SOEL.ru CTA.ru – –
Реклама
ЖУРНАЛ Здравствуйте, уважаемые друзья! Журнал «Современная электроника» Издаётся с 2004 года В этом году «Современная электроника» продолжит знакомить вас с новинками и событиями мира современной электроники. Разумеется, Главный редактор Ю. В. Широков происходящие или ожидаемые на нашей родине события наиболее при- Заместитель главного редактора А. В. Малыгин оритетны для нас. Редакционная коллегия А. Е. Балакирев, В. К. Жданкин, С. А. Сорокин, Д. А. Кабачник, Р. Х. Хакимов По данным главы Минцифры Максута Шадаева, озвученным на заседа- Вёрстка А. М. Бабийчук нии в Госдуме, около 100 тысяч российских IT-специалистов в 2022 году Обложка Д. В. Юсим покинули страну. Главным побудительным мотивом отъезда за рубеж Распространение А. Б. Хамидова ([email protected]) для большинства из них стала угроза мобилизации. Не слишком помог- Реклама И. Е. Савина ([email protected]) ли тогда даже спешно принятые оговорки, касающиеся брони от при- зыва. Но первый шок прошёл, и многие из импульсивно принявших Учредитель и издатель ООО «СТА-ПРЕСС» решение возвращаются обратно. По данным «Руссофт», в Россию верну- Генеральный директор К. В. Седов лось около 30% уехавших айтишников. Другие эксперты более пессими- Адрес учредителя и издателя: стичны в оценках обратного потока специалистов. К тому же надо при- 117279, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 108, знать, что в подавляющем числе случаев причиной возврата является пом/ком/эт I/67/тех вовсе не появление «уверенности в завтрашнем дне» (напротив, многие Почтовый адрес: 117437, г. Москва, опасаются второй волны мобилизации), а лишь невозможность в силу Профсоюзная ул., 108 экономических, законодательных, социальных причин закрепиться на Тел.: (495) 232-00-87 новом месте жительства. Анализируя ситуацию, государство начинает [email protected] • www.soel.ru осознавать, что одним «кнутом» в виде санкций в отношении уехавших положение в отрасли не поправишь, а вот усугубить можно легко. Мин- Производственно-практический журнал цифры выступило с инициативой пакета мер для помощи покинувшим Выходит 9 раз в год. Тираж 10 000 экз. Россию высококвалифицированным кадрам в рамках процесса возвра- Цена свободная щения в страну. В частности, обсуждается гарантированная бронь от призыва в армию и оплата обратной дороги в Россию. Достаточно ли Журнал зарегистрирован в Федеральной службе по над- этого? Скорее всего, нет. А какие, по вашему мнению, условия требуются зору за соблюдением законодательства в сфере массовых для безбоязненного возврата специалистов? коммуникаций и охране культурного наследия (свидетельство ПИ № ФС77-18792 от 28 октября 2004 г.) Заходите на наш сайт, подписывайтесь на YouTube-канал «Современной электроники», делитесь ссылками на понравившиеся ролики со своими Отпечатано: ООО «МЕДИАКОЛОР». друзьями и коллегами. Адрес: Москва, Сигнальный проезд, 19, бизнес-центр Вэлдан. Всего вам доброго! Тел./факс: (499) 903-69-52 Юрий Широков, главный редактор Перепечатка материалов допускается только с письменного разрешения редакции. 2 WWW.SOEL.RU Ответственность за содержание рекламы несут рекламо- датели. Ответственность за содержание статей несут авторы. Материалы, переданные редакции, не рецензируются и не возвращаются. Мнение редакции не обязательно совпадает с мнением авторов. Все упомянутые в публикациях журнала наименования продукции и товарные знаки являются собственностью соответствующих владельцев. © СТА-ПРЕСС, 2023 ЧИТАЙТЕ ЖУРНАЛ в ЭЛЕКТРОННОЙ ВЕРСИИ на сайте soel.ru после простой регистрации и в ПЕЧАТНОЙ ВЕРСИИ по подписке СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
СОДЕРЖАНИЕ 2/2023 РЕКЛАМОДАТЕЛИ РЫНОК Delta Design · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4-я стр. обл. 4 Новости российского рынка RAYSTAR · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·17 АДВАНТЕХ · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·23 СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДС-Роботикс· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5 КОМПЭЛ · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4 6 Квантовая криптографическая катастрофа. Часть 2 МОРИОН · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4 Новэл · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5 Виктор Алексеев 14 Перспективы и преимущества совмещения электромобиля и сегвея: история одного изобретения Антти Суомалайнен 18 Обзор инновационных разработок электронных модулей в области робототехники Андрей Кашкаров Центр профессиональной обуви · · · · · · · · · · · 5 ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Читайте в «CTA» № 1/2023: 24 Электронные датчики потока, протока и реле для производственных линий, магистралей ПЕРЕХОДИ НА СТОРОНУ С++ и бытовых услуг. Обзор НОВЫЙ ДРУГ ЛУЧШЕ СТАРЫХ ДВУХ: Куда в АСУТП без Китая? Андрей Ласорла ОБЛАКО В ШТАНАХ: ИИ в промышленной автоматизации 32 Щелевые оптические датчики положения ВИДОИЗМЕНЁННЫЙ УГЛЕРОД: для современной электронной техники. Обзор секрет долголетия карбоновых АКБ Антти Суомалайнен ISSN 0206 975X ® 39 Тензодатчики и тензорезисторы для вендинговых аппаратов и современной РЭА WWW.CTA.RU Андрей Ласорла 48 Универсализация микросхем логики через повышение степени интеграции Карина Абагян, Андрей Денисов НОВЫЙ ДРУГ ЛУЧШЕ ОБЛАКО В ШТАНАХ: ВИДОИЗМЕНЁННЫЙ ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ СТАРЫХ ДВУХ: УГЛЕРОД: ИИ в промышленной 52 Разработка портативного устройства и комплекса куда в АСУ ТП без Китая? автоматизации секрет долголетия программ для тестирования и настройки карбоновых АКБ многофункциональных аварийных вычислителей- регистраторов Электронная версия этого журнала Андрей Васенев 54 Причины температурного перегрева электронных компонентов и пути инженерных решений Антти Эс Оформляйте подписку на журнал «СТА» ВОПРОСЫ ТЕОРИИ и читайте печатную версию или электронную версию на www.cta.ru 60 Синхронная запись АЧХ поля атмосфериков на разнесённых по широте авроральных обсерваториях (экспериментальные данные) Алексей Галахов, Алексей Галкин СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 3
РЫНОК На правах рекламы Новости российского рынка ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Прецизионные Характеристика ГК360 ГК209 ГК211 ГК200 ГК208 ГК197 ГК291 ГК199 кварцевые генераторы (ГК200М) для телекоммуникационного оборудования от АО «Морион» Частота, МГц 10 5…10 5…10 5…20 9,8…13 7,68…25 АО «Морион» (Санкт-Петербург), ведущее Диапазон температур, –40…+85 –60…+70 –40…+85 –60…+85 –40…+85 предприятие России и один из мировых лиде- °C ров в области разработки и серийного произ- водства пьезоэлектрических приборов стабили- Стабильность в интервале 0,1 0,5 1 2 20 5 1 20 зации и селекции частоты, представляет полную температур, ±10–10 1…2 3 1…2 линейку прецизионных кварцевых генераторов для телекоммуникационного оборудования. Старение, ±10–8 1 11 Для работы современных телекомму- Напряжение питания, В 5; 12 12 5; 12 никационных систем требуется определе- ние точного времени, которое, чаще всего, TIE < 1 мкс / 24 ч < 5 мкс < 5 мкс / < 7 мкс / < 7 мкс / < 7 мкс < 7 мкс < 7 мкс обеспечивается высокостабильными атом- < 0,4 мкс / / 24 ч 24 ч 24 ч 8ч /8ч ными стандартами частоты. Наиболее ши- /8ч /4ч роко используются сигналы от таких стан- 24 ч* дартов, установленных на спутниках GPS и ГЛОНАСС или по сети. Оба этих источни- Габариты, мм 51×51 36×27 62×62 51×51 36×27 36×27 25,4×25,4 20×20 ка сигнала обладают значительным джит- Высота, мм 19,0 19,0 40 12,7 (10) 16 12,7 (10) 12,7 12,7 * Достигается при использовании компенсации старения. тером, поэтому им необходимо усреднение которые с успехом могут применяться в в течение длительного времени. Для этой телекоммуникационном оборудовании. цели подходят кварцевые генераторы, кото- рые отличаются высокой кратковременной Основной мерой качества генератора стабильностью на малых временах усредне- при использовании в телекоммуникацион- ния. Также в процессе работы телекоммуни- ном оборудовании становится временна́я кационной системы могут возникать ситуа- ошибка TIE, представляющая собой инте- ции, когда получение сигнала от хранителя гральную оценку изменения частоты за шкалы времени невозможно. Поэтому для выбранный период времени. функционирования прибора необходим вы- сокостабильный внутренний хранитель точ- Линейка генераторов АО «Морион» для ного времени, который замещает опорный телекоммуникационного оборудования внешний сигнал в моменты его отсутствия. приведена в таблице. АО «Морион» выпускает целую линей- Дополнительная информация об этих и ку прецизионных кварцевых генераторов, других новых приборах доступна на сайте АО «Морион» или по телефону +7 (812) 775-95-65. www.morion.com.ru HRP/N3 от MEAN WELL – ИП Основные технические характеристики: с 350% перегрузкой для промышленных приложений Серия Номинальная Пиковая Выходное ККМ Температурный Габаритные Гарантийный выходная выходная напряжение, В диапазон размеры, срок Для промышленных устройств и установок, мощность, Вт (Д×Ш×В), мм где используется электропривод на двигате- мощность, Вт –40…+70°C 5 лет лях постоянного тока или какие-либо испол- 159×97×38 нительные механизмы, в момент пуска тре- HRP-150N3 150 525 буется обеспечить повышенный ток. Для ре- 199×105×41 шения этой задачи обычно выбирается ис- HRP-300N3 300 1050 12/24/36/48 > 0,94 точник питания с повышенной избыточной 218×105×61,5 мощностью, более дорогой и занимающий HRP-600N3 600 2100 больше места, чем стандартный ИП для дан- ных рабочих параметров. Оптимальное ре- зоном –40…+70ºC, устойчивы ко входному Применение: шение можно реализовать другим спосо- напряжению до 300 В (AC), содержат каскад ● промышленные устройства и установки; бом: выбрать источник питания с необхо- коррекции мощности (ККМ; PFC) и имеют га- ● промышленная автоматизация; димой перегрузочной способностью. Такую рантийный срок эксплуатации 5 лет. Продук- ● беговые дорожки; возможность обеспечивает новое семей- ция выпускается номинальной мощностью ● электромеханические устройства; ство HRP/N3 от MEAN WELL с перегрузочной 150/300/600 Вт с выходными напряжения- ● испытательное оборудование. способностью до 3,5 крат длительностью до ми стандартного ряда. Данные ИП отлично 5 секунд. Это семейство расширяет уже су- подходят для приложений с высоким пуско- Расшифровка наименования: ществующее HRP/N увеличением кратно- вым током и позволяют избавиться от из- сти перегрузки. Все перечисленные ИП от- быточности по мощности, а также получить HRP - 600 N3 - 24 личаются широким температурным диапа- экономический выигрыш. Выходное напряжение (12/24/36/48 В) Перегрузочная способность 3,5 раза Особенности: Выходная мощность (ном.) (150/300/600 Вт) ● перегрузочная способность до 350%; Наименование серии ● наличие коррекции мощности (λ > 0,94); ● широкий температурный диапазон –40…+70ºC; www.compel.ru ● гарантия 5 лет. [email protected] +7 (495) 995-09-01 4 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
РЫНОК На правах рекламы ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Искусство спектрального ра, нелинейных параметров четырёхпо- анализатор в составе автоматизированных анализа – СК4-МАХ6 люсников (в стадии разработки); измерительных комплексов посредством под- ● встроенный диплексер для обеспечения ключения к беспроводным, кабельным или АО «Производственная компания возможности работы с внешними сме- оптическим сетям Ethernet. Система и синтак- «Новэл» представляет серийно выпуска- сителями (опция DPLX); сис команд совместимы с решениями веду- емый анализатор сигналов и спектра ре- ● выходы ПЧ2/ПЧ3 180/50 МГц (опции щих мировых производителей, реализована ального времени высшего измеритель- IF2RP/IF3RP); также возможность эмуляции перечня команд ного класса СК4-МАХ6. Прибор внесён в ● OBW, CP, ACP автоматизированные из- конкретных приборов. Предусмотрена воз- Госреестр средств измерений под номе- мерения; можность монтажа анализатора в 19-дюймо- ром 85014-22. ● опция аналоговой демодуляции (АМ/ЧМ/ФМ); вую стойку (типоразмер прибора 6U). ● опция векторной цифровой демодуля- Анализаторы СК4-МАХ6 по совокупности ции (в стадии разработки); Анализатор является превосходным решени- метрологических и технических характери- ● запись отсчётов АЦП на извлекаемый SSD; ем для разработчиков и производителей совре- стик сопоставимы с лучшими образцами ● запись данных во внешнюю систему менных и перспективных средств радиосвязи, иностранного производства и имеют сход- хранения данных. радиолокации, радионавигации, для отладки ный с ними интуитивно понятный сенсор- В базовом исполнении, а также с приме- и измерения характеристик блоков модулей. ный интерфейс. нением специализированных программ- ных опций, анализатор позволяет прово- www.novel-pk.ru Ключевые характеристики: дить настройку и регулировку задающих +7 (495) 120-30-42 ● широкий диапазон частот от 1 Гц до генераторов, формирователей радиосиг- налов, усилителей, смесителей, конверте- 26,5/40 ГГц; ров, пассивных устройств. ● доступна ширина полосы анализа в режи- Кроме этого, поддержка коммуникацион- ного стандарта LXI позволяет использовать ме реального времени 25/40/85/160 МГц (в стадии разработки 320/510/1200 МГц); ● опции измерения коэффициента шу- ма, фазовых шумов, модулей S11 и S21 с использованием следящего генерато- СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ной нагрузкой до 4 кг. Эти роботы имеют приятию потребовалось решение для авто- 6 степеней свободы, могут работать в одном матизации пайки дисплеев автомобильных Производители России пространстве с человеком за счёт высокой охранных комплексов (высокоточного и надёж- роботизируют производство степени безопасности или же полностью за- ного соединения гибкого шлейфа дисплея с пе- электроники менить человека в рутинных или опасных чатной платой). Инженерами «ДС-Роботикс» операциях. То, что роботизированные ре- был разработан и внедрён высокоточный ро- Инновационная инжиниринговая компан- шения начали внедряться российскими про- ботизированный комплекс, который занял со- ия ООО «ДС-Роботикс» и производитель микро- изводителями электроники, – безусловный всем небольшую площадь на производстве за- электроники ООО «Бутис», резидент ОЭЗ «Тех- шаг вперёд. Появление таких проектов от- казчика (всего 4 м2), но при этом эквивалентен нополис Москва», запустили проект по роботи- ражает процесс развития и взросления на- 28 рабочим местам монтажников. В результате зации производства электронных компонентов. шей индустрии даже несмотря на сложно- запуска комплекса производительность пайки сти в экономике», – рассказал Михаил Зотов, дисплеев у НПО «СтарЛайн» выросла в 10 раз. Потребность ООО «Бутис» в автоматизации генеральный директор ООО «ДС-Роботикс». связана со стратегией развития высокотехно- Внедрение роботов в производственные про- логичного производства, расширением но- Успешность применения роботизации при цессы позволяет эффективно повысить произ- менклатуры и объёмов выпуска продукции. производстве электроники в России уже прове- водительность, обеспечить стабильное каче- Проектом предусмотрена разработка и вне- рена на проекте с АО НПО «СтарЛайн». Пред- ство, быструю переналадку оборудования на но- дрение трёх роботизированных ячеек с ма- вую продукцию и гибко управлять персоналом. шинным зрением на основе запатентованных разработок ООО «ДС-Роботикс» на участках ds-robotics.ru наиболее трудоёмких сборочных операций. +7 (495) 649-60-69 «В решении мы используем малогаба- ритных коллаборативных роботов полез- ИНСТРУМЕНТЫ И ОБОРУДОВАНИЕ торга России о происхождении продукции. себя даже в жарких, закрытых помещениях. Модель также получила положительные от- Базовый цвет кожи – белый, но компа- Новые модели антистатической зывы от опытной носки на производствах. обуви российского ния предлагает широкий выбор цветов по производства компании «ЦПО» В январе текущего года обувь запущена в запросу клиентов. массовое производство. Предназначена она в В рамках программы импортозамеще- первую очередь для закрытых цехов, лабора- Арт. 8237, размеры мужские 41…46, жен- ния ООО «Центр Профессиональной Обу- торий и других «чистых» помещений. За счёт ские 36…41. ви» продолжает расширять линейку анти- открытого носка и пятки модель максимально статической обуви. облегчена, при этом сохраняя все антистати- www.proshoes.ru ческие свойства. Обувь хорошо проветривает- +7(495) 380-11-05 Новые облегчённые сандалии прошли ся, что позволяет ноге комфортно чувствовать испытания в независимых лабораториях и получили необходимые сертификаты, про- токолы испытаний и заключение Минпром- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 5
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Квантовая криптографическая катастрофа. Часть 2 Виктор Алексеев ([email protected]) «IBM Boeblingen». Подробно экспери- ментальная часть этой работы описа- Во второй части статьи рассматриваются современные квантовые на в документе [30]. процессоры и перспективы применения платформ на их основе для решения различных вычислительных задач. Отдельное внимание Схема эксперимента «вариацион- уделено обзору технологии постквантовой криптографии. ной квантовой факторизации» пока- зана на рис. 2. В начале ноября 2022 года концерн модели с минимизацией гамильто- IBM анонсировал новую модульную ниана и известного алгоритма Фархи В левой части рис. 2 проиллюстриро- платформу «System Two», способную (Quantum Approximate Optimization ван выбор количества итерационных объединять несколько квантовых про- Algorithm) [29]. шагов и необходимых кубитов в зави- цессоров в единую систему с универ- симости от значения числа N, кото- сальными интерфейсами между ними. Алгоритм VQF позволяет адапти- рое нужно разложить на множители. Этот «строительный блок» предназна- ровать задачу факторизации к реше- После этого определялся гамильтони- чен для создания гибридных кванто- нию сложной задачи с помощью мето- ан задачи. во-ориентированных сетей, которые да оптимизации. Приблизительно этот позволят взаимодействовать класси- процесс можно представить себе следу- Задача оптимизации и подготов- ческим компьютерам с квантовыми ющим образом. Факторизация числа N, ка пробного состояния реализовыва- суперкомпьютерами с помощью спе- содержащего n бит, сводится в конеч- лись на квантовом компьютере IBM с циального облачного решения. ном итоге к нахождению двух простых использованием многослойной мето- множителей p и q, удовлетворяющих дики QAOA (центральная часть рис. 2). Первым квантовым процессором в условию N = pq. Поскольку простые этом проекте стал IBM «Osprey», име- числа p и q могут быть представлены В правой части рис. 2 показана схема ющий 433 рабочих кубита (рис. 1) [27]. nq и np битами соответственно, то про- заключительной стадии классической цесс факторизации можно рассматри- обработки, объединяющей результаты Идея использования гибридного вать как задачу, обратную обычному измерений на квантовом устройстве с квантово-классического метода для двоичному умножению. Иными сло- классической предварительной обра- факторизации больших чисел была вами, если известно значение i-го бита боткой и оценки успешности алгоритма. реализована в 2021 году [28]. Авторы результата факторизации Ni, то задача этой работы из «Zapata Computing» и состоит в том, чтобы найти биты про- Описанный алгоритм VQF и мето- «Massachusetts Institute of Technology», стых множителей {pi} и {qi}. дика анзаца QAOA были применены по существу, использовали для процес- для факторизации трёх целых чисел: са факторизации метод VQE, назвав его Стандартная процедура двоичного 1 099 551 473 989, 3127 и 6557. Количе- «Variational Quantum Factoring – VQF». умножения p и q позволяет создать ство кубитов, необходимых для каждого В этом методе VQF используется схе- систему уравнений, которым должны экземпляра, зависит от объёма выпол- ма сведения задачи факторизации к удовлетворять {pi} и {qi}, а также биты, няемой классической предваритель- соответствующие переносу из i-й в j-ю ной обработки. Для 1 099 551 473 989 Рис. 1. Новый универсальный позицию. было использовано 24 итерации клас- квантовый компьютер с вентильным сической предварительной обработки, управлением IBM «Osprey» имеет С помощью этих уравнений мож- 8 итераций для 3127 и 9 – для 6557. 433 кубита [27] но привязать конкретные биты зада- чи факторизации к узлам задачи опти- При этом использовался послойный мизации. Подробно этот процесс метод QAOA, подробно описанный в сопоставления задачи факторизации работе [31]. и квантового алгоритма Изинга опи- сан в работе [29]. Таким образом, реше- С одной стороны, рассмотренный ние задачи факторизации сводится к метод VQF представляется полезным нахождению минимума гамильтони- для факторизации составных чисел, ана с помощью квантового алгоритма поскольку результат вычислений кван- модели Изинга. Корректировка тре- тового компьютера можно быстро про- буемого количества кубитов, а также верить на классическом компьютере. операции с анзацем осуществлялись С другой – в ходе экспериментов было с помощью стандартного цифрового обнаружено, что вероятность успеш- компьютера. Квантовые вычисления ного нахождения сомножителей при проводились с использованием ресур- факторизации выходит на некоторый сов европейского квантового центра уровень насыщения и далее перестаёт расти по мере увеличения количества итераций и количества используемых кубитов. Этот эффект связан с релак- сацией и декогерентностью на более глубоких уровнях QAOA. Когерент- 6 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Классическая предварительная обработка Классический квантовый интерфейс Интеграция решения Квантовая обработка Количество шагов Выходная Теория/симуляция предварительной производительность обработки: устройства Количество Фактическое необходимых оборудование кубитов: Максимальный эффективный аппаратный ресурс Экземпляры проблем Необходимый квантовый ресурс (количество кубитов × p) Рис. 2. Схема эксперимента факторизации с использованием метода VQF [30] ный шум может быстро возрастать с Квантовый отжиг подразумевает Был предложен вариант квантового увеличением количества итераций, что нахождение минимального из возмож- отжига QAP с модернизированной схе- существенно ограничивает на данном ных значений гамильтониана физиче- мой процессора и изменённой топо- этапе развития квантовых технологий ского процесса, который описывается логией расположения кубитов. Идея возможности метода VQF в плане уве- конкретной математической моделью. нововведений заключалась в том, что личения диапазона факторизации. Практически это применимо к моде- непосредственно в квантовый процес- ли Изинга, описывающей в общем слу- сор QAP была встроена схема кванто- Проблема когерентных шумов менее чае систему, состоящую из размещён- вого умножителя с булевой логикой, остро проявляется в адиабатических ных в узлах решётки спинов, которые позволявшая совершать операции квантовых вычислителях (AQC), могут принимать только два возмож- умножения состояний кубитов, а так- поскольку в этом случае не требуют- ных конечных состояния: либо вверх, же сравнивать результаты этих опе- ся логические кубиты для исправле- либо вниз. Поэтому большинство раций с помощью логических моду- ния ошибок. Принцип действия AQC прикладных задач квантового отжига лей. Таким образом, задавая кубитам принципиально отличается от уни- решалась с помощью преобразования различные состояния в соответствии версального цифрового квантового алгоритма некоторой начальной зада- с некоторой таблицей истинности, компьютера с вентильной обработ- чи в алгоритм типа Изинга. можно было перемножать двоичные кой (UDGQC). числа. Следующий шаг заключался в В рассмотренных выше примерах том, чтобы определить минимальное В компьютерах UDGQC вычисле- с использованием VQF и квантового значение разности между результатом ния контролируются с помощью уни- вентильного компьютера для реше- умножения и числом N, подлежащим тарных квантовых логических венти- ния задач факторизации изначаль- факторизации. То есть дальнейший лей, изменяющих состояние каждого ный гамильтониан преобразовывался процесс решения задачи фактори- кубита. В противоположность этому и сводился к модели Изинга. В случае зации проходил в соответствии со AQC не имеет вентилей и не исполь- квантового отжига в «классическом сценарием «классического» вариан- зует алгоритмы и квантовые операто- варианте D-Wave» это сделать крайне та квантового отжига, когда система ры. Принцип действия AQC заклю- сложно из-за отсутствия универсаль- сама переходит в основное состояние чается в том, что вся система в целом ного управления каждым кубитом с с минимумом гамильтониана. устанавливается в начальное положе- помощью квантовых вентилей, как это ние с помощью внешнего магнитного сделано в компьютерах типа UDGQC. Таким образом, стало возможным поля и далее контролируется адиабати- Поэтому преобразованный гамильто- решать задачу разложения больших ческий процесс её перехода в основное ниан далеко не полностью соответ- чисел с помощью процесса квантово- состояние. На практике широкое рас- ствовал изначальному гамильтониа- го отжига без предварительной транс- пространение получил упрощённый ну решения задачи факторизации. формации на программном уровне вариант адиабатических квантовых первоначально заданного гамильто- вычислений, получивший название Для того чтобы разрешить это про- ниана факторизации. Сам алгоритм «quantum annealing processing solver тиворечие, авторы работы [33] предло- квантового отжига при этом несколь- QAP» (вычислитель с квантовым отжи- жили задействовать дополнительную ко усложнился и замедлился за счёт гом). В этом устройстве эволюционный встроенную в квантовый процессор того, что на определённом этапе необ- процесс идёт «не сам по себе», а регу- схему умножителя двоичных чисел ходимо было задействовать квантовый лируется внешним магнитным полем и контроллера логических величин с процессор для выполнения промежу- [13]. В настоящее время направление использованием булевой алгебры. точных вычислений. QAP быстро развивается во всём мире, прежде всего благодаря разработкам Эту идею развили и реализовали экс- Подробное описание этого экспе- и массовому производству канадской периментально японские учёные из римента и новые результаты измере- фирмы D-Wave. Последняя модель про- «National Institute of Advanced Industrial ний авторы опубликовали в августе цессора для квантового отжига фирмы Science and Technology» [34]. 2022 года в журнале Nature [35]. D-Wave имеет 5000 кубитов [32]. В своей публикации они продемон- На рис. 3 показана схема вычисли- Идея использования квантового стрировали возможности применения тельной ячейки экспериментальной отжига для задач перебора данных квантового отжига для прямого реше- установки для исследования факто- типа факторизации не нова и актив- ния задачи факторизации с использо- ризации с помощью квантового отжи- но обсуждается в последние годы. ванием изначального гамильтониана га, использованная в «Национальном с булевыми таблицами истинности. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 7
