Studiul Conversiilor Energetice Si Realizarea Unui Stand de Laboratordocx

=== Studiul conversiilor energetice si realizarea unui stand de laborator ===

UNIVERSITATEA ,, LUCIAN BLAGA “ SIBIU

FACULTATEA DE INGINERIE

SPECIALIZAREA: ELECTRONICĂ APLICATĂ

PROIECT DE DIPLOMĂ

STUDIUL CONVERSIILOR ENERGETICE ȘI REALIZAREA UNUI STAND DE LABORATOR

Coordonator științific: Absolvent:

Prof. Dr. Ing. Török Francisc Vălu Adrian Florentin

2015

Capitolul I – Considerții teoretice

Conversii energetice.

Definirea cuvântului energie conform dicționarului este “ capacitate a unui sistem (fizic) de a efectua lucru mecanic în transformarea dintr-o stare în alta”, iar lucrul mecanic este o mărime fizică definită ca produsul dintre componenta forței care acționează asupra unui corp în direcția deplasării punctului ei de aplicație și mărimea drumului parcurs.

Cuvântul energie provine din latinescul „energia“ combinat cu grecescul „enerhia“, care aveau înțelesul de „activitate“.

În funcție de etapele de conversie și utilizare, energia este împărțită în:

Energie primară – adică energia brută, nemodificată, conținută de natură (forța apei, combustibilii fosili, forța vântului, energia geotermală). Omul poate capta, transformași folosi energia primară folosindu-se de instalații și dispositive special.

Energie secundară – definită ca formă de energie obținută prin conversia energiei primare și care poate fi folosită într-o gamă largă de aplicații (energie electrică, cărbunele sortat de calitate superioară, lemnul de foc etc.)

Energie finală – reprezintă energia obținută prin transformarea energiei secundare si folosirea ei la motor, cazan, calculator, bec etc.

Energia utilă – se obține prin conversia energiei finale și este energia efectiv înglobată într-un produs sau exclusiv utilizată pentru servicii..

Energia este prezentă în diferite forme în funcție de:

-sursa de proveniență cum ar fi energia apei, energia vântului, energia pământului, energia solară);

-modul de manifest (energie mecanică, energie luminoasă).

Energia mecanică – Un corp capabil să efectueze lucru mecanic are energie mecanică, fie că este vorba de factori mecanici precum viteza (energie cinetică) sau schimbarea poziției într-un câmp de forțe (energie potențială).

Energia termică – Ia naștere din mișcarea atomilor ce alcătuiesc corpurile și ce o transmit altuia avand la baza deosebirea dintre temperatura sistemului care cedează energie și temperatura sistemului care primește energie termică sub formă de căldură. Exemplu: energia aburului.

Energia chimică – Reprezinta lucrul forțelor electrice ca rezultat al rearanjării sarcinilor electronilor și protonilor în procesul de descompunere și formare de legături chimice noi. Dacă în timpul unei reacții chimice energia sistemului scade, atunci are loc procesul de transfer de energie catre sistemele înconjurătoare sub diferite forme, cum ar fi căldura. Dacă energia sistemului crește, înseamnă că sistemul înmagazinează energie de la sistemele înconjurătoare.

Energia radiantă – Energia expusa sub formă de radiații ce se propagă în spațiu, sub forma de lumină sau prin alte unde electromagnetice. Exemple: raze x, radiații ultraviolete, microunde sau undele radio).

Energia nucleară – Se naște din reacții de:

-fuziune – reprezintă unirea a două nuclee ușoare într-un nucleu mai greu, care v-a elibera o mare cantitate de energie;

-fisiune- divizarea nucleului atomic greu, în două nuclee mici sub acțiunea unor particule.

Energia electrică – este datorată mișcării ordonate a electronilor într-un mediu.

