměr ve dvou na sebe kolmých směrech (D1, D2). Tato informace bude potřebná pro výpočet plochy průřezu. Obrázek 1 Ukázka zkušebních těles BPC-FY1 – laboratorní cvičení 3 její potenciál. Dále označme Ra poloměr anody a Ua napětí na anodě. Síly, kterými pole na náboj působí, leží v rovině kolmé k ose válcových elektrod a tedy budeme moci považovat problém za rovinný. BPC-FY1 – laboratorní cvičení 4 e r t Elektrony jsou působením elektrického pole urychlovány a jejich dráha je působením magnetického pole zakřivována. Při dosažení určité hodnoty indukce B0 se začnou dráhy elektronů uzavírat a počet elektronů dopadajících na anodu začne klesat, což se projeví poklesem anodového proudu. S rostoucí indukcí B anodový proud z počátku mírně klesá, potom při dalším růstu indukce dojde k prudkému poklesu proudu. Sestupná větev grafu má inflexní bod, kterému odpovídá magnetická indukce velikosti B0 . Obr. 2. Při dosažení této indukce většina emitovaných elektronů z katody obíhá kolem katody po přibližně kruhových drahách. V důsledku Boltzmannova rozdělení energie ve spektru vyletujících elektronů z katody dopadne na anodu malá část elektronů, a proto anodový proud po dosažení B0 neklesne skokem na nulu. Dráhu elektronu v elektrickém a magnetickém poli popisuje pohybová rovnice  ma = ∑F =Fe + Fm , která po dosazení bude mít tvar 2    d r (t) m dt 2 = eE + ( × B) , (4) kde m je hmotnost elektronu, e je jeho náboj, ( ) je polohový vektor elektronu v čase t, v je vektor okamžité rychlosti, E je vektor intenzity elektrického pole a B je vektor magnetické indukce. Řešením pohybové rovnice (4) pro vzájemně kolmá pole za podmínky, že magnetické pole je konstantní a homogenní a elektrické pole je rovněž konstantní a má radiální průběh, je cykloida, která při dosažení magnetické indukce B0 přechází v kružnici o poloměru přibližně Ra . Při výpočtu kritické hodnoty magnetické indukce B0 budeme předpokládat, že při dosažení této hodnoty se většina elektronů pohybuje po kružnicích se středem na katodě a s poloměrem blízkým poloměru anody. Soustavu tvořenou elektronem, elektrickým a magnetickým polem můžeme v tomto případě považovat za izolovanou. Pro pohyb částice v uzavřené soustavě na kruhové dráze platí, že moment hybnosti je konstantní. Moment hybnosti b elektronu je v tomto uspořádání: BPC-FY1 – laboratorní cvičení 5 b = mr2 d φ + 1 er2B = konst. , (5) d t 2 kde d φ = ω d t je úhlová rychlost elektronu a r poloměr jeho dráhy. BPC-FY1 – laboratorní cvičení 6 d ( ) 2  Pro dvě velmi blízké kruhové dráhy o poloměrech rychlost vztah R 1 a R2 pak dostaneme pro úhlovou d φ = 1 e B . d t 2 m Elektron, který vyletěl z katody s velmi malou počáteční rychlostí, získal v elektrickém poli elektronky kinetickou energii určenou napětím Ua . Energetickou bilanci vyjadřuje rovnice 1 2 2 2  d φ  2 2 m(Ra − Rk )   = eUa , do níž dosadíme z předcházející rovnice za úhlovou rychlost, čímž dostáváme rovnici 1 2 2 2  1 eB 2 m(Ra − Rk )  0  = eUa . 2  2 m  Z této rovnice vypočteme vztah pro měrný náboj elektronu e 8U R 2 = A a m R 2 − R 2 B 2 (6) a k 0 Vztah byl odvozený za zjednodušujících předpokladů. Skutečné podmínky jsou však jiné. Nesplnění geometrických předpokladů vede ke změnám anodového proudu již před dosažením B0 a oddálení zlomu proudu (obr. 3). Nenulová počáteční rychlost elektronů i při ideální geometrii mění skokovou změnu proudu ve spojitý pokles. BPC-FY1 – laboratorní cvičení 7 Obr. 3: Graf závislosti anodového proudu na proudu cívkou (a tedy také na velikosti magnetické indukce uvnitř cívky) BPC-FY1 – laboratorní cvičení 8 POSTUP PŘI MĚŘENÍ, ZPRACOVÁNÍ A VYHODNOCENÍ 1. Úloha je zapojena podle obr. 4. Čárkovaně ohraničená část je součástí přípravku. 