Современная электроника 2019 №8

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ узкой диаграмме можно рекомендо- ры окружающей среды TA, а также T, °C вать применение в устройстве других, температуры удалённого объекта TO. O более дешёвых датчиков из семейства Точность измерения TO у датчика зави- MLX90614, например MLX90614-ESF- сит от температуры окружающей сре- 40 ±0,3 DCF (угол 10°), MLX90614-ESF-DCC ды TA. Зависимость величины точно- 38 ±0,2 (угол 35°). сти измерения TO от значения TA, взя- 36 тая из [4], показана на рисунке 5. Для ±0,3 Заметим, что при смене датчика того чтобы оценить точность измере- 30 пирометр не потребует никаких дора- ния температуры объекта TO во всём боток, поскольку все перечисленные диапазоне допустимых значений 22 T, °C выше датчики имеют одинаковые при заданной температуре окружа- A интерфейс и набор команд. ющей среды TA, следует провести на графике вертикальную линию через 10 Номинальное напряжение питания заданное значение TA, отсчитывае- датчика MLX90614-ESF-DCI составля- мое по горизонтальной оси. Так, при 10 20 30 40 ет 3,0 В, а типовой ток потребления TA=+25°C, точность измерения TO по 1,3 мА. Заводская калибровка датчи- всему диапазону будет варьировать- Рис. 6. Зависимость величины точности ка сделана при номинальном напря- ся от ±0,5 до ±4°C. Из рисунка вид- жении питания. При питании датчи- но, что наилучшая достижимая точ- измерения температуры объекта T ка напряжением 3,3 В, как это реали- ность измерения TO, равная ±0,5°C, O зовано в предлагаемом устройстве, обеспечивается в диапазоне TA от 0 в результат измерений необходимо до +50°C. Несмотря на такую сравни- от температуры окружающей среды TA вносить поправку, о чём будет под- тельно невысокую типовую точность в «медицинском» диапазоне робнее сказано далее. в широком диапазоне, датчики, содер- жащие в обозначении букву D, в том температуры в К. И наконец, для полу- Согласно заданным по умолча- числе MLX90614-ESF-DCI, поддержива- нию заводским настройкам, датчик ют повышенную точность измерения чения значения температуры в °C из MLX90614-ESF-DCI выдаёт данные во в сравнительно узком, так называемом внешнее устройство и принимает от «медицинском» диапазоне температур полученного результата вычитается него команды по двухпроводной шине TO от +22 до +40°C, что иллюстрируется SMBus (аналог шины I2C) в качестве рисунком 6. Это позволяет использо- число 273. Если разность при этом ведомого. Адрес ведомого устройства вать их в быту в медицинских целях – на шине SMBus для датчиков семейства для измерения с приемлемой точно- получается отрицательной, значит, MLX90614 жёстко задан производите- стью температуры поверхности тела. лем и равен 0x5Ah. измеренная температура в °C являет- Рекомендуемый производителем для Поддерживаемый интерфейсом на- внешнего устройства алгоритм получе- ся минусовой. бор команд позволяет запрашивать ния значения температуры окружаю- и получать от датчика как итоговые щей среды или удалённого объекта с В случае если питание датчика осу- (обработанные) результаты изме- помощью датчика семейства MLX90614 рений для любого из каналов, так и выглядит следующим образом. ществляется напряжением UПИТ, отлич- «сырые» (необработанные). Помимо ным от 3,0 В, необходимо вычесть из этого, набор команд позволяет про- Текущее измеренное и обработан- изводить пользовательскую настрой- ное датчиком значение температуры результирующего значения темпера- ку датчика, задавая, например, в каче- TA или TO в виде 16-разрядного слова стве интерфейса вместо шины SMBus считывается внешним устройством по туры поправку TСМ, определяемую по выход ШИМ, а также варьировать зна- шине SMBus из RAM датчика по адресу формуле: чения констант пределов измерения, 0x06 или 0x07 соответственно с помо- другие параметры измерителей и схем щью команды RAM Access. При этом TСМ = (UПИТ–3)×0,6 [°C] (1). обработки. Однако необходимо заме- младший разряд прочитанного сло- тить, что при изменении заводских ва соответствует дискрете темпера- Для UПИТ=3,3 В поправка TСМ=0,18≈ настроек параметров конфигурации туры, равной 0,02°C. Если в старшем измерителей и схем обработки пользо- разряде прочитанного слова имеется ≈0,2°C. Таким образом, для получе- вателю потребуется проведение пере- логическая единица, это значит, что калибровки датчика. полученные данные являются оши- ния значения температуры в °C при бочными и не подлежат дальнейшей Все пользовательские параметры дат- обработке. Для корректных данных UПИТ=3,3 В необходимо вычесть из чика хранятся в доступной для чтения TO с нулевым старшим разрядом зна- результата деления на 50 число 273,2. и записи встроенной энергонезави- чение 16-разрядного слова, равное симой памяти EEPROM с ресурсом не 0x27AD, соответствует значению тем- Как было сказано ранее, заявленная менее 10 000 циклов записи/стирания. пературы −70°C, а 0x7FFF – значению Текущие результаты измерений для температуры +382,19°C. После этого производителем точность датчика не всех каналов могут читаться из встро- прочитанное значение данных делит- енной памяти RAM. Доступ к EEPROM ся на 50. Результатом будет значение превышает 0,2°C, при том что его разре- и RAM осуществляется по шине SMBus. шающая способность равна 0,02°C. По Пирометр использует вычисляе- мые датчиком значения температу- этой причине при разработке изме- рителя температуры не имеет смысла вычислять и отображать её значение с точностью до сотых долей °C, а вполне можно ограничиться десятыми долями. При получении измеренного зна- чения температуры по шине SMBus датчик передаёт во внешнее устрой- ство помимо двухбайтового значе- ния TA или TO ещё один байт – цикли- ческий избыточный код CRC (Cyclic Redundancy Code), значение которого вычисляется в датчике с использовани- ем образующего полинома X8+X2+X+1 из данных всей посылки. То есть для СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019 WWW.SOEL.RU 49

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 17 11 8 11 7 11 8 18 1 8 11 верки. Указанная проверка значи- тельно повышает степень достовер- S Адрес Wr A Команда A Sr Адрес Rd A Младший A Старший A CRC AP ности принятых данных, что может ведомого ведомого байт данных байт данных быть необходимым для ответствен- ных приложений. Рис. 7. Последовательность обмена данными на шине SMBus при чтении из датчика слова значения температуры Во второй части статьи будут рассмо- трены проект ПЛИС, наладка и регули- вычисления 8-разрядного значения вательности битовые поля S (условие ровка пирометра, а также осуществле- CRC датчик использует три принятых «Старт»), P (условие «Стоп»), Sr (усло- ние обмена данными с ПК. им байта – адрес ведомого на шине с вие «Повторный старт»), A (бит под- битом признака записи (Wr), команду, тверждения) при вычислении CRC не ЛИТЕРАТУРА адрес ведомого на шине с битом при- используются. знака чтения (Rd) – и два переданных 1. h t t p s : / / w w w . w a v e s h a r e . c o m / w i k i / им байта (младший и старший байты Внешнее устройство может никак CoreEP2C5 данных) – всего 5 байт. Иллюстриру- не использовать принятый от дат- ющая сказанное последовательность чика байт CRC, а может, в свою оче- 2. h t t p s : / / w w w . w a v e s h a r e . c o m / w i k i / обмена данными на шине SMBus пока- редь, вычислить из данных посыл- AT24CXX_EEPROM_Board зана на рисунке 7. Тёмным цветом на ки своё собственное значение CRC и рисунке выделены данные, принятые сравнить с принятым, забраковав или 3. https://www.waveshare.com/wiki/PL2303_ от датчика. Входящие в состав последо- пропустив принятые данные темпе- USB_UART_Board_(mini) ратуры по результатам такой про- 4. https://www.melexis.com/en/documents/ documentation/datasheets/datasheet- mlx90614 НОВОСТИ МИРА НОВЫЙ АВТОМОБИЛЬНЫЙ чрезвычайно надёжными. Кроме того, этот сии с полным циклом производства. Глав- ЗАВОД HAVAL ОСНАЩЁН робот потребляет на 15% меньше энергии, ная сварочная линия автоматизирована чем представители предыдущего поколе- на 100%. Роботы ABB являются ключевы- РОБОТИЗИРОВАННЫМИ ния этой серии. ми компонентами в этих процессах. Именно они обеспечивают столь высокий уровень РЕШЕНИЯМИ ABB Робот IRB 7600 идеально подходит для автоматизации. Данное предприятие явля- операций, требующих высокой грузоподъ- ется ярким примером современного произ- Новый автомобильный завод марки Haval ёмности, вне зависимости от сложности водства с минимальным участием человека. (автоконцерна Great Wall Motors) в Тульской работ. области был оснащён роботизированными Для проекта завода Haval были пред- системами и современными промышлен- Дизайн робота IRB 6660 PT в сочетании ложены комплектные распределительные ными решениями компании ABB, мирово- с широким радиусом действия (что обеспе- устройства (КРУ) среднего напряжения с го технологического лидера в области про- чивает высокую точность и беспрерывную воздушной изоляцией UniSec 10 кВ, сухие мышленной автоматизации и решений для работу) прекрасно подходит для прессова- трансформаторы DTE и RESIBLOC, низко- энергетики. ния деталей на предприятиях автомобиль- вольтные комплектные устройства в вы- ной отрасли. Скорость работы IRB 6660 PT движном исполнении MNS 3.0, оборудо- В цеху сварки было установлено более высока для этого класса машин, за счёт че- ванные автоматическими выключателями, 70 роботов ABB высокой грузоподъёмно- го обеспечиваются его короткие рабочие ци- которые способны интегрироваться с циф- сти серий IRB 6700 и IRB 7600. Эти робо- клы. Кроме того, эти роботы обладают вы- ровыми решениями ABB Ability™, а также ты необходимы для выполнения операций сокой производительностью и длительным различные электроустановочные изделия. завальцовки навесных элементов и точеч- сроком службы. Грузоподъемность IRB 6660 ной сварки кузова, дуговой сварки, пере- PT варьируется от 100 до 130 кг. Низковольтные комплектные устройства мещения деталей. с возможностью подключения цифровых ре- Роботы ABB поставлялись в составе ком- шений и сервисов дают предприятию уни- Прессовый цех оснащён современной тех- плексного решения – производственных кальную возможность достичь высоких по- нологией – роботизированная высокоско- линий. Эксперты ABB также осуществля- казателей эффективности и безопасности. ростная штамповка. ABB является мировым ли сервисные услуги, консультирование и Контроль в реальном времени, предиктива- лидером данной технологии, которая отве- обучение сотрудников предприятия перед ная аналитика, интеллектуальное управле- чает за точность корпусных деталей авто- и после пуска нового завода – на месте и ние энергопотреблением – всё это становит- мобиля. На линии установлены роботы ABB онлайн. ся доступным благодаря цифровому порт- специальной серии IRB 6660 PT для обеспе- фолио ABB Ability™. Оно включает в себя чения автоматизированного процесса. Ра- Завод Haval является наиболее автомати- более 180 цифровых решений на базе про- боты по запуску данной линии велись ин- зированным автомобильным заводом в Рос- мышленного интернета, позволяющих соз- женерами ABB Россия. давать подключённые устройства, системы и сервисы, которые значительно повыша- Роботы IRB 6700 считаются наиболее ют производительность, снижают затраты производительными в классе 150…300 кг на обслуживание и потребление энергии. с наименьшей стоимостью владения. Дан- ные модели отличаются увеличенным меж- Департамент корпоративных сервисным интервалом и возможность бы- коммуникаций ООО «АББ» строго сервиса. Жёсткая конструкция, а также электродвигатели и компактные ре- дукторы нового поколения делают IRB 6700 50 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019

ГАР АНТ ИЯ 5 лет + Выходные мощности: + GSP 10 кВт, GSP 15 кВт – готовые модули 1,5 / 1,7 / 2,7 / 3,4 и 5 кВт с завода-изготовителя, состоящие из ведущего модуля и одного или двух ведомых + Выходное напряжение от 10 до 600 В + Выходной ток от 2,6 до 500 А + Полный заводской контроль качества + КПД до 92% на полной нагрузке и тестирование + Управление: LAN, USB, RS-232/485 + Вес менее 7,5 кг, высота модуля 1U для 19’’ стойки + Привлекательная цена (модель на 1,5 кВт имеет размер ½ 19” стойки) ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Блок управления ингаляторами для физиотерапевтического кабинета Сергей Шишкин ([email protected]) нер. После этого медсестра устанавли- вает новый мундштук, включает инга- В статье приводится описание 12-канального блока управления, лятор и вызывает следующего паци- который позволяет контролировать 12 ингаляторов, представлены его ента. По мере расхода лекарственного схемотехника и алгоритм работы, а также рассказывается средства медсестра доливает его в ста- о схемотехнике и работе ультразвукового ингалятора. кан распылителя (при выключенном ингаляторе). Использование ингалятора являет- го ингалятора УП-3,5 «АРСА» показан ся оптимальным способом доставки на рисунке 1. Представленный блок управления лекарственных препаратов в организм позволяет упростить и отчасти авто- при заболеваниях органов дыхания. Лекарственное средство заливается в матизировать описанный процесс. На Ингаляторы позволяют осуществлять стакан распылителя, который закрыва- рисунке 2 приведена структурная схе- лечение и профилактику заболеваний ется крышкой, после чего устанавлива- ма управления всей системой. верхних дыхательных путей с помо- ется мундштук. В некоторых конструк- щью аэрозолей на основе водных и циях вместо мундштука применяется Алгоритм работы системы рассмо- спиртовых растворов лекарствен- удлинительная трубка с маской. Мунд- трим на примере канала управления ных средств как в домашних услови- штук и маска являются сменными. Они № 1, который управляет ингалятором ях, так и в медицинских учреждени- применяются только в одной процеду- № 1. Сетевые переключатели блока ях. В настоящее время на рынке пред- ре, а затем дезинфицируются. управления и источника питания инга- ставлены паровые, компрессорные, лятора установлены в положение «I». ультразвуковые ингаляторы (послед- В среднем в физиотерапевтиче- Галетный переключатель «Канал» уста- ние два типа называют небулайзера- ских кабинетах используется от 8 до новлен в положение 1. Кнопками Δ и ми), у каждого из которых есть свои 12 ингаляторов 2–3 производителей. ∇ необходимо установить требуе- плюсы и минусы. За установленный порядок в кабине- мый интервал ΔТ работы ингалятора. те отвечает медсестра, которая зали- Переключатель «Режим» следует уста- Конструктивно ингалятор состо- вает лекарственное средство в стакан новить в положение «БУ». Запустить ит из распылителя и источника пита- распылителя, устанавливает мундштук (остановить) ингалятор можно кноп- ния (блока управления). В некоторых (маску), включает ингалятор и вызыва- кой «Пуск/стоп», расположенной на конструкциях распылитель может быть ет пациента. После окончания процеду- передней панели блока управления, встроен в источник питания. Внеш- ры пациент выключает ингалятор, сни- либо точно такой же кнопкой, распо- ний вид распылителя ультразвуково- мает мундштук (маску) и кладёт его в ложенной на передней панели источ- специально приготовленный контей- ника питания ингалятора. У включён- Блок управления Ингалятор № 1 Канал управления № 1 Сеть Режим «ВКЛ» Время, с «I» «БУ» Канал управления № 2 Пуск/стоп Время, с Крышка Мундштук «0» «АВТОНОМ» с впускным Б и выпускными Риска Ингалятор № 2 максимального клапанами уровня Сеть Режим Риска «I» «БУ» MAX минимального «ВКЛ» уровня Пуск/стоп MIN «0» «АВТОНОМ» Б Стакан Канал управления № 12 Ингалятор № 12 А Время, с Кожух Х1 А Сеть Режим «ВКЛ» «I» «БУ» Пуск/стоп 70 Пуск/стоп «0» «АВТОНОМ» Канал Сеть 345 «I» 26 17 «0» 12 11 10 8 Рис. 1. Внешний вид распылителя ультразвукового ингалятора Рис. 2. Схема управления ингаляторами УП-3,5 «АРСА» СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019 52 WWW.SOEL.RU