Conversii Energetice

Fig.1 Exemple de conversii energetice Din -> În

Converisa energiei luminoase în energie electrică are loc când lumina soarelui este absorbită de panourile fotovoltaice, energia solară este convertită în electricitate prin participarea particulelor subatomice și fluxul dirijat de electroni. Acest proces de conversie a energiei luminii în energie electrică se numește efect fotovoltaic.

Conversia energiei luminoase în energie electrică. Elemente fotovoltaice.

Istoria Panourilor fotovoltaice.

Primul pas în creearea panourilor fotovoltaice a fost facut de către francezul Alexandre Becquerel  în 1839 care a observant că există o diferență în producerea de energie electrică între o baterie expusă la soare și una neexpusă. Experimentul fiind un recipient cu soluție chimică acidă , în care a introdus doi electrozi de platină , unul situate pe fața luminatăa vasului și al doilea pe fața umbrită masurând diferenta de potential dintre acestia. Expunând această construcție la soare, a descoperit că producea curent electric. Așa a descoperit efectul fotoelectric pe care nu îl putea explica încă. Cu 54 de ani mai târziu v-a fi confecționată prima celulă solară care produce electricitate.

 Apoi în 1904 fizicianul Philipp Lenard a venit cu explicatia producerii energiei electrice din energia luminoasă. Din experimentul său a descoperit că lumina incidentă pe suprafețe metalice are efect de eliberare a electronilor din suprafața. Totuși el nu știa, care sunt toate metalele afectate de acest fenomen precum și de ce are loc această eliberare de electroni la expunerea metalelor la lumină. În 1905 explicația problemei a venit de la faimosul om de știință Albert Einstein care cu ajutorul teoriei cuantice va elucida misterul descoperind dualitatea luminii, adică lumina fiind în același timp, particulă și undă. Einstein constatatând că energia fiecărei particule/foton, depinde exclusiv de lungimea de undă și că lumina în unele situații este ca o particulă. El a descris lumina ca o ploaie de gloanțe ce lovesc suprafața materialului. Dacă aceste gloanțe au suficientă energie, electronul lovit de foton se va desprinde din structura metalului.

În anul 1949 descoperirea joncțiunii p-n de către cercetătorii William Shockley, Walther Brattain și John Bardeen a fost un pas mare în explicarea formării curentului electric ca urmare a expunerii la lumina a celulelor. Prima celulă solară a fost fabricată 5 ani mai târziu, în 1954,la laboratoarele firmei americane, Bell ,datorită unei întâmplări fericite. Angajații de sub conducerea lui Morton Price au observat în timpul unor cercetări că redresorul cu siliciu, producea mai mult curent când era expus la lumina solară.Firma Bell în urma descoperirii facute, au dezvoltat în anul 1953 primele celule pe bază de siliciu impurificate cu As (arsen), cu randamentul de 4 %, care a fost ridicat la 6 % doar prin schimbarea impurificării. În anul 1958 au fost testate pentru prima data celule solare în spațiu pe sateliul “Vanguard I” ce era dotat cu un panou solar ce continea 108 celule cu bază de siliciu. Rezultetele obținute au fost cu mult peste așteptările lor. În anul 2011 a fost lansată sondă “Juno” care a fost prima sondă spațială spre Jupiter folosind doar curent de la celule solare. În spațiu randamentele fiind chiar și de 10,5  %. Aceste rezultate fiind imposibile pe pământ, datorită condițiilor diferite( unde nu se regăsește alternanța zi-noapte) și lumina nu este filtrată prin nori și atmosferă, dar totodată radiațiile din spațiu, conduc la o îmbătrânire prematură a celulelor solare în comparație cu condițiile de pe pământ.De aceea industria și cercetareade atunci încercau obținerea unor randamente tot mai mari și prelungirea duratei de viață a panourilor. În ziua de azi sondele spațiale sunt alimentate cu curent produs de panouri solare.