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Кубит Параметрон квантового потока (QFP – Рис. 3. Схема вычислительной ячейки экспериментальной установки для quantum flux parametron) представля- исследования факторизации с помощью квантового отжига, использованная в «Национальном институте передовых промышленных и научных технологий ет собой устройство реализации кван- Японии» [35] товой логики на основе сверхпроводя- Полный Полный Умножитель сумматор сумматор (MU) щих джозефсоновских переходов [37]. Полный Полный Управление кубитами осуществля- сумматор сумматор ется с помощью следующих токов, Рис. 4. Схема 4-битного логического квантового умножителя состояний кубитов [35] меняющих состояния сверхпроводя- институте передовых промышленных Конструктивно кубит состоит из и научных технологий Японии». большой сверхпроводящей петли, щих переходов: Itrans – ток поперечно- содержащей считыватель на основе го поля; IQFP – ток инжекции квантово- В состав вычислительной ячейки dc-SQUID (dc superconducting quantum го параметрона; Ibias_sq – ток управления входят: сверхпроводящий потоковый interference device) и вставленной в неё SQUID; Iflux_sq – ток модуляции SQUID; кубит с ДП, квантовый логический эле- малой петли с джозефсоновскими Ih – ток общего внешнего смещения в мент (QFP) и устройство считывания переходами (ДП). Сверхпроводящий кубите. Эти токи можно изменять в (SQUID). квантовый интерферометр SQUID име- ет два состояния с постоянным током, соответствии с алгоритмом квантово- Кубиты в этой схеме изготовлены на текущим по часовой стрелке или про- одной подложке с системой считыва- тив часовой стрелки, которые опреде- го отжига. ния SQUID по технологии с четырьмя ляют ноль и единицу кубита. слоями Nb, допускающей плотность Схема 4-битного логического кванто- критического тока до 1 мкА/мкм2 [36]. вого умножителя (4-bit multiplier unit MU) приведена на рис. 4. Умножитель состоит из четырёх MU, обозначенных на рис. 4 пунктирным прямоугольником. Блок умножителя состоит из четырёх элементов MUij (i = 0–1, j = 0–1), каждый из которых обеспечивает определён- ную функцию: ● Xij и Yij – общие входы (inputs); ● Zij – вход суммы (sum-in); ● Dij – процессорный вход (carry-in); ● Cij – процессорный выход (carry-out); ● Sij – результат вычислений (summation). Схемы, показанные на рис. 3 и 4, являются элементами процессора квантового отжига, размещённого в криогенной камере с температурой внутри 10 мК. Такая температура необ- ходима для поддержания нормальной работы низкотемпературных сверхпро- водящих кубитов. Работоспособность этого процессора была подтвержде- на многократными экспериментами, результаты которых сравнивались с точными модельными расчётами на стандартном компьютере с бинарной логикой. Используя двоичное числовое пред- ставление, можно говорить о том, что на общие входы подаются мас- сивы чисел потенциальных сомно- жителей факторизации (P = M × N): M = (X01 X00)(2) и N = (Y11 Y01)(2) соответ- ственно. На выходе полного сумматора (full adder) будет результат двоично- го перемножения: P = (P4 P3 P2 P1)(2) = = (C11 S11 S10 S00)(2). Вход D01 может быть зафиксирован на 0, независимо от X1 и Y1. Гамильтониан такой системы мож- но записать в виде . 8 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В этой формуле: – матрица Паули, Сервер Сеть Задача В действующая на кубит i; Jhi – константа, Задача А Блок управления 2 характеризующая смещение кубита i; Блок управления 1 Jij – константа связи между кубитами i Текущие Датчики Текущие Датчики и j. В общем случае hi и Jij являются без- источники источники размерными программируемыми вход- Цепь Схема ными параметрами, которые переби- контроля вентильного качества раются в процессе квантового отжига. типа С помощью перечисленных выше токов Рефрижератор растворения Рефрижератор растворения задаются необходимые параметры, обе- Рис. 5. Один из вариантов универсальных открытых гибридных квантовых сетей, объединяющих компьютеры с бинарной логикой и квантовые вычислители, спечивающие каждую итерацию. ориентированные на решение конкретных задач [34] Ток поперечного магнитного поля ную авторами [34]. Одно из возможных многочисленные лаборатории, образо- направлений, которое найдёт приме- вавшиеся в результате «шифроваль- и ток внешнего смещения вызывают нение в ближайшем будущем, заклю- ного бума», переключились на новые чается в том, что вместо создания еди- направления. Одни лаборатории про- инжекцию квантов магнитного поля в ного мощного квантового компьютера, должили развивать технологии кван- способного решать любые задачи, име- товых вычислений и переключились кубите. Параметрон QFP обнаружива- ет смысл развивать универсальные на направления, связанные с модели- открытые гибридные квантовые сети, рованием задач квантовой химии и ет этот магнитный всплеск, усиливает объединяющие компьютеры с бинар- физики. Другие фирмы отказались от ной логикой и квантовые вычислите- первоначально заявленной цели (уни- его и транслирует на интерферометр ли, ориентированные на решение кон- версальный цифровой квантовый ком- кретных задач (рис. 5). пьютер с вентильным управлением) dc-SQUID. При этом SQUID вырабаты- и начали искать другие применения Следует сказать, что, несмотря на кубитов [13]. вает сигнал, который уже может быть значительные технологические и науч- ные инновационные решения, кото- Третьи фирмы предпочли зани- измерен обычной аналоговой электро- рые были получены ведущими миро- маться специфическим направлени- выми фирмами и университетами за ем, получившим название «посткван- никой. 20 лет, прошедших с момента первой товая криптография» (post-quantum демонстрации квантовой факториза- cryptography PQC), целью которого Состояние кубита определяется каж- ции, на сегодняшний день не суще- стала разработка квантово-безопас- ствует квантового компьютера, кото- ной криптографической технологии, дые 0,6 мкс и обычно оценивается в рый может решать задачи разложения устойчивой к квантовым атакам [39]. сложных чисел лучше, чем компьюте- течение 104 итераций. В результате ры с бинарной логикой. Наибольшее распространение прак- тически во всех областях получили определяются все возможные комби- Постквантовая шифры с открытым ключом, такие криптография как, например, RSA и ECC. В прин- нации токов, соответствующие иско- ципе, подобные шифры с ключами Потребовалось примерно десять лет небольших размеров возможно взло- мым множителям. интенсивных научных поисков после мать с использованием современ- публикации результатов первых экспе- ных вычислительных мощностей и Безразмерные коэффициенты, соот- риментов по квантовой факторизации, известных математических методов, чтобы понять, что «лобовая атака» с таких как целочисленная факториза- ветствующие локальным токам сме- попыткой решить проблему путём уве- ция, дискретное логарифмирование, личения количества кубитов в принци- метод эллиптической кривой. Однако щения hi и попарным связям Jij, для пе не может увенчаться успехом на том большие ключи пока ещё разложить процессора с шестью кубитами могут уровне науки и технологий, которым за «разумное» время не представляет- человечество обладает на сегодняшний ся возможным. принимать следующие значения: день. Поскольку ажиотаж, связанный с разработкой CRQC, постепенно утих, Тем не менее эксперты считают, что h1 : h2 : h3 : h4 : h5 : h6 : J12 : J13 : J14 : J15 : J16 : серьёзная опасность, существующая J23 : J24 : J25 : J26 : J34 : J35 : J36 : J45 : J46 : J56= 1 : –1 : –2 : –2 : +4 : +2 : +1 : +2 : +2 : –4 : –2 : +2 : +2 : –4 : –2 : +4 : –8 : –4 : –8 : –4 : +8, где hi и Jij определяются с помощью выражения h1 = Mi · Ihi · Iqi ; Jij = Mij · Iqi · Iqj. В реальных терминах физического эксперимента значения Mi, hi и Jij опре- деляются следующим: ● Mi – взаимная индуктивность между кубитом i и локальной линией сме- щения; ● Ihi – ток, протекающий через локаль- ную линию смещения; ● Iqi – постоянный ток в кубите i; ● Mij – взаимная индуктивность между кубитами i и j соответственно. Измеряя эти величины и следуя алгоритму квантового отжига, мож- но с помощью описанного квантово- го процессора реализовать прямой про- цесс факторизации с использованием вычислителя с квантовым отжигом. Полное подробное описание работы рассмотренной схемы факторизации приведено в [38]. Следует также отметить возможную схему будущих проектов, предложен- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 9
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Рис. 6. «XSOC CORP» предлагает надёжную защиту от уязвимости Apache Log4j [41] ния различных квантовых сценариев вводится понятие безопасности для сегодня, заключается в том, что спец- объявил открытый конкурс на новый самих ключевых механизмов инкапсу- службы разных стран стараются соби- «постквантовый» стандарт шифро- ляции (KEMS). Кроме того, предлагает- рать максимальное количество зашиф- вания. В первом туре этого конкурса, ся метод построения гибридных KEMS рованной информации в надежде на который завершился в 2017 году, при- для обмена ключами в TLS 1.3 [46]. то, что её будет можно расшифровать в няло участие 69 фирм и университе- будущем при проявлении соответству- тов из разных стран мира. Второе направление непосредствен- ющих технологий [40]. но связано с квантовыми технологи- В настоящее время развиваются два ями. В первую очередь в этом классе Поэтому целесообразно пытаться наиболее общих направления пост- следует отметить работы по генера- максимально обезопасить закрытую квантовой криптографии. Одно из этих ции и распределению квантовых клю- информацию уже сегодня, используя направлений связано с модернизаци- чей. Основная идея здесь заключается новейшие разработки. Один из лиде- ей старых систем и адаптации новых в использовании квантовых компью- ров в этой области – фирма «XSOC разработок в существующие системы теров для генерации случайных клю- CORP» – предлагает различные вари- безопасности. Для реальных разрабо- чей. Метод «Quantum Key Distribution – анты расширяемых криптосистем ток рекомендуется использовать сим- QKD» предназначен для создания и «Quantum-Safe» и симметричные метричные алгоритмы при условии распределения симметричных крип- транспортные ключи шифрования. больших размеров ключей. В этом пла- тографических ключей между двумя Основное преимущество продукции не можно отметить криптографические отдельными пользователями. Такой этой фирмы заключается в том, что алгоритмы с удвоенным размером клю- подход обеспечивает безопасность уда- модернизация устаревших систем реа- ча и различного рода хэш-функциями лённого согласования ключей, которое лизуется без необходимости их замены [44]. Основная тенденция этих разра- невозможно перехватить без обнаруже- при полном сохранении защищаемых боток связана как с переходом ко всё ния пользователями. В этой области данных. В качестве примера можно более длинным симметричным клю- много оригинальных новых идей. Так, привести надёжную защиту, которую чам, так и с увеличением самой длины в работе [47] предложено независимое «XSOC CORP» предлагает от уязвимо- ключей RSA. Например, при обычном от измеряющего устройства квантовое сти Apache Log4j, ставшей причиной использовании AES-128 необходимо распределение ключей (measurement серии массовых атак на веб-серверы 3072 бита для эквивалентной надёж- device independent quantum key по всему миру на протяжении дека- ности ключей RSA. Протокол AES-256 disctribution – MDI-QKD). Эффектив- бря 2021 года (рис. 6) [41]. требует уже ключ RSA длиной 15 КБ. ность метода была подтверждена лабо- В рамках изучения возможностей при- раторными и полевыми испытаниями. Основная задача «постквантовой менения хэш-функций для систем PQC криптографии» заключается в созда- перспективным представляется спе- Подробный анализ сетей QKD, про- нии коммерчески доступных кванто- циальное оборудование, включающее токолов маршрутизации, сигнализа- во-устойчивых алгоритмов с открытым хэш-сигнатуру с сохранением состоя- ции и методов моделирования при- ключом, предназначенных для широ- ния для встроенного ПО (stateful hash ведён в обзоре [48]. кого пользования [42]. signatures for firmware) [45]. Интерес представляют также вариан- В Европе это направление раз- В качестве ещё одного примера мож- ты защиты с использованием квантовых вивается в проекте «Quantum Safe но привести работы по модернизации состояний, нейтрализующие друг дру- Cryptography» под эгидой ETSI (Евро- ключей «KEMS – key encapsulation га. Принцип этого метода заключается пейский Институт Стандартов и Теле- mechanisms», позволяющие адапти- в том, чтобы создать средства, затрудня- коммуникаций) [43]. ровать классические алгоритмы для ющие сам процесс квантовых вычисле- квантовых вычислителей. Например, ний, вызывая необходимость отменять В США проблемы криптобезопасно- немецкие математики из университе- результаты манипуляций и делать бес- сти курирует Национальный институт та «Technische Universität Darmstad» конечные повторные расчёты [49]. стандартов и технологий США (NIST). работают с моделями гибридных про- Эта организация в настоящее время токолов обмена ключами с проверкой В качестве меры противодействия занимается разработкой и утверждени- подлинности. Для точного определе- CRQC рассматриваются и такие нетра- ем стандартов постквантовой крипто- диционные схемы, как, например, графии. С этой целью в 2016 году NIST шифр Вернама с передачей ключей с помощью запутанных фотонов, рас- пределение фотонных ключей (Photon Key Distribution – PKD) и другие мето- ды симметричного шифрования [50]. Учитывая важность проблемы, иссле- дованиям по направлению post-quantum cryptography (PQC) уделяют внимание ведущие разработчики систем кван- товых вычислений. Так, концерн IBM анонсировал новый пакет криптогра- фических приложений IBM Quantum- Safe, предназначенный для защиты наи- более ценных данных клиентов в эпоху квантовых вычислений. Учитывая, что 10 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ среди клиентов IBM есть крупнейшие Тема «постквантовой криптогра- ется в том, что поздно будет занимать- мировые банки и транснациональные фии» крайне актуальна и обширна. ся вопросами криптобезопасности, корпорации, можно не сомневаться, что Полноценный обзор этой темы выхо- когда день «Q-Day» настанет. Разраба- финансовая поддержка проекта будет дит за рамки данной статьи. Однако тывать противоядие нужно уже сейчас. весьма значительной [51]. стоит рекомендовать желающим испы- тать свои силы в данном направлении Литература Новая платформа IBM z16 обеспечи- обратить внимание на проект «Open вает устойчивость гибридных облач- Quantum Safe – OQS», в котором может 1. URL: https://www.nature.com/ ных платформ с помощью инно- принять участие любая организация и вационных квантово-безопасных любое физическое лицо [60]. articles/414883a. технологий [52]. Желающие начать эксперименти- 2. URL: https://e-nigma.ru/stat/rsa/. Активное участие в разработках про- ровать с постквантовой криптогра- ектов PQC принимает концерн Google. фией могут использовать готовые 3. URL: https://www.rsa.com/company/. образы «Docker», содержащие версии Одно из основных направлений OpenSSL/curl, Apache httpd и nginx с 4. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/RSA- исследований в этой области направ- поддержкой постквантов [61]. лено на использование TLS и ALTS с %D1%87%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%B0. гибридным методом обмена ключа- Для разработчиков также имеется ми для защиты внутреннего трафи- возможность использовать готовые 5. URL: https://www.istockphoto.com/photos/ ка. Совместно с Cloudflare в 2019 году образы с возможностью расширения был проведён эксперимент, в ходе и установки кода [62]. dance-floor-texture. которого были реализованы два сеан- са постквантовых обменов ключа- Что касается появления на свет кван- 6. URL: https://www.researchgate.net/ ми. Также была продемонстрирова- тового компьютера CRQC, реально на возможность их интеграции в стек способного взламывать любые шиф- publication/330369215_Factorising_large_ TLS Cloudflare с последующей реали- ры и обрушать Интернет, то день его зацией на пограничных серверах и в рождения, получивший международ- numbers. клиентах Chrome Canary. В 2021 году ное название «Q-Day», никто точно не Google провёл тестирование посткван- знает. Одни специалисты считают, что 7. URL: https://eprint.iacr.org/2010/006.pdf. товой конфиденциальности в TLS на это может случиться уже через десять расширенной сети [53]. лет. Другие специалисты говорят, что 8. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/RSA- на это может потребоваться больше В июле 2022 года завершился этап 30 лет [42]. %D1%87%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%B0. конкурса, объявленного в 2016 году, и NIST выбрал четыре алгоритма, кото- Несмотря на огромные техниче- 9. URL: https://ec.europa.eu/eurostat/ramon/ рые будут финансироваться и разраба- ские проблемы, направление кванто- тываться для защиты данных от буду- вых вычислителей интенсивно разви- cybernews/abbreviations.htm. щих атак с использованием квантового вается. В предыдущих разделах этой компьютера [54]. статьи можно было увидеть как изме- 10. URL: http://mmrc.amss.cas.cn/tlb/201702/ нялась сама идея квантового релевант- В категории общего шифрования ного компьютера (CRQC). Двадцать лет W020170224608150589788.pdf (general encryption), которое предна- назад первоначальная схема CRQC значено для защиты информации, предполагала использование универ- 11. URL: https://catalog-n.com/sovremennaya- передаваемой в общедоступных сетях сального цифрового квантового ком- (public network), был выбран алгоритм пьютера с вентильной обработкой, ehlektronika-7-2022#sovremennaya- CRYSTALS-Kyber, использующий срав- типа IBM-Q. К началу зимы 2022 года нительно небольшие ключи шифрова- мировое научное сообщество уже име- ehlektronika-7-2022-26. ния, которыми две стороны могут лег- ло исчерпывающие доказательства воз- ко обмениваться на высоких скоростях можности реализации процесса фак- 12. URL: https://catalog-n.com/sovremennaya- обмена данными [55]. торизации с помощью совершенно других устройств, таких как вариаци- ehlektronika-8-2022#sovremennaya- Во второй категории задач, касаю- онный решатель с квантовым отжигом щихся обеспечения безопасности циф- и решатель на базе квантового отжига ehlektronika-8-2022-26. ровых подписей (digital signatures) и со встроенным синтезатором гамильто- аутентификации личности (identity ниана факторинга. Что будет дальше, 13. URL: https://catalog-n.com/sovremennaya- authentication), были выбраны три предположить сложно. Если, как счи- алгоритма: CRYSTALS-Dilithium [56], тают некоторые специалисты, появятся ehlektronika-9-2022#sovremennaya- FALCON [57], SPHINCS+ [58]. гибридные облачные платформы, объ- единяющие мощные стандартные ком- ehlektronika-9-2022-09. Первые два из отмеченных в этой пьютеры и специализированные кван- категории протоколов были выбра- товые вычислители разного типа, то 14. URL: https://www.xsoccorp.com/post/ ны из-за их эффективности. Прото- «Q-Day» может наступить раньше, чем кол SPHINCS+ был выбран благодаря его ожидают. are-cryptographically-relevant-quantum- использованию инновационного мате- матического аппарата. Поэтому общее мнение специали- computers-prepared-to-disrupt-classical- стов в области криптографии заключа- Необходимо подчеркнуть, что в раз- encryption. работках SPHINCS+ принимали актив- ное участие сотрудники Google [59]. 15. URL: https://www.washingtonpost.com/ world/national-security/nsa-seeks-to-build- quantum-computer-that-could-crack-most- types-of-encryption/2014/01/02/8fff297e- 7195-11e3-8def-a33011492df2_story.html. 16. URL: https://www.express.co.uk/news/ science/841491/hacking-encryption- quantum-computer-physics. 17. URL: https://www.cyber.gov.au/acsc/view- all-content/publications/post-quantum- cryptography. 18. URL: https://newsroom.ibm.com/2022-11- 09-IBM-Unveils-400-Qubit-Plus-Quantum- Processor-and-Next-Generation-IBM- Quantum-System-Two. 19. URL: https://homepages.cwi.nl/~rdewolf/ qcnotes.pdf. 20. URL: https://users.math-cs.spbu. ru/~okhotin/teaching/quantum_2020/ migrin_ivanov_quantum_2020_shor.pdf. 21. URL: https://quantum-computing.ibm.com. 22. URL: https://arxiv.org/pdf/1111.4147.pdf. 23. URL: https://arxiv.org/pdf/1903.00768.pdf. 24. URL: https://iopscience.iop.org/artic le/10.1088/1367-2630/18/2/023023. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 11
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 25. URL: https://www.nature.com/articles/ 38. URL: https://www.nature.com/articles/ 48. URL: https://dl.acm.org/doi/ ncomms5213. s41598-022-17867-9#Sec12. abs/10.1145/3402192. 26. URL: https://www.sciencedirect.com/ 39. URL: https://www.technologyreview. 49. URL: https://openquantumsafe.org/about/. science/article/pii/S0370157322003118. com/2019/07/12/134211/explainer-what-is- 50. URL: https://arxiv.org/pdf/1903.02176.pdf. 27. URL: https://www.techspot.com/ post-quantum-cryptography/. 51. URL: https://www.ibm.com/cloud/blog/ news/96603-ibm-announces-osprey- 40. URL: https://www.forbes.com/sites/ introducing-quantum-safe-crypto-tls-for- quantum-processor-433-qubits.html. arthurherman/2021/12/09/booz-allen- ibm-key-protect?mhsrc=ibmsearch_a&mh 28. URL: https://www.nature.com/articles/ sounds-the-alarm-on-chinas-coming- q=Quantum-Safe. s41534-021-00478-z. quantum-harvest/?sh=25c373e653e5. 52. URL: https://www.ibm.com/products/z16. 29. URL: https://arxiv.org/abs/1411.4028v1. 41. URL: https://www.xsoccorp.com/ 53. https://cloud.google.com/blog/products/ 30. URL: https://static-content.springer.com/ company. identity-security/how-google-is-preparing- esm/art%3A10.1038%2Fs41534-021-00478-z/ 42. URL: https://techmonitor.ai/technology/ for-a-post-quantum-world. MediaObjects/41534_2021_478_MOESM1_ emerging-technology/post-quantum- 54. URL: https://www.nist.gov/news-events/ ESM.pdf. encryption-threat-already-here. news/2022/07/nist-announces-first-four- 31. URL: https://arxiv.org/abs/1812.01041. 43. URL: https://www.etsi.org/events/2117-2023- quantum-resistant-cryptographic-algorithms. 32. URL: https://www.dwavesys.com/solutions- 02-9th-etsi-iqc-quantum-safe-cryptography- 55. URL: https://pq-crystals.org/kyber/. and-products/systems/. workshop. 56. URL: https://pq-crystals.org/dilithium/. 33. URL: https://journals.jps.jp/doi/abs/10.7566/ 44. URL: https://www.controlgap.com/blog/ 57. URL: https://falcon-sign.info/. JPSJ.88.061012. quantum-cryptography-for-risk-managers. 58. URL: https://sphincs.org/. 34. URL: https://arxiv.org/ftp/arxiv/ 45. URL: https://csrc.nist.gov/CSRC/media/ 59. URL: https://cloud.google.com/blog/ papers/2106/2106.08681.pdf. Projects/stateful-hash-based-signatures/ products/identity-security/how-google-is- 35. URL: https://www.nature.com/articles/ documents/stateful-HBS-misuse-resistance- preparing-for-a-post-quantum-world. s41598-022-17867-9. public-comments-April2019.pdf. 60. URL: https://openquantumsafe.org/about/. 36. URL: https://journals.aps.org/prb/ 46. URL: https://link.springer.com/chapt 61. URL: https://openquantumsafe.org/ abstract/10.1103/PhysRevB.80.052506. er/10.1007/978-3-030-25510-7_12. applications/. 37. URL: https://link.springer.com/chapt 47. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/ 62. URL: https://hub.docker.com/r/ er/10.1007/978-4-431-66879-4_283. articles/PMC6281621/. openquantumsafe/curl-dev НОВОСТИ МИРА Первый вице-премьер дание условий для роста малых техноло- выстроить между ними взаимосвязь уже пообещал представить гических компаний, локализацию произ- предпринимались, но результаты недоста- в марте концепцию водства, запуск крупных промышленных точны, отметил Андрей Белоусов. технологического развития проектов и другие. России до 2030 года В обсуждении концепции приняли уча- Речь идёт о смене ключевой модели вза- стие представители бизнес-сообщества Концепцию технологического развития имодействия двух процессов. Это развитие (венчурных фондов, институтов разви- РФ до 2030 года планируется утвердить науки (когда основным продуктом являет- тия, крупнейших банков), научно-обра- в марте текущего года, сообщил первый ся знание, а технологии скорее побочны) и зовательных кругов (РАН, ведущих вузов заместитель председателя правительства развитие производства (когда технологии – и научных организаций) и органов вла- Андрей Белоусов на совещании с эксперт- обязательный составной элемент, подчи- сти (министерства, администрация пре- ным сообществом и представителями про- нённый логике освоения рынков, повы- зидента, представители крупнейших ре- фильных ведомств. шения конкурентоспособности). Данные гионов). процессы расположены рядом, попытки Документ готовится по поручению пре- industry-hunter.com зидента России по итогам состоявшего- ся в июле 2022 года заседания Совета по стратегическому развитию и националь- ным проектам. Концепция определит понятие, цели, задачи и принципы достижения техно- логического суверенитета страны, а так- же целевые показатели технологического развития. Она состоит из трёх разделов: устойчивый технологический суверенитет, технологии как фактор роста экономики и развития социальной сферы и технологи- ческое обеспечение устойчивого функци- онирования производственных систем – говорится на сайте правительства. Каждый из этих разделов включает под- готовку кадров и развитие компетенций, устранение регуляторных барьеров, соз- 12 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НОВОСТИ МИРА Нидерланды взбунтовались пов по самым актуальным нормам на самых ществующее оборудование, они должны против США из-за запрета современных технологических процессах. запрашивать лицензию на экспорт техно- литографов для Китая логий у Бюро промышленности и безопас- При этом запрет не касался поставок ска- ности (BIS) Министерства торговли США. Нидерланды решили больше не ограни- неров диапазона DUV (193 нм) последнего чивать поставки литографического обору- поколения – «железа», которое использует- Если ASML поставляла компании сканеры, дования для выпуска чипов в Китай, руко- ся в производственных линиях для выпуска то американские компании – инструменты для водствуясь указаниями американских вла- чипов по более старым техпроцессам. DUV- метрологии, травления, осаждения, контроля стей. Теперь консультироваться по этому установки на поколение отстают от пере- и сортировки штампов. При этом пока у Ки- поводу правительство страны будет с го- довых (EUV), однако DUV-литография – всё тая остаются поставщики оборудования для сударствами-партнёрами в Европе и Азии. ещё самый распространённый метод изго- производства полупроводников в Японии. товления микросхем для автомобилей, те- Нидерланды не будут ограничивать постав- лефонов, компьютеров и робототехники. russianelectronics.ru ки литографического оборудования в Китай для производства полупроводников «по указке» Используя эту лазейку, ASML лишь в «Видеонаблюдать» США, об этом заявила глава Минторга Нидерлан- 2021 г. продала в Китай оборудования на за россиянами станут дов Лизе Шрайнемахер (Liesje Schreinemacher), сумму около 2,1 млрд евро – это соответ- по миллионам пишет издание South China Morning Post. ствует 16% общих продаж. импортозамещающих IP-камер Чиновница объяснила решение тем, что В октябре 2022 г. администрация Джо Байде- Массовое производство IP-камер видео- экспортные ограничения в отношении Подне- на (Joe Biden) запретила компании продавать наблюдения и их внедрение начнётся в бесной, которые американские власти приня- в Китай сканеры диапазона DUV. После это- России к концу 2023 года. ли в октябре 2022 г., серьёзно «поменяли пра- го компания велела своим американским со- вила игры», так как включают в себя запрет трудникам прекратить обслуживание, достав- Об этом пишут «Известия» со ссылкой на поставок сканеров диапазона DUV (193 нм). ку или оказание поддержки всем клиентам в дорожную карту «Новое индустриальное Поднебесной до дальнейшего уведомления. программное обеспечение», утверждён- Теперь окончательный вердикт выно- ную правительством в декабре 2022 года. сить будут лишь после обсуждения ситуа- КНР для ASML была третьим по величи- ции с представителями европейских и азиат- не рынком сбыта после Тайваня и Южной По данным издания, за реализацию проек- ских государств. Решающее слово останется Кореи, где её приобретали TSMC, SK Hynix та отвечает Минцифры. Серийный выпуск IP- за властями Франции и Германии. Причина и Samsung. Ещё летом 2022 г. на фоне слу- камер должен быть налажен в 2023–2024 го- в том, что ASML Holding NV – крупнейший в хов о новых ограничениях акции компа- дах, а также выстроены каналы их сбыта. За Голландии и в мире вендор литографиче- нии обвалились на 7,2% всего за один этот же период заказчикам должно быть по- ского оборудования, используемого в про- день. Представители компании отмеча- ставлено не менее одного миллиона таких изводстве микросхем, – владеет долей в не- ли, что мораторий на поставки обернёт- устройств. В следующем году планируется на- мецкой компании Carl Zeiss и использует её ся большими убытками, так как поставка- ладить производство и поставки камер с улуч- оптику для сканеров. Консультироваться бу- ми занимаются и компании-посредники. шенными характеристиками, а именно: с из- дут также с коллегами из Японии и Тайваня, меняемым фокусным расстоянием объектива. промышленность которых играет большую Олег Изумрудов, исполнительный дирек- роль в мировой индустрии полупроводников. тор консорциума отечественных разработ- В качестве соорганизаторов проекта и за- чиков систем хранения данных «РосСХД», казчиков камер в документе указаны «Росте- Шрайнемахер признала, что у США есть заметил, что США, введя мораторий, по су- леком» и «ЭР-Телеком Холдинг», предостав- повод опасаться чрезмерной зависимости ти, потребовали от ASML самоубийства. ляющие клиентам услуги видеонаблюдения. от Азии, где производится 80% передовых В пресс-службе «Ростелекома» изданию по- чипов, которые потенциально могут исполь- «У нидерландской компании законтрак- яснили, что компании являются якорными зовать в военно-промышленном комплек- товано, то есть предоплачено, оборудова- заказчиками в рамках проекта и призваны се. Чиновница уточнила, что если все сторо- ния на 7-8 лет вперёд, а сервисной под- обеспечить спрос. Параметры проектов на- ны будут согласны ввести беспрецедентный держки – на сотни миллиардов евро, – ходятся на стадии согласования, и говорить мораторий на поставки в Поднебесную про- уточнил эксперт. – При невыполнении о деталях пока преждевременно, подчер- дукции для производства чипов, его введут. контрактных обязательств сумма штра- кнул представитель компании. фов может достигнуть рекордного уровня Последние несколько лет власти США пыта- в триллион евро. Это фактически убьёт и В пресс-службе Минцифры сообщили изда- ются нанести сокрушительный удар по круп- весь бизнес ASML, и в целом обрушит биз- нию, что производством камер займётся ООО нейшим китайским производителям микро- нес всех заказчиков ASML и Philips/NXP». «Электра». Операторы связи планируют устанав- электроники, чтобы затормозить развитие ливать камеры на улицах по заказу городских КНР в этом направлении. Среди них – компа- Пока санкции не приводят к прямому само- властей, а также на государственных и частных нии Semiconductor Manufacturing International убийству компаний, а по сути – стран, для ко- территориях, если у владельца есть такой запрос. Corp. (SMIC) и Hua Hong Semiconductor Ltd. торых это основа налоговых поступлений в их бюджет, уточнил эксперт, они будут получать Ранее сообщалось, что курение сигарет и С 2019 г. Нидерланды под давлением поддержку правительств других государств. вейпов в неположенных местах в России нач- администрации Дональда Трампа (Donald нут отслеживать с помощью камер видео- Trump) запрещали компании ASML постав- От сотрудничества с YMTC, крупным ки- наблюдения. В настоящее время начинает- лять китайцам ту продукцию, на которую тайским вендором флеш-памяти, в октя- ся разработка прототипа системы, позволя- указывали США. В основном речь шла о бре 2022 г. также были вынуждены отка- ющей оперативно отловить нарушителя и литографических сканерах диапазона EUV заться американские Applied Materials, KLA подать сигнал в соответствующие органы (13,5 нм), которые нужны для выпуска чи- и Lam Research. Теперь, чтобы продавать или ответственным за безопасность. в Поднебесную новое и поддерживать су- russianelectronics.ru СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 13
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Перспективы и преимущества совмещения электромобиля и сегвея: история одного изобретения Антти Суомалайнен и движется на двух колёсах со скоро- стью до 40 км/ч. Первые модели име- Средства индивидуальной мобильности с электрическим двигателем ли меньшую максимальную скорость, популярны как никогда. Одно из них – самобалансирующееся с пределом в 18–20 км/ч, и АКБ с энер- транспортное средство – сегвей. С популярностью сегвеев повсеместно гоёмкостью, позволяющей покрыть образовались фирмы, специализирующиеся на ремонте и (при условии полной зарядки и штат- обслуживании устройств с электрической тягой; по той же аналогии, как ной, заявленной производителем энер- после появления автоматических стиральных машин выросла сфера гоёмкости) расстояние в 10 км. Совре- ремонтных услуг. Из новаций достойно внимания совмещение сегвея и менные модели намного превосходят электромобиля в одном корпусе-капсюле, форм-фактор которой остался первые разработки и могут покрывать компактным и двухколёсным, но инновационное устройство приобрело расстояние до 40 км, а удобные разъ- более безопасный для «водителя» функционал за счёт рамного ёмы и адаптеры позволяют заряжать усиления корпуса. Истории этого вопроса и посвящена статья. устройство от напряжения осветитель- ной сети 230–240 В за 4–6 часов. Если 21 год назад, 3 декабря Дин Кей- и мощным аккумулятором превраща- «отнять» у классического сегвея штан- мен (Dean Kamen) из США изобрёл ет обычного пешехода в продвинуто- гу с держателем (руль), то получивше- интересное устройство о двух колё- го участника дорожного движения. еся устройство можно будет назвать сах с площадкой для ног и вертикаль- Устройство позволяет передвигать- гироскутером. но поднятой штангой рулевого управ- ся дальше, с большей скоростью, но ления. Устройство получило название с меньшей затратой физических сил. Модели скутеров по устройству и «Segway Human Transporter», как гово- С одной стороны, «устройство для лен- функционалу практически идентич- рили в декабре 2001 года на телекана- тяев» несомненно полезно. С другой – ны. Что касается скоростного режи- ле ABC «Доброе утро, Америка», это ещё полезнее ходить и передвигаться ма, то электродвигатели – с приводом была смесь газонокосилки и самока- пешим ходом, чтобы совершенствовать по количеству колес скутера – выпу- та, позже названная электроскутером. своё физическое здоровье в натураль- скаются той же компанией. У модели Изобретение одновременно позицио- ном движении. S3 2 двигателя мощностью каждый по нировали как средство передвиже- 500 Вт. Максимальная скорость, заяв- ния для богатых а, по представлению Настойчивый изобретатель ленная производителем, составляет самого изобретателя, оно должно было 18 км/ч. Однако скоростной режим заменить и велосипед, и автомобиль, Может быть, не все знают, но Д. Кей- намеренно и программно ограни- и вообще – о чудо! – изменить весь мир. мен потратил на оформление изобрете- чен для безопасности передвиже- Сие средство передвижения позици- ния «сегвея» почти декаду лет. Так что ния. Напомню, что в России введены онировалось как индивидуальное не только в любезном нашем Отече- поправки в ПДД, связанные с эксплу- для человека весом до 140 кг. Теперь, стве перспективные разработки в про- атацией электроскутеров, к которым в 23-м году ХХI века, пользователи сег- шлых веках пропадали втуне. Д. Кей- конструктивно относится сегвей. веев по всему миру, в том числе росси- мен сообщил мне, что впервые идея яне, могут оценить и саркастические сегвея пришла ему в голову в 1991 году. Устройства устойчивы к влаге, на нападки критиков на изобретателя, Он справедливо полагал, что людям них можно передвигаться и в дождли- и его пророческое мнение: устройство необходимо использовать быстрые, вую погоду. Вес сегвея также «преоб- поистине завоевало весь мир. при этом безопасные для природы – разовался»: от 40 кг у первых моделей ввиду отсутствия газовых выхлопов – до 15–18 кг для современных. Во мно- Первый серийный скутер Segway PT индивидуальные и материально гом вес устройства обусловлен весом был официально представлен публике доступные транспортные средства. АКБ. Современные аккумуляторы за в 2002-м году. А массовой популярной И такие, способ передвижения на кото- два десятка лет трудом разработчи- моделью, сошедшей с конвейера, ста- рых не сильно бы отличался от сти- ков значительно усовершенствованы ла Segway HT i167. Затем была модель ля обычной ходьбы по пешеходным по технологии, энергоёмкости, весу и i180. Они быстро приобрели огромную дорожкам. даже безопасности эксплуатации. популярность. Всего в серийном про- изводстве более 30 моделей. У сегвея нет привычного двигате- Дин Кеймен, как талантливый чело- ля внутреннего сгорания (ДВС), руля век и изобретатель, вместе с коллекти- Название Segway происходит от тер- и тормозов, а также трансмиссии – вом своих коллег заслуженно знаме- мина segue – из музыкальных понятий; коробки передач. Вместо ДВС сег- нит и другими разработками. Более 500 в переводе на русский означает «сле- вей движется на электрической тяге. зарегистрированных патентов на изо- довать», «идти за», «плавно перехо- Устройство получает электрическую бретения. Это был и есть Илон Маск дить». Самокат с электрической тягой энергию от аккумуляторной батареи своего времени, от него ожидают как минимум демонстрации грандиозного 14 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Рис. 1. Внешний вид сегвея 2001 года под управлением Рис. 2. Вид «электронной начинки» гироскутера изобретателя Д. Кеймена производства КНР модели Airwheel S3/S3T чуда. Таковы, к примеру, инвалидное Датчик наклона Аккумуляторные батареи кресло iBOT, военный робот на основе 24В той же технологии, сегвей с сиденьем, сегвей для детей (Dareway, упрощён- Прерывания 5В Адаптер питания ная версия Segway). В своё время спе- 24В - 5В циальными сегвеями оснастили часть подразделений армии США и полиции Кнопка Реле в разных странах мира. Известно, что готовности безопасности из-за несовершенства программного обеспечения с сегвея однажды упал Датчик I2C Левый двигатель Джордж Буш-младший, после чего управления в Австралии, Великобритании, Гер- мании сегвей на время запретили к Сигнал готовности эксплуатации на дорогах с присут- Микроконтроллер ствием других участников движения. В 2009 году миллионер Джимми Хесел- Датчик наличия Данные ден выкупил компанию Segway, а спу- человека стя год, катаясь по своим владениям, не справился с управлением и упал с Беспроводной Драйвер Правый двигатель 24-метрового обрыва в реку. C 2011 года интерфейс двигателя аналоги двухколёсного сегвея массо- во производятся в КНР. Такими были Рис. 3. Схематическое описание основных элементов сегвея мини-сегвей Robin-M1, позже вышли Inmotion R1 и другие модели. двигателями, соединёнными с при- роны от «водителя», внешне напоми- водом колес. Управление осуществля- нающий колесницу, имеет следующие Особенности управления ется плавно, что лишает возможности технические характеристики: стартовать с «проворотом» колес, как ● дальность хода – 40 км; Электронная система управления на автомобилях с неавтоматической ● максимальная скорость – 18 км/ч устройством не претерпела значи- КПП. В этом смысле система управ- тельных изменений. Система Dynamic ления приводом колёс напоминает (ограничена, см. выше); Stabilization имеет свои особенности. ту, что задействована в электропоез- ● мощность двигателей (суммарная) – В первых моделях сегвея устанавлива- дах, плавный набор скорости. ли только 5 гироскопов и электронный 1000 Вт; контроллер, «опрашивающий» гиро- На рис. 1 Дин Кеймен с сегвеем 2001 ● предельный угол наклона – 14°; скопы-датчики с частотой 100 раз в года, продемонстрированным на теле- ● максимальная нагрузка – 120 кг; секунду. Так определялся «уход в сто- канале широкому телезрителю. ● диаметр колеса – 14″; рону» от нейтральной балансировки ● масса – 22 кг, размеры – 1280×613×587 мм; при изменении положении корпу- Каждый двигатель имел мощ- ● АКБ – литий-ионная, энергоёмко- са пользователя во время движения ность (тягу), эквивалентную двум л. с. устройства. Указанной частоты впол- На рис. 2 представлен вид c открытой стью 520 Вт/ч; не было достаточно. Однако микрокон- крышкой корпуса гироскутера произ- ● время зарядки аккумулятора – 6 ч троллер в современных моделях сег- водства КНР модели Airwheel S3/S3T. веев опрашивает датчики с большей штатным ЗУ мощностью 60…70 Вт. частотой, что повышает надёжность В комплекте к такому гироскутеру На рис. 3 представлена блок-схема и безопасность управления устрой- поставляются 2 беспроводных ключа основных элементов сегвея. ством. Микроконтроллер формирует с технологией Bluetooth, служащие для Дополнительный функционал: сигнал управления электрическими управления гироскутером. Электриче- дисплей Bluetooth, LED-подсветка, ское самобалансирующееся транспорт- динамики, пульт управления, прило- ное средство – персональный транс- жения для Android и для iOS. Несколь- портёр компании Segway Inc. с двумя ко лет назад внедрена разработка бес- колёсами, расположенными по обе сто- проводного регулятора, управляющего в том числе скоростью движения. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 15
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Рис. 4. Внешний вид мотоколяски PUMA Рис. 5. PUMA на Международном автосалоне в Нью-Йорке 2012 года Рис. 6. Промежуточный вариант вые представлена на Международном тате одномоментно объявить «револю- капсулы на основе сегвея автосалоне в Нью-Йорке 2012 года в цию» индивидуальных мобильных экспериментальном варианте (рис. 5). средств передвижения на электротяге. Эволюция сегвея до электрокапсулы Она позволяет двигаться экономич- К слову, в таком стиле «тайны» уга- но – на электротяге. Безопасность элек- дывается поведение самого «перво- Различают «городские» сегвеи и трокапсулы основана на алгоритме, изобретателя» Кейми, и вот почему. «внедорожные» по более мощным просчитывающем углы наклона для В январе 2001 года, выступая по наци- колёсам и протектору. Но главная эво- возможности безопасного ускорения ональному телевидению США, 49-лет- люция сегвеев в расширении… каби- и торможения. GM-Segway PUMA на ний изобретатель сказал (дословно): ны. Два года назад появились устрой- одной зарядке АКБ покрывает рассто- ства с тем же принципом действия яние почти в 50 км. Концептуально – Я пока молчу, но настанет время, гироскопов – штангой управления, это устройство весьма перспективно. и я вам покажу такое, что перевернёт в форме двухместных двухколёсных За декаду лет с помощью инженер- весь мир. транспортных средств, напоминающих ной мысли совместные проекты двух капсулу. Такова совместная разработ- известных американских фирм поро- Затем перед телезрителями высту- ка Segway и General Motors – с объеди- дили несколько разных форм капсул, пил один из отцов Apple Стив Джобс нением преимуществ электромобиля к примеру, такие как на рис. 6. и сказал: и сегвея. Условно новый вид пока не очень распространён в России, одна- Подзарядить такой электромобиль – Вот он пока молчит, но настанет ко ничто не мешает этому. Подобные можно будет за 20–30 минут. Не то что время, и он вам покажет такое, что устройства продаются в Финляндии – пионерскую модель 2001 года сегвея перевернёт весь мир и заставит в буду- этому я свидетель, – а также в США и Дина Кеймена. Одновременно разра- щем строить города с учётом этого… по всему миру. Двухместная коляска ботчики доводят модель к массовому имеет динамическую балансировку, производству по разным направлени- Эта краткая ремарка много говорит передвигается на электрической тяге, ям, отдельным проектом разрабатыва- о связи между людьми и явлениями. но оснащена рамой и кабиной на двух ется одно- и двухместные «капсулы» Действительно, ведь в революцион- человек, скорость достигает 60 км/ч. для лиц с ограниченными возможно- ном принципе передвижения, исполь- Это один из новых видов индивиду- стями здоровья. Конвейерный выпуск зованном в самокатах Segway, кроет- ального электротранспорта завтрашне- электрокапсул (разных моделей) наме- ся огромный потенциал, и его вполне го дня. На рис. 4 представлена мотоко- чен на весну 2023 года. можно приспособить к индивидуаль- ляска-капсула PUMA. ным транспортным средствам завтраш- В 2014 году одну из бывших ком- него дня. В передней части капсула имеет паний Кеймена выкупила китай- два «страховочных» колеса диаме- ская фирма, сохранив производство в Литература тром 12 см, для устойчивости на пар- США; до последнего времени оно там ковке. Электроколяска PUMA (Personal и было, теперь – в КНР. Сегвеи про- 1. Кашкаров А.П. Сигнализатор наклона Urban Mobility and Accessibility) впер- должают выпускаться и продаваться. Конструкторы в КНР и США сейчас автомобиля на основе электронного гиро- не горят желанием общаться по это- му поводу с журналистами и ограничи- скопа // Радиолюбитель. 2007. № 5. С. 20. ваются скупыми пресс-релизами даже на мои запросы. В секрете держатся и 2. Кашкаров А.П. Электронный гидроуро- технические подробности. Однако это логично и понятно свидетельствует об вень // Радиомир. 2008. № 2. С. 42. ответственной работе над инновацион- ным вариантом сегвея, чтобы в резуль- 3. URL: https://electrotransport.ru/ussr/index. php?topic=37552.1656. 4. URL: https://motocafe.ru/moto-news/1214- -gm-segway-puma.html (фото). 5. URL: https://carsweek.ru/news/News_in_ the_world/1216086/ (фото). 6. URL: https://cont.ws/@sam8807/1723132. 7. URL: https://news.myseldon.com/ru/news/ index/232137826. 16 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НОВОСТИ МИРА В Зеленограде построен завод ники НПО «Всесоюзный научно-исследо- лонов, помещением и нормативными до- электронных измерительных вательский институт физико-технических кументами. приборов и радиотехнических измерений». Сегодня на предприятии постоянно ведётся науч- «“Алабушево” – крупнейшая из террито- На площадке «Алабушево» особой эко- но-исследовательская и конструкторская рий столичной особой экономической зо- номической зоны (ОЭЗ) «Технополис Мо- работа, создаются приборы и датчики для ны, она занимает почти 160 гектаров. Сегод- сква» завершено строительство завода по измерения температуры, в том числе для ня площадка динамично развивается, там производству электронных измеритель- работы в составе приборов коммерческо- локализовано 55 предприятий, из них 29 об- ных приборов. го учёта тепла и повышения энергоэффек- ладают статусом резидента ОЭЗ “Технопо- тивности сферы ЖКХ. лис Москва”. Это производства, специали- Об этом сообщил заместитель мэра Мо- зирующиеся на выпуске микроэлектроники, сквы по вопросам экономической полити- «Компания “Термико” является резиден- оптики, робототехники и промышленной ки и имущественно-земельных отношений том особой экономической зоны столицы автоматизации, медицинского оборудова- Владимир Ефимов. с 2014 г. и поставляет термометры для по- ния, биофармацевтики, современных мате- требностей жилищно-коммунального хо- риалов и энергоэффективных технологиях», «Компания “Термико” получила разреше- зяйства Москвы. Площадь нового завода – отметил генеральный директор ОЭЗ «Тех- ние на ввод в эксплуатацию администра- по производству точных измерительных нополис Москва» Геннадий Дёгтев. тивно-производственного корпуса для раз- приборов составит более 2,4 тыс. квадрат- работки и производства средств измерения ных метров. Благодаря этому предприя- Резиденты особой экономической зо- температуры на зеленоградской площад- тию в городе появится 90 новых рабочих ны имеют право на значительные льго- ке “Алабушево” особой экономической зо- мест», – отметил руководитель Департа- ты. Компании на 10 лет освобождают от ны столицы. Инвесторы вложили в новое мента инвестиционной и промышленной уплаты имущественного, транспортного предприятие свыше 154 млн руб. Сырьё политики Москвы Владислав Овчинский. и земельного налогов. Ставка налога на и материалы, из которых будут изготавли- прибыль для них составляет всего два про- вать измерительные приборы, полностью Сегодня предприятие выпускает более цента. Резиденты также могут арендовать российские», – сказал Владимир Ефимов. 30 видов средств измерения температу- землю по сниженной ставке. Кроме того, ры. Также компания создала собствен- в ОЭЗ «Технополис Москва» действует ре- «Термико» – производитель техниче- ную аккредитованную метрологическую жим свободной таможенной зоны. ских средств измерения температуры в службу с необходимым количеством эта- России. Компания продолжает советские russianelectronics.ru научные традиции, её основали сотруд- OLED-дисплеи Raystar Специсполнение по ТЗ заказчика Прозрачные модели АВТОМОБИЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • СИСТЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ • ИЗМЕРИТЕЛИ МОЩНОСТИ • БЫТОВАЯ ТЕХНИКА • МЕДИЦИНСКИЕ ПРИБОРЫ Характеристики • Низкая потребляемая мощность 10 мА (схемы управления – токовые) • Яркость экрана до 150 кд/м2 обеспечивает считывание изображения при ярком солнечном свете • Светоэмиссионная схема: не требуется система подсветки • Высокая контрастность 10 000:1 • Короткое время отклика: 10 мкс при температуре +25°C • Широкий угол обзора до ±175° • Широкий диапазон рабочих температур от –40 до +80°C • Цвет свечения: жёлтый, зелёный, красный, белый, синий • Малая толщина модуля дисплея, небольшой вес • Формат изображения: • Срок службы: 50 000 ч для белого и синего цвета; 122×32, 128×64, 240×64, 256×64 и 96×64 точки 100 000 ч для жёлтого, зелёного, красного цветов ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 17