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Рис. 3. Принципиальная схема блока управления ного ингалятора загорается индикатор ты. Фактически каждый канал пред- ● S1 (Δ) – увеличение на единицу значе- «ВКЛ». Заданное время ΔТ индициру- ставляет собой трёхразрядный таймер ния при установке времени таймера ется на дисплее канала и декременти- с обратным отсчётом времени. Время (в секундах); при удержании данной руется с каждой секундой. Как толь- отсчитывается в секундах (от 1 до 999 с кнопки в нажатом состоянии более ко оно станет равным нулю, ингаля- с дискретностью задания 1 с). Галетный 5 с значение времени, индицируе- тор выключается, а индикатор «ВКЛ» переключатель SA1 типа ПГ2-12-12П4Н мое на дисплее, увеличивается на гаснет. После этого на дисплее сно- имеет 12 положений. Если SA1 уста- 5 единиц за 1 с; ва индицируется заданное значение новлен в положение 1, то клавиатура ΔТ. Снова запустить ингалятор мож- (кнопки S1…S3) подключена к каналу ● S2 (∇) – уменьшение на единицу зна- но кнопкой «Пуск/стоп» и т.д. Ингаля- управления № 1. В этом случае можно чения при установке времени тайме- тор будет работать непрерывно, если задать параметры для канала управ- ра (в секундах); при удержании дан- переключатель «Режим» установить в ления № 1. Если же SA1 установлен в ной кнопки в нажатом состоянии положение «АВТОНОМ». положении 2, то можно задать параме- более 5 с значение времени, инди- тры для канала управления № 2, и т.д. цируемое на дисплее, уменьшается На рисунке 3 приведена принципи- Галетным переключателем SA1 клавиа- на 5 единиц за 1 с; альная схема блока управления. тура подключается к одному из 12 кана- лов управления № 1…№ 12. ● S3 (C) – кнопка включения/выключе- Принципиальная схема доработан- ния ингалятора; с нажатием данной ного ингалятора УП-3,5 «АРСА» пред- В интерфейс блока управления вхо- кнопки начинается работа таймера: ставлена на рисунке 4. дят сетевой выключатель SA2 «Cеть», идёт обратный отсчёт заданного вре- сетевая лампочка Н1, галетный пере- мени, на выводе 11 микроконтрол- Рассмотрим основные функциональ- ключатель SA1 «Канал», клавиатура лера устанавливается уровень лог. 0. ные узлы и элементы блока управления. (кнопки S1…S3) и блок индикации Канал № 1 выполнен на базе микро- Он включает в себя 12 каналов управ- (дисплей) из трёх цифровых 7-сег- ления (каналы № 1…№ 12), клавиату- ментных индикаторов HG1…HG3 каж- контроллера DD1. С порта РА1 микро- ру (кнопки S1…S3), галетный переклю- дого канала. Кнопки клавиатуры име- контроллер DD1 опрашивает клавиа- чатель SA1, модуль питания U1. Каналы ют следующее назначение: туру (кнопки S1…S3) и управляет дина- управления № 1…№ 12 идентичны по мической индикацией. Динамическая схеме, конструкции и алгоритму рабо- индикация собрана на транзисто- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019 WWW.SOEL.RU 53

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Рис. 4. Принципиальная схема доработанного ингалятора УП-3,5 «АРСА» ингалятора в этом случае нужно просто нажать кнопку S3 (С). рах VT1…VT3, цифровых 7-сегмент- ● 2-й разряд (индикатор НG2) отобра- ных индикаторах HG1…HG3. Резисто- жает десятки секунд; Время, отображаемое на индикато- ры R3…R10 – токоограничительные рах HG1…HG3, декрементируется с каж- для сегментов указанных индикато- ● 3-й разряд (индикатор НG1) отобра- дой секундой. Программное обеспе- ров. Коды для включения индикато- жает сотни секунд. чение микроконтроллера полностью ров HG1…HG3 при функционирова- Для перевода устройства в рабочий обеспечивает реализацию алгоритма нии динамической индикации посту- работы таймера. Задача по формиро- пают на порт PВ микроконтроллера режим необходимо кнопками S1 (Δ) и ванию точных временны′ х интервалов DD1. Для функционирования клавиа- S2 (∇) установить необходимый интер- длительностью 1 с решена с помощью туры и включения пьезоэлектрического вал времени для проведения процедуры прерываний от таймера T/C1 и счётчи- излучателя ВА1 задействованы выводы ингаляции, при этом в таймере запре- ка на регистре R25. Счётчик на реги- 7 и 8 микроконтроллера DD1 соответ- щается отсчёт текущего времени. Далее стре R21 формирует интервал, равный ственно. Рабочая частота микрокон- необходимо нажать кнопку S3 (С). Уста- 1 мин. Таймер T/C1 формирует запрос троллера задаётся генератором с внеш- новленное время заносится в память на прерывание примерно через каждые ним резонатором ZQ1 на 10 МГц. Сра- микроконтроллера DD1. Если необхо- 3900 мкс. Счётчики на данных реги- зу после подачи питания на выводе 1 димо изменить заданное время, необ- страх подсчитывают количество пре- микроконтроллера DD1 через RC-цепь ходимо нажать кнопку S3 (С), после рываний, через каждую минуту уста- (резистор R2, конденсатор С1) форми- чего кнопками S1 (Δ) и S2 (∇) устано- навливается флаг (PUSK), и текущее руется сигнал системного аппаратно- вить необходимый интервал времени время декрементируется. Через каж- го сброса микроконтроллера. и нажать кнопку S3 (С). Предусмотре- дые 3900 мкс происходит отображе- на подача звукового сигнала длитель- ние разрядов в динамической инди- Разряды индикации интерфейса име- ностью 10 с в момент окончания отсчё- кации устройства. ют следующее назначение: та заданного времени (момент оконча- ● 1-й разряд (индикатор НG3) отобра- ния процедуры), при этом на дисплее Программа состоит из трёх основ- канала управления снова индицируется ных частей: инициализации, основной жает единицы секунд; заданный ранее интервал. Для запуска программы, работающей в замкнутом цикле, и подпрограммы обработки пре- рывания от таймера T/C1 (метки INIT, SE1 и ТIM0 соответственно). В основной программе осуществля- ются инкремент и декремент заданно- го значения времени. В подпрограмме обработки прерывания выполняются счёт одной секунды, опрос клавиату- ры, включение световых и звуковых сигналов и перекодировка двоичного числа значений времени в код для ото- бражения информации на 7-сегмент- ных индикаторах. В памяти данных микроконтролле- ра по адресам $060…$062 организован буфер отображения для динамиче- ской индикации. При нажатии кноп- ки S1 текущее значение времени на дисплее увеличивается на единицу и устанавливается флаг, разрешающий увеличивать текущее значение време- ни, индицируемое на дисплее. Одно- временно запускается счётчик, выпол- ненный на R1, формирующий интер- вал 5 с. Если кнопка удерживается в течение более чем 5 с, значение вре- мени, индицируемое на дисплее, уве- личивается на 5 единиц за 1 с. Интер- вал, в течение которого происходит увеличение времени, организован на регистре R0. При прекращении нажа- тия кнопки S1 все указанные счётчи- ки обнуляются. Совершенно анало- гичным образом организована работа кнопки S2 для уменьшения текущего значения времени, индицируемого 54 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ на дисплее: при нажатии кнопки S2 на базу транзистора VT1, на котором ка Х1 в распылителе типа BNC-7033 текущее значение времени на дисплее выполнен усилитель мощности. Рези- (GB-123). Ответная часть – штекер типа уменьшается на единицу; если кноп- стор R3 служит для ограничения базо- BNC-7101 (GS-1401). Распылитель под- ка удерживается в течение более чем вого тока транзистора VT1. Выходной ключается