În 1972, Mandelkorn și Lamneck după ce au implementat stratul black surfaces field (BSF) în cel impurificat “p” au realizat prelungirea duratei de viață a celulelor solare prin intermediul reflectării purtătorilor cu sarcină minoritară. După un an, cei doi au mai creat renumita celulă mov ce are un randament de 14 %. Doi ani mai tȃrziu , în anul 1975 a fost crescut randamentul la 16 % prin micșorarea reflexiei. Celule au fost numite Comsat Non Reflection și au fost create cu scopul dezvoltării deplasărilor în spațiu. Datorită crizei de la începutul anilor 70 ce a dus la creșterea prețurilor petrolului, a rezultat o creștere a prețului energiei electrice, precum și un impact pozitiv prin impulsionarea cercetărilor din domeniul celulelor solare. În anul 1980 prin organizarea diferitelor concursuri ce aveau la bază energia produsă de celulele fotovoltaice,s-a dezvoltat aceasta prin modele cum ar fi: automobile care să funcționeze pe baza energiei electrice, venita de la panourile solare. În anul 1981 a fost inventat primul avion care funcționa cu energie solară . În acest timp specialiștii de la Universitațile Stanford și Telefunken au crescut randamentul unei celule fotovoltaice la 20%, deși teoretic celule solare pe bază de siliciu ar trebui să aibă un randament de 29 % pentru condițiile de radiație pe spectrul de mijloc.

Celule solare cu bază de siliciu.

În funcție de starea cristalină avem următoarele tipuri de celule:

Monocristaline – Dintr-un cristal reies celulele din placile de siliciu. Cristalele rezultate sunt cam scumpe ȋnsă din ele rezultă materia de bază in industria semiconductorilor.

Policristaline – Celulele ce au la baza formațiuni din plăci ce au în componența lor cristale ce contin orientări diferite. Acestea sunt produse prin procesul de turnare.Aceste celule au cea mai mare răspândite în producerea echipamentelor deoarece ele sunt mai ieftine.

Amorfe – Sunt construite dintr-un strat subțire de siliciu fără cristalizare și din această cauză mai au denumirea de celule cu strat subțire. Se pot realiza prin procesul de condensare a vaporilor de siliciu, de aceea acestea sunt foarte ieftine, ȋnsă au și un randament mai scăzut în domeniul luminii solare de mijloc , totuși prezinta si avantaje la lumină slabă. De aceea se utilizează la calculatoarele de buzunar și ceasuri de mână.

Microcristaline – Celule ce prezinta un strat subțire precum și o structură microcristalină. Acestea au un randament mai ridicat decât celulele amorfe și prezinta un strat mai subțire decât celulele policristaline.

Tandem – Celule ce sunt o ȋmbinare de celule solare policristaline și amorfe ce sunt dispuse în straturi de celule suprapuse. Straturile sunt din elemente diferite și astfel sunt folosite pe domenii ale luminii diferite. Prin utilizarea unui domeniu divers al radiației luminii solare, aceste celule prezintă un randament mult mai ridicat decât celulele simple. Sunt utilizate parțial ȋn fabricarea panourilor solare ȋnsa au și un preț relativ scump. O ieftinire considerabilă va fi atunci când se vor putea utiliza în combinație cu sisteme de lentile.

Evoluția globală a pacurilor de panouri fotovoltaice (GWp)

Fig.2 Evoluția globală a parcurilor de panouri fotovoltaice 2000-2012 (sursa Wikipedia)

Tehnologiile actuale de conversie

Celule cu concentrator – Acest tip de celulă are o economie de suprafață de material semiconductor prin faptul că lumina este concentrată într-o suprafață mai mică prin folosirea lentilelor, acestea aducând doua beneficii mari, reducerea spatiului ocupat de panou și recucerea costurilor de achiziție deoarece prețul lentilelor este unul mai scăzut decât cel al celulelor fotovoltaice. În mare parte la acest tip de celule utilizează elemente din grupa III-V ale tabelului lui Menedelv pentru producere, de multe ori aplicate în două sau trei straturi. Din cauza folosirii lentilelor, panourile de acest tip trebuie orientate tot timpul perpendicular pe direcția razelor de lumină.