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Обзор инновационных разработок электронных модулей в области робототехники Андрей Кашкаров ([email protected]) MIA-M10. Это энергоэффективное реше- ние для контроля перемещения объ- Продолжая тему инновационных разработок в сфере электроники в ектов. Модуль поддерживает GNSS- 2023 и последующих годах, невозможно оставить без внимания сегмент сервис u-blox AssistNow и сервис u-blox робототехники, который связан причинно-следственным образом с CloudLocate, который переносит рас- современными технологиями, как «мать и дитя». Электронные модули чёт местоположения в облако, что из-за (ЭМ) в робототехнике имеют значительный потенциал развития. О том, меньшего расхода энергии продлевает как робототехнические системы на основе ЭМ могут быть использованы срок службы IoT-устройств. В практиче- для повышения безопасности, эффективности и устойчивости разных ских вариантах разработчиком заявле- операций, в том числе в агрессивных средах и в экстремальных ны возможности применения модуля не условиях, поговорим в статье. только в робототехнике, но и, например, для отслеживания перемещения людей, Технологии IoT применяется повсе- ми время, когда охотиться на мед- в логистике – потребительских товаров, местно, однако мы знаем, что эта сфера ведей будут электронные медведи автомобилей, в хозяйстве – домашних в основном развивается за счёт совершен- (в сопоставимом визуально обличье), и фермерских животных, в природо- ствования датчиков различного назначе- и такая охота, с одной стороны, будет пользовании для изучения миграции ния, коммуникации и передачи (анализа) много эффективней по результату, а с диких животных и птиц, а также во мно- информации. И есть область, где в соот- другой – не потребует участия биотех- гих иных случаях. ЭМ со сверхнизким ветствии с вызовами времени необходи- нии (термин охотничьего хозяйства) энергопотреблением, системой подза- мо заменить человека: там, где нужно для прикормки животных; таким обра- рядки от энергии солнца и аккумуля- совершать механические действия, пре- зом, не придётся засевать периферий- тором обеспечивает работу до полуго- восходящие человеческие возможности. ные участки поля овсом – признанным да при благоприятных условиях. лакомством медведей. Это лишь один Развитие робототехники в последние из примеров гипотетической экономии Сверхнизкое энергопотребление без годы активизировалось именно в этом ресурсов. Для человека-охотника пер- ущерба характеристикам GNSS ведёт к направлении: в обиход санкциониро- спектива тоже понятна. Если согласно увеличению в почти два раза времени ванно внедряются интегрированные доступным в литературном наследии автономной работы. Баланс между точ- в системы электронные устройства с откровениям писателя Юрия Рытхэу ностью позиционирования, стабильно- ИИ, способные к автономной работе (Чукотский АО) в середине ХХ века стью, возможностью работы в условиях в течение десятков часов, обладающие охотник ходил в лес с телефонной буд- различных температур и (или) агрес- механическим приводом. Все три фак- кой, а завидев матёрого кабана, медве- сивных сред и энергопотреблением – тора, но особенно механический при- дя или волка, тут же бросал её, и тогда перспективная задача разработчиков вод, – важная составляющая развития бежать ему становилось легче, теперь современной элементной базы РЭА. робототехники, направление её беско- вообще не понадобится ходить в лес Корпус MIA-M10 размером 4,5×4,5 мм нечного совершенствования. Причём на охоту: добычу принесут и раздела- даёт возможности для компактных такие системы оснащены современ- ют электронные животные-помощни- решений. Такой форм-фактор пример- ными датчиками, элементами фикса- ки. Впрочем, я люблю животных и не но в два раза меньше, чем условные ции данных, высокоскоростной цифро- очень приветствую охоту на них – при- аналоги модуля, выпускавшиеся ранее. вой связью, делающими их частью так мер напросился только для иллюстра- Таким образом, отметим ещё одну важ- называемого Интернета вещей – IoT. ции. Современная робототехника на ную тенденцию: робототехника, имея основе новейших электронных моду- зависимость от форм-фактора состав- Простые примеры несомненной лей очень перспективна. ляющих устройство модулей, стремит- пользы автоматизированного и управ- ся к минимизации размеров. ляемого дистанционно или даже авто- Инновационная элементная номно с помощью ИИ механического база Устройства u-blox семейства M10 обла- привода – устранение помех на доро- дают высокой радиочастотной чувстви- ге, завалов, последствий аварий, раз- Затруднительно в одной статье охва- тельностью для качественного и стабиль- минирование и различные бытовые тить все новинки, остановимся лишь ного позиционирования по времени и задачи вплоть до открывания дверей. на наиболее важных для отрасли. месту. К примеру, модуль MIA-M10 одно- Электронный швейцар, которому не временно принимает информацию от нужно давать чаевые, – весьма извест- Появилось дополнение в серии при- четырёх групп GNSS (GPS, Galileo, BeiDou ная концепция. Электронная собака, ёмных модулей GNSS (глобальной и ГЛОНАСС), что обеспечивает макси- кошка или иное домашнее животное – навигационной спутниковой систе- мальную доступность и качество приё- крайне популярная идея. Не за гора- мы) от швейцарской компании u-blox ма спутникового сигнала. В сочетании 18 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Рис. 1. Пример схемы рекомендуемого применения (при Рис. 2. Схемы применения модуля TLP5222 (отрицательный использовании положительного источника питания затвора, источник питания затвора, схема внешнего буферного детектирования DESAT, схемы активного зажима зеркала) транзистора при использовании обнаружения DESAT) с радиочастотной чувствительностью инновационной защиты от перегрузки Перспектива современной надёжное позиционирование обеспе- основан на контроле выхода транзисто- робототехники, или гибкий чивается компактной (буквально миниа- ров из состояния насыщения, актив- скоростной робот тюрной) антенной, но при этом без поте- ном подавлении ёмкости Миллера. ри связи в условиях слабого сигнала, что Перспектива развития робототех- актуально в массовой городской застрой- Независимые выводы модуля UVLO ники прямо связана с разработками ке или, к примеру, в ситуациях несанк- (пониженное входное напряжение) запрограммированных возможностей ционированного глушения радиоволн и FAULT (неисправность) дают пер- роботов, внедрения ИИ на уровне прак- ангажированными лицами или сооб- спективу разработчику реализовать на тического представления об объекте, ществами в формате нарушения связи основе модуля законченную конструк- а это не столько сбор данных посредством и в контексте радиоэлектронной борьбы. цию без надобности в других совме- «умных» датчиков различного назначе- щённых системах защиты оборудова- ния, но и автономный анализ данных Сильноточный интеллектуальный ния. Двухтактный выходной каскад с без (или с минимальным) участием уда- оптоизолированный драйвер для управ- двумя n-канальными MOSFET обеспе- лённого сервера. Автономность робота ления затворами IGBT и MOSFET в око- чивает совместимость со специфика- влияет на его эффективность, которую нечных и силовых узлах универсально- циями различного промышленного условно можно назвать быстродействи- го назначения в 2022 году выпустила в оборудования, созданного по разным ем, ибо нет рисков потери связи с серве- серию Toshiba Electronics Europe. Двух- стандартам и ТУ. Это снижает систем- ром и технической задержки при пере- тактный выход TLP5212 с низкой ные расходы на выявление неисправ- даче информации. Качественный робот задержкой 250 нс и разбросом задер- ностей и защиту, экономит место в должен уметь смотреть, слушать, нюхать жек распространения сигнала между корпусе робота. Для восстановления и сканировать, чтобы определить ситуа- транзисторами не более 150 нс дела- TLP5212 после срабатывания защиты цию почти как человек, – некий аналог ет устройство пригодным для высо- требуется подача сигнала на специаль- мобильного инспектора с функционалом коскоростных приложений. Диапазон ный вывод драйвера. Ещё один усовер- механического воздействия. Такова пер- рабочих температур драйвера состав- шенствованный модуль TLP5222 с авто- спектива развития отрасли. ляет от –40 до +110°C, что обеспечи- матическим возобновлением работы вает возможность использования в после перегрузки ожидается в серии К примеру, интеллектуальный робот- промышленном оборудовании, работа- с 2023 года. мобиль CrowBot BOLT основан на бес- ющем от возобновляемых источников проводном микроконтроллере ESP32, энергии, и в системах для военпрома. На рис. 1 представлена типовая схе- предназначенном для программиро- Такой результат достигнут благода- ма включения при использовании вания робота в формате Arduino или ря ИК-светодиоду специальной разра- положительного источника питания MicroPython [8]. А пока группа иссле- ботки Toshiba, предназначенному для затвора, детектирования DESAT, схе- дователей из университета Йоханне- работы в широком диапазоне темпера- мы активного зажима зеркала. са Кеплера (Австрия) создала серию тур, в том числе в «суровых» условиях. малых электромеханических роботов с На рис. 2 представлена типовая четырьмя лапами, взяв в качестве про- Драйвер предназначен для управле- схема включения модуля TLP5222 с образа гепарда. Анонсированы функ- ния затворами IGBT и MOSFET током отрицательным источником питания ции ходьбы, бега, прыжков и плаванья. до 2,5 А, что положительно оценили затвора внешнего буферного транзи- При этом все движения выполняются с и активно используют разработчики стора при использовании обнаруже- очень высокой скоростью по отношению робототехники в подвижных узлах с ния DESAT. к малым размерам этих роботов. Такое не электродвигателями и электропневма- снилось даже писателю Лескову («Лев- тическими цилиндрами. Кроме того, Подробные характеристики модуля ша») и коллективу тульских оружейни- защита модуля от токовой перегрузки можно уточнить в [9]. ков, подковавших «аглицкую блоху». позволяет применять его в инверторах бесперебойного питания, сервоприво- Новый модуль выпускается в корпусе Создание миниатюрных роботов дах переменного тока, фотоэлектри- SO16L с размерами 10,3×10×2,3 мм, что является сложным делом из-за отсут- ческих преобразователях и системах позволяет использовать его в условиях ствия высокоскоростных приводов необ- питания. Реализованный функционал ограниченного пространства. Соблю- ходимых размеров. Инновация в том, дены требования к высокому уровню что привод воплощён в мягком и гиб- безопасности: напряжение изоляции – 5000 В. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 19
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Рис. 3. Полимерная площадка с проводящим электрический ток элементами – основа миниатюрного робота австрийского производства ком «теле» робота на основе эластично- Рис. 4. Внешний вид бегового робота разработки учёных университета Йоханнеса го полимерного материала с примене- Кеплера нием резины и условных ЭМ-катушек в виде проводников из проводящей ток роботов «размером с почтовую марку» техники в ближайшие десятилетия металлизированной пленки. Для этого показало их возможности в развитии XXI века. конструкторам понадобился 3D-принтер скорости на почти идеальной поверх- и 3 года исследований и промежуточ- ности до 70 BL/с. Это в эксперименте. Тем временем «робот-собака» ещё ных экспериментов. Конструкция управ- А оснащённые собственной батареей и в 2019 году поступил в продажу [3]. ляется при помощи электрического тока микроконтроллером роботы перемеща- Он создан на основе разработок в Мас- и магнитного поля. В соответствии с ются со скоростью до 2,1 BL/с. Скорость сачусетском университете в 2015 году. импульсным воздействием электриче- в воде при почти идеальных условиях Этот робот с интересными функция- ского тока на условную обмотку катуш- (безветрие и отсутствие шторма) зафик- ми и развитым механическим приво- ки эластичный материал скручивает- сирована до 4,8 BL/с. дом предназначен для промышленно- ся в U-образную форму и разгибается. го использования. Управление катушками осуществляет- Иллюстрация «австрийской» моде- ся при помощи датчиков и микрокон- ли миниатюрного робота, которому Среди роботов, продемонстрирован- троллера, дающего команду движения мы посвятили описание, представле- ных на конференции Aker BP 11 февраля конечностям и регулирующим скорость. на на рис. 4. 2020 года, четвероногий экземпляр, разра- Благодаря этому миниатюрного робо- ботанный Boston Dynamics [2]. После пре- та заставили сгибаться и выпрямлять- Самым быстрым среди роботов зентации и получения роботов несколько ся в горизонтальной плоскости (рис. 3). всех размерных классов остаётся MIT компаний, в том числе Cognite, специали- Соответствующее воздействие управля- Cheetah 2 – четвероногий «гепард», спо- зирующаяся на разработках ПО для ИИ, ющими импульсами слабым электриче- собный развивать скорость 6,4 м/с, что и Aker BP, протестировали модели в ским током на ЭМ-поле вокруг катушек выше средней скорости велосипедиста. нефтегазовых средах. Были сделаны приводит к разной частоте колебаний Подробно о классе миниатюрных, гиб- выводы о том, что такие роботы, напоми- полимера и, таким образом, развитию ких и скоростных роботов написано в нающие собак или животных, подходят скоростных перспектив. [5]. Видеопрезентация движения осно- для контроля оборудования в труднодо- вы миниатюрного робота на эластич- ступных местах и на удалённых объек- Для сравнительных способностей ных материалах представлена в [7]. тах. Иллюстрация одной из таких моде- миниатюрных роботов исследователи лей представлена на рис. 5. приняли за единицу скорости условно Несомненный «плюс» рассмотрен- новый термин «длина участка измене- ной модели в мобильности и гибкости К роботу задуманы приложения-аксес- ния тела за 1 секунду» (body lengths per при преодолении препятствий. Как суары: например, для противоскользя- second, BL/с), что позволило формализо- правило, все созданные ранее робо- щего эффекта при передвижении к вать признаки скорости и сопоставлять ты с возможностью быстрого пере- конечностям прикрепляют игольчатые возможности разных роботов, неживых, движения были большими и слож- аналоги ледоступов. Видеопрезентация да и живых существ, при необходимо- ными устройствами. Это одна из «робопса» представлена в [6]. сти, тоже. К примеру, типичный гоноч- проблем робототехники, стремящей- ный автомобиль в классе «Formula-1» ся к минимизации форм, – как в своё Импортозамещение может двигаться со скоростью 50 BL/с. время часы-хронометры из массивных в любезном нашем Отечестве Бегущий гепард развивает скорость методом технического усовершенство- 20–30 BL/с. В этом примере, разумеет- вания деталей-элементов преобрази- По сообщениям ведущих новостных ся, надо учитывать, что металлический лись в миниатюрные. Таков один из агентств, 2 декабря 2022 года на II Кон- кузов автомобиля не может изгибать- аспектов развития интеллектуальных грессе молодых учёных в технопарке ся, как подвижная полимерная осно- активов в широком смысле. Это ожи- «Сириус» под эгидой Сбера презенто- ва. Данные эксперимента опубликова- дает и разработки в области робото- вали «робокота» с некоторыми функ- ны в [5]. Состоявшееся и признанное циями живого: мурлычет, изгибаясь, успешным тестирование миниатюрных 20 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Рис. 5. Модель робота-собаки, разработанная в Boston Рис. 6. Внешний вид робота-кота, презентованного под Dynamics эгидой Сбера отвечает на поглаживание, ласку; свер- тивность. В ситуации, когда робот нахо- ром. При этом робот вполне заменит кает глазами, умеет ходить и бегать. дится на удалённом объекте, считывая несколько разных датчиков контро- Очень похож на настоящего, только без показания датчиков, он собирает и фор- ля, от визуальных до запаха газа, что функционала размножения [4]. Изо- мализует пакеты цифровых данных о актуально в соответствующей обла- бражение робота-кота образца 2022 том, как работает оборудование. Робот- сти. Но когда оборудование отключа- года представлено на рис. 6. помощник может выполнять широкий ют для регламентных работ, обновле- спектр инспекционных задач на про- ния элементов системы, ремонта или Он «обрёл жизнь» в рамках акаде- мышленных объектах, что повыша- для устранения последствий аварии, мического проекта, а основа модуль- ет безопасность, надёжность и эффек- ситуация может меняться динамично. ной схемотехники – открытая китай- тивность деятельности предприятия. Для людей это деятельность с услов- ская платформа-конструктор. но более высоким риском. Робот в дан- Среди решаемых задач – работа в ном случае используется как электрон- Эксплуатация условиях с повышенным риском для ный субъект наблюдения с высокой и профилактическое обеспечения максимальной безопас- мобильностью и возможностью момен- обслуживание роботов ности людей. Так можно снизить риск тальной передачи данных оператору. в промышленных условиях для проверок в зонах с высоковольтны- ми трансформаторами. Как частный Что обеспечит робот? Изучение потенциала робототехни- случай, этим может заинтересовать- ки в промышленности, в частности ся отечественная компания РЖД и её Считывание показаний датчиков и в нефтегазовой отрасли, приводит к дочерние предприятия. Травматическая приборов на их основе, обнаружение выводам, что современному автономно- опасность на объектах транспорта сохра- утечек, обнаружение шумовых анома- му устройству требуются мобильность няется на высоком уровне. Условно гово- лий, тепловизионный контроль, обна- и гибкость в преодолении препятствий. ря, охрана труда не поспевает за науч- ружение газа и общий удалённый кон- Тенденцию к развитию имеет направле- но-техническим прогрессом. Как были троль системы. К примеру, контроль ние в оснащении роботов – прообразов случаи поражения электрическим током аналоговых датчиков вместо визуаль- животных с полезными нагрузками дат- от подвесной контактной сети на ж. д. ного осмотра человеком можно пере- чиков LIDAR для последующего созда- (при проверке и контроле уровня напол- поручить мобильному роботу, а счи- ния 3D-моделей или цифровых двойни- ненности цистерн и опломбирования танные и формализованные (что удобно ков. Это позволяет незаменимым пока верхних люков), так и остаются. Вме- для сравнения и обработки) в цифро- людям-операторам виртуально обследо- сто человека, подверженного эмоцио- вом виде данные представляют луч- вать труднодоступные объекты из безо- нальным реакциям на вызовы времени, шую форму отчётности, чем составле- пасного удалённого места. Что касает- настроению, забывчивости, робот сде- ние её человеком-оператором. Контроль ся нагрузочной способности, то модели, лает ту же неквалифицированную рабо- утечек субстанций в жидком или газо- представленные на рис. 4 и 5, имеют ту быстро и чётко. Робот уместен в каче- образном виде, аналитический кон- такие возможности. По сути, это услов- стве первого «проверяющего» во время троль звуков, посторонних шумов, в том но «грузовые» роботы. Они могут нести чрезвычайных ситуаций, сбора визуаль- числе при срабатывании датчиков ава- на корпусе до 14 кг дополнительного ной информации, помогающей подгото- рийной сигнализации, – всё это теперь оборудования. При этом скорость пере- вить группы реагирования, состоящие дело интеллектуального робота, осу- движения, как показали тесты, снижа- из людей или других роботов. ществляемое с помощью видеокамер, ется незначительно. микрофонов, газоанализаторов, дру- Контроль объекта с помощью робо- гих периферийных устройств. Новые В нефтегазовой промышленности та подходит для ситуации с периодиче- возможности позволяют высвобож- сосредоточены потенциально опас- ским отключением оборудования. Ког- дать сотрудников для выполнения задач ные объекты с разным функциональ- да оборудование работает в штатном более высокого уровня, при этом сохра- ным оборудованием, нуждающемся в режиме, достаточно его контролиро- няя кадры в целости и безопасности для постоянном контроле. Три основных вать визуально: по датчикам и пара- других, «неавтоматизированных» про- приоритета стабильности предприя- метрам, анализируемым компьюте- тия: безопасность, надёжность и эффек- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 21
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ фессиональных действий. В нынеш- ность управляемых прыжков, есть гиб- дании к другому. К сожалению, одна из них экономических условиях увеличе- кость применения в разных средах, проблем современного социума в том, ние производительности труда крайне поэтому он эффективен в результате. что у людей нет опыта критического важно. Ибо много времени на любом мышления, этому просто не учат. В тече- производстве тратится на регулярный Когда недостаточно одного ние десятилетий, а может быть, и столе- инструктаж и обеспечение безопасности тий, такого социального опыта не было. труда. Среди возможных сфер примене- Чтобы роботизированные электрон- В наше время человек с лёгкостью ухо- ния роботизированной дистанционной ные системы были эффективными, их дит в социальные сети, в сферу развития инспекции считывание показаний дат- нужно много; не получается на боль- робототехники, обособляясь от натураль- чиков различного назначения, проверка шом производстве решить задачи одним ных контактов, при этом, несомненно, корректного функционирования и изо- только «электронным помощником- теряет в духовности и участии. В стари- ляции электро- и пневматических кла- инспектором». Не только навигация, ну на Руси говорили не «я тебя люблю», панов (электрооборудования в целом) – но и, главным образом, большие рас- а «я тебя жалею». Этого человеческого всё это заменяет квалифицированное стояния между терминалами и точками участия в робототехнике в обозримом человеческое участие. «контроля» дают предпосылки к «разве- будущем не предвидится. Как сказано у дению» нескольких десятков подобных С. Лема (на основе произведения были Способность роботов, которые при необходимости поставлены несколько версий фильма ориентироваться могут дублировать друг друга, повышая «Солярис»), мы единственные разум- в автономном режиме устойчивость системы и производства к ные существа, осознающие, что жизнь разным рисковым факторам. конечна. Искусственный интеллект пока Способность ориентироваться «элек- не достиг такого уровня. Предлагаю об тронными инструментами» практи- Действительно, такая «электронная этом помнить и ценить друг друга. чески на любой местности – большая псина о четырёх лапах» может взби- ценность нашего «альтернативно- раться на каменные сваи, преодоле- Литература го помощника». Даже условно «древ- вать разноуровневые участки, ходить ние» роботы на гусеничной платформе, и бегать по бетону, асфальту и гра- 1. Манёвренный мобильный робот каков, к примеру, робототехнический вию. Для современной робототехни- комплекс разминирования модели ки почти не существует нерешаемых Boston Dynamics. URL: https://www. «Уран-6», применяемый в войсках и задач, постепенно мы в этом убедим- оперативных службах по обезврежи- ся. Некоторые исключения изложены bostondynamics.com/products/spot. ванию взрывчатых веществ мощно- в результирующей части обзора. Тем сти 60 кг тротилового эквивалента, не менее всё предусмотреть невозмож- 2. Изучение потенциала робототехники в хоть и работают уверенно по гравий- но, и в разных условиях приходится ной поверхности, имеют недостат- решать конкретные задачи. К примеру, нефтегазовой отрасли. URL: https://akerbp. ки загрязнения при воздействии вла- на производстве, где много металличе- ги и грязи. Кроме того, их вес около ских профилей, ограждений, лестниц com/exploring-the-potential-of-robotics-in- 6 т. Для решения тех же задач представ- и сеток, первые экземпляры роботов ляются гораздо удобнее инновацион- «теряли бдительность», восприни- the-oil-and-gas-industry/. ные робототехнические разработки: мая «картинку» неоднозначно. Эти быстрые, манёвренные, лёгкие и, воз- проблемы решаются доработкой ПО. 3. Брехер Х. Робот-собака о четырёх лапах. можно, даже одноразовые. Компании-разработчики из Woodside и Boston Dynamics регулярно обновляют Сайт Boston Dynamics. URL: https://www. При этом общий успех зависит от программное обеспечение и совершен- условий конкретного помещения, его ствуют систему. Удобство платформы notebookcheck.com/Boston-Dynamics-Spot- площади, объёма, участков открытой и ПО для пользователя – одна из важ- дистанции или пересечённой мест- нейших задач робототехники. Der-professionelle-Robo-Hund-geht-in-den- ности, труднодоступных мест в обо- рудовании больших терминалов (не Выводы Verkauf-Video.435677.0.html. только складских) и покрытий, кото- рые затруднительны для преодоления Безопасность жизнедеятельности 4. Презентация «Робокота» на II Кон- колёсной техники. Тем более в услови- человека и производства отныне мож- ях пересечённой местности, что неиз- но доверить роботам. Рассмотренным грессе молодых учёных. Новость от бежно при технических катаклизмах, моделям и примерам присущи мобиль- авариях большого масштаба. Добрать- ность и гибкость преодоления препят- 02.12.2022. URL: https://ria.ru/20221202/ ся до таких мест быстро не получится. ствий. Такие способны перемещаться Или вообразите себе завод с огромной практически по любой местности. Но robokot-1835885016.html. территорией, где оборудование раз- и их нужно кому-то контролировать. мещено на большой площади, поли- 5. Губайловский В. Созданы самые быстрые гон для испытаний в 3–5 километров. Робототехника даёт разработчикам и Пока доедешь, солнце зайдёт за гори- потребителям многофункциональный среди миниатюрных роботов. URL: https:// зонт, и рабочий день закончится. Ско- набор инструментов, расширяющий воз- рость движения робота с имитацией можности человека, окрыляет мыслью, www.techinsider.ru/technologies/news- «лап гепарда», в отличие от колесных что мы можем делать то, о чем раньше платформ, намного выше, есть возмож- даже не мечтали. Однако важно не забы- 1551012-sozdany-samye-bystrye-sredi- вать о сути человеческой жизни, нату- ральной коммуникации, участии, состра- miniatyurnyh-robotov/. 6. Видеоперспектив«робопса».URL:https://www. youtube.com/watch?v=wlkCQXHEgjA&t=12s. 7. Видеоиллюстрация движения основы миниатюрного робота на эластичных материалах. URL: https://www.ridus.ru/ sozdan-myagkij-i-gibkij-robot-kotoryj-begaet- bystree-geparda-386564.html. 8. Автомобиль-робот CrowBot BOLTURL. URL: https://www.cnx-software. com/2022/12/05/getting-started-review- crowbot-bolt-education-smart-robot-car/. 9. Новинка. Модуль TLP5222 с автомати- ческим возобновлением работы после перегрузки. URL: https://toshiba.semicon- storage.com/info/TLP5222_datasheet_ ja_20220722.pdf?did=143285&prodName= TLP5222. 22 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НОВОСТИ МИРА КНР объявила о планах запуска дирования Земли коммерческого назначе- Импорт интегральных свыше 200 космических ния нового поколения. микросхем в КНР снизился аппаратов в 2023 году впервые за 19 лет Корпорация также пообещала обнародо- Китайская корпорация аэрокосмической вать информацию о возможностях ракет-носи- В прошлом году Китай впервые по науки и технологий планирует запустить в телей для коммерческого запуска и предоста- меньшей мере с 2004 года снизил им- 2023 году более 60 ракет-носителей и вы- вить клиентам возможность воспользоваться порт интегральных микросхем, сооб- вести на орбиты свыше 200 космических услугой коммерческого космического запуска. щило в субботу агентство Bloomberg со аппаратов, сообщает Синьхуа в четверг ссылкой на данные таможенной служ- со ссылкой на отчёт корпорации. В рамках четвёртой фазы проектов по бы КНР. исследованию Луны, Марса и Вселенной В частности, корпорация в этом году осу- Китай в этом году продолжит разрабаты- Напомним, в 2022 году США ввели ществит запуски трёх космических кора- вать зонды «Чанъэ-7» и «Тяньвэнь-2», а так- ограничения на экспорт в Китай некото- блей для доставки космонавтов и грузов же геостационарный микроволновой зонд. рых видов полупроводников, применяе- на китайскую космическую станцию. Сре- мых для создания продуктов на основе ди них – грузовой «Тяньчжоу-6» и пилоти- Ожидается, что в этом году состоится технологий искусственного интеллекта и руемые «Шэньчжоу-16» и «Шэньчжоу-17». первый полёт ракеты-носителя «Чанчжэн- для организации вычислений на супер- 6В»/CZ-6С или Long March-6С/. Количество компьютерах. Для улучшения глобальной навигацион- полётов ракет-носителей серии «Чанчжэн» ной системы «Бэйдоу-3» Китай планирует за- превысит отметку в 500. В итоге импорт КНР микросхем в 2022 го- пустить три резервных спутника. При этом ду сократился на 15% до 538,4 миллиарда корпорация пообещала ускорить создание Напомним, что Россия производит 15 спут- штук. В 2021 году этот показатель состав- космической системы дистанционного зон- ников в год, предел наращивания выпуска лял 635,6 миллиарда чипов. на нынешних предприятиях – 42 спутника в год. Китай за год выпускает 500+ спутников, При этом импорт Китаем микросхем SpaceX – шесть спутников в день. К 2026 году рос в 2021 году (+17%), в 2020 (+22%) и в в России должны выпускать 200–250 спутни- 2019 году (+6,6%). ков в год, к 2030 – минимум один спутник еже- дневно. В планах «Роскосмоса» строительство В декабре Китай подал иск в ВТО про- двух заводов для производства спутников. тив США из-за экспортных ограничений на чипы. industry-hunter.com industry-hunter.com СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 23
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Электронные датчики потока, протока и реле для производственных линий, магистралей и бытовых услуг. Обзор Андрей Ласорла реальную ценность. Пока при контро- ле ЖКУ при «водоотведении» (слив) В устройствах современной электроники, обеспечивающих учитывают расход воды «автомати- функционирование предприятий и бытовой сферы услуг, чески» (работающие по лопастному распространены датчики потока и протока жидкости с разным принципу счётчики потребления стоят принципом работы: от магнитного датчика Холла и лопастных в системе подвода магистрали чистой расходомеров до реле давления потока и расхода жидкости. На основе воды – горячего и холодного контуров, современных датчиков не только разработаны производственные и предполагается, что сколько «зали- автоматизированные линии розлива и контроля, например, то», столько и «вылито», израсходова- на пивоваренных заводах, но существуют перспективные идеи но). Но надо признать этот контроль для сферы бытовых услуг, когда рассматриваемые датчики уместно некорректным, невалидным и, пря- применять в кофейных и газировальных вендинговых аппаратах, мо скажем, нецивилизованным. Дело бытовых кофемашинах, домашних пивных заводах, а также для не в том, что могут быть потери воды автоматизации процесса розлива в розничной сети. в жилище (это зона ответственности В статье рассматривается принцип действия датчиков, встраиваемых владельца имущества), но, главное, в магистрали потока агрессивных и неагрессивных жидкостей в том, что есть «дельта» разницы меж- и перспективы их применения. ду водой потребляемой и сливаемой в утиль из-за её естественной убыли при Вода как ценность ского опыта – и сегодня питьевая вода, подготовке гастрономических блюд, поступающая по магистральным путе- испарении, а также ввиду естествен- Вода, в том числе прошедшая очист- проводам под давлением к бытовым ного усвоения организмом человека; ные сооружения для последующе- потребителям, условно перенасыщена организм условно среднего человека го потребления в качестве питье- известняком и кальцием, что нетруд- в большой степени состоит из воды, вой в частных и многоквартирных но заметить по белому осадку в посу- и не вся выпитая жидкость, усвоенная домах, на производстве является важ- де и после её кипячения. Жёсткость организмом в процессе метаболизма, ным экономическим фактором. При- водопроводной воды также влияет на выходит из человека. Поэтому некор- чём «обычная» питьевая вода может долговременность работы ТЭНов сер- ректно (хотя просто и выгодно для ком- быть исследована сегодня в большом висного электрооборудования, самые паний – поставщиков ЖКУ) учитывать спектре физико-биолого-химических простые примеры в быту – автомати- объём водоотведения «автоматиче- характеристик, лишь самые простые ческие стиральные машины, бойлеры, ски» по объёму в магистралях подвода из которых – прозрачность, жёсткость чайники и электрические нагревате- воды, где и устанавливают традицион- (мягкость) и даже электропроводи- ли в частных домах с водяным конту- но счётчики воды. Однако в перспек- мость. Химический анализ качества ром отопления. Для смягчения воды тиве ближайшего времени повсемест- воды – довольно дорогостоящая про- специально применяют такой химиче- но эта сфера массово будет расширена цедура, десятки тысяч рублей в зави- ский состав, как «калгон», рекомендо- до контроля магистралей слива отра- симости от выбранных характеристик, ванный для предотвращения образо- ботанной жидкости, в том числе воды. которую могут себе позволить не все. вания накипи на ТЭНах в устройствах В перспективе счётчики будут фикси- Не секрет, что в некоторых регионах не питьевого применения (стиральные ровать и сливаемую в утиль жидкость любезного нашего Отечества каче- машины, контуры отопления и др.). тоже, и контроль станет более коррект- ственно очищенная вода – редкость. В Псковской области (и некоторых дру- ным. Для этого потребуются специаль- И не во всех регионах природные запа- гих районах) вода традиционно име- ные счётчики учёта «грязной» воды. сы воды достаточны для жизнедеятель- ет серно-водородный привкус, что свя- ности; к примеру, в степных районах зано с геологическими особенностями Во-вторых, во многом с учётом ска- чистая питьевая вода ценится дороже, почв. Весь этот простой анализ показы- занного, состав воды в разных местах чем в регионах с разветвлённой сетью вает нам два важных аспекта. и условиях неоднороден, магистрали рек и озёр, иных районах, граничащих подвода при эксплуатации загрязняют- с большими акваториями. Проблемы корректности ся, на внутренней поверхности трубо- контроля проводов образуются наросты, сужая Так, в Ленинградской области (Кали- полезный диаметр магистрали, следо- тино), в Смоленской (отдельные дома Во-первых, вода является материаль- вательно, для потребителя изменяется в г. Смоленске), Псковской (Опухли- ным ресурсом, а потому имеет вполне давление и поток воды. Но главное – ки) – несколько примеров из автор- 24 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ для такого корректного и долговре- Рис. 1. Датчик H1AA800375 на основе Рис. 2. Внешний вид датчика потока менного контроля требуются специ- электромагнитного эффекта Холла воды модели YF-S201 альные надёжные датчики. Поэтому для водопроводно-канализационной вопрос о качестве датчиков контроля системы воды и иной жидкости, о надёжности РЭА в этой части довольно актуален. Что касается крупного производства, предприятий, тут вопрос с надёжно- стью оборудования поставлен ещё более критично: любой простой вле- чёт за собой миллионные издержки. А если речь идёт о сфере безопасно- сти жизнедеятельности, «критической инфраструктуре» обеспечения жизне- деятельности людей в медицинских и иных учреждениях, тут аварии в конту- рах снабжения водой имеют ещё более важные последствия. На таких условно простых бытовых и производственных примерах мы показали необходимость технологического совершенствования производства датчиков потока и про- гона жидкости и новых разработок в данной теме. Датчики и счётчики воды Рис. 3. YF-S201, адаптированный для конструкторского макета Лопастные расходомеры жидкости позволяет контролировать расход воды Термостойкие материалы корпуса и (воды) по принципу работы лопастных в пределах 1…25 л/мин при максималь- элементов датчика позволяют исполь- приборов – на вращении внутри кор- ном давлении в контуре 1,75 МПа. зовать устройство для горячей воды пуса счётчика крыльчатки с частотой, при температуре до 80°С. прямо пропорциональной интенсивно- На рис. 2 представлен внешний вид сти потока, – применяются в системе датчика потока воды, основанного на Устройство работоспособно при ЖКХ для контроля потребления воды. эффекте Холла. относительно низком давлении воды Все эти приборы не подлежат обяза- > 0,03 кг/см²: при этом элемент, назы- тельной сертификации. Датчик, совместимый с устройства- ваемый «пружина сброса», сделан из ми Arduino, имеет высокую стабиль- высококачественной нержавеющей Датчик фирмы OOTDTY модели ность и надёжность ввиду функции стали. H1AA800375 на основе магнитного магнитного абсорбирования. Индукци- эффекта Холла для водопроводно- онная и магнитная контрольная каме- Внутри датчика установлена магнит- канализационной системы представ- ра, а также электронные компоненты ная крыльчатка, совмещённая с датчи- лен на рис. 1. расположены отдельно, это позволяет ком Холла. Аналогичные YF-S201 по избежать сбоев в работе переключате- форм-фактору модели типового ряда Он имеет условия подводки с разме- ля, вызванных примесями воды в тру- CX-60/120/300/800/801/802/2010 сер- ром «½» – стандартный распростра- бопроводе, «нежелательными» части- тифицированы (СЕ) и предназначены нённый размер, принятый в сантех- цами, загрязняющими канал. для работы в контуре водоснабжения нических коммуникациях бытового (отведения) при интенсивности потока уровня. Для труб и комплектующих На рис. 3 представлен тот же датчик, 6…7 л/мин и минимальном давлении сантехники принят за основу «недру- адаптированный для разработчиков 0,6 МПа. Этот совместимый с устрой- жественный» отсчёт от дюйма – конструкторского макета Arduino. ствами Arduino прецизионный датчик 25,4 мм. Отсюда 1 см = 0,3937 дюйма, расхода воды предназначен и адапти- 1 дюйм = 2,54 см. Но сантехнический Такое устройство одновременно име- рован для схем управления и питания размер «½» – это диаметр трубы 15 мм, ет функцию защиты водоподводяще- с напряжением осветительной сети а «¾» – 20 мм, 1 дюйм примерно равен го канала и многоразового фильтра 230…240 В переменного тока. 25 мм, 1 и ¼ – диаметр патрубка 32 мм. частиц – примесей воды – с отстойни- Наиболее распространены ½ и ¾ дюй- ком и возможностью его чистки. ма. Примерно аналогичные характе- ристики у датчика YF-B1, имеющего размеры 4,4×1,9 см. Устойчиво рабо- тоспособен в диапазоне напряжения питания 5…15 В постоянного тока. Сопротивление изоляции корпуса 100 МОм. Датчик размещён в корпу- се из лёгкого металла и пластика и СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 25
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Рис. 5. Вид на элементы типового автоматического торгового вендингового аппарата Рис. 4. Внешний вид датчика- переключателя потока водяного насоса фирмы ELESAVEE моделей HFS15/ HFS20/HFS25 На рис. 4 представлен внешний вид Рис. 6. Внешний вид датчика-переключателя потока модели 652F датчика-переключателя потока водя- ного насоса фирмы ELESAVEE моде- На рис. 5 представлен автоматиче- и окончанием подачи жидкости потре- лей HFS15/HFS20/HFS25. ский торговый (вендинговый) аппарат бителю) – условно сложный процесс, с открытой частью корпуса. более экономичный, но менее надёж- Датчик функционирует как реле ный, и тут мы его касаться не будем. потока с контролем уровня жидкости Для торговых автоматов в сегменте А применение датчиков протока для и адаптирован под размер патрубка ½ дозируемых и порционных товаров контроля отпуска жидкости в трубо- или ¼ дюйма. способы измерения продукции осно- проводе ВА на пути к потребителю вываются на трёх параметрах: объём, (в стакан) – перспективный метод, Типовые характеристики датчика. масса, время. Измерение объёма при- уже нашедший своих последователей ● Напряжение: 220 В переменного тока меняется для ВА, работающих непо- и критиков среди разработчиков РЭА. ● Максимальный ток потребления: средственно с жидкостями. Анализа- Кулеры для воды (в том числе авто- тор дозирующего устройства работает маты-диспенсеры, подключённые к 15 А так: с помощью тензодатчиков изме- системе питьевого водоснабжения, а не ● Стабильная работа в диапазоне тем- ряется количество жидкости в нако- сменяемых банок объёмом 18,9 л), ВА, пительном резервуаре посредством бытовые кофемашины, автоматизи- ператур: +5…+40°С сравнения изначального показания с рованные линии розлива (воды, пива ● Допустимая температура жидкости: изменяющимся. Когда разница между и др.) на производстве и многие другие двумя показаниями достигает необхо- примеры – таковы сферы, где приме- 0…+100°C димого значения, дозирующее устрой- няется трубчатый датчик потока жид- Может быть установлен в патрубках ство перекрывает подачу жидкости. кости с подключением ¼ дюйма моде- и трубопроводах – в горизонтальной и Измерение по массе происходит непо- ли 652F. Внешний вид его представлен вертикальной конфигурации. средственно на месте выдачи товара на рис. 6. при помощи тензометрического датчи- Электронные датчики ка, который отмеряет вес товара, уже Далее приведены некоторые техни- для вендинговых аппаратов поданного в тару. Соответственно, ког- ческие характеристики датчика 652F c и не только да вес достигает необходимого значе- литерами «А» и «В»: ния, подача продукции прекращается. ● точность (контроля потока): Один из значимых элементов авто- матического торгового аппарата Измерение по времени с помощью 0,2–8 л/мин с погрешностью в пре- (далее – ВА) – дозирующее устрой- электронного таймера (между началом делах 0,5%; ство для отмеривания необходимого объёма. Активация дозатора происхо- дит пользователем при выборе това- ра, после чего от датчика поступают данные на анализатор, контролирую- щий количество реализуемой продук- ции. Это возможно осуществить при помощи разных датчиков. 26 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ ● максимальный рабочий ток: 15 мА Рис. 7. Контроллер потока для кофе- Рис. 8. Магнитный потоковый (при напряжении питания 5 В); машины и кулера выключатель фирмы SAIER модели SEN-CL21W-003 ● диапазон окружающей влажности: включения дозирующего устройства, 35–90% RH; где самый простой – нажатие на кноп- гигиенично-безопасный для питьевой ку с контактами на замыкание и без воды и иных жидкостей (понятно, что ● управляющий импульс напряжения: фиксации в электрической цепи, он не вечен, ибо и напольные диспен- > 4,7 В; к которой адаптирован сей датчик. серы-кулеры рекомендуется «чистить» Пока кнопка нажата – жидкость посту- хотя бы 1 раз в полгода), лёгкая уста- ● минимальное рабочее напряжение: пает из резервуара в условную посу- новка, надёжность и низкое напряже- 3,5 В; ду; контролировать такой мануальный ние питания дают такому датчику фору способ розлива приходится визуально. перед другими. Для бо́льших объёмов ● диапазон рабочего напряжения: DC От этого простейшего варианта следу- и контроля водопроводной магистрали 3,5…20 В; ют варианты управления более интел- рекомендуется применение аналогич- лектуально изысканные, и они ограни- ных датчиков с литерами «С» и «D», ● диапазон рабочих температур: чены только фантазией разработчика. следующими в названии модели. Так, 80°С; Лишь скромные примеры: сенсорное у датчика 652FС контроль расхода жид- управление, включение подачи жидко- кости уже в диапазоне до 10 литров в ● допустимое давление жидкости не сти по команде от датчика движения минуту. более 1,75 МПа. с таймером, интеллектуальная систе- Датчики могут иметь разную конфи- ма IoT в формате «умного дома», когда Кстати, регулирование температу- по команде со смартфона с адаптиро- ры в автоматах, отпускающих горячие гурацию и форм-фактор, подключение ванным приложением удалённо вклю- напитки, осуществляется с помощью обжимное, резьбовое, фиксируемое, чается подача жидкости. То же мож- терморегуляторов по принципу двух- а также разные модели рассчитаны на но организовать дистанционно – через позиционного контроля типа ТР-200, разное напряжение, в частности, есть интернет-коммуникацию, и, наконец, обеспечивающего регулирование жид- варианты моделей, адаптированные авторское ноу-хау – управление пода- кой и воздушной среды в диапазоне к напряжению 110, 220 В переменно- чей жидкости с помощью касания 25...200°С. При достижении заданной го тока, и даже 4 В постоянного тока. рукой человека цветка пальмы, в цве- температуры устройство отключает Корпус может быть из лёгкого метал- точный горшок которой вмонтирован электронагреватели, а при пониже- ла (латунь). проводник, ведущий к электронному нии – включает их. Настройка термо- сенсорному устройству с триггерным регулятора производится вращением Датчик расхода питьевой воды исполнительным узлом, а в основе сен- винта при одновременном контроле модели 652F суть многофункцио- сорного устройства – реакция на наве- температуры среды с помощью термо- нальный расходомер с переключа- дённое в теле человека напряжение (от метра, ибо своей установочной шкалы телем, рассчитанный для контроля повсеместных в домах силовых элек- прибор не имеет. магистрали с объёмом (скоростью трических сетей и коммуникаций); потока) жидкости до 0,8 л/мин. Такой для управления сенсором достаточ- У того же производителя OOTDTY датчик может иметь универсальное но наведённого напряжения в значе- представлен электрический «Water применение. нии 0,05…0,1 В. Итак, вариантов очень Flow Sensor» модели SEN- много, с присущими им «плюсами» и CL21W-003, предназначенный для Функционал устройства: измерение, «минусами». Главное в том, что такой электронного управления дозатором, контроль потока (скорости и объёма), датчик, функционирующий на осно- диспенсером и очистителем питье- сигнал тревоги при отсутствии жидко- ве эффекта Холла, может быть приме- вой воды, с подключения патрубков сти в канале. Датчик расхода жидкости нён в конкретных электронных устрой- ¼ дюйма, с максимальным током применяется универсально: домаш- ствах, следовательно, востребован 100 мА, адаптированный к систе- няя «пивная машина», посудомоечная потребителями. Разновидность опи- мам питания до 100 В. машина, очиститель воды, торговый сываемого контроллера потока пред- автомат, в том числе для дозированной ставлена на рис. 7. На рис. 8 представлен потоковый подачи вина, иного алкоголя (с автома- выключатель фирмы SAIER в латун- тическим и электронным управлени- Малый размер, относительно высо- ном корпусе, действующий по магнит- ем), винный шкаф и другие, то есть для кая точность, малый ток управления, ному принципу, предназначенный для почти любого, в соответствии с харак- подключения патрубков форм-фактора теристиками датчика, оборудования, где требуется управление небольшими потоками воды. Понятно, что для про- изводственных мощностей, или даже в условиях фермерского хозяйства – для полива фруктов и овощей, или рабо- ты стиральной машины такой скорости потока недостаточно, нужна бо́льшая; однако в своём классе и по своей сто- имости – это перспективный датчик для новых разработок РЭА небольших мощностей потоков и отпуска жидко- стей. Перспективы применения Автоматическое электронное управ- ление (о чём сказано выше) и полуав- томатическое – это разные варианты СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 27
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Рис. 9. Датчик протока для ются повышенные требования по элек- очистных установках. Используется водонагревателей Ariston Fast EVO тробезопасности и надёжности. В соот- для защиты насосов, двигателей и модели SCG-1-S96 ветствии с конструкцией тепловой другого оборудования от перегрева, генератор предназначен для обогре- вызванного слабым потоком или его ½ дюйма в магистралях с давлением ва жилища (в том числе в объёмном отсутствием, и применяется в систе- до 1,2 MПa. контуре, проходящем через несколь- мах автоматического контроля, управ- ко радиаторов) и, в первую очередь, ления технологическими процессами Этот прибор адаптирован к перемен- для нагрева воды. Но не только воды, в энергетике, химической, нефтехи- ному напряжению осветительной сети поскольку в контурах отопления и обо- мической, пищевой, бумажной и дру- 230…240 В (220 В) и создан по прин- гревательных котлах бытового и про- гих отраслях промышленности. Реле ципу язычкового переключателя. Язы- мышленного назначения применяются потока предназначено для установки чок находится в системе магистрали незамерзающие жидкости для обеспе- в трубопровод. с жидкостью, и когда в ней есть дав- чения работы контура и при отрица- ление, жидкость воздействует на язы- тельных температурах. Среди постоянных заказчиков реле чок, что приводит к замыканию кон- отечественной торговой марки круп- тактов датчика. Датчик давления воды такого газо- нейшие холдинги и предприятия, вого котла (рис. 9) монтируют на тру- работающие во всех регионах стра- Магнитный переключатель потока бопровод. После герметичного мон- ны, в том числе нефтеперерабаты- контролирует наличие или отсутствие тажа в системе, подачи питания и вающие заводы и газонаполняющие потока жидкости в магистрали. Такие заполнения водяного контура дат- станции. В трубопроводах промыш- приборы делятся на типы в зависимо- чик протока реагирует на поток сра- ленных систем контроль движения сти от назначения контактной группы зу же, как открывают кран горячей жидкостей и газов осуществляется с (замыкание или размыкание). Пере- воды. От датчика подаётся управляю- помощью реле потока с различны- ключатель потока воды также назы- щий сигнал на управляющее устрой- ми принципами действия. Их основ- вают «реле потока», а в разработках ство, запускается циркуляционный ной задачей является защита обору- используют с типичными компонен- насос и происходит нагрев жидкости дования от перегрева в случае слабого тами системы управления неагрессив- в котле в режиме приготовления ГВС. потока либо его отсутствия. ными жидкостями, у такого прибора Таким образом, датчик протока сигна- нет требований для питающего напря- лизирует о начале движения воды при Реле потока в России – для производ- жения, он прост в использовании при- открытии крана горячей воды. Датчик ственного назначения изготовляются мерно так же, как банальная кнопка протока SCG-1-S96 подходит к нагре- в двух вариантах – лопастное и тер- для квартирного звонка. вательным котлам: «Гепард» моде- моанемометрическое. В конструкции лей 12 MOV H-RU, 23 MOV H-RU, 12 термоанемометрического реле основ- Некоторые технические характери- MTV H-RU, 23 MTV H-RU; Lynx (HK 11, ным является нагревательный эле- стики: HK 24, HK 28); Jaguar моделей 11JTV и мент, совмещенный с датчиком тем- ● рабочая температура: 0…+60°C; 24JTV; Kentatsu Nobby Smart (24-1CS, пературы, и термодатчик, измеряющий ● расход: 1,2…12 л/мин; 24-2CS, 28-2CS). температуру рабочей среды. Нагрева- ● материал: латунь; тельный элемент поддерживает тем- ● подключение: 1/2″; Контроль потока пературу на определённом значении, ● рабочее давление: 0,05...1,2 MПa; жидкости и газа: превышающем температуру контроли- ● максимальное напряжение: DC220/ термоанемометрическое руемого вещества [4]. и лопастное реле AC250; Принцип работы термоанемометри- ● максимальный ток потребления: 1 A. Что касается импортозамещения, ческого реле в зависимости отдачи теп- распространёнными являются дат- ла нагревательного элемента от скоро- На рис. 9 представлен датчик прото- чики в магистральных и локальных сти, с которой движется рабочая среда, ка для водонагревателей Ariston Fast системах перекачки нефтепродуктов, охлаждая его. Термодатчик и датчик EVO модели SCG-1-S96. газа, масла и других жидких сред. Для температуры, совмещённый с нагрева- этой сферы также созданы датчики тельным элементом, фиксируют раз- Регулятор протока воды необхо- потока и лопастные расходомеры. ность температур, которая обратно про- дим во всех нагревательных котлах – Есть и пользуются популярностью для порциональна скорости потока. тепловых генераторах промышлен- больших производств промышлен- ного исполнения и назначения. Как ные приборы «ЭМИС» «ПОТОК 285» Рисунок 10 иллюстрирует принцип правило, к такой технике предъявля- и «ПОТОК 236», предназначенные работы термоанемометрического реле для контроля потока рабочей среды «Поток-285». в трубопроводах, в том числе в систе- мах автоматизации подачи и откачки В этом устройстве реализовано жидкости, в качестве датчика потока исполнение с футерованным тефлоном для насоса, с функцией защиты обору- электродом для эксплуатации в агрес- дования от перегрева и «сухого хода». сивных средах, таких как щёлочь и кис- Реле потока жидкости предназначе- лота. Предел давления контролируе- но для контроля наличия/отсутствия мой среды увеличен до 10 МПа (более потока жидкости в промышленных старые модели – до 5 МПа). системах, охлаждающих и водо- В одноэлектродном исполнении термоанемометрического реле упро- стилась задача монтажа, ибо отпа- ла необходимость позиционировать 28 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Таблица 1. Технические характеристики термоанемометрического реле «Поток-285» 1. Нагревательный элемент, Характеристика Значение совмещённый с датчиком температуры Диаметр условного прохода трубопровода 25...700 мм Давление рабочей среды 10 МПа 2. Датчик температуры Диапазон скоростей потока Вода: 0,01...1,5 м/с Рис. 10. Принцип работы Сырая нефть: 0,03...3 м/с термоанемометрического реле Температура измеряемой среды «Поток-285» Взрывозащита Газ: 0,2...20 м/с Температура окружающей среды От –50 до +75ºС электроды относительно направле- Защита от пыли и влаги 1Ex d IIB T6 Gb Х ния потока. Срок службы От –50 до +70ºС Присоединение Технические характеристики термо- Напряжение питания IP65 анемометрического реле «Поток-285» Не менее 12 лет представлены в табл. 1. Выходной сигнал К1/2 ГОСТ 6111-52 24 В постоянного тока Преимущества устройства: Максимальная коммутационная способность контактов Релейный контакт ● возможность эксплуатации на вяз- Точность срабатывания NPN контакт ких средах (до 400 МПа/с); PNP контакт ● предел избыточного давления кон- 2,5 A / 220 В переменного тока (релейный выход) тролируемой среды до 10 МПа; 1 А / 24 В постоянного тока ● возможность работы при низких (релейный выход) 400 мА / 24 В постоянного тока температурах окружающей среды – (PNP и NPN) до –50°С; ● работа как при прямом, так и при об- ±5% ратном направлении потока; ● отсутствие движущихся частей, на- Таблица 2. Технические характеристики лопастного реле «Поток-236» стройка на рабочем процессе; ● простой монтаж; Характеристика Значение ● возможность установки приборов как на горизонтальные трубопрово- Измеряемая среда Жидкость ды, так и в наклонные. Конструктивно лопастное реле пото- Типоразмеры, мм 32…250 ка состоит из клеммной колодки, гер- конового контактора и лопасти с экс- Давление измеряемой среды, МПа До 5 центриком. Если поток отсутствует, лопасть расположена перпендикуляр- Температура измеряемой среды, °С –30 до +150 для исполнений но трубопроводу, при этом контакты без взрывозащиты герконового реле находятся в нормаль- но разомкнутом положении. При нача- –50 до +130 для взрывозащищённого ле движения контролируемой среды исполнения под её воздействием лопасть откло- няется, эксцентрик выталкивает маг- Температура окружающей среды, °С –50…+60 нит по центральному стержню вверх до высоты, на которой под влиянием Максимальная вязкость среды, мПа·с 400 магнитного поля контакты герконово- го реле замыкаются. Взрывозащита 1Ex d IIC Т6…T4 Gb Х Технические характеристики лопаст- ного реле «Поток-236» представлены Пылевлагозащита IP65 в табл. 2. На производстве на лопасти наносят- Срок службы Не менее 12 лет ся насечки, обозначающие различную Средняя наработка на отказ Не менее 50 000 часов Выходные сигналы SPDT контакт Коммутационная способность контактов 1 А, 220 В АС / 24 В DC, SPDT Присоединение R1 ГОСТ 6211 Отклонение величины расхода включения ± 25% Отклонение величины расхода отключения ± 20% длину. Перед непосредственной уста- Датчики-реле потока серии ДР-П, новкой в линию лопасть обрезается на ДР-ПП предназначены для контро- необходимую длину в соответствии с ля потока неагрессивных жидкостей, уставками включения и отключения. таких как вода, этиленгликоль и дру- Уставка включения – это значение рас- гие, через трубопровод. Приборы при- хода среды, при котором происходит меняются для определения наличия срабатывание реле, а именно: замыка- или отсутствия потока жидкости и ние нормально разомкнутых контак- управления различными устройства- тов герконового реле. Уставка отклю- ми в системах автоматики, к примеру, чения – это значение расхода, при для защиты насосов от «сухого» хода, котором контакты герконового реле в цепях аварийно-предупредительной возвращаются в исходное положение. сигнализации. При наличии потока СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 29