2. Nastavíme doporučené anodové napětí Ua . Nejdříve uděláme orientační měření, abychom přibližně zjistili proud I0 (viz obr. 3). Postupně zvyšujeme proud cívkou Ic a odečítáme anodový proud Ia . Měření provádíme již od malých velikostí Ic . V oblasti předběžně zjištěného proudu I0 , který odpovídá kritické hodnotě indukce B0 , měníme proud Ic po velmi malých přírůstcích a měření provádíme velmi pečlivě. 3. Opakujeme bod 2. pro další dvě anodová napětí. 4. Poznamenáme si vlastnosti prvků: N , L, Rk , Ra . 5. Sestrojíme graf závislosti anodového proudu na proudu cívkou a způsobem naznačeným na obr. 3 určíme proud cívkou I0 , odpovídající hodnotě B0 . 6. Z rovnice (4) vypočítáme měrný náboj elektronu. 7. Odhadneme chybu metody a chybu přístrojů. 8. Porovnáme výsledky s tabulkovou hodnotou. Obr. 4: Schéma zapojení úlohy POSOUZENÍ PŘESNOSTI MĚŘENÍ BPC-FY1 – laboratorní cvičení 9 Pokud se hodnoty měrného náboje elektronu z jednotlivých měření znatelně liší, neprůměrujeme je. V závěru protokolu se zmíníme, při kterých hodnotách anodového napětí dochází k menší odchylce od tabelované hodnoty. BPC-FY1 – laboratorní cvičení 10 Q v B = mv2 = mv2R ,  v Otázky k zamyšlení • Jaká síla vychyluje elektrony z radiálního směru? • Proč se nemění anodový proud skokem? • Náboj elektronu: q=1,6·10−19 C; hmotnost elektronu (klidová): m=9,1·10−31 kg. Vypočítejte měrný náboj elektronu a porovnejte s touto hodnotou výsledek vašeho měření. DODATEK Částice s nábojem Q pohybující se v homogenním magnetickém poli, tzn.  B = konst.  v ⊥ B , FB je kolmá na rovinu určenou rychlostí a indukcí FB +Q B −Q FB FB = FB = Qv × B Q v B s  in 9  0° = 1 Q vB Jaká je trajektorie částice? FB ⊥  , FB je tedy dostředivá síla  rovnoměrný pohyb po kružnici Z mechaniky víme, že pro dostředivou sílu platí Fd po dosazení Fd = FB = Q vB dostaneme . BPC-FY1 – laboratorní cvičení 11 Měřící metoda a snímek pracoviště - Elektrokardiograf z AD620 - NÁVOD K LABORATORNÍMU CVIČENÍ Garant předmětu: - Ing. Vratislav Harabiš, Ph.D. - Autoři textu Ing. Martin Králík Ing. Jiří Sekora, MBA Brno 15. 12. 2023 Předložený text je výstupem projektu NPO_VUT_MSMT-16609/2022 v rámci specifického cíle A2: Rozvoj v oblasti distanční výuky, online výuky a blended learning. Tento výstup byl realizován na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií. BPC-FY1 – laboratorní cvičení 3 od přerušování světelného paprsku snímače průchodem kyvadla. Snímač je tvořen dvěma fixovanými tubusy. V jednom je uložen zdroj záření, ve druhém detektor s elektronikou. Ovládací program Kmit verze 3.06 se spouští poklepáním na příslušnou ikonu na ploše. POSTUP PŘI MĚŘENÍ, ZPRACOVÁNÍ A VYHODNOCENÍ 1. Vyjměte ocelovou tyč (kyvadlo) ze závěsu, položte do dřevěného přípravku a kovovým měřítkem změřte 10krát vzdálenost r  mezi osami 12 O,O . Měření zpracujte obvyklým způsobem (Úvod do měření, kap. 00-6). 