Celule electrochimice pe bază de pigmenți – Numite și celulele Grätzel. Curentul se produce prin absorbirea luminii cu ajutorul unui pigment, utilizându-se ca semiconductor oxidul de titan.Pigmenții utilizați de obicei la aceste celule solare sunt legături complexe ale metalului ruthenium, dar pentru demonstrații se pot utiliza și pigmenți organici, ca exemplu, clorofila sau anthocian care se extrage din mure, dar care au o longevitate foarte redusă. Încă nu este foarte bine clarificat modul de conversie al acestor tipuri de celule cât și tehnologia de producție de serie nu este încă pusă la punct, de aceea o utilizare comercială va fi posibila cel mai probabil în viitorul apropiat.

Celule solare din compuși organici – Aceste celule solare au ca principiu de conversie legături din hidrogen și carbon cu proprietăți semiconductoare.Au un spectru destul de restrâns de lungimi de undă, lumina excitând golurile sau electroni din legăturile de valență.De aceea de cele mai multe ori se folosesc două materiale semiconductoare care să aibă nivelele de energie puțin diferite pentru a prevenii dispariția acestor purtători. Randamentul celulelor din compuși organici pe suprafața de 1cm² este de maxim 5 % (situația în ianuarie 2007 conform wikipedia).

Celule solare bazate pe fluorescență – Celule solarecu efect de fluorescență, prima dată produc lumină de lungime de undă mare prin fenomenul de fluorescență și apoi o să transforme această lumină în electricitate la marginile plăcii.

Conversia energiei electrice în energie luminoasă.LED-uri.

1.3.1 Istoria LED-ului.

LED-ul este o sursă de lumină în curent continuu cu mare eficiență, care se bazează pe o simplă lipire a două componete semiconductoare(P încărcat cu sarcini pozitive și N încărcat cu sarcini negative) de un start activ (acesta prin lovirea sarcinilor pozitive de cele negative, emit lumină într-o anumită culoare).

Electroluminescența a fost descoperită în 1907 într-un experiment, de catre britanicul Henry Joseph Round de la Laboratoarele Marconi, care a folosit un cristal de carbură de siliciu (SiC) și un dectector de cristal numit “cat's-whisker detector”.Inventatorul sovietic Oleg Losev a fost cel care a raportat creearea primului LED în 1927. Cercetarile sale au fost publicate în revistele de știință din Uniunea Sovietică, Germania și Anglia.

Primul LED de serie a fost lansat în octombrie 1962 pe nume „SNX-100” care era facut dintr-un cristal pur de GaAs (Galium și Arsen)care emitea un flux luminos de 900 nm (infraroșu).

Fig.3 Structura de ansamblu a primei diode eițătoare de lumină

Nick Holonyak Jr. a creeat primul LED cu lumină vizibilă și anume lumină roșie, în 1962 la compania General Electric.Apoi Led-ul a avut o dezvoltare continuă astfel, că la sfârșitul anului 1972 un student la Holonyak a dezvoltat primul LED de culoare galbenă și portocalie, iar în anul 1976 T. P. Pearsall a inventat primul LED cu putere și eficiență mare pentru telecomunicații prin fibră optică.