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ воды в трубопроводе датчик-реле пода- ческой цепи импульсный сигнал, ют нержавеющую сталь, если агрес- ёт сигнал в электрической цепи, кото- частота которого пропорциональна сивная – электроды делают из титана, рый анализируется устройством сигна- частоте вращения крыльчатки. тантала, платино-иридиевого и других лизации и управления. устойчивых сплавов. Проточную часть Устройства рекомендуется приме- прибора покрывают материалом, пре- Реле потока по принципу нять в комплекте с тахометрами или пятствующим разряду ионов во время действия счётчиками импульсов. Датчики этого их контакта с металлической трубой. типа имеют универсальное монтажное Для неагрессивной жидкости и невы- По аналогии с устройствами бытово- положение – ДРУ-ПП-91, ДРУ-ПП-92, соких температур подходит обычная го назначения, по принципу действия ДРУ-ПП-93, ДРУ-ПП-94. Датчики пото- техническая резина. Если эксплуата- датчики-реле потока подразделяют ка воздуха предназначены для сиг- ция оборудования планируется в агрес- на лепестковые и поршневые. Прин- нализации наличия или отсутствия сивной среде, футеровку исполняют из цип работы лепестковых датчиков- воздушного потока. Применяются в различных фторопластов или керами- реле основан на движении лепестка, системах вентиляции в качестве сиг- ки (для абразивных сред). который замыкает контакты геркона нального контакта или для индикации (или микропереключателя) при нали- неисправности вентилятора или заку- Среди преимуществ электронных чии потока и размыкает контакты при порки вытяжки. расходомеров: отсутствии потока. ● стабильная работа, поскольку нет Реле потока может иметь типовое и По способу монтажа лепестковые специальное исполнение – для рабо- движущихся деталей; датчики-реле разделяются на два вида: ты во взрывоопасных средах. Конструк- ● возможность применения на трубо- датчики-реле, устанавливаемые в трой- ция реле потока позволяет использо- ник трубопровода — ДР-П-02, ДР-П-03, вать устройство на средах с вязкостью проводах большого диаметра; ДР-П-32, ДР-П-34, ДР-П-50; и врезные до 400 МПа/с, таких как сырая нефть и ● низкий коэффициент сопротивле- датчики-реле, для которых, соответ- дизельное топливо. ственно, тоже существуют два вида ния потоку, что снижает потери дав- монтажного положения: горизонталь- Электронные счётчики- ления на измерительном участке; ное – ДР-ПП-02, ДР-ПП-04 и вертикаль- расходомеры ● возможность эксплуатации в широ- ное – ДР-ПП-52, ДР-ПП-53, ДР-ПП-54, ком динамическом диапазоне (1:100) ДР-ПП-55. Электромагнитный расходомер-счёт- и выше; чик применяется в химическом про- ● работа при минимальных длинах Принцип работы поршневых дат- изводстве, энергетическом комплексе, требуемых измерительных участков. чиков-реле основан на перемещении пищевой индустрии и других областях Типовая конструкция прибора учё- магнитного поршня внутри прибора. промышленности. Он предназначен та состоит из первичного преобра- Поршень смещается под воздействием для учёта расхода: зователя, электронного преобразо- потока жидкости в трубе и замыкает ● коррозионно-активных кислот, ще- вателя и встроенного индикатора. контакты геркона. В случае отсутствия Первичный преобразователь, пред- потока в трубе поршень возвращается лочей и смесей; ставляющий собой стальной корпус в исходное положение под действием ● сточных и канализационных вод; с фланцами, проточная часть которо- силы тяжести, что приводит к размы- ● неньютоновских жидкостей; го футеруется различными материа- канию контактов. ● загрязнённых жидкостей на метал- лами в зависимости от условий экс- плуатации прибора, устанавливается Датчики этого вида известны в двух лургических предприятиях. на трубопровод. Главное, чтобы изме- вариантах монтажного положения: Такие устройства повсеместно ряемая жидкость проводила ток, поэ- ● горизонтальное – ДР-ПП-01, ДР- используется для нужд коммуналь- тому такого типа датчики не могут ного хозяйства. В частности, его уста- вести учёт углеводородов, дистилли- ПП-05; навливают в канализационных тру- рованной воды и многих неводных ● вертикальное – ДР-ПП-06, ДР-ПП-08. бопроводах. Расходомер сточных вод растворов. электромагнитного типа работает как Электронный блок крепится на Разновидностью поршневых дат- в напорных, так и безнапорных трубо- корпусе первичного преобразователя чиков-реле являются подпружинен- проводах. Принцип работы основан на с помощью стойки (в интегральном ные датчики-реле, в которых поршень законе Фарадея, который свидетель- исполнении). Индикатор с жидко- при отсутствии потока возвращает- ствует, что напряжение, наводимое на кристаллическим дисплеем отобра- ся в исходное положение под дей- любой проводник при его перемеще- жает основные показатели измере- ствием пружины. Для них харак- нии под прямым углом через магнит- ний. Дополнительно ещё об одной терно универсальное монтажное ное поле, пропорционально скорости интересной особенности контроля положение – ДР-ПП-03, ДР-ПП-31, проводника. То есть чем быстрее будет расхода жидкостей и газов для изме- ДР-ПП-32, ДР-ПП-51. Датчики рас- происходить перемещение проводни- рения расхода различных жидкостей, хода с импульсным выходом серии ка относительно магнитного поля, тем способных работать с агрессивными и ДРУ-ПП предназначены для измере- условно более высокое значение будет неоднородными средами, можно про- ния суммарного или текущего расхо- иметь напряжение. читать в [4]. да воды. Принцип работы датчиков Счётчик-расходомер изготавлива- Проточную часть и электронный тот же, что у лопастных приборов, ется из разных материалов, выбор блок устанавливают отдельно друг от основан на вращении внутри корпу- которых зависит от того, какими друга. Такой вариант выбирается при са счётчика, совмещённого с крыль- свойствами обладает измеряемая и необходимости работы с жидкостя- чаткой, с частотой, прямо пропор- окружающая среда. Если она ней- ми при высокой температуре (от +80 циональной интенсивности потока. тральная, то для электродов выбира- Датчики-реле генерируют в электри- 30 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Рис. 11. Принцип работы кориолисового Наличие гигиенического сертифи- и поршневые контакторы: от малень- расходомера ката позволяет использовать устрой- ких датчиков протока для небольших ства в производстве продуктов пита- магистралей до промышленных кон- до +130°С). Допустимая длина удале- ния: молока, сахара, пива и т.д. троллеров огромных объёмов. Знание ния датчика от устройства-анализато- примеров, элементной базы и принци- ра 50 м. Особый тип промышленных рас- па работы датчиков контроля жидких ходомеров – кориолисовые (coriolis сред даёт большие перспективы при- Конструктивно счётчик рассчитан на flowmeters), это универсальные при- менения рассмотренных устройств для фланцевый тип монтажа. Однако есть боры для измерения массового рас- новых разработок как в области быто- варианты исполнения с «молочной хода и плотности прямым методом и вого, медицинского, так и промышлен- гайкой» – такое соединение востре- объёмного расхода методом пересчё- ного назначения. бовано в пищевой промышленности. та. Принцип работы устройства (пред- ставлен на рис. 11) основан на базовом Литература физическом явлении появления уско- рения при движении среды в вибри- 1. Кашкаров А.П. Нужны ли в Выборге рующей трубке. рюмочные? URL: https://gazetavyborg.ru/ news/mestnoe-vremya/nuzhny-li-v-vyborge- В результате возникают силы, закру- ryumochnye/. чивающие трубку, так как во входной половине трубки сила, действующая со 2. ЭМИС: производство расходомеров. URL: стороны среды, препятствует её смеще- https://emis-kip.ru/ru/company/sob/articles/ нию, а в выходной способствует. Это printsip-deystviya-elektromagnitnogo- приводит к появлению разности фаз raskhodomera/. колебаний подводящей и отводящей труб сенсора. Данный эффект называ- 3. Каталог оборудования. URL: https://www. ется эффектом Кориолиса [4]. kipspb.ru/catalog/6550/. Мы рассмотрели примеры разного 4. Cайт фирмы ЭМИС. Промышленное оборудования, в которых применяются оборудование. URL: https://emis-kip.ru/ принципы эффекта Холла, лопастные ru/company/sob/articles/printsip-raboty- datchikov-davleniya/. НОВОСТИ МИРА «Росэлектроника» ми уровнями мощности, а также в смеж- технологический задел для дальнейшего разрабатывает мощные ных диапазонах. развития СВЧ-приборов данного типа. Се- СВЧ-устройства рийное производство устройств мы пла- для организации космической Разработку ведёт предприятие холдин- нируем запустить в 2025 году после про- связи по всей России га «Росэлектроника» – НПП «Алмаз». Про- хождения всего цикла испытаний, сказал ект реализуется при поддержке Минпром- генеральный директор НПП «Алмаз» Ми- Холдинг «Росэлектроника» Госкорпо- торга России. хаил Апин. рации Ростех начинает разработку мощ- ных ламп бегущей волны для наземных В рамках проекта «Цифровая Россия» НПП «Алмаз» в составе «Росэлектрони- систем космической связи, которые обе- планируется создание высокотехноло- ки» разрабатывает и серийно выпускает спечат цифровое телевещание, высокоско- гичной инфраструктуры для цифровиза- сверхвысокочастотные приборы и другие ростной доступ в Интернет, услуги провод- ции страны. Для обеспечения качествен- изделия для телекоммуникационного обо- ной и мобильной связи по всей стране. ной связи потребуется запуск большого рудования, которое входит в состав авиа- количества коммуникационных спутников ционных и космических аппаратов, а так- Создание опытных образцов новых и создания наземных станций космиче- же систем наземного и морского базиро- устройств и проведение испытаний за- ской связи. Лампы бегущей волны с увели- вания. планировано на 2024 год. ченной мощностью позволят решить сто- ящие сегодня задачи, а также сформируют electronics.ru Лампы бегущей волны являются одними из ключевых элементов наземных станций спутниковой связи. Они выполняют роль усилителей мощности сверхвысокочастот- ной радиоволны, которые позволяют уве- личить расстояние доставки радиосигна- ла. Эти приборы способны усилить мощ- ность сигнала в сотни тысяч раз и имеют длительный срок эксплуатации. В рамках проекта планируется создать два типа ламп бегущей волны – C- и Ku- диапазонов с выходной мощностью в режиме насыщения до 700 Вт и воздуш- ным охлаждением прибора. На базе этих устройств в дальнейшем можно будет создавать приборы с ещё более высоки- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 31
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Щелевые оптические датчики положения для современной электронной техники. Обзор Антти Суомалайнен ника засвечивается, и наоборот. Есть современные модели, где присутству- В статье рассматриваются классификация, модели, характеристики ет таймер, – выходной сигнал появля- оптических щелевых датчиков положения иностранного и ется через некоторое время после акти- отечественного производств, а также варианты их применения. вации (срабатывания). Датчик – это устройство, изменяю- нацию, загрязнённость среды пылью, Важная конструктивная особенность щее своё состояние в зависимости от относительно высокую влажность и мог- оптоэлектрических датчиков – в свой- воздействий в контролируемой сре- ли уверенно работать в широком диа- стве гистерезиса, наличии триггерного де [2]. Включённый в электрическую пазоне температур. Какое-то время им элемента, снижающего «дребезг кон- цепь датчик становится преобразова- не было альтернатив, помимо герконов. тактов» при пограничном состоянии телем внешнего сигнала (воздействия) включения/отключения. Для универ- в электрический ток. Это его свойство Датчики семейства сальности интеграции в систему РЭА и используется в разработках РЭА. оптоэлектрических и облегчения настройки в корпусе дат- чика устанавливают не только свето- В инженерных системах и промыш- С развитием элементной базы совре- диодный индикатор активации, но и ленной автоматике датчики положе- менной электроники появились дат- индикатор стабильного уровня сиг- ния являются основным источником чики, работающие на основе эффекта нала. Если он горит, то это указывает, информации для определения физиче- Холла, и бесконтактные оптические что обнаружение настроено стабильно, ского положения механических узлов датчики положения. В основе устрой- с достаточным уровнем сигнала, не на оборудования. В качестве датчиков для ства последних – оптический излуча- краю диапазона чувствительности. обеспечения тех же задач в прошлом тель и фотоприёмник. В международ- веке применялись концевые выклю- ной терминологии оптические датчики Как правило, максимальное рабочее чатели. Недостатки их связаны с огра- называют «PhotoCell Sensors» (фотодат- расстояние, на котором обеспечивается ниченным ресурсом работы, низкой чики) или «Light Sensors» (световые стабильная работа, у разных моделей точностью и низким «быстродействи- датчики). По принципу бесконтакт- от 5 до 10 м; большее затруднительно ем», механическим дребезгом контак- ной работы, основанной на прерыва- при жёстких условиях эксплуатации. тов – это ухудшало помехоустойчивость нии или появлении светового потока, других систем, расположенных рядом, – они получили название оптических [3]. Щелевые оптические и в целом с невысокой надёжностью. Пример функционала оптоэлектронно- датчики положения На контактах использовалось напыле- го датчика представлен на рис 1. ние из драгметаллов, что также удоро- Совсем другое дело – современные щеле- жало конструкцию. Кроме того, конце- Форм-фактор может быть разным. вые оптические датчики положения, осо- вые выключатели – анахронизм эпохи. Как правило, это цилиндрическое или бый вид оптических датчиков с характер- Они состояли из громоздких контакто- прямоугольное исполнение. Таков, ными техническими особенностями. О них ров, иногда с приводом, были предна- к примеру, диффузный датчик с «обу- не много пишут ввиду их специфическо- значены для сред с тяжёлыми усло- чением» и множеством настроек. Есть го назначения. У таких датчиков есть даже виями эксплуатации: выдерживали датчики с рефлектором – отражателем сленговое название «вилкообразные» – по определённой силы вибрацию, дето- света, катафотом. Несмотря на то что особенностям корпуса. Передатчик и при- некоторые модели датчиков реагируют ёмник разнесены, но расположены фак- .. только на определённый участок спек- тически в одном корпусе, в конструкции тра, например, ИК-оптоэлектронные которого есть «щель». Также им свойствен- Рис. 1. Иллюстрация функционала датчики, что позволяет им чётко рабо- ны названия «щелевой оптрон», «фотопре- бесконтактного оптоэлектронного тать в условиях помех от солнечного рыватель», «photointerrupter» («фотоинтер- датчика света, искусственного освещения и раптор»). условно плохой видимости, они зави- симы от загрязнённости среды: пыли, Световой поток от излучателя попада- грязи, задымления и других факторов. ет на фотоприёмник, что вызывает опре- В некоторых оптических датчиках есть делённое состояние датчика. Наличие переключатель «Dark On / Light On», непрозрачного объекта на пути светово- позволяющий менять режим набо- го луча приводит к изменению светово- ры на инвертируемый. Так, в режиме го потока на фотоприёмнике, а значит, «Light On» датчик активируется тогда, и к другому состоянию датчика. Когда в когда рабочая поверхность его приём- щель между излучателем и приёмником попадает активатор (предмет), датчик срабатывает. Щелевые датчики удобны 32 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Рис. 2. Внешний вид щелевого оптического датчика положения KTIR0411S там, где объект, перемещение которого Рис. 3. Цоколевка выводов щелевого оптрона KTIR0411S и некоторые размеры детектируется, имеет небольшую фик- датчика сированную толщину. Такая конструк- ция очень похожа на принцип действия Рис. 4. Вариант электрической схемы включения датчика KTIR0411S инкрементного энкодера [5]. (см. выше). Замкнутое (далее – НЗ – датчика: в щели между приёмником и Одним из самых распространён- нормально замкнутое) состояние тран- передатчиком. Предельно допустимые ных оптических датчиков положения зистора фотоприёмника означает, что параметры щелевого оптического дат- является KTIR0411S производства фир- световой поток не прерван. Вариантов чика KTIR0411S представлены в табл. 1. мы Kingbright. Внешний вид щелево- схемы включения может быть несколь- го оптического датчика положения ко, один из них представлен на рис. 4. Один из иллюстративных практиче- KTIR0411S представлен на рис. 2. ских вариантов применения такого дат- Стрелкой показано направление чика в механической конструкции узла Устройство и принцип тока. Резистор R1 ограничивает ток све- позиционирования приёмного барабана – действия датчика KTIR0411S тодиода на уровне 25 мА, а резистор R2 – в автомате розлива. Щелевой оптиче- ток коллектора выходного транзисто- ский датчик KTIR0411S соединён с кон- Датчик KTIR0411S предназначен для ра на уровне 5 мА. Напряжение высо- троллером станка розлива пива. В про- электрических цепей постоянного тока, кого логического уровня 5 В на выходе стой и надёжной конструкции общий выполнен в пластиковом литом корпу- схемы означает, что светонепроницае- вал – для шагового двигателя, бараба- се, в котором оптический излучатель – мый предмет находится в рабочей зоне на и диска с вырезами по окружностям. арсенид-галлиевый светодиод; опти- ческий приёмник – кремниевый фото- транзистор. В корпусе датчика между излучателем и приёмником находит- ся щель шириной приблизительно 3 мм (2,9…3,114 мм). Наличие или отсут- ствие в этой щели светонепроницаемо- го предмета и определяет щелевой дат- чик положения. Размеры и назначение выводов датчика KTIR0411S подробно рассмотрены на сайте производителя [7]. На рис. 3 представлена цоколевка выводов щелевого оптрона KTIR0411S и некоторые размеры датчика – в мм. Для функционирования фотопре- рывателя в электрической цепи посто- янного тока через светодиод необ- ходимо подать ток силой 20–30 мА (выводы + и E) и контролировать состо- яние выхода фототранзистора (выводы + и D). Ограничение по току и напря- жению для транзистора таковы: напря- жение не более 35 В и ток не более 20 мА. Для ограничения тока в схему введены ограничивающие резисторы (см. далее), номинал которых рассчи- тывают по закону Ома с известным напряжением конкретной электриче- ской цепи и рекомендованным током СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 33
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Таблица 1. Предельно допустимые параметры щелевого оптического датчика KTIR0411S Параметр Обозначение Значение Входной светодиод IF 50 мА Прямой ток светодиода VR 6 В Обратное напряжение светодиода PD 75 мВт Мощность рассеивания светодиода IFP 1 А Пиковый прямой ток (длительность импульса < 100 мкс, скважность < 1%) VCEO 35 В Выходной транзистор VECO 6 В Прямое напряжение коллектор-эмиттер IC 20 мА Обратное напряжение коллектор-эмиттер PC 75 мВт TOPR –25...+85°C Ток коллектора Мощность рассеивания выходного транзистора Рабочий диапазон температур Таблица 2. Эксплуатационные параметры оптического датчика положения KTIR0411S Параметр Обозначение Значение Рис. 5. Иллюстрация оборудования Входной светодиод для фасовки с двумя щелевыми VF 1,2…1,5 В оптоэлектронными датчиками Прямое напряжение на светодиоде (ток 20 мА) IR 10 мкА Обратный ток светодиода (напряжение 5 В) ● LED-индикатор питания и состоя- Выходной транзистор VCE(sat) 0,4 В ния; ICEO 100 нА Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (ток коллектора 1 мА, ток светодиода 40 мА) ● ширина щели: 5±0,1 мм; Ток закрытого транзистора (напряжение коллектор-эмиттер 20 В) CTR 38% ● диаметр монтажного отверстия: Передаточная характеристика tr 5…25 мкс tf 4…20 мкс 3 мм; Коэффициент передачи тока (напряжение коллектор-эмиттер 5 В, ток светодиода 20 мА) ● размеры платы: 31×14 мм. Время отклика на положительный фронт (напряжение коллектор-эмиттер 2 В, ток коллектора 2 мА) Распиновка контактного разъёма: ● VCC – питание; Время отклика на отрицательный фронт (напряжение коллектор-эмиттер 2 В, ток ● GND – земля; коллектора 2 мА) ● D0 – цифровой выход, высокий Диск проходит в прорезь оптоэлектронно- датчик, но напряжение на его выхо- уровень при срабатывании датчика; го датчика так, что краем входит в щель де будет приподнято относительно ● A0 – не используется. фотопрерывателя. При повороте бараба- общего провода [4]. На рис. 5 представ- на диск прерывает поток светового потока лена иллюстрация оборудования для При попадании светонепроница- в положении, где заканчивается окошко. фасовки с двумя щелевыми оптоэлек- емого предмета в щель датчика дат- Соответственно, контроллер станка опре- тронными датчиками типа OPU200. чик срабатывает, и на выходе D0 при- деляет положение барабана и останавли- сутствует высокий уровень сигнала, вает его в местах, где начинаются окошки. Датчики оптические равный напряжению питания. При Так работает простая линия розлива пива, щелевые инфракрасные отсутствии предмета в чувствитель- фасовочного оборудования и не только. ной зоне датчика на выходе присут- Щелевой оптический инфракрасный ствует низкий уровень сигнала, рав- Эксплуатационные параметры опти- датчик, реализованный на универсаль- ный 0,1–0,2 В. ческого датчика положения KTIR0411S ном компараторе – микросхеме LM393, – представлены в табл. 2. Ток через све- представлен на рис. 6. Индикатор-светодиод светится при тодиод датчика вычисляется по форму- отсутствии предмета в чувствительной ле: I = (U–VF)/R1. В электрической схе- Принцип работы основан на излуча- зоне датчика и гаснет при срабатыва- ме, представленной на рис. 4, с учётом ющем в инфракрасном диапазоне свето- нии датчика. данных в табл. 2, расчёт будет таким: диоде и регистрирующем это излучение I = (12–1,2)/430 = 0,025 А. Параметр чувствительном элементе. Любой непро- Есть вариант подобного датчика с CTR (коэффициент передачи тока) вли- зрачный для ИК-диапазона предмет в широким пазом-щелью, равным 10 мм, яет на выбор тока через светодиод дат- зоне датчика перекрывает излучение, и с тем же принципом работы. Чувстви- чика. Максимальный выходной ток что регистрируется чувствительным эле- тельный элемент – WYC H2010. Внеш- датчика IMAX = I светодиода × CTR / 100. ментом. Датчик может использоваться ний вид модуля представлен на рис. 7. Для приведённой схемы максимальный как концевой выключатель. Совмест- выходной ток равен 0,025×0,38 = 9,5 мА. но с щелевым диском датчик позволя- Характеристики: Резистор R2 должен ограничивать ток ет отслеживать углы вращения двига- ● напряжение питания: 3,6–5 В; выходного транзистора на уровне не теля. Чувствительный элемент – H206. ● ширина щели: 10±0,1 мм; более 9,5 мА. Иначе ток ограничит сам ● размеры модуля: 28×20×18 мм; Характеристики: ● диаметр монтажных отверстий: 3 мм, ● напряжение питания: 3–5 В; расстояние между центрами монтаж- ных отверстий: 14 мм. 34 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Рис. 6. Внешний вид модуля с щелевым Рис. 7. Внешний вид модуля c датчиком Рис. 8. Внешний вид модуля оптическим инфракрасным датчиком WYC H2010 инфракрасного датчика VS1838 на LM393 Распиновка контактного разъёма: .. .. ● OUT – цифровой выход, высокий уровень при срабатывании датчика; ● GND – земля; ● VCC – питание. Модуль инфракрасного датчика VS1838, работающий по тому же прин- ципу с сопоставимыми технически- ми характеристиками, представлен на рис. 8. Польза и перспективы Рис. 9. Передатчик на модуле TX118SA-4 ципам: от настраиваемого по чув- ствительности датчика детонации с Щелевые оптоэлектронные датчики токовый ключ на транзисторе n-p-n модулем SW1801OP и беспроводным не имеют распространённого недостат- проводимости или MOSFET. передатчиком TX118SA-4 до более ка, свойственного оптоэлектронным – дорогих и надёжных, защищённых из-за малых размеров первых и относи- Однако не обязательно «управляю- от ложных срабатываний сигнализа- тельно близкого расположения приёмо- щая» заслонка в пазе датчика долж- торов поклёвки на основе оптоэлек- передающего узла в одном корпусе датчи- на иметь плоскую форму или диск с тронных щелевых датчиков. Электрон- ка им не нужно регулярное обслуживание, отверстиями, это может быть и услов- ные системы могут быть собраны из чистка рабочих поверхностей и проверка но круглая конфигурация, как нитка, блоков конструкторов типа Arduino, механической целостности. В щелевых верёвка, канат, трос, пропущенный к которым универсально подходят оптических датчиках излучающий эле- в паз датчика. В качестве примеров щелевые оптоэлектронные датчики мент, как правило – светодиод. Он име- использования щелевых оптоэлек- положения, рассмотренные выше [9]. ет длительный, но всё же ограниченный тронных датчиков можно рассматри- Некоторые устройства способны кон- ресурс работы, с годами интенсивность его вать контроллеры производственных тролировать до 8 удалённо располо- излучения падает. Чтобы устранить этот процессов для таких форм. В бытовых женных удилищ, что удобно при дон- фактор влияния, корректировка настрой- условиях примеру соответствует попу- ной ловле рыбы («донками»). Поэтому ки контроллеров, работающих в цепях со лярный электронный сигнализатор в устройствах реализован дистанцион- щелевыми оптоэлектронными датчиками, поклёвки для рыбаков. ный принцип передачи информации с обычно производится один раз в несколь- помощью приёмо-передающих моду- ко лет. Этот тип приборов также не под- Разберём несколько примеров, из лей, работающих на частоте 433 МГц. вержен термической диффузии. которых можно понять, как приме- К примеру, передающий узел устрой- нять щелевые оптоэлектронные дат- ства реализован на модуле TX118SA-4, Промышленное и бытовое приме- чики в конструкторах и разработках представленном на рис. 9. Приёмник нение щелевых оптоэлектронных дат- РЭА бытового назначения. Ибо про- устройства реализован на модуле чиков хоть и специфично, но разно- мышленные оптоэлектронные щеле- RX480E-4, представленном на рис. 10. сторонне. Выше на примере датчика вые датчики положения подходят для KTIR0411S был рассмотрен принцип этого универсально. его работы и включения в низковольт- ную электрическую цепь. Если у разра- Моделей устройств для рыбаков мно- ботчика возникает иная задача, к при- го, и устроены они по разным прин- меру, подключение к такому модулю нагрузки в виде слаботочного электро- магнитного реле, то, учитывая уровень сигнала на выходе модуля (контакты OUT или D0 в рассмотренных выше в статье вариантах), надо только доба- вить через ограничительный резистор СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 35