2. Nyní budete hledat takovou polohu závaží Z, při níž je vzdálenost mezi pevnými osami 1 O a 2 O právě redukovanou délkou použitého reverzního kyvadla. Pracovní obrazovka programu Kmit vám nabídne volbu nejméně tří a nejvíce pěti vzdáleností i a od konce kyvadla po dolní hranu závaží (obr. 1). Vzdálenosti i a měřte posuvným měřítkem. Spusťte měření doby kmitu 1 20 ( ) i Ta pro osu 1 O a 2 20 ( ) i Ta pro osu 2 O (obr. 2). Obr. 2 Polohy závaží i a volte rovnoměrně od konce tyče k břitu. Poblíž břitu však volte poslední vzdálenost tak, aby se závaží v horní poloze neopíralo při kmitání o závěs. Po naplnění příslušné tabulky daty stiskněte tlačítko Výpočet. Na obrazovce se objeví grafy závislosti dvacetinásobku doby kmitu kolem obou os na poloze závaží (získáte graf podobný tomu na obr.3, zde jsou však vyneseny hodnoty pouze jednoho kmitu). Grafy musí mít jeden průsečík a jejich průběh musí být monotónní. Případné chyby odstraňte novým měřením. 3. Průsečík obou závislostí určuje hledanou polohu a. Nyní umístěte na reverzním kyvadle závaží co nejpřesněji do zjištěné polohy. Vzdálenost obou os kyvadla by měla být nyní hledanou redukovanou délkou. 4. Pokračujte měřením doby kmitu 1()Ta kolem osy 1 O a 2 ()Ta kolem osy 2 O . Pro svoje měření i jeho zpracování použijte Obr. 3 postupnou metodu (Úvod do měření, kap. 00-2 Měřicí metody, str. 00-2/3). Je-li vaše měření správné, nebudou se obě doby kmitu téměř lišit. O1O2 O2O1 2,00 1,96 2,05 246 8 10 a 1 a 2 a a 3 T 1 T 2 Ta 11 () Ta 12 () Ta 23 () Ta 21 () Ta 22 () Ta 13 () TT 12 , s a cm BPC-FY1 – laboratorní cvičení 4 5. Ze vztahu (3) vypočítejte tíhová zrychlení 12 ,gg pro 12 ,TT . Určete chyby 12 ( ), ( )gg δδ . Porovnejte vypočítaná g s tabulkovou hodnotou. Bude-li se tabulková hodnota lišit od vypočítaných, pokuste se najít příčinu a zdůvodnit ji. DODATEK V testu připravenosti k úloze se objevují i příklady. Jsou to příklady typu: • Doba kmitu fyzického kyvadla je rovna 4π. Jak velká je jeho redukovaná délka? Postup: Vyjdeme z definice redukované délky: „Délka matematického kyvadla, které kývá se stejnou dobou kmitu jako dané fyzické kyvadlo, se nazývá redukovaná délka daného fyzického kyvadla.“ Ze vztahu (2) pro dobu kmitu matematického kyvadla vyjádříme délku  dosadíme za T. 2 22 22 2 16 24 4 (4 44 ) TTg g gg g ππ πππ π = ⇒= = = =  . • Je dáno fyzické kyvadlo o hmotnosti m = 0,6 kg, vzdálenosti bodu závěsu od těžiště  = 0,9 m a dobou kmitu T = 4 s. Tíhové zrychlení g = 9,81 m.s-2. Vypočtěte moment setrvačnosti. Postup: Ze vztahu (1) pro dobu kmitu fyzického kyvadla vyjádříme moment setrvačnosti J a dosadíme. 22 22 22 (4s) 2 0,6 kg 9,81ms 0,9 m 2,15 kg.m . 44 JT T J mg mg πππ − = ⇒= = ⋅ ⋅ =  Zadávány jsou různé varianty tohoto příkladu, kdy se počítají hodnoty ostatních proměnných ve vztahu (10,1). • V souboru Okruhy látky … je položena otázka: Změní se redukovaná délka r  určitého fyzického kyvadla, pokud se změní veličiny J, m nebo  , avšak doba kmitu zůstane stejná?. Redukovaná délka určitého fyzického kyvadla je definovaná jako délka takového matematického kyvadla, které kývá se stejnou dobou kmitu jako posuzované kyvadlo fyzické. Z této definice plyne, pokud se změní u fyzického kyvadla veličiny J, m nebo  , tak aby jeho doba kmitu zůstala nezměněna, nezmění se ani doba kmitu, kterou dosazujeme do vztahu pro matematické kyvadlo abychom získali redukovanou délku. Redukovaná délka se tedy nezmění. r r Pokud se při určité změně , a nemění doba kmitu, nezmění se ani redukovaná dé Fyzické Matematické r lka se ne ěí2zm2n Jm J mTg T g ππ == = ⇒             BPC-FY1 – laboratorní cvičení 5 Měřící metoda a snímek pracoviště