Led-urile au avut o problema la inceput deoarece nu aveau o putere de emitere a luminii foarte mare, așa că au fost utilizate doar pentru afișare, dar în timp puterea luminii emise de aceste diode a crescut până în anul 2000 conform graficului (sursa graficului”wikipedia” Fig.4 ):

Fig.4 Graficul evoluției fluxului luminos al LED-urilor din 1962 până în 2000

Modul de funcționare al led-ului este lovirea electonilor din stratul P cu cei din stratul N emițând lumină ca în figura de mai jos (Fig.5):

Fig.5 Modul de funcționare al ledurilor și diagrama statică

Tabelul culorilor colerat cu tipul stratului activ, lungime de undă și voltajul avem:

(*) Ga – Galium; As – Arsen; P – Fosfor; N – Azot(Nitrogen); Al – Aluminiu;

Si – Siliciu ; C – Carbon ; In –

Fig.6 Tabelul relațiilor dintre tipul materialului, lungimea de undă, culoare și tensiune

Tehnologii de actualitate

Tehnologia ce-a mai des întâlnită în ziua de astăzi in materie de led-uri este pentru iluminat cu lumină alba rece, aceste dispozitive sunt de fapt la bază, led-ui de culoare albastră peste care se pune unstrat de fosfor galben emițând aceea culoare alba rece ca în Figura 7 de mai jos:

Fig.7 Structură LED alb

Cel mai puternic LED existent la ora actuală este produs de Farnell (Fig. 8) cu numele 703-0148 având stratul active din InGaN, lumina alba pură cu o putere de 140 lm/W, se alimenteaza la o tensiune de 5V, cu un curent de până la 350mA.Puterea nominal dată de dezvoltator este de 1W.

Fig.8 Led-ul 703-0148 producător Farnell

Ultima inventive în acest domeniu este Organic Light-Emitting Diode prescurtată și OLED, această componentă electronică arată ca o folie foarte subțire luminoasă și este făcută din materiale organice semiconductoare. Comparând LED-ul normal cu tehnologia OLEDcea din urmă este mult mai ieftină, neutilizându-se un monocristal scump, dar comparându-le după luminozitate eficiență și durată de viață acestea sunt mai scăzute la ora actuală.

În ceea ce privește luminozitatea OLED-urilor, în ultima vreme s-au făcut mari progrese, fiind acum posibil să se renunțe la iluminarea suplimentară a fundalului cunoscută și sub numele de backlight.

O tehnologie bazată pe Organic LED este tehnologia Active-Matrix OLED, cu precurtarea AMOLED. Termenul "Active-Matrix" se referă la modalitatea de activare și dezactivare a fiecărui pixel al ecranului .OLED-urile sunt întâlnite cel mai des la fabricarea ecranelor pentru televizoarele de actualitate, dar și la ecranele mobile, cum ar fi monitoarele laptop-urilor, display-urile de la telefoanele mobile și la iluminatul de suprafață.Cel mai mare avantaj il constitue consumul redus de energie, care duce la prelungirea duratei de descărcare a bateriilor, sau mărirea randamentului aparatelor cu OLED.

Deoarece materialele de fabricare a OLED-urilor sunt flexibile, există un mare potential pe viitor pentru realizarea unor aplicații, ca de exemplu:, iluminarea locuințelor cu o folie mare aplicată pe perete, subțire și transparentă (deci aproape invizibilă) sau de ce nu chiar un tapet care își poate schimba la nevoie modelul și/sau culoarea, ba chiar sa putem viziona un film pe perete fară tehnologie scumpă cum ar fi folosirea unui proiector.

Fig.9 Structura OLED-ului și exemplu

Conversii parametrice a energiei electrice.Variatorul de tensiune continua.

Variatorul de tensiune continuă este un convertor static ce transformă tensiunea continuă de valoare constantă, într-un tren de impulsuri dreptunghiulare de aceeași amplitudine, dar a căror durată sau/și frecvență pot fi modificate prin comandă, realizându-se astfel o modificare a valorii medii a tensiunii aplicate sarcinii. Principial, un variator de tensiune continuă (Fig.1a) este un întreruptor ce lucrează la frecvențe ridicate (300÷2000 Hz).

Valoarea medie la iesirea a tensiunii unui chopper poate varia intre 0 si tensiunea de alimentare, folosind unul dintre principiile urmatoare :

– modificarea frecventei;

– modularea in durata a unor impulsuri (PWM).