к источнику питания через 5 с, значение времени, индицируемое каскад выполнен на базе транзисто- кабель РК-50-2-11. на дисплее, уменьшается на 5 единиц ра VT3. за 1 с. Счётчики приведённого алго- Резисторы типа С2-33Н-0.125; R3, ритма для кнопки S2 организованы на Индикатор HL1 позволяет визуаль- R7 типа С2-33Н-1. Подойдут и другие регистрах R3 и R2. но контролировать наличие напряже- с аналогичной мощностью рассеива- ния питания +24 В. В принципиальную ния и погрешностью 5%. Конденсаторы На R22 организован регистр знако- схему штатного ингалятора добавлены С2, С3 типа К10-17а, конденсаторы С1, места. При инициализации в R1 загру- следующие элементы: транзистор VT2, С4…С6 типа К50-35, дроссель L1 типа жается число 1, в Y-регистр загружа- транзисторная оптопара DA1, переклю- ДМ-2,4-20. ется начальный адрес буфера ото- чатель SA2, кнопка S1, соединитель Х1. бражения $060. При этом на дисплее На транзисторе VT1 и транзисторной Модуль питания ингалятора U1 будет включён разряд единиц минут оптопаре DA1 выполнен дистанцион- AC/DC типа NFS40-7924 “MEDICAL”, (единиц секунд). При каждом обра- но управляемый ключ по напряжению модуль питания блока управления щении к подпрограмме обработки питания 24 В. Для того чтобы его задей- NFS40-7908 “MEDICAL”. Они отвеча- прерывания содержимое регистра ствовать, необходимо установить пере- ют всем необходимым требованиям R22 сдвигается влево на один раз- ключатель SA2 в положение «БУ». При по электробезопасности (МЭК601-1) ряд, а Y-регистр инкрементируется. установке переключателя SA2 в поло- для изделий медицинской техники. Как только значение 1 будет в тре- жение «АВТОНОМ» ингалятор начинает К вопросу выбора (или разработки) тьем разряде регистра R22, все раз- работать сразу после включения сете- сетевого модуля питания для изделия ряды будут выбраны, при этом в R22 вого выключателя SA1. следует подойти особенно тщатель- снова нужно будет загрузить едини- но, потому что именно он в основном цу, а в Y-регистр – начальный адрес Распылитель (А2 на рисунке 4) пред- влияет на такие параметры изделия, как буфера отображения. назначен для заливки лекарственно- ток утечки на корпус, сопротивление го средства и его распыления за счёт цепи защитного заземления, электри- В процессе обработки подпрограм- колебаний пьезоэлемента BQ1 с уль- ческая прочность изоляции, уровень мы прерывания происходит опрос кла- тразвуковой частотой. Детали распы- индустриальных помех. виатуры. Младшая тетрада выводимо- лителя крепятся на кожухе. В кожух го при этом в порт В микроконтролле- впрессована металлическая втулка, Обмотка I трансформатора Т1 содер- ра байта для клавиатуры представляет в которой закреплён пьезоэлемент жит 5 витков провода ПЭВ-2, обмотка II собой код «бегущий ноль». После запи- BQ1. В кольцевой паз кожуха через содержит 16 витков, а обмотка III – си данного байта в порт В микрокон- прокладку вставляется стакан, кото- 7 витков. Их наматывают на кар- троллер DD1 анализирует сигнал на рый сверху закрывается крышкой. кас из полиамида с внешним диаме- входе 7 (РD.3). В рамках указанной под- В верхней части крышки расположен тром 8,5 мм и длиной 15 мм. В центре программы при любой нажатой кноп- штуцер, в который вмонтирован кла- каркаса имеется отверстие, в кото- ке на входе 7 микроконтроллера при- пан мембранного типа. ром нарезана резьба М6×0,5. Транс- сутствует лог. 0. Таким образом, каждая форматор подстраивается феррито- кнопка клавиатуры привязана к своему При работе с ультразвуковым инга- вым стержневым сердечником дли- разряду в младшей тетраде байта дан- лятором необходимо обязательно учи- ной 8 мм, который изготавливается ных, выводимого в порт В микрокон- тывать следующие эксплутационные из сердечника М2000НМ1-16ПС4,5×17 троллера для опроса клавиатуры. ограничения. Не допускается приме- ПЯО.707.090ТУ. Сердечник вставляется нение лекарственных средств на осно- во втулку, втулка с сердечником вкру- Разработанная программа на ассем- ве масляных растворов и растворов чивается в каркас. Потребление тока блере занимает порядка 0,57 Кбайт с температурой выше +50°С. Катего- по каналу напряжения +15 В, не более памяти программ микроконтроллера. рически запрещается включать блок 500 мА. управления без подключённого к нему Ингалятор УП-3,5 «АРСА» состоит из распылителя или с распылителем без Номинальный ток предохрани- источника питания с сетевым шну- лекарственного средства (пьезоэле- телей FU1, FU2 – 1,1 А, тип ВП1-1,1А ром, шнура, соединяющего его с рас- мент BQ1 сразу выходит из строя). (1,1А/250В). Держатели вставок плав- пылителем, и распылителя. В источ- Запрещается наносить удары по пьезо- ких типа ДВП4-1в. нике питания (см. рис. 4) расположен элементу, распылителю и блоку управ- задающий генератор синусоидально- ления; также недопустимо их падение. Настройка ингалятора заключает- го напряжения ультразвуковой часто- ся в установке резонансной частоты ты, выполненный на транзисторе VT1 В ингаляторе транзисторы VT2 и VT3 колебаний для пьезоэлемента BQ1. Для по схеме блокинг-генератора. Часто- следует установить на радиаторах. Пло- этого необходимо залить лекарствен- тозадающей является цепь R1, C2, щадь эффективной поверхности радиа- ное средство в распылитель до риски колебательный контур, образован- тора для транзистора VT3 составляет не максимального уровня, предваритель- ный обмоткой III трансформатора менее 150 см2. Микросхема DA2 также но сняв верхнюю крышку с клапаном, Т1 и конденсатором С3. Стабилиза- устанавливается на радиаторе. Площадь включить ингалятор в режим макси- ция частоты обеспечивается за счёт эффективной поверхности радиатора мальной производительности и враще- питания генератора стабилизирован- для неё составляет не менее 20 см2. Вил- нием сердечника в каркасе трансфор- ным напряжением +15 В. С обмотки I ка Х4 входит в состав сетевого шнура матора Т1 (см. рис. 4) добиться появ- трансформатора T1 сигнал поступает ШВВП-ВП2×0,75-250-18-6-2,2-1. Розет- ления аэрозольного облака в стакане распылителя. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019 WWW.SOEL.RU 55

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Тахометр для квадрокоптера Андрей Шабронов ([email protected]) определить математически. Другой спо- соб – сравнить с аналогичными прибо- В статье приведено описание схемы, конструкции и программы рами и тахометрами. для измерения скорости вращения двигателя квадрокоптера. Основное отличие от существующих прототипов [1] – использование Важно при оценке погрешности инфракрасного датчика отражения, что позволяет безопасно проводить измерений оценить параметры дат- измерения и не задействовать конструкцию моторов. Вторым важным чика фотопотока. Поскольку, возмож- и отличительным достоинством является использование USB-UART- ны ситуации «засвечивания» от посто- преобразователя с кварцевой стабилизацией сигналов (тахометр), ронних и рядом расположенных эле- что обеспечивает необходимую точность измерения и снижает ментов конструкции. стоимость устройства. Возможно применение тахометра в системах контроля: вентиляции, вращающихся элементов, крыльчаток и т.