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ .. .. .. Рис. 11. Внешний вид сигнализатора для рыбаков PRO SQ4 с датчиком VS1838 Рис. 10. Приёмник на модуле RX480E-4 Таблица 3. Технические характеристики щелевого датчика положения OU NC6P- 43N-80-LZS4 фирмы ТЕКО Рис. 12. Внешний вид оптоэлектронного Размер прямоугольного корпуса, Д×В×Ш 110×79×15 мм щелевого датчика положения OU NC6P- Зона чувствительности / размер щели 80 мм 43N-80-LZS4 фирмы ТЕКО Способ подключения Материал корпуса Разъёмно-штекерное Эти иллюстрации приведены, чтобы Тип выключателя Полиамид понимать, как вместо датчика детона- Тип корпуса ции SW1801OP (на рис. 9) установить Максимальный рабочий ток, Imax Щелевая оптика согласно распиновке контактов щеле- Диапазон рабочих напряжений, Uраб Щелевой вой оптоэлектронный датчик – один из Падение напряжения при Imax, Ud 100 мА рассмотренных в статье. Тип контакта / структура выхода 10...30 В DC Присоединение/подключение ≤ 2,5 В Есть и другой принцип действия – Световая индикация пропущенная в паз датчика леска. Её Степень защиты по ГОСТ 14254-96 NPN переключающий колебание, вибрация или обрыв – в Гистерезис Соединитель S19, S20 зависимости от настройки контрол- Глубина вилки лера – даёт сигнал световому или зву- Допустимая ёмкость нагрузки Есть ковому сигнализатору, извещающему IP67 рыбака о поклёвке. В этом примере в Допустимая освещённость окружающей среды ≤ 0,5 мм сигнализаторах поклёвки моделей Задержка включения/отключения, не более 46 мм SQ-4, PRO Q5, PRO RAM XD, HS-JY-25 Защита от короткого замыкания 0,02 мкФ и др. используются инфракрасные Защита от переполюсовки 5000 Люкс оптоэлектронные щелевые датчики Категория применения/применяемость 1 мс типа VS1838 (рис. 8), H21HB1 – близкий Кол-во проводов Есть аналог KTIR0411S – и аналогичные. Количество зон Есть На рис. 11 представлен электронный Количество лучей DC13 прибор PRO SQ4, имеющий популяр- Диапазон рабочих температур ность в рыболовной среде. Разрешающая способность 4 Регулировка чувствительности 20 Собственный ток потребления, Io 2 Спектр излучения –15...+65°С Частота циклов оперирования, f 1,5 мм Без регулировки ≤ 35 мА Инфракрасный 500 Гц Возможности ется несколько моделей, к примеру, импортозамещения OU NC3A-43P-20-LZS4, OUR NC3A5- 43P-R20-LZS4, OU NC6P-43N-80-LZS4, Из щелевых оптических датчиков внешний вид которых представлен на отечественного производства в ката- рис. 12, и аналогичные. С каталогом логе челябинской фирмы ТЕКО име- 36 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ .. Рис. 13. Вариант схемы подключения к датчику активной нагрузки Рис. 15. Габаритный чертёж датчика OU NC6P-43N-80-LZS4 фирмы ТЕКО и вид на разъём Рис. 14. Вариант схемы подключения к датчиков разных производителей, эта ситуация и близко не соответствует. датчику индуктивной нагрузки например, между китайскими и оте- Что говорить, если даже корм для чественными вариантами (последних домашних питомцев, предназначен- можно ознакомиться по ссылке [7]. очень мало), следует понимать разницу ный для разных стран (в формате того Но, к сожалению, они проигрывают стандартов. В правовом поле стандарт – же Евросоюза), но выпускаемый на китайским в цене, а согласно некото- это уровень качества. Там, где не акту- одном и том же предприятии, – разный. рым отзывам – и в качестве. альна плановая система, вместо стан- дарта действуют технические условия Микроэлектронная технология Контролируемый объект прерыва- (ТУ), разрабатываемые каждой фирмой позволяет создавать датчики с высо- ет оптическое излучение инфракрас- самостоятельно. Отсюда возможна раз- кими метрологическими характери- ного спектра и вызывает изменение ница в названии моделей (при условно стиками и низкой стоимостью. Послед- выходного сигнала датчика. Датчик равных технических характеристиках) няя имела выраженную тенденцию к имеет излучатели и приёмник, встро- и разные каталоги у компаний. Сравне- снижению. Достижения отечествен- енные в корпус 110×79×15 мм. Техни- ние качества затруднительно и может ной и мировой микроэлектроники ческие характеристики щелевого дат- опираться только на некие субъектив- последних 50 лет получены, в сущно- чика положения OU NC6P-43N-80-LZS4 ные оценки. сти, благодаря развитию кремниевой фирмы ТЕКО представлены в табл. 3. технологии. Стоимость микросхем Противоречия в государственных падала год от года, а уровень интегра- Варианты схемы подключения к дат- стандартах или ТУ в разных странах ции (число транзисторов на единицу чику активной нагрузки представле- ввиду того, что зарубежные производи- площади кристалла) неуклонно повы- ны на рис. 13 и 14, габаритный чер- тели предоставляют в основном плат- шался. Достижения микроэлектроники тёж и распиновка разъёма – на рис. 15. ную и дорогостоящую техническую оказывали воздействие на технологию Паспорт на изделие и другие техни- документацию на изделия и элемен- изготовления датчиков. Применение ческие характеристики приведены в ты РЭА, – это сегодня, а тем более зав- микроэлектронной технологии в про- источнике [8]. тра, головная боль нашего отечествен- изводстве датчиков позволило сни- ного производителя и разработчика. зить их стоимость при сохранении или Немного о насущном. В Евросоюзе ежегодно принимаются повышении точности. Однако перенос Проблемы и тенденции порядка 2000 НПА в основном техни- микроэлектронной технологии произ- производства ческого свойства, затем каждая страна водства интегральных схем в область оптоэлектронных щелевых перерабатывает их под свои условия, датчиков оказался затруднённым, свя- датчиков не нарушая фундаментальных поло- занным с необходимостью модифика- жений и требований. По отзывам спе- ции МДП-технологий для обеспечения Если говорить о возможностях срав- циалистов, иногда дело доходит до метрологических характеристик датчи- нения различных оптических щеле- абсурда: спектр свечения светодио- ка (уровня легирования полупроводни- вых датчиков положения или тех же дов в светофоре в некоторых странах ковых слоёв или применения особо отличается от других стран, допуски чистых полупроводниковых матери- на погрешности, угловые диапазоны алов) [1]. Существенными явились разнятся. Никаким былым стандартам конструктивные требования, привед- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 37
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ шие к созданию специальных техноло- хирургии, высоких медицинских тех- 5. Разновидности и примеры реально- гий, нетипичных либо инновационных нологиях и других сферах. го применения энкодеров. URL: https:// в производстве интегральных схем. samelectric.ru/wp-content/uploads/ К ним относились операции трёхмер- Литература: downloads/2021/01/1_85_2019-Elec. ного профилирования кристаллов ru-SamElectric.ru_.pdf. кремния и бесклеевое присоединение 1. Алейников А.Ф., Гридчин В.А., Цапенко М.П. кристалла к подложке. Стоимость дат- Датчики (перспективные направления 6. Руководство по эксплуатации. Выключа- чиков определяется не только инди- развития): учеб. пособие / под ред. проф. тель оптический бесконтактный OU NC6P- видуальной сборкой, настройкой, М.П. Цапенко. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 43N-80-LZS4. URL: https://teko-com.ru/files/ испытаниями и метрологической 2011. 176 с. passports/OU-NC6P-43N-80-LZS4-passport. аттестацией, но и технологией про- pdf. изводства. Условно низкая стоимость 2. Кашкаров А.П. 500 схем для радиолюби- датчиков обусловливалась, прежде все- телей. Электронные датчики. СПб.: Нау- 7. Сайт производителя оптоэлектронного го, большим количеством кристаллов, ка и Техника, 2007. 208 с., ил. (2-е изд., щелевого датчика KTIR0411S. URL: http:// которые получали с одной пластины. доп.). mypractic.ru/downloads/pdf/ktir0411s.pdf. Высокие темпы роста применения 3. Кашкаров А.П. Фото- и термодатчики в 8. Фирма ТЕКО. Каталог. Щелевые оптиче- микроэлектронных датчиков наблю- электронных схемах. М.: Альтекс, 2004. ские датчики. URL: https://teko-com.ru/ даются не только в автомобильной 212 с., ил. pdf/2-shhelevye.pdf. промышленности, на автоматизиро- ванных линиях и робототехнике, как 4. Оптические и фотодатчики. Разновид- 9. Четырёхканальный беспроводной сигна- было ещё 20 лет назад, но и в нейро- ности и принципы работы. URL: https:// лизатор поклевки. Модульный конструк- samelectric.ru/promyshlennoe-2/opticheskie- тор Arduino. URL: http://arduinoprom. i-fotodatchiki-raznovidnosti-i-printsipy- ru/shemotehnika/294-chetyrehkanalnyj- raboty.html. besprovodnoj-signalizator-poklevki.html. НОВОСТИ МИРА ChatGPT успешно сдал стоянии». «Представьте, как будет выгля- Тервиш отметил влияние, которое про- выпускной экзамен в одной из деть GPT 10-го поколения», – добавил он. извело появление электронных калькуля- лучших школ бизнеса в мире торов, и предположил, что нечто подобное С ним согласен Эндрю Кароли (Andrew может произойти с такими решениями, как Хотя ИИ-бот ChatGPT компании OpenAI вы- Karolyi), декан бизнес-колледжа SC Johnson в ChatGPT. «До появления калькуляторов и зывает опасения учителей старших классов Корнельском университете, заявивший на других вычислительных устройств многие из-за его возможного использования при вы- этой неделе газете Financial Times: «Мы все фирмы нанимали сотни сотрудников, чьей полнении заданий, проблема не ограничи- знаем наверняка, что ChatGPT никуда не де- задачей было ручное выполнение мате- вается только средней школой. Профессор нется. Во всяком случае, эти ИИ-технологии матических операций, таких как умноже- Уортонской школы бизнеса университета будут становиться всё лучше и лучше. Ру- ние или преобразование матриц, – напи- Пенсильвании Кристиан Тервиш (Christian ководству факультетов и университетов не- сал Тервиш в исследовании. – Очевидно, Terwiesch) сообщил, что ChatGPT без проблем обходимо инвестировать в образование». что такие задачи теперь автоматизирова- сдал выпускной экзамен по основному курсу ны, и ценность связанных с ними навыков программы MBA «Управление операциями». «Я считаю, что ИИ не заменит людей, но резко снизилась. Точно так же любая ав- люди, которые используют ИИ, собирают- томатизация навыков, которым обучают Выпускники школы, прошедшие обуче- ся заменить людей», – сообщила Financial на наших программах MBA, потенциаль- ние по программе MBA (Master of Business Times Кара МакВильямс (Kara McWilliams), но может снизить ценность образования». Administration), работают в качестве менедже- глава лаборатории ETS Product Innovation ров среднего или высшего звена в бизнесе, на Labs, разработавшей инструмент для вы- 3dnews.ru государственной или муниципальной службе. явления использования ИИ при ответах. Профессор отметил, что ИИ-бот «потряса- юще справляется с основными вопросами управления операциями и анализа процес- сов, включая те, которые основаны на тема- тических исследованиях», добавив, что на- блюдались и проблемы при ответах на «бо- лее сложные вопросы анализа процессов». Однако, по мнению преподавателя, в ито- ге ChatGPT «получил бы на экзамене оценку от B до B–». Хотя это не высший балл, он яв- ляется проходным, и экзамен считается сдан- ным. Профессор также сообщил, что ИИ-бот «хорошо показал себя при подготовке юри- дических документов, и некоторые счита- ют, что следующее поколение этой техноло- гии может даже сдать экзамен на адвоката». Предприниматель-миллиардер Марк Кьюбан (Mark Cuban) отметил, что ChatGPT находится «всего лишь в зачаточном со- 38 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Тензодатчики и тензорезисторы для вендинговых аппаратов и современной РЭА Андрей Ласорла тензочувствительности для разных материалов приведены в табл. 1. В статье описан принцип работы тензорезисторов как перспективных радиоэлементов для разработки контрольно-измерительной На рис. 1 представлен cхематичный техники. На основе имеющихся примеров предложен обзор вид пленочного тензорезистора. разных типов тензодатчиков, обоснованы перспективы разработок РЭА в метрологической отрасли, что очень важно в условиях Тонкая решётка из фольги, уло- импортозамещения. женная змейкой и запрессованная на фенольную плёнку, под механическим В современной электронике как а современные производятся с участи- воздействием испытывает деформа- элементы датчиков перемещений, ем полупроводников – кремния, арсе- цию вместе с упругим элементом, и особенно деформаций, широко нида галлия и др. Тензочувствитель- что влечёт изменение электрических применяют тензорезисторы. В осно- ность полупроводниковых датчиков свойств элемента. На рис. 2 схематич- ве их работы лежит тензоэффект – в 50...100 раз больше, чем у «метал- но показаны особенности изменения способность некоторых материалов лических» анахронизмов эпохи. Так, менять электрическое сопротив- сопротивление проволочных датчи- Таблица 1. Некоторые типичные ление при деформировании (сжа- ков составляет десятки и сотни Ом, значения коэффициента тии, скручивании, растяжении), полупроводниковых – тысячи Ом при тензочувствительности для разных а также закономерности деформа- погрешности измерений менее 1%. материалов ции упругого тела, открытые в XVII Этот параметр также принято назы- веке Робертом Гуком и описанные вать «значение нуля». Материал Коэффициент как закон Гука. Тензорезисторы тензо- (от лат. tensus – напряжённый и лат. С развитием НТ-прогресса прин- resisto – сопротивляюсь), по сути, – цип работы тензорезисторов остался чувствительности это резистор с изменяемым в зависи- прежним, он основан на изменении мости от механической деформации под воздействием давления и меха- Металлическая фольга 2–5 рабочей поверхности сопротивлени- нической деформации геометриче- Тонкая металлическая 2 ем. Таково «официальное» опреде- ских размеров элемента и соответ- плёнка (к примеру, От –125 до +200 ление. Полезный функционал тен- ственно сопротивления элемента, константановая) 30 зорезисторов стал востребован после включённого в электрическую цепь. Монокристаллический 100 открытия эффекта изменения удель- По условной формуле: R = PL/S, где кремний ного сопротивления металлического S – поперечное сечение проводника Поликристаллический проводника под действием всесто- тензорезистора, L – длина проводни- кремний роннего сжатия (гидростатическо- ка. При механическом воздействии Тонкоплёночные го давления) в 1856 г. Кельвином и S стремится к уменьшению значе- резистивные в 1881 г. О.Д. Хвольсоном. Пионера- ния, а L – к увеличению за счёт рас- материалы ми в практических измерениях дефор- тяжения тензорезистора. Или так: маций были Е.Е. Симмонс (Калифор- Е = LR/RKf, где L – относительное Рис. 1. Схематичный вид плёночного нийский технологический институт) изменение длины проводящего эле- тензорезистора и Л.С. Руже (Массачусетский техно- мента тензорезистора; LR/R – относи- логический институт). В 1938 г. они тельное изменение сопротивления применили образцы тензорезистора тензорезистора; Kf – коэффициент с монтажом на клеевой основе. Это тензочувствительности. были прототипы распространённых в современном мире тензорезисто- Чувствительность тензорезистора ров различного назначения. характеризуется безразмерным пара- метром – коэффициентом чувствитель- Однако технологии производства ности Kf. Тензорезисторы по конструк- как отдельных элементов, так и дат- ции и способу изготовления могут быть чиков из нескольких тензорезисто- плёночными металлическими или ров претерпевали изменения. Пер- фольговыми константановыми. Для вые тензорезисторы изготавливались первых параметр Kf слабо зависит от из константана, никеля, нихрома, деформации и немного превышает 2. Типичные значения коэффициента СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 39
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Рис. 2. Особенности строения (состава, Рис. 3. Особенности работы Рис. 4. Схематический вид особенности конструкции) тензорезистора тензодатчика работы тензодатчика формы элемента при внешнем меха- На рис. 5 представлен вид плёночно- Рис. 5. FSR402 для измерений в ническом воздействии. го тензорезистора FSR402 для измере- диапазоне 0…10 кг ний в диапазоне 0…10 кг. Электропроводящий элемент – тен- Рис. 6. Тензорезистор RFP602 для зорезистор закрепляют на измеритель- Плёночный аналоговый тензодат- измерений в диапазоне 0…1 кг ное тело – балку, консоль, мембрану, чик FSR402 с предельно допустимой колонну, что составляет корпус буду- нагрузкой 0,1…10 кг. Диаметр чувстви- тия дорожек, увеличения их сечения. щего тензодатчика. Причём в совре- тельной части 12,7 мм. На рис. 6 пред- Эти изменяемые параметры в элек- менных высокоточных тензодатчи- ставлен вид плёночного тензорезисто- тронном устройстве с тензорезисто- ках установлен не один тензорезистор, ра RFP602 для измерений в диапазоне рами обеспечивают преобразование а 4 и более, да и самих тензодатчиков в 0…1 кг. механических данных в электриче- одной системе может быть несколько. ский ток. Все они подключаются по одному про- Именно такие тензорезисторы уста- токолу для достижения минимальной новлены в тензодатчиках Wavgat, Принцип работы тензорезистора погрешности измерения. Эта практи- о которых будем говорить далее, а так- мы рассмотрели выше, а далее обра- ка оправдана (кроме заботы о метро- же в настольных электронных весах тим внимание на особенности вклю- логической точности) тем, что в такой бытового назначения для взвешива- чения тензорезисторов по схеме моста системе можно без ущерба работоспо- ния мелких деталей, продуктов, драг- Уитстона в электрическую цепь. собности отказаться (в случае неис- металлов. Плёночный аналоговый тен- правности) от одного или нескольких зорезистивный датчик с предельно Типичные схемы включения тензодатчиков и провести ремонтные, допустимой нагрузкой 1 кг изменяет в электрическую цепь регламентные работы без простаива- сопротивление под действием прикла- ния системы. дываемой силы. Диаметр чувствитель- Полномостовой тензодатчик из ной части – 10 мм. четырёх однотипных тензорезисто- Наиболее типичную схему включе- ров подключается в электрическую ния четырёх тензорезисторов назы- В состоянии покоя решётка тензоре- цепь с соблюдением типичной цвето- вают мостом Уитстона. Такой тензо- зистора, сделанная из фольги, имеет вой маркировки проводов: «красный» датчик имеет не 1, а 4 резистивных определённое сечение и длину «нит- и «чёрный» – соответственно «+» и элемента, включённых в плечи рези- ки». В состоянии покоя сопротивление «–» питания; «белый» и «зелёный» – стивного моста. Тензорезисторы име- тензорезистора стабильно. Когда тен- выходной сигнал мостовой схемы. Сое- ют одинаковый номинал, поэтому в зоэлемент деформируется, длина его динительный кабель экранирован для состоянии покоя ток в мосте сбалан- проводящих ток ниток незначительно защиты от помех. Помехоустойчивость сирован и не фиксируется измери- меняется. Когда в качестве основания системы с тензодатчиками, особенно тельными приборами; да, токовая используется балка, дорожки датчика при малых весовых значениях, – важ- нагрузка может иметь место из-за растягиваются, их поперечное сечение несовершенства конструкции и тем- уменьшается, и омическое сопротив- пературных колебаний, но в опре- ление тензорезистора увеличивается. делённых пределах. При деформа- При сжатии (возврате в исходное поло- ции гибкой подложки происходит жение) возникает обратный эффект – попарное сжатие и растяжение тен- сопротивление уменьшается из-за сжа- зорезисторов, как следствие – измене- ние рабочих параметров в цепи моста, а сигнал разбалансировки от моста по экранированному кабелю переда- ётся на АЦП. Иллюстрация изменения состояния посредством механического воздей- ствия представлена на рис. 3 и рис. 4. После снятия нагрузки с весовой платформы гибкий элемент возвра- щается в исходное положение, мост Уитстона возвращается в состояние равновесия. 40 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Рис. 7. Схема подключения моста Уитстона по четырём проводам Рис. 9. Внешний вид тензометрического датчика Wavgat ности и точности. Лучше применить милливольтметр с пределом измере- ния от 0,1 мВ, с высокой точностью и оценкой производительности аналого- вых и цифровых показателей. Рис. 8. Шестипроводная схема включения тензорезисторов моста Уитстона Применение в вендинговых аппаратах и не только ное условие стабильной работы всей динении кабеля, состоящего из 4 и 6 системы. жил, провод Sen+ (синий) соединяется Основное предназначение тензодат- перемычкой (либо WAG) с +Uп, Exc+ чиков – измерительные приборы тен- Четырёхпроводные тензодатчи- (красный). Провод Sen– (жёлтый) сое- зометры, к которым относится различ- ки подключают к модулю нагрузки и диняется перемычкой с –Uп Exc– (чёр- ного назначения контрольно-весовое АЦП (рис. 7). ный), как показано на рис. 7. оборудование, но и в этом аспекте есть несколько особенностей. С тен- В ситуации удалённого размеще- При необходимости соединения 6- и зодатчика сигнал передаётся на кон- ния тензодатчиков относительно 4-жильного кабелей тензодатчика про- троллер – терминал, где переданная в контроллера-анализатора для обе- вод Sen+ (синий) имитируют, вклю- цифровом виде через общий протокол спечения корректных замеров веса чая его от +Uп, Exc+ (красный), а про- передачи данных информация анали- используют 6-проводную схему под- вод Sig– (жёлтый) имитируют, включая зируется. В автоматических аппаратах ключения, исключающую влияние его от –Uп, Exc– (чёрный), как показа- выдачи за деньги или по кодовой ком- сопротивления питающих проводни- но на рис. 8. бинации вещей, игрушек, напитков ков на результаты измерений. С двух (к примеру, вендинг) тензодатчик явля- дополнительных проводов Sen+ и У разных производителей цве- ется важнейшим узлом контроля рас- Sen– снимают данные о падении напря- товая маркировка проводов может хода материальных активов. Ибо вещи жения (рис. 8). Цветовая маркировка отличаться. Если нет описания, для из лотка хранения «автомата» иденти- может различаться у разных произво- определения распиновки использу- фицируются по номерам ячеек, но кон- дителей, но типичная именно такова. ют мультиметр с режимом измере- троль в «выпускном» лотке определяет- ния сопротивлений от 0,5 Ом и выше. ся по их весу, заложенному как ординар Распиновка 4-жильных кабелей тен- В случае с четырёхпроводным модулем в память устройства. На этапе выдачи зодатчика: уместен следующий алгоритм. продукта на основе информации, полу- ● красный – плюсовой вход (питание ченной в электронном виде от тензо- Последовательно выберите 6 парных датчика, сравниваются вес эталонный «+», Exc+); комбинаций проводников, измерь- и вес отпускаемого продукта. ● зелёный – плюсовой выход (сигнал те сопротивление для каждой пары. Определите, в каком случае получе- В системах с автоматизированной «+», Sig+); но наибольшее значение сопротив- выдачей напитков на выходе устрой- ● чёрный – минусовой вход (питание ления – эта пара является линией ства сравнивается вес наполненно- питания. Отделите оставшиеся два го стакана (тары) с эталонным весом, «–», Exc–); провода – это линия сигнала. Подай- заложенным в память электронного ● белый – минусовой выход (сигнал те напряжение на провода питания и контроллера; когда значения совпада- определите полярность подключения, ют, с помощью управляемых электрон- «–», Sig–). измеряя напряжение на сигнальных ных клапанов в магистрали подвода В тензодатчиках шестипроводного проводниках. При этом мультиметр – жидкости налив прекращается. Таков типа старых выпусков, когда неравно- наименее предпочтительный вари- простой (хоть и не единственный) мерность сечения провода приводила ант для проверки тензодатчика, если и часто используемый способ автома- к скачкам напряжения, дополнитель- он не имеет достаточной чувствитель- тизированной выдачи, упрощающей но присутствовали ещё 2 провода; как коммуникацию между покупателем правило, синий соответствовал поло- и автоматом – продавцом товаров. жительному (Sen+) и жёлтый – отри- цательному (Sen–) контакту. При сое- Для измерения массы стакана с жид- костью в типичном вендинговом аппа- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 41
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Рис. 11. Внешний вид модуля HX711 Рис. 10. Место установки тензодатчика в вендинговом аппарате по розливу кофе и чая рате розлива кофе и чая применяется на примере вендингового автомата по Рис. 12. Иллюстрация графика тензометрический датчик Wavgat А1, розливу напитков. После команды дискретного преобразования выходного установленный под площадкой выдачи контроллера о выдаче товара модуль сигнала АЦП в зависимости от товара и подключённый к микрокон- HX711AD обнуляет значения теку- входного троллеру через модуль HX711. щего веса, приложенного к датчику, и далее считывает информацию с пенек, но для примера приведём его На рис. 9 представлен тензодатчик тензодатчика. По мере заполнения и на рис. 12. Wavgat. увеличения веса тары напряжение, снимаемое с тензодатчика, увеличи- АЦП с разрядностью 10…24 бит чув- Подробно технические характери- вается (порядок значений – милли- ствителен к изменению напряжения стики тензодатчика приведены в [9]. вольты), сигнал после АЦП анализи- на входе величиной даже 5 мВ, что руется контроллером и сравнивается удачно стыкуется с применённым На рис. 10 представлено место уста- в реальном времени с эталонным типом тензодатчика. Но точность пре- новки тензодатчика в вендинговом весом (в памяти МК) наполненной образования входного сигнала зависит аппарате по розливу кофе и чая. тары. Как только значения в цифро- и от опорного напряжения, которое вом формате сравнялись, микрокон- определяет границу диапазона рабо- На рис. 11 представлен модуль дат- троллер формирует команду на пре- ты АЦП. Таким образом, при опорном чика нагрузки HX711 АЦП для тензо- кращение подачи жидкости (и ещё напряжении 5,2 В это одна точность, датчика. ранее – субстрата размолотых зёрен – при 5,02 В – другая, при напряжении порошка кофе или чая); эта коман- 4,8 В – третья… Притом что АЦП рас- Модуль HX711AD универсален для да служит сигналом на электронный сматриваемого модуля работоспособен тензодатчиков с номинальным диа- клапан подачи жидкости в магистра- в диапазоне 5 В ±15% [10]. пазоном измерения 1…20 кг – АЦП с ли аппарата или на поворот шагово- разрядностью 24 бит. Имеет встроен- го двигателя с редуктором, совмещён- В конструкторах Arduino Uno сия ное активное шумоподавление PGA и ным с закрытием отверстия ёмкости проблема решается задействованием выбор коэффициента усиления: 32, 64 подачи (в зависимости от конструк- для опорного напряжения специаль- и 128, а также: ции аппарата). ного вывода Vref микроконтроллера. ● встроенный стабилизатор напряже- В условно простых вендинговых систе- В целом модули нагрузки и АЦП мах в таком случае реализуется или с ния; на рассмотренном примере универ- помощью использования внешнего ● встроенный осциллятор; сальны для небольших весовых зна- (дополнительного) суперстабильно- ● выбор скорости передачи данных: от чений и надёжны. Однако надо учи- го источника опорного напряжения, тывать, что точность преобразования или путём качественного источника 10 SPS до 80 SPS; выходного сигнала (ошибки и откло- питания устройства с высоким уров- ● одновременное подавление шумов нения в дискретности) может влиять нем стабилизации напряжения. Ина- на общую ошибку измерения веса, че, точность измерения веса на этапе питания 50 и 60 Гц; и тензодатчик тут ни при чём. К при- преобразования сигнала от тензорези- ● потребляемый ток: в рабочем ре- меру, 10-битный АЦП при разном вход- ном напряжении 0…5 В (при условии, жиме < 1,5 мА, в режиме ожидания что 5 В – опорное напряжение питания < 1 мкА; модуля) преобразует его в цифровой ● диапазон рабочих напряжений: от вид с точностью 1/1024 В. На графи- 2,6 до 5,5 В; ке невозможно изобразить много сту- ● диапазон рабочих температур: –40… +85°C; ● размеры: 34×21 мм. Вопросы корректности метрологии Рассмотрим алгоритм работы элек- тронного узла с тензодатчиком и АЦП 42 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Рис. 13. Внешний вид тензодатчика Рис. 14. Внешний вид балочного Рис. 15. Внешний вид тензодатчика Sensortronics 92001 тензодатчика фирмы Keli серии SQB CAS BCL, рассчитанного на измерение нагрузки 1…3 кг Таблица 2. Некоторые технические малых нагрузок, используемых в вен- характеристики тензодатчиков динговом автомате, составляет 400 руб.; отапливаемых помещениях в кругло- модельного ряда Sensortronics 92001– неудивительно, что вендинговые аппа- годичном режиме. 92006 раты относительно быстро окупаются – примерно через 1300 покупок. Класс точности измерения, величи- Материал Коэффициент на погрешности, количество прове- тензо- Критерии и характерные рочных делений регулируются стан- различия тензодатчиков дартами. Приборы класса G (G1–G3 чувствительности и др.) имеют наименьшую точность, Тензодатчики различаются по с маркировкой C (С1, С2, С3) – наи- Рабочий коэффициент 2 мВ/В ±10% нескольким критериям. По назначе- большую. Данные параметры тензо- передачи (РКП) от максимального нию: для платформенных весов, бун- датчика регламентируются государ- Значение нуля измеряемого веса керных весов, дозаторов – это относи- ственными стандартами. Количество Повторяемость тельно мощные приборы для весовых диапазонов предполагает, что датчик Ползучесть ±1% от значений от 50 кг до 1,5 т (мы гово- может быть одно- и мультиинтерваль- Комбинированная максимального рим о типичном применении, а есть ным. Для повышения точности изме- ошибка измеряемого веса и специальные с нагрузками выше). рений на малых нагрузках применяют Таков одноточечный тензодатчик устройства с несколькими диапазона- < ±0,01% Sensortronics 92001 с корпусом из леги- ми, так обеспечивается минимальная от максимального рованной стали, предназначенный для погрешность измерений. измеряемого веса установки в большие платформенные 30 мин. < ±0,025% весы, к которым предъявляются требо- Важный параметр – компенсирован- от максимального вания высокой точности измерений. ный температурный диапазон. Точ- измеряемого веса Sensortronics 92001 – один из модельно- ность измерений зависит от условий го ряда 92001–92006, различие в кото- среды, и даже с учётом термостабиль- < ±0,045% рых определяется весовым (нагрузоч- ных полупроводниковых материалов от максимального ным) назначением и, соответственно, тензорезистора в нижней и верхней измеряемого веса размерами платформ. Модель 001 для части рабочего диапазона колебания метрологии нагрузок до 100 кг; это сопротивления при механическом воз- Предельная нагрузка 300% НН основной элемент в настольных, про- действии нуждаются в компенсации. верочных и напольных электронных Номинальное/макс. 10/15 В измерителях веса. Внешний вид тен- В табл. 2 представлены некоторые напряжение 349…355 Ом зодатчика Sensortronics 92001 представ- технические характеристики тензо- Выходное >1000 МОм лен на рис. 13. датчиков модельного ряда Sensortronics сопротивление 92001–92006. Сопротивление Тензодатчики различаются по номи- изоляции нальной (расчётной) нагрузке (НН), По типу датчики различают по форм- что также определяется их практиче- фактору, к примеру, представленный Степень защиты IP66 ским назначением, рабочему коэф- на рис. 3, 9, 14, 15 прибор характеризу- фициенту передачи (РКП). Как пра- ется типом датчика «балка на изгиб». стора в цифровой формат может коле- вило, у мощных тензодатчиков – за Опционально корпус датчиков тензо- баться, что приведёт условно к недо- счёт их полупроводникового испол- датчиков может быть изготовлен из ливу или переливу жидкости в тару; нения – условно бо́льшая темпера- разных материалов – от пластика до когда вы встречаете такое на практи- турная стабильность. У тензодатчи- лёгких сплавов с участием анодиро- ке, желая гастрономически насладить- ка Sensortronics 92001-050K-NC-00X ванного алюминия и даже из нержа- ся и украсить свой обеденный рацион (НН до 50 кг) влияние температуры веющей стали. Размеры корпуса влия- кофе-брейком, понимаете, в чём дело. на выход соответствует ±0,001% /°C ют на специфику монтажа. В сложных при широком температурном диапа- или стеснённых (по месту) условиях, Тем не менее использование тензо- зоне –20...+70°С, что делает устройства к примеру, с криволинейной поверх- датчиков для контроля веса отпуска- на их основе почти универсальными ностью, размер и форм-фактор корпу- емого продукта удешевляет конструк- в применении как на улице, так и в са датчика имеет значение. цию вендинговых и других устройств для бытовых нужд. Простое сравне- Корпуса тензодатчиков различают- ние: цена одноточечного тензодатчи- ся по типу воспринимаемой нагрузки ка для мощных электронных весов с и строению: нагрузкой в 1,5 т составляет в 2022 году 35 тыс. руб., цена датчика с четырьмя встроенными тензорезисторами для СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 43
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ ● консольные (балочные) – по принци- Таблица 3. Технические и эксплуатационные характеристики тензодатчика Keli пу балки, работающей на сдвиг или серии SQB изгиб. Используются в конструкции бункерных, платформенных весов Модель SQB 100kg, SQB 500kg, SQB 3t, (см. пример на рис. 3, 9, 14, 15); SQB 150kg, SQB 750kg, SQB 3.5t, НПИ, кг SQB 200kg, SQB 1000kg, SQB 5t, ● S-образные – работают на растяже- Класс точности, OIML SQB 250kg, SQB 1500kg, SQB 7.5t, ние и сжатие. Тензодатчики на их SQB 300kg SQB 2000kg, SQB 10t основе подходят для измерения под- SQB 2500kg 3000–10 000 нимаемых грузов; 100–300 500–2500 соответственно соответственно соответственно ● мембранные (шайбы) – наименее чувствительны к скручиванию. Дат- C3; C4; C5 чики широко применяются в весах разных типов; Чувствительность, мВ/В 2,0 ±0,002 3,0 ±0,003 ● колонные (стержневые) – работают Ползучесть (30 мин), % F.S. ±0,01 на сжатие. Устанавливаются в обо- ±0,02 рудование с высокой грузоподъём- Температурное отклонение нуля, % ±0,02 ностью; F.S./10°C 400 ±20 Температурное отклонение ● торсионные – воспринимают усилие чувствительности, % F.S./10° C скручивания. На рис. 14 представлен балочный Входное сопротивление, Ом консольный тензодатчик фирмы Keli Выходное сопротивление, Ом 352 ±3 серии SQB для среды с температурным диапазоном –30…+70°C. Сопротивление изоляции, MОм ≥ 5000 Прибор выдерживает перегруз до Рабочий диапазон температур, °C –40…+40 150% от номинальной нагрузки. Класс пылевлагозащиты IP68 означает, что Предельно допустимая нагрузка, % F.S. 150 тензодатчик выдерживает погружение 10…12 в воду на глубину до 1 м. В табл. 3 пред- Рекомендуемое напряжение питания, В, ставлены технические характеристики пост. ток 15 тензодатчика Keli серии SQB. Максимальное напряжение питания, В, IP68 пост. ток На рис. 15 представлен внешний вид тензодатчика CAS BCL, рассчитанного Класс защиты на измерение нагрузки 1…3 кг. Повторяемость (% F.S.) 0,02 В соответствии с особенностями конструкции тензодатчик с низко- Таблица 4. Эксплуатационные и технические характеристики тензодатчиков профильным дизайном применяет- CAS BCL ся в напольных весах и др. контроль- но-весовых устройствах, допускающих Характеристики CAS BCL CAS BCL CAS BCL нецентрализованное нагружение по (1–3 кг) (6–30 кг) (60–200 кг) стандарту OIML R76. Класс защиты Наибольший предел взвешивания, кг 1/2/3 IP65. Соединительный кабель дли- Рабочий коэффициент передачи (РКП), 1,0 ±0,1 6 / 10 / 15 / 20 60 / 100 / 150 ной 0,4 м, 4-жильный с экранирующей мВ/В 0 ±0,05 / 30 / 200 оплёткой и изоляционной оболочной Диапазон значения нуля, мВ/В из ПВХ. Максимальный размер плат- Класс точности 0,03 2,0 ±0,2 формы: 200×200 мм. Имеются анало- Суммарная ошибка, % гичные тензодатчики CAS BCL, рассчи- Повторяемость, % 0,03 0 ±0,1 танные на вес 6…30 кг и на 60…200 кг Ползучесть (30 мин.), % для платформ максимального разме- Температурный дрейф, %/10°C C3 ра 400×400 мм. Заслуживает внима- «нуля» ния «маломощный» тензодатчик CAS сигнала 0,02 0,03 BCL-01L в корпусе из анодированно- Напряжение возбуждения, В го алюминия, уверенно работающий рекомендуемое 0,01 в диапазоне температур –20…+70°C, максимальное с классом защиты IP65 и замерами веса Сопротивление, Ом 0,017 0,03 нагружения до 1 кг. Он применяется в входное точных настольных весах для мелких выходное 0,028 0,014 0,028 деталей и драгметаллов. Эксплуатаци- Изоляции 0,014 0,011 0,014 онные и технические характеристики Безопасная перегрузка, % НПВ тензодатчиков линейки CAS BCL све- Компенсируемый диапазон температур, °C 10 дены в табл. 4. Рабочий диапазон температур, °C 15 На рис. 16 представлены разме- 400 ±20 ры тензодатчика CAS BCL, предна- 350 ±3,5 > 2000 150 –10…+40 –20…+70 44 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Рис. 16. Размеры тензодатчика CAS BCL, предназначенного для нагружения весом из четырёх цифр и следующими тех- 1…3 кг ническими характеристиками: ● диапазон измерения: ± 19 мВ; Рис. 18. Внешний вид модуль- ● температурный коэффициент: контроллера весовых ячеек с индикатором 100 ppm/°С; ● коэффициент конверсии A/D: от 6,25 Рис. 17. Внешний вид весового модуля с ● баланс «нуля» (zero balance): ±1%F.S.; допустимой нагрузкой 5 кг ● напряжение возбуждения: от 9 до до 100 Гц; ● функции защиты: обратное соеди- значенного для нагружения весом 12 В; 1…3 кг. ● сопротивление входа: 405±10 Ом; нение, перенапряжение, мгновен- ● сопротивление выхода: 350±3 Ом; ное подавление; Весовой модуль с предельно допу- ● НН (ultimate overload): 150%F.S.; ● диапазон рабочих температур: стимой нагрузкой 5 кг представлен ● сопротивление изоляции (insulation –40…+70°С. на рис. 17. Назначение кнопок: точка/сохранить resistance): 100 000 МОм (при 100 В); (SAVE), цифра/обнуление (DIGIT), Спецификация: ● габаритные размеры: 80×12,7×12,7 мм. плюс/верхнее значение (PH), минус/ нижнее значение (PL). ● класс точности C2; К вопросу об импортозамещении: Калибровка осуществляется следую- ● температурная погрешность (temp. тензорезистор 2ФКП-5х200 имеет вид щим образом. прямоугольника с размерами 10×5 мм. 1. При отсутствии веса нажимать бо- effect on span): ±0,02%F.S./10°C; Его сопротивление – число в наиме- лее 2 с кнопку «PL». На индикато- ● диапазон ошибки (сomprehensive новании после символа «х», в данном ре отобразятся две буквы PL и затем случае 200±0,35% Ом. Подложка так- 0000 (4 нуля). error): ±0,05 %F.S.; же является и основным корпусом эле- 2. Удерживать более 2 с «SAVE», что- ● смещение нуля (temp. effect on zero): мента. бы сохранить это значение. 3. Нагрузить весовую ячейку грузом с ±0,03%F.S./10°C; Для рассмотренных типов тензо- известной массой M. ● рабочее отношение (rated output): датчиков предназначен модуль-кон- 4. Удерживать более 2 с кнопку «PH». троллер весовых ячеек с индикатором, На индикаторе отобразятся две бук- 1±0,15 мВ/В; представленный на рис. 18. вы PH. ● компенсированный диапазон темпе- 5. С помощью кнопок «PH», «PL» и Это готовый контроллер весовых «DIGIT» довести величину на ин- ратур: –10…+40°C; ячеек и действующих электронных дикаторе до массы M. ● ползучесть: ±0,02%F.S./30 мин.; весов cо светодиодным индикатором 6. Удерживать кнопку «SAVE». ● диапазон рабочих температур: Для коррекции взвешивания тары (неучёта веса тары) после её размеще- –20…+60°C; ния на рабочей поверхности площадки с тензодатчиком удерживать более 2 с кнопку «ZERO». После этого на инди- каторе отобразится «0». Контроль исправности тензодатчика по мостовой схеме Для определения исправности моста Уитстона измеряют входное и выход- ное сопротивление каждой пары выводов. Для испытания использу- ют омметр, полученные данные срав- нивают с паспортными значениями. Баланс моста тензометрического дат- чика проверяется в двух вариантах: между минусовыми выходом и входом; и между минусовым выходом и плю- совым входом. Разница между полу- ченными значениями и паспортными у исправного тензодатчика не превы- шает 10 Ом. Если показатель выше, а целостность моста не подтверждена измерениями, тензодатчик подлежит замене. Среди причин неисправности могут быть скачки напряжения, физи- ческое разрушение из-за повышенных СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 45
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ вибраций или технический брак (несо- блюдение технологии). Спектр применения Рис. 19. Иллюстрация размещения в корпусе тензодатчика элемента тензодатчиков и термокомпенсации конструкций на их основе тротехнических условиях. Тензодат- ет эластичности при низких темпера- Для описания принципа действия чики не требуют обслуживания после турах, устойчив к истиранию и меха- тензодатчика в статье приведён при- включения и настройки. Но для кор- ническому воздействию. мер тензорезистора (резистивного тен- ректной работы необходимы следую- зодатчика). Однако кроме этого типа щие условия: Тензодатчики можно соединить в метрологических задачах могут уча- ● отсутствие сильных вибраций, кото- напрямую с контрольным блоком или ствовать другие типы тензодатчиков. установить на удалении от АЦП. Их рые могут повлиять на точность и ре- используют и для проведения измере- Тактильные. В основе – два прово- сурс оборудования; ний на движущихся деталях, одновре- дника, разделённые диэлектрическим ● защита датчика от воды и пыли в со- менно в нескольких точках конструк- слоем. Под воздействием деформации ответствии со стандартом (устрой- ции и т.д. Но тензодатчики нужны не проводники сближаются и продавли- ства класса IP 24 работают в чистой только в рассмотренных в статье слу- вают мягкую прослойку. В электри- сухой среде); чаях. ческой цепи возникает ток, который ● отсутствие разрушающего механи- зависит от материалов и расстояния ческого воздействия – ударов, тре- Тензорезисторы прямоугольно- между проводниками в рабочей зоне ния и т.д.; го и розеточного типа на основе кон- датчика. ● защита от химически агрессивных стантановой фольги предназначены веществ, которые могут вызвать кор- для измерения деформации деталей Пьезоэлектрические, пьезорезо- розию металлических элементов, машин, металлоконструкций при ста- нансные, по технологии полупрово- разрушение оплётки и изоляции; тических нагрузках, а также в качестве дников. Эффект основан на свойстве ● соблюдение рабочего и компенси- чувствительных элементов силоизме- полупроводниковых кристаллов изме- руемого температурного диапазона. рительных датчиков в условиях макро- нять состояние, величину статическо- Если датчик установлен вне герме- климатических районов с умеренным го заряда. тичного корпуса, его регулярно очища- и холодным климатом. Их техниче- ют от пыли струёй воздуха с напором. ские характеристики допускают циклы Магнитные. В качестве чувствитель- Для удаления загрязнений не исполь- давлений/деформаций/воздействий ного элемента – магнитный сердечник, зуют агрессивные чистящие средства, десятки млн на один прибор. окружённый катушкой. При деформа- которые могут повредить силиконовое ции сердечник изменяет положение, покрытие или элементы модуля. Былое и перспективы что влияет на ЭМ-индукцию в катушке. Условные проблемы решаемы. Тен- тензодатчиков зорезистивные датчики обеспечивают Ёмкостные. Работают по принци- широкий диапазон и высокую точность Технологичность, универсальность, пу изменения ёмкости переменного измерений (до 0,017%, в зависимости удобство использования и выгодная конденсатора. При воздействии (дав- от модели), в том числе при высо- стоимость – ключевые факторы, вли- лении) нагрузки токопроводящие пла- кой частоте динамических деформа- яющие на востребованность тензо- стины сближаются, ёмкость образован- ций основания – до десятков млн раз. датчиков разных типов. Перспектива ного ими конденсатора возрастает. С условием компенсации тензодатчики их применения связана и с методами Изменение ёмкости преобразуется в работают в широком диапазоне темпе- обработки сигналов датчиков линей- электрический ток. ратур. На рис. 19 представлен вид раз- ных и угловых перемещений, фаз ква- мещения в одном корпусе тензорези- дратурного сигнала в код положений. К условным минусам стора и элемента термокомпенсации. К примеру, получение цифрового кодо- тензодатчиков относят: За счёт плоской компактной кон- вого сигнала непосредственно с АЦП струкции они монтируются как на ров- (микросхема RDS-M), сопряжённого с ● зависимость чувствительности от ные, так и на криволинейные поверх- тензорезистором, позволяет не только температуры и влажности окружа- ности. Соединительный кабель с юстировать подключённый датчик, но ющей среды (компенсируется); ПВХ-изоляционной оболочкой не теря- и использовать альтернативные алго- ритмы вычисления скорости переме- ● снижение точности показаний в ус- щений конструкции (деформации вос- ловиях вибрации; ● необходимость усилителей – преоб- разователей сигнала в конструкции тензодатчика при значительном уда- лении датчика от контроллера состо- яний; ● уязвимость в условиях агрессивной среды (защита метрологической си- стемы от коррозии, воды, химически активных веществ, несанкциониро- ванных механических воздействий). Кабели слаботочных тензодатчиков нуждаются в экранирующей оплётке, поскольку оборудование на базе тен- зодатчиков работает в сложных элек- 46 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ ционны, позволяют провести замер контролируемого параметра одновре- менно во многих точках, способ кре- пления на контролируемую поверх- ность может быть простым, в том числе приклеивание за подложку, а малые размеры позволяют размещать датчики в недоступных местах и уста- навливать уже в период сборки кон- струкции. Большое значение имеет схе- мотехника и элементная база модулей сопряжения, микросхем-преобразова- телей АЦП, преобразователей «угол- код» и др. В этой области есть пер- спективы для разработок в области микроэлектроники, адаптированных к тензодатчикам. Современные тензо- датчики ждёт большое будущее в раз- работках РЭА. Рис. 20. Исторические фото: Николаевич, отец автора статьи, уча- Литература: инженер ВНИИГ, рационализатор и ствовавший в испытаниях грунтов и изобретатель СССР П.Н. Кашкаров фундаментов Братской, Барабинской, 1. Ануфриев В., Лужбинин А., Шумилин С. при контроле параметров оснований Нижнекамской и др. ГЭС, работал с Методы обработки сигналов индуктив- грунтов Братской ГЭС тензодатчиками в 60-х гг. ХХ века. На ных датчиков линейных и угловых пере- рис. 20 Кашкаров П.Н. при контроле мещений // Современная электроника. станавливаемого тензодатчика) и угла параметров оснований грунтов Брат- 2014. № 4. перемещения конструкции. В соста- ской ГЭС. ве промышленных агрегатов приме- 2. Как проверить тензодатчик. URL: https:// няются для измерения деформирую- Актуальные для разработчиков sierra.market/company/articles/186/. щих усилий штамповочных прессов, задачи включают повышение надёж- прокатных станов, других металло- ности работы и упрощение установ- 3. Кашкаров А.П. 500 схем для радиолюби- обрабатывающих машин. В строитель- ки тензодатчиков. Развитие точных телей. Электронные датчики. СПб.: Наука ных конструкциях – при возведении, электронных динамометров и датчи- и Техника, 2010. 208 с., ил. (2-е изд., доп.). эксплуатации, экспертизе для замера ков давления тензорезисторного типа и контроля напряжённо-деформаци- обеспечило метрологам погрешность 4. Кашкаров А.П. Справочник радиолюбите- онных нагрузок. Для измерения и кон- измерения до сотых долей процента. ля: взаимозаменяемость элементов, цве- троля давления в нефтегазопроводах Ведутся экспериментальные исследо- товая и кодовая маркировки. СПб.: Нау- и других коммуникациях и даже как вания материалов конструктивных ка и Техника., 2008. 288 с. (Серия: «Ради- элементы контроля силы затяжки в (чувствительных, связующих, подло- олюбитель»). электрических приборах, монтажном жек) элементов, работы по созданию оборудовании. Устройства на основе конструкций с малыми разбросами 5. Кашкаров А.П. Датчики в электронных тензодатчиков незаменимы в гидро- характеристик, влияний посторонних схемах: от простого к сложному. М.: ДМК технике и смежных сферах, когда тре- факторов на метрологические харак- Пресс, 2013. 212 с. буется контролировать микронное сме- теристики в сложных условиях. щение несущих конструкций, грунтов, 6. Микросборки преобразователя угол-код бетонных оснований. Без применения Заключение Ф020, Ф020.1. Краткое описание. URL: электронных метрологических прибо- www.analog.com/static/imported-ailes/ ров с тензорезисторами не обходился Распространение тензодатчиков в datasheets/AD2S1210.pdf. ни один научно-исследовательский современных электронных разработ- проект. Из истории развития промыш- ках объясняется тем, что они не инер- 7. Модули для тензорезисторов. URL: http:// ленности в СССР следует, что тензо- www.lcard.ru/sites/default/files/products/ резисторы начали применять в конце LTR212_conn.jpg. 1940-х годов, с тех пор они практиче- ски заменили механические тензоме- 8. Прокофьев Г., Стахин В., Обедин А. тры и открыли новые возможности в К1382НХ045 – микросхема преобразова- исследовании прочности различных теля фазы квадратурного сигнала в код машиностроительных конструкций. положения // Современная электрони- Инженер ВНИИГ (Всесоюзный науч- ка. 2014. № 6. но-исследовательский институт гидро- техники им. Б. Веденеева – сегодня в 9. Datasheet Тензометрический датчик составе РосГидро) Кашкаров Петр РС7 ULN2004A [Электронный ресурс]. URL: https://www.flintec.com/wp-content/ uploads/2016/09/A221-Rev0- RU_PC7_Data_ Sheet.pdf. 10. Datasheet HX711 [Электронный ресурс]. URL: https://cdn.sparkfun.com/datasheets/ Sensors/ForceFlex/hx711_english.pdf . 11. URL: https://shop.robotclass.ru/index. php?route=product/product&product_ id=2398. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 WWW.SOEL.RU 47
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Универсализация микросхем логики через повышение степени интеграции Карина Абагян (директор по стратегическому развитию мышленности. Такой подход имеет АО «Микрон»), Андрей Денисов (главный конструктор следующие недостатки: по направлению «Интегральные микросхемы» НПК ● себестоимость иностранной ЭКБ на- «Технологический центр») много ниже российских аналогов за В статье приводится краткое описание рынка микросхем стандартной счёт массового производства для ми- логики и его особенностей. Проводится оценка развития подобных рового рынка; микросхем. Подробно рассматривается метод универсализации ● отечественные аналоги имеют те же производства микросхем с помощью МБК и показана его экономическая технические недостатки, что и у ино- эффективность. странной ЭКБ; ● не развиваются собственные ориги- Стоимость и качество современной Данная задача решается отечествен- нальные разработки ЭКБ. микроэлектроники линейно зависит от ными предприятиями радиоэлектрон- Таким образом, импортозамещение масштаба ее производства: чем выше ной промышленности при поддержке и унификация ЭКБ требуют выработки серийность у микросхемы, тем ниже её Правительства Российской Федерации и реализации нестандартных подходов стоимость, выше процент выхода год- с 2014 года, однако, судя по аналитиче- с ориентацией на новые технологии. ных изделий, выше надёжность. ским данным [2], доля отечественной ЭКБ на российском рынке занимает Рынок микросхем Крупнейший российский производи- всё ещё менее 30%. На рис. 1 и 2 пред- стандартной логики тель микроэлектроники АО «Микрон» ставлены объёмы продаж и доли оте- и ведущая научно-образовательная чественной и импортной ЭКБ на Рос- Микросхемы логики представляют организация НПК «Технологический сийском рынке соответственно. собой полупроводниковые устройства, центр» при поддержке Минобрнауки в содержащие счётное число транзисто- рамках постановления Правительства Из приведённых данных следует, что ров для выполнения логических/буле- РФ от 09.04.2010 № 218 реализуют про- проблема импортозамещения ещё не вых функций (И, ИЛИ, НЕ в любых ект, нацеленный на увеличение серий- решена, и предстоит много работы. комбинациях, битовые сдвиги, триг- ности микросхем через универсализа- Причины этого следующие: геры, регистры, сумматоры, компара- цию сотен типов низкой интеграции ● очень большая номенклатура ЭКБ, торы и т.д.), обычно производятся на в один – матричный кристалл с высо- пластинах 100 мм с проектными нор- кой степенью интеграции. которая требует замещения; мами ~1 мкм. ● нехватка ресурсов предприятий – Введение Микросхемы стандартной логи- разработчиков и производителей ки широко применяются в соста- Приоритетной задачей отечествен- ЭКБ; ве радиоэлектронного оборудова- ной микроэлектронной промышленно- ● наиболее передовые технологии, ос- ния и систем управления. Системы сти является унификация и импорто- военные в России, – 90 нм; реального времени, промышлен- замещение производства электронной ● перестройка мировых цепочек поста- ные логические контроллеры, ком- компонентной базы (ЭКБ) в России [1]. вок ЭКБ, материалов, технологиче- муникаторы, сигнальные системы Это вызвано следующими факторами: ского оборудования. используют логику низкой и сред- ● геополитическая напряжённость; Часто задача импортозамещения и ней интеграции благодаря её надёж- ● нестабильность цепочек поставки унификации решается стандартным ности, быстродействию и гибкости путем копирования иностранных конфигураций. компонентов и сырья для производ- образцов ЭКБ, проведения НИОКР и ства электроники; организации производства иностран- Микросхемы логики применяются ● дефицит на мировом рынке микро- ных аналогов – это требует больших в радиоэлектронной промышленно- электроники. затрат ресурсов отечественной про- сти для выполнения вспомогательных функций и в качестве согласовываю- Рис. 1. Объём продаж ЭКБ российского и иностранного Рис. 2. Доли отечественной и импортной ЭКБ на российском рынке производства на российском рынке (млрд долл. США) СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 48 WWW.SOEL.RU
Search