Clasificarea variatoarelor

Pentru mărirea sau micșorarea tensiunii numai ȋntr-o mică proporție, se pot utiliza urmatoarele variatoare ce nu dețin izolare galvanică:

– variator coborâtor ;

– variator ridicător ;

– variator mixt;

Fig.10a) Schema de principiu a VTC; b)Variația tensiunii la bornele sarcinii și a curentului de sarcină, în regim de curent neîntrerupt

Contactorul static CTS se închide și se deschide cu frecvența f realizând alimentarea sarcinii cu impulsuri dreptunghiulare de tensiune. În intervalul de timp t1 cât CTS este închis, la bornele diodei D1 se aplică tensiunea sursei U0 (Fig.1b) astfel că, prin sarcina, presupusă RL, curentul crește exponențial. În intervalul t2 CTS se deschide astfel că sarcina nu mai este alimentată. Datorită bobinei cu inductivitate de valoare importantă Lf și caracterului inductiv al sarcinii, la deschiderea contactorului ia naștere o tensiune electromotoare de autoinducție care permite existența în continuare a curentului care descrește exponențial și care se închide prin dioda Dn, numită dioda de nul. După un număr suficient de mare de cicluri, presupunând sarcina constantă, curentul se va modifica între două limite.

Variator de tensiune continuă ridicător :

Schema de principiu a unui variator de tensiune continuă ridicător:

Fig.11 Schema de principu a VTC Boost

În intervalele de timp în care întreruptorul este închis, în bobină se înmagazinează energie de la baterie. La deschiderea întreruptorului, tensiunea de autoinducție a bobinei, împreună cu sursa, determină apariția unei supratensiuni, ce este transferată condensatorului și sarcinii. Dioda, numită diodă de separare, împiedică descarcarea condensatorului pe intervalele de timp în care întreruptorul este închis. Condensatorul filtrează tensiunea continuă la ieșire, reducându-i pulsațiile.

Randamentul unor astfel de convertoare este de aproximativ 70%, înă cele mai performante pot atinge chiar și 85-90%.

Variator de tensiune continuă coborâtor

Schema de principiu a unui variator de tensiune continuă coborâtor:

Fig.12 Schema de principiu a VTC Buck

Pe intervalele de timp în care întreruptorul este închis, bateria debitează curent sarcinii, ce parcurge bobina. Cand întreruptorul este dechis, energia înmagazinată în bobină, asigură menținerea nenulă a curentului, ce se va închide pe aceste intervale, prin dioda de nul ce are un randament al acestor convertoare de 80-90%.

Tensiunea masurata la ieșire este mai mică decât cea a bateriei, avȃnd utilizare pentru alimentarea sarcinilor cu tensiune mai mica decat cea a bateriei (de exmplu : aparatele radio).

Variator de tensiune continuă coborâtor-ridicător

Convertorul buck-boost este derivat după cum se poate observa încă din denumirea sa, din convertorul cc-cc buck și convertorul cc-cc boost. Acesta eliberează energia stocată în bobină pe perioada când comutatorul este blocat și de asemenea livrează energia de la intrare. Convertorul cc-cc buck-boost se mai numește și convertor flyback neizolat.

Schema de principiu a unui VTC coborâtor-ridicător:

Fig.13 Schema de principiu a VTC Buck-Boost

Pentru analiza acestui convertor în cazul ideal se fac urmatoarele ipoteze: regimul de functionare este regimul de conducție continuă a curentului iL prin bobină, forma de undă a curentului iL este liniară, contactoarele statice de c.c. sunt comutatoare ideale, condensatorul de filtrare al tensiunii de ieșire (Vout) este  astfel încât Vout să poată fi considerată constantă.