п. В приведённой далее программе для увеличения точности измерений ВВЕДЕНИЕ ется другими подпрограммами USB- используются метод накопления сред- интерфейса, поэтому он точный по него значения и расчёт дисперсии сред- Для измерения скорости вращения времени. Между блоками временно′й него значения. требуется фиксировать количество интервал может быть различный. оборотов за фиксированный интер- ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА вал времени, например, в одну секунду. Для используемого типа USB-UART [2] максимально возможный блок передачи- ТАХОМЕТРА Инфракрасный датчик фиксирует приёма составляет 1 кбайт (4096 байт). Предлагаемая схема тахометра перемещение лопасти. Лопасть отра- Для скорости 100 кбит/с время изме- жает фотопоток, датчик регистрирует рения составит около 0,4 с. При разде- построена на трёх самостоятельных это своим выходным напряжением. лении фотопотока по 3…4 байта полу- конструктивных элементах: адаптер Есть фотопоток – напряжение на выхо- чаем максимальное число возможного USB-UART [2], датчик фотопотока для де высокое, нет фотопотока – напря- учёта, а именно: 4096/(4+4)=512 пере- ARDUINO и одна логическая микро- жение низкое. сечений. схема, которая формирует функцию «И–ИЛИ» (555ЛА3). Схема измерителя Для получения фиксированного В данном примерном расчёте сум- представлена на рисунке 1. интервала времени с учётом переме- мирование в 2 раза означает, что щений лопастей используется передача 3…4 байта фотопотока проходит, а сле- Для формирования функции блока известных байтов (0xFF) и приём дующие 3…4 байта нет. Это и есть пери- «И–ИЛИ» применена распространён- этого же блока байтов, но с модуляцией од пересечения. Абсолютная ошибка ная микросхема 555ЛА3 с 4 элементами через логический элемент типа «исклю- составляет один байт. В процентах это 2И–НЕ. Функцию «И–ИЛИ» формирует чающее ИЛИ» (сокращенно «И–ИЛИ») 1/4096×100%=0,02%. включение всех её элементов. Вполне от инфракрасного датчика. Свойство возможно использовать и микросхему логической функции «И–ИЛИ» – выде- Оценим предельные параметры изме- 555ЛП5, которая содержит четыре эле- лять «разностный» код, который фор- рения. Мотор квадрокоптера рассчитан мента «И–ИЛИ». В этом случае задей- мирует на приёме тот же блок, но бай- на максимальную работу до 12 000 обо- ствуется один и не используются три ты, которые попадают в интервал с ротов в минуту, следовательно, выпол- элемента. фотопотоком, инвертируются (0x00). няет 12 000/60=200 об/с, а за 0,5 с это Таким образом, принимаемый блок 100 оборотов. Таким образом, предел Питание всех компонентов осу- содержит информацию о количестве измерения на данной скорости переда- ществляется по USB-шине компьюте- пересечений. Время измерения опреде- чи и размере блока превышает возмож- ра. Потребляемый ток не более 100 мА. ляется умножением количества байтов ный предел для мотора квадрокоптера на скорость передачи байтов. более чем в 5 раз. На рисунке 2 представлены диа- граммы сигналов на входе и выходе Блок передаётся на «машинном Приведённый пример расчёта пока- «И–ИЛИ» при приёме данных пересе- уровне» компьютера и не прерыва- зывает, что точность измерения можно чений фотопотока фотоприёмником. Сигналы 1-й и 2-й диаграмм – это пере- U 14 J1 ИК- даваемый блок в точке TXD UART. Сиг- cc 1 +5 B датчик нал 3-й диаграммы – принимаемый 2 GND сигнал от фотоприёмника D0, кото- U1.5 7 3 D0 рый поступает на входы 1 и 13 микро- схемы U1 (см. рис. 1). GND 555ЛА3 1 13 J2 11 & Сигналы 4-й и 5-й диаграмм – это сиг- 3& нал с модуляцией по «И–ИЛИ» с вывода +5 B 1 U1.4 12 6 микросхемы U1, который поступает USB GND 2 4 U1.1 2 на вход RXD UART. UART RXD 3 TXD 4 6& 8 10 Сигналы диаграмм 1, 2 и 4, 5 одина- U1.2 5 & ковые, но представлены в разных мас- 5 штабах для уточнения метода преоб- U1.3 9 разования. Стрелками указано место увеличенного масштаба отображения. Рис. 1. Схема измерителя (тахометра) 56 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ На диаграммах не приводятся крае- Код передачи 0хFF для всех байтов блока вые искажения отклонения начала сиг- нала фотоприёмника и передаваемого 1 блока. Это один байт в интервале от 0 до 0xFE, его можно считать как началом, Блок передаётся от UART, размер блока 4096 байт так и окончанием сигнала фотодатчи- 2 ка. Этот байт учитывается программно. Сигнал фотоприёмника КОНСТРУКЦИЯ ТАХОМЕТРА 3 Использование готовых блоков в Блок принимается с модуляцией по «исключающему ИЛИ» и содержит информацию фотоприёмника виде маленьких печатных плат позво- 4 лило сделать измеритель в виде неболь- шой «указки» из кабель-канала с прово- Код 0хFF, где нет сигнала Код 0х00, где есть сигнал дом от USB (см. рис. 3). 5 Жёлтыми линиями на рисунке 3 ука- заны проводные соединения. Монтаж Рис. 2. Диаграммы преобразования кодов передачи-приёма измерителя выполняется пайкой изолированным проводом типа МГТФ. Элементы кре- TXD OUT пятся на суперклей. Монтажные про- GND вода фиксируются с помощью клеево- RXD го пистолета. GND U CC Предлагаемая конструкция рассчи- +5 В тана на ручное считывание при при- ближении к вращающимся объектам. Рис. 3. Фотография конструкции измерителя с расположением составных блоков до монтажа Конструкция может быть дополнена креплениями для фиксации измери- Рис. 4. Окно программы измерителя оборотов теля или другими необходимыми эле- Рис. 5. Фрагмент диспетчера устройств c подключением на порт 9 ментами. ПРОГРАММА ТАХОМЕТРА Вид окна предлагаемой програм- мы [3] представлен на рисунке 4. Программе требуется открыть устрой- ство с доступом к UART. На скане экра- на (см. рис. 5) приведён фрагмент дис- петчера устройств c подключением на порт 9. Программа имеет статус «как есть», в ней представлены: ● подсчёт пересечений фотопотока за время передачи блока, среднее значе- ние вращения за секунду (минуту) и дисперсия средних значений за пе- риод измерений; ● запись данных в файловый архив и программа анализа графиков на ма- кросе в Excel; ● средства контроля, анализа и визуа- лизации настройки фотоприёмника, цветовые настройки окна; ● имитатор фотоприёмника; ● исходный текст, компилятор языка Форт [4], файл справки по командам языка Форт; ● файл справки управляющих клавиш, настройки быстрого запуска и выбо- ра режимов. Программа подготовлена на языке программирования Форт [4]. Текст и ком- пилятор языка «извлекаются» из прило- жения tahometr_ot_uarta_v1.exe [3], после чего выполняется подготовка нового СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019 WWW.SOEL.RU 57

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ исполняемого файла. В файле при- ВЫВОДЫ «интеллектуальной обработки», сиг- ложения находятся все файлы для нализации и других задач объекта возможной дальнейшей модерниза- Очевидным достоинством предло- вращения. ции программы измерителя (тахо- женной схемы измерения является метра). способ измерения без изменения кон- ЛИТЕРАТУРА струкции измеряемого объекта враще- Программное обеспечение доступ- ния на основе фотопотока. 1. Счётчик оборотов (прототип): http:// но всем желающими и представ- meandr.org/archives/24773. лено в виде текстового файла Вторым достоинством измерителя tahometr_ot_uarta_v1.f. [3]. Файл откры- является «кварцевая» точность измере- 2. Адаптеры UART https://ru.aliexpress.com/ вается «Блокнотом», шрифт «Терминал», ния и сравнительно низкая цена исход- price/usb-uart-adapter_price.html. кодовая страница 866 OEM (русский ных компонентов. язык) или любым текстовым редакто- 3. Программа тахометра: http://shabronov_ ром с той же кодировкой. Программа Третьим достоинством измерите- s2.dyn-dns.ru/temp/uart_ik_tahometr_v1/ не требует установки и сформирована ля можно считать совместимость с test/tahometr_ot_uarta_v1.zip. для работы на операционных системах компьютером и возможность опе- Windows XP/7/8/10 32/64. ративной обработки данных. Все 4. Описание языка Форт spf4.exe (автор вер- получаемые в процессе измерения сии А. Черезов): http://www.forth.org.ru/. данные одновременно доступны для 5. Интерфейсы UART: https://musbench. com/e_digital/uart.html. НОВОСТИ МИРА КАЛИНИНГРАДСКИЙ СТАРТАП Умная техника помогает экономить продукт или лекарство. В комплект вхо- электроэнергию, отслеживая время от- дят датчики дыма, которые оперативно на- НАЛАЖИВАЕТ ВЫПУСК УМНЫХ крытой дверцы холодильника, и форми- правят на телефон сообщение о задым- ХОЛОДИЛЬНИКОВ рует «Профиль питания» для желающих лении в помещении. вести здоровый образ жизни. Пользова- Технология компании «НеоХоум» в он- тели, присматривающие за престарелыми «НеоХоум» специализируется на созда- лайн-режиме обеспечивает сбор инфор- или больными людьми, могут настроить нии программного обеспечения для умной мации о состоянии бытовой техники. Пер- сигнал о том, что их подопечные вовре- бытовой электронной техники, различных вая партия холодильников, оснащённых та- мя взяли из холодильника необходимый элементов умного дома. кой функцией, поступила в торговые сети страны. Новости Интернета вещей НОВЫЕ МОЩНОСТИ — НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ СВЧ-усилители мощности Многофункциональные GaN и GaAs MMIC СМОС MMIC • Диапазон частот: от HF до Ku • Диапазон частот: 2…18 ГГц • Выходная мощность: 2…1000 Вт • Диапазон частот: S, C, X, Ku • Выходная мощность: до 12 Вт • Типовое усиление: 25…65 дБ • Выходная мощность: до 15 Вт • Типовое усиление: 10…23 дБ • Рабочее напряжение: 28, 40 В • Исполнение: QFN-корпус • Исполнение: QFN-корпус/кристалл ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР F 58 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ НОВОСТИ МИРА «РОСЭНЕРГОАТОМ» ПОДПИСАЛ стие около 150 делегатов, в том числе пред- пример, Google, Facebook и другие, готовы ставители российских дата-центров, крупно- экспериментировать, вкладываться в новое СОГЛАШЕНИЕ О СОТРУДНИЧЕСТВЕ го корпоративного бизнеса, международные IT-производство. И все передовые, прорыв- эксперты, производители инженерного обору- ные технологии появляются как раз у таких С АССОЦИАЦИЕЙ УЧАСТНИКОВ дования. Ключевыми темами саммита стали компаний. Росэнергоатом, в моём представ- ОТРАСЛИ ЦОД цифровая экономика и система националь- лении как президента Ассоциации, также мо- ных стандартов для рынка ЦОД, лучшие прак- жет стать таким игроком. Это очень интерес- Концерн «Росэнергоатом» (входит в Элек- тики по созданию гипер-дата-центров, рынок ный объект, который может стать драйвером троэнергетический дивизион Госкорпорации облачных услуг в России, практики эксплуа- в развитии отрасли ЦОД», – отметил Игорь «Росатом») подписал соглашение о сотруд- тации ЦОД в России и за рубежом. Дорофеев. ничестве с Ассоциацией участников отрасли центров обработки данных (ЦОД). Об этом за- «Большинство крупных ЦОД сейчас со- «Задача максимальной защиты огромного явил 20 сентября на открытии Международно- средоточены, как правило, в Москве, Санкт- массива критических данных, таких как персо- го саммита Ассоциации участников отрасли Петербурге и других крупных городах, но ес- нальные данные, биометрия, данные государ- ЦОД президент Ассоциации Игорь Дорофеев. ли возникает какая-то локация в регионах, ственных систем, может быть идеально обе- то вокруг этого места возникают новые воз- спечена в ЦОД на площадке рядом с атомной Предметом соглашения является коорди- можности, появляется синергетический эф- электростанцией, обеспечивающей надёжное нация деятельности по совершенствованию фект. Интерес к ЦОД «Калининский» связан и бесперебойное энергоснабжение и беспре- условий реализации программы «Цифровая как с объектом, так и оператором дата-цен- цедентный уровень безопасности. Наше со- экономика Российской Федерации», а также тра. Передовые международные компании, ко- трудничество с Ассоциацией участников от- эффективное развитие рынка ЦОД, форми- торые являются генератором трафика, при- расли ЦОД – это, прежде всего, обмен мне- рование качественных и надёжных сервисов, влекают большое количество бизнеса, на- ниями, взаимовыгодное сотрудничество и оказание помощи российским поставщикам экспертная поддержка в этой высокотехно- услуг и производителям оборудования ЦОД. логичной отрасли», – прокомментировал Сер- гей Мигалин, заместитель генерального ди- Международный саммит Ассоциации участ- ректора, директор по экономике и финансам ников отрасли ЦОД проходил в Удомле 19–21 Концерна «Росэнергоатом». сентября на территории ЦОД «Калининский» (расположенный на площадке Калининской Новости Интернета вещей АЭС). Концерн «Росэнергоатом» выступил генеральным партнёром саммита. В рабо- те международного саммита приняли уча- INDUSTRIAL ELECTRONIC ENGENEERS ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019 WWW.SOEL.RU 59

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Разработка моделей для проектирования усилителей мощности в NI AWR Design Environment Валерия Брюнель, Эрик Леклерк (UMS), го анализа, максимально точно соот- Дэвид Вай (AWR Group, National Instruments) ветствующие реальному поведению устройства. Современные системы автоматизированного проектирования предлагают широкие возможности для создания и верификации Существует три основных типа моде- моделей активных компонентов. В статье описывается процесс создания лей активных устройств для использо- таких библиотек с учётом особенностей техпроцесса GH25 в САПР NI вания в симуляции: физические, пове- AWR Design Environment. денческие и компактные. Физические модели учитывают физику работы Прогрессивные полупроводнико- создания усилителей мощности мил- устройства для описания его характе- вые технологии играют важную роль лиметрового диапазона в современ- ристик, но слишком сложны для при- в высокочастотных системах связи ных системах связи и радиолокации. менения в моделировании. Поведен- новых поколений, основной тенденци- Точность создаваемых моделей прове- ческие модели обычно используются ей развития которых является переход ряется путём симуляций и измерений в системном моделировании для рас- в область волн миллиметрового диапа- тестового проекта, разработанного при чёта параметров системы в целом, рас- зона. Поддержка процессов проекти- помощи специализированной библи- сматривая её как некий «чёрный ящик», рования и доступность моделей, соот- отеки GH25 в составе NI AWR Design но они недостаточно точны и подроб- ветствующих этим полупроводнико- Environment. ны для учёта многих важных особенно- вым технологиям – ключевой фактор стей усилителей. успешной разработки устройств и ком- МОДЕЛИРОВАНИЕ НИТРИДНЫХ понентов. В свою очередь, системы Компактные модели можно назвать автоматизированного проектирования КОМПОНЕНТОВ компромиссным методом, поскольку должны тесно сотрудничать с ведущи- Короткозатворные транзисторы из они используют подстройку матема- ми производителями для обеспечения тических функций и значений параме- высокой интеграции программного нитрида галлия уже зарекомендовали тров для наиболее точного повторения обеспечения и особенностей техпро- себя как перспективные устройства для измеренных характеристик реального цессов, а также способствовать сокра- усилителей мощности миллиметрового устройства, таких как ВАХ в импульс- щению временны′ х и материальных диапазона волн. Благодаря более высо- ном режиме или параметры рассея- затрат на разработку устройств. ким рабочим напряжениям и меньшим ния (S-параметры). Разумеется, очень паразитным компонентам, нитридные важно, чтобы модель повторяла отклик Ниже описывается процесс создания, транзисторы обеспечивают более высо- транзистора во всём рабочем диапа- верификации и применения моделей кие рабочие мощности, более широкую зоне с достаточной точностью, чтобы активных устройств на основе широ- полосу и больший коэффициент пре- обеспечить надёжное представление козонных соединений А3В5 производ- образования по сравнению с их ана- устройства во время симуляции. Мате- ства United Monolithic Semiconductors логами из арсенида галлия. Для того матические параметры модели являют- (UMS), а именно – техпроцесса GH25 чтобы получить возможность исполь- ся эмпирическими, однако в них долж- (GaN на карбиде кремния, длина затво- зовать перечисленные преимущества, ны быть учтены базовые физические ра 0,25 мкм), предназначенного для разработчикам необходимы масштаби- закономерности для того, чтобы сде- руемые модели для схемотехническо- лать возможной качественную экстра- поляцию данных при выходе за уста- I (V , V ) новленные рабочие рамки модели. gd gs ds Подстройка параметров компакт- ной модели в соответствии с резуль- L Rg R L татами измерений позволяет создавать g C d d целые библиотеки, которые в дальней- шем используются в таких САПР, как NI G pg D AWR Design Environment для модели- рования сложных монолитных инте- C (V , V ) R C гральных схем, в состав которых вхо- gd gs ds gd pd дят рассматриваемые устройства, а так- же соответствующие схемы питания и I (V , V ) C (V , V ) I (V , V ) C согласования в условиях возбуждения gs gs ds ds высокочастотными сигналами. Библи- gs gs ds ds gs ds отеки также включают в себя информа- R цию об электрических, физических и i топологических характеристиках, обе- R Внутренние s нелинейные элементы Паразитные L Cps элементы s S Рис. 1. Эквивалентная схема транзистора с внешними паразитными элементами 60 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ спечивая разработчика полным набо- Утечка затвора ром инструментов для проектирования и поверхностные ловушки монолитных интегральных схем (МИС) на основе GaN или GaAs. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ n+ Нелегированный AIGaN n+ ТЕХПРОЦЕССА (PDK) 2DEG Правильное описание активного Нелегированный GaN устройства для построения масшта- бируемой модели транзистора – самый Эффект Подложка (SiC, Сапфир) Электрическое поле важный этап создания библиотеки. объёмного заряда поляризованного диполя Масштабируемая модель позволяет разработчику варьировать перифе- Эффекты переходов рию (ширину и число выводов затво- Рис. 2. Положения ловушечных центров в широкозонных полупроводниках на примере GaN-HEMT ра) для получения нужных характе- ристик. Поэтому разработка модели Ids Ids должна учитывать диапазон возмож- ных состояний периферии и рабочих Мгновенные точки точек транзистора. смещения В статье рассматривается процедура IPulse моделирования, основанная на получе- нии параметров устройства из измере- DSI ний, экстракции моделей через эмпи- рическую подстройку и верифика- Pulse цию при помощи схемотехнического моделирования. На основе таких моде- Pulse Pulse I t лей строятся библиотеки, включающие также модификации устройств для раз- DS0 личных применений, включая малошу- мящие усилители, усилители высокой Vgs-Vp мощности и переключатели. Vgs 00 Vds ЭКСТРАКЦИЯ МОДЕЛЕЙ VV Точка VV Стандартная эквивалентная схе- GS0 GSI покоя DSI DS0 ма компактной модели транзистора представлена на рисунке 1 и включа- Период ет в себя внешние линейные и внутрен- ние нелинейные элементы. Внеш- t t ние паразитные элементы транзисто- ра (R, L и C) необходимы для вычета Рис. 3. Импульсный метод измерений из S-параметров при переходе к вну- тренней опорной плоскости транзи- проводимость за счёт неоднородно- позволяющих не допускать значитель- стора и для экстракции внутренних стей кристаллической решётки и обо- ного нагрева. Благодаря этому мгновен- компонентов (Cзи, Cзс, gm, gз, Cси, Rз, Rзс) рванных связей на поверхности полу- ные значения смещений затвора и сто- при помощи уравнений в явном виде. проводника или на переходах между ка перемещаются из точки покоя таким Точная экстракция паразитных элемен- слоями (см. рис. 2) [1]. Эти ловушеч- образом, чтобы точнее описывать рабо- тов основана на результатах измерений ные центры формируют паразитные чие характеристики транзистора без S-параметров полевого транзистора в области объёмного заряда, влияющие изменения заданных начальной рабо- холодном режиме (Vси= 0) и электромаг- на плотность двумерного электронно- чей точкой температурных и ловушеч- нитном анализе гребёнок транзистора. го газа [2]. ных параметров (см. рис. 3). Получен- ные таким образом данные использу- Следующим шагом является определе- В AlGaN/GaN-транзисторах суще- ются для формирования компактной ние значений параметров внутренних ствует множество различных явле- модели на основе разработанных урав- элементов. В случае нитридных устройств ний, связанных с наличием ловушеч- нений, позволяющих с высокой точно- основными источниками нелинейно- ных состояний. В частности, эффект стью рассчитывать производные тока сти являются источник тока сток-исток запаздывания тока, который зависит стока и паразитных зарядовых ёмко- и ёмкости затвор-исток и затвор-сток, а от напряжения смещения стока и тем- стей в широком диапазоне напряже- также входной диод Шоттки. пературы канала. Для его учёта при- ний стока и затвора. меняют квази-изотермические ВАХ и Помимо этого, транзисторы с S-параметры в импульсном режиме. ПРОВЕРКА МОДЕЛИ высокой подвижностью электронов Методика заключается в измерении (HEMT) подвержены влиянию лову- S-параметров во время действия корот- Созданная компактная модель вери- шек – состояний в полупроводниках ких импульсов с высокой скважностью, фицируется путём сравнения резуль- типа GaN, ограничивающих дырочную СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019 WWW.SOEL.RU 61

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 18 40 35 Коэффициент усиления, дБ 16 Выходная мощность, дБм 30 25 14 20 15 12 Синий= –40°C 25 30 10 –5 0 5 10 15 20 25 30 Измерения 10 Зелёный= +30°C Входная мощность, дБм Максимальное значение Красный= +80°C 5 8 Розовый= +125°C –10 32,37 6 –10 –5 0 5 10 15 20 Симуляция Входная мощность, дБм Максимальное значение 50 400 32,04 350 40 Средний ток стока, мА 300 250 КПД, % 30 200 20 150 100 10 50 0 0 5 10 15 20 25 30 –10 –5 0 5 10 15 20 25 30 –10 –5 Входная мощность, дБм Входная мощность, дБм Рис. 4. Проверка модели гетероструктурного полевого транзистора GH25-10 на частоте 10 ГГц Рис. 5. Различные компоненты библиотеки UMS GH25 в NI AWR Design Environment татов моделирования с результатами вания таких параметров, как коэффи- ми ячейками (PCells) собираются в измерений для нескольких рабочих циент усиления, выходная мощность, библиотеки для поддержки разработки точек и конфигураций затвора (от КПД и ток стока на частоте 10 ГГц. Как МИС по соответствующим техпроцес- 2×30 мкм до 10×300 мкм для техноло- видно из графиков, результаты изме- сам. Библиотеки для Microwave Office гии 0,25 мкм). рений отлично совпадают с данными предоставляются непосредственно моделирования для четырёх значе- UMS и включают в себя подробный Для проверки способности модели ний температуры в диапазоне от –40 файл описания топологических пра- предсказывать характеристики транзи- до +125°C. Положения оптимальных вил (LPF), задающий параметры слоёв стора при разных значениях импеданса значений коэффициента отражения и материалов для ЭМ-анализа. Разра- нагрузки были проведены load-pull изме- на диаграмме Смита также совпали с ботчикам доступна подстройка пара- рения. Для каждой конфигурации тран- высокой точностью, что видно на кон- метров моделей активных и пассив- зистора были проведены измерения при турах выходной мощности в правой ных компонентов, включая ширину разных напряжениях смещения, уровнях части рисунка 4. затвора, количество выводов и значе- входной мощности и частотах сигнала. ния ёмкостей и индуктивностей. Поми- Результаты load-pull измерений можно ПРИМЕНЕНИЕ БИБЛИОТЕК мо топологических чертежей модели легко сравнить с результатами симуля- снабжены специальными схемны- ции в Microwave Office благодаря разви- ТЕХПРОЦЕССОВ ми символами. На рисунке 5 показа- той