Se scriu ecuațiile Kirchhoff pe fiecare interval de timp, ton și toff, corespunzatoare celor două stari ale contactorului static, de saturație și de blocare (perioada de comutație a tranzistorului Q este T= ton+toff).

        : Q saturat și D blocată (fiind polarizată invers) :

        : Q blocat și D conduce (fiind polarizată direct ca urmare a tensiunii de autoinducție aparută pe bobina L la scaderea curentului prin aceasta) :

Se elimină termenul comun din aceste relații și rezultă :

Se obține în continuare raportul de transformare al acestui tip de variator :

In functie de valoarea raportului de conducție D există trei cazuri :

        atunci ;

        atunci ;

        atunci .

Comanda și controlul conversiilor energetice.

Istoria microcontroller-ului

Microcontroller-ul este un calculator mic sub ansammblul unui circuit integrat care conține un procesor, o memorie și periferice. Memoria programabilă este sub formă de feroelectrice, NOR Flash, RAM sau ROM. Ele sunt proiectate de obicei pentru aplicații embedded, spre deosebire de microprocesoarele folosite în calculatoarele personale sau alte aplicații.Microcontroller-ul este abreviat adesea (µC, uC sau MCU).

Primul microprocesor a fost creat de Intel în 1971 și s-a numit 4004 fiind un microprocesor pe 4 biți o data cu apariția Intel 8008 și alte microprocesoare urmau sa fie disponibile. Cu toate că era nevoie de alte cipuri externe pentru a implementa un sistem de lucru, și acest fapt ridica costurile totale ale sistemului făcându-l imposibil de implementat în aparatele de zi cu zi.

Primi ingineri care au reușit să creeze primul microcontroler au fost Gary Boone și Michael Cochran în anul 1971 pe nume TMS 1000, care a devenit un produs de serie pentru publicul larg abia 3 ani mai târziu.Pentru realizarea acestui microcontroler au înglobat într-un singur cip, o memorie ROM (read only memory), o memorie RAM (read/write memory), un procesor și un oscilator, toate acestea pentru tehnologia sitemelor embeded.

Pentru ca era singurul cip de acest gen (uC), cei de la Intel au creat și ei propriul uC optimizat pentru aplicații de control, pe nume Intel 8048.Prima productie de serie a fost în anul 1977 și a fost folosit la controlul a peste un miliar de tastaturi și alte aplicații.Președintele Intel de la acea vreme a declarat ca microcontroler-ul a fost un proiect din cele mai de succes din istoria companiei și a marit bugetul diviziei pentru dezvoltarea lui la peste 25%.

În 1993, introducerea memorie EEPROM de catre cei de la Microchip pe microcontroler-ul PIC16x84, a permis utilizatorilor ștergera electrică rapidă a acestei memori, fară costuri suplimetare pentru tehnologii de ștergere, cum era pentru memoria EPROM.

Un tip al memoriei EEPROM și anume memoria Flash, a fost dezvoltată și utilizată pentu prima data de Atmel. Această tehnologie a adus reducerea costurilor de producție, implicit reducerea costului final al uC-ului facându-l acesibil pentru orice amator de electronică.

Fig.14 Schema bloc simplificată a unui microcontroler

La structura standard de maisus de pot adăuga urmatoarele periferice:

Porturi seriale de comunicație (I2C, RS232, SPI, și alte configurați de tip master/slave);

Temporizatoare/numărătoare;

Canale seriale sincrone, pentru extinderea numarului de porturi I/O cu ajutorul unor regiștrii de deplasare;

Convertoare analog numerice;

Modulare de puls (PWM);

Bucle PLL;

Controale pentru display cu LCD sau LED; etc.

Structura tipică a unui canal (bit) dint-un port bidirecțional de tip Intrare/Ieșire (I/O) este prezentată în figura urmatoare(Fig. 15). Un registru pentru reținerea de date care vor fi mai apoi înscrise de catre procesor în port numit DR și alt registru care validează transferul spre sau dinspre exterior (pinul uC-ului)numit (DDR) .Pentur a citi informația aflată pe un pin de Intrare/Ieșire se va trimite un 0 pe magistrala de date la registrul DDR. Driverul TSL este invalidat și va citi din exterior prin buffer.Pentru scrie la iesirea pinului 0 sau 1 registrului DDR i se transmite pe magistrala de date 1 și bitul din DR va fitransferat la ieșire, iar dacă semanul READ este încă activ, se va citi în continuare starea pinului.

Fig.15 Structura portului Intrare/Ieșire

1.5.2 Actualități ale microcontroller-lelor

La microcontroler-ele performante, se practică mai nou divizarea unității centrale într-o unitate de execuție (EXU) și o unitate care utilizează o comandă de așteptare/pregătire cu mai multe nivele (prefetch queue) denumită unitate de control a magistralei (BCU). Technica pipe-line, operarea pe 16 biți la nivelul unității logice și transferurile directe cu regiștrii interni sunt permise pentru performațe ridicate de procesare.

Unele arhitecturi complexe de dispozitive logice prescurtate și PLD includ nuclee de tip microcontroller.Configurarea în funcție de aplicație a acetor dispozitive si a celorlalte circuite duce la o structură compactă și extrem de rapidă.

Un exemplu de microcontroller dedicat pentru comanda sistemelor de acționat electrice este produs de Intel și are denumirea 80 C 196 KC. Este un microcontroller pe 16 biți, cu o diveristate mare de periferice integrate.Procesorul are o unitate aritmetică și logica cu registre.Controlul celor mai multe porturi se face prin intermediul SFR.Interfețe rapide I/O, modul dedicat PWM și chiar un bloc generator tirfazat.De aceea acest microcontroler este excelent în comanda sistemelor de acționare electrică cu converoare.Sincronizarea cu rețeaua de curent alternativ pentru comanda rederesoarelor se face prin intermediul liniilor rapide HSI, iar impulsurile sunt trimise prin liniile rapide de ieșire HSO.Programarea ieșirilor PWM se face ușor prin registre dedicate.

Modulația impulsurilor ȋn durată

Modulația impulsurilor în durată (MID) este utilizată in special în electronica de putere, reprezentand unul din procedeele fundamentale ȋn realizarea unor circuite cu mare răspândite în electronica industrială. Aceasta este numită frecvent „modulație PWM”, după abrevierea denumirii din limba engleză, “Pulse Width Modulation”.

Durata acestor impulsuri depinde liniar de semnalul modulator:

,

unde p reprezintă durata impulsurilor semnalului purtător, obținută atunci când x(t)=0.

Fig.16 Modulația impulsurilor în durată

Pentru obținerea unei plaje de variație liniară cât mai mare a duratei (t), se folosește :

,

unde termenul kx(t) trebuie să ducă la variații (t) limitate între –T/2 și T/2. Considerând –1<x(t)<1, relația devine:

,

sau, avȃnd ȋn vedere:

Semnalul purtător xp(t) reprezinta un tren de impulsuri ȋn forma celor din fig. 2.15, având însă amplitudinea unitară și durata p. Modelul semnalului, sub forma SFC, este:

; ,

sau:

Seria Fourier armonică este:

Avȃnd ȋn vedere ca: , expresia semnalului purtător este :

Modelul semnalului MID se afla înlocuind în (4.111) durata constantă p cu durata dependentă de cea a semnalului modulator, (t), conform relației (4.107):

Dacă reiese că semnalul modulator, x(t), este sinusoidal de pulsație 0 (vezi fig. 4.46), atunci putem argumenta ca funcția sinus din (4.112) intervine termenul sin(0t). Prin dezvoltarea expresiei ce conține o funcție sinus având în demonstrație o altă funcție sinus se permite obținerea spectrului semnalului MID prin intermediul funcțiilor Bessel de speța I.