поддержке load-pull моделирования. Модели активных устройств и пас- ны компоненты библиотеки техпро- цесса GH25 на схеме Microwave Office. На рисунке 4 представлены результа- сивных компонентов вместе с их пара- ты сравнения измерений и моделиро- метризованными топологически- 62 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Аналогичные библиотеки будут созда- Рис. 6. Результаты моделирования транзистора (0,25 мкм, GaN, 8×75 мкм) в рамках ны для техпроцессов GH15 и GH10, как предустановленной тестовой схемы Microwave Office только будут верифицированы соот- ветствующие модели. Рис. 7. Результаты моделирования усилителя мощности на 18 ГГц на основе нитридного транзистора (8×75 мкм) по техпроцессу 0,25 мкм Среди встроенных примеров в Microwave Office есть подробная преду- устройств, основанных на измерени- интегральных схем. Помимо описан- становленная тестовая схема для тести- ях и учитывающих различные слож- ной в данной статье библиотеки тех- рования транзисторов, которую мож- ные явления, такие как ловушечные процесса 0,25 мкм и уже существую- но использовать для анализа базовых состояния в нитридных гетерострук- щих библиотек, UMS планирует пред- параметров модели транзистора перед турах. ставить новые PDK для Microwave тем, как приступить к работе над проек- Office, в том числе и для нитридно- том. Для этого необходимо лишь заме- Построение компактной модели, го техпроцесса 0,1 мкм в ближайшем нить модель по умолчанию на требуе- обеспечивающей разработчика пол- будущем. мую нелинейную модель транзистора ной информацией о характеристи- и запустить симуляцию. После добав- ках используемых транзисторов, зна- ЛИТЕРАТУРА ления библиотеки UMS в топологиче- чительно упрощается благодаря при- ском редакторе будет открыт соответ- менению продвинутых программных 1. Benvegnu′ А. «Trapping and Reliability ствующий файл LPF, а модели появятся инструментов компании AWR. Под- Investigations in GaN-based HEMTs в библиотеке элементов для размеще- держка построения библиотек тех- Electronics» Universite′ de Limoges. 2016. ния в схемах Microwave Office. Тесто- процесса, возможность проведения вый проект «FET_Characterization» вклю- load-pull моделирования и сравнения 2. Nsele S.D., Escotte L., Tartarin J.G., чает в себя заранее настроенные измере- с результатами измерений, глубокая Piotrowicz S. and Delage S.L. «Broadband ния ВАХ, S-параметров, а также одно- и интеграция библиотек в процесс про- Frequency Dispersion Small-Signal двухсигнальные измерения нелинейных ектирования и мощные методы анали- Modeling of the Output Conductance and характеристик с развёрткой по мощно- за позволяют существенно упростить Transconductance in AlInN/GaN HEMTs» сти, в числе которых – усиление, выход- и ускорить разработку монолитных IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 60, ная мощность, КПД и контуры load-pull No. 4, April 2013, pp. 1372–1378. (см. рис. 6). Библиотеки различных техпроцес- сов позволяют разработчикам при- менять любые комбинации методик линейного и нелинейного анали- за, включая load-pull. Появившийся в последней версии Microwave Office инновационный модуль синтеза цепей согласования поддерживает разработку цепей питания и согласо- вания на основе S-параметров и дан- ных load-pull для непосредственно- го достижения оптимальных харак- теристик по мощности, линейности и/или эффективности. Данные воз- можности были протестированы для определения оптимальных импедан- сов источника и нагрузки для нитрид- ного транзистора (8×75 мкм) на часто- те 18 ГГц (см. рис. 7). На второй гармо- нике (36 ГГц) на выходе транзистора в качестве нагрузки была размещена параллельная ёмкость для повышения пикового КПД до 36%. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Технологии GaN на SiC обретают всё большую популярность как пер- спективные материалы миллиметро- вого диапазона длин волн для при- менения в составе систем нового поколения. Успех проектов на осно- ве этих технологий напрямую зави- сит от наличия качественных и точ- ных нелинейных моделей активных СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019 WWW.SOEL.RU 63

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Новые возможности в системе функциональной верификации и моделирования HDL-проектов Delta Design Simtera Никита Малышев ([email protected]) троники Delta Design и расширяет её функциональность. Теперь, в зависимо- На сегодняшний день разработка проектов для конфигурации ПЛИС сти от требований разработчиков, Delta является востребованной тематикой [1]. За счёт скорости работы, Design Simtera может быть предостав- возможности многократной реконфигурации и простоты разработки, по лена как в виде самостоятельного про- сравнению со СБИС, ПЛИС нашли широкое применение во всех областях граммного комплекса, так и в составе техники. При разработке программируемой схемы необходимо провести с другими программными решения- верификацию работы программы – то есть проверку правильности ми компании ЭРЕМЕКС. Единый поль- работы по техническому заданию. Для верификации и поведенческого зовательский интерфейс унифициру- моделирования проектов используется САПР Delta Design Simtera. ет работу со всеми инструментами ком- пании и снижает уровень входа как для Цикл проектирования программи- на предыдущую стадию для доработки новых, так и для опытных пользовате- руемой интегральной схемы представ- и получения нужных характеристик. лей Delta Design. ляет собой итерационный процесс. За счёт ограничений, каждый этап проек- На рисунке 1 представлен маршрут раз- СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЙ РЕДАКТОР тирования предполагает возвращение работки конфигурации ПЛИС с возмож- ностями, реализованными в Delta Design И БИБЛИОТЕКА КОМПОНЕНТОВ Техническое Simtera. Зелёным цветом на рисунке выде- В новой версии Delta Design Simtera задание лены этапы, поддерживаемые Simtera: система обеспечивает разработку, вери- предусмотрено ведение проектов в Разработка фикацию, синтез и частично функци- схемотехническом виде. Теперь по высокоуровневого ональную и временну′ ю верификацию желанию разработчика ПЛИС мож- проекта. Рассмотрим некоторые ново- но выбрать вариант ведения RTL описания введения в готовящейся к официальному (Register Transfer Level – уровень выпуску новой версии Delta Design Simtera. регистровых передач) описания как Функциональная в виде HDL-кода, так и в виде схемы. верификация ЕДИНЫЙ ИНТЕРФЕЙС Можно также совмещать оба этих варианта. Вариант совместного веде- В новой версии Delta Design Simtera ния проекта типа «схема–код» досту- встроена в САПР проектирования элек- пен благодаря тому, что схеме сопо- Синтез схемы в базис библиотеки стандартных ячеек Функциональная и временная верификация (частично) Топологическое проектирование Верификация с учётом топологии Комплект технической документации для производства Рис. 1. Маршрут разработки проекта ПЛИС Рис. 2. Инструмент поиска компонента схемы в библиотеке 64 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ставляется соответствующее HDL- Рис. 3. Редактор компонента жена информация об элементах схемы. описание. Так, при выделении компонента схемы Рис. 4. Редактирование HDL-модели компонента становятся доступными для отображе- При ведении проекта в виде схемы ке. Также она будет открыта для изме- ния параметры HDL-модели компонен- появляется необходимость в использо- нения и дополнения. та. Кроме того, параметры компонен- вании библиотеки. Библиотека позво- тов могут быть изменены. Например, ляет вести единую централизованную При ведении проекта в схемотехни- в зависимости от использования HDL- базу компонентов. Компонент состо- ческом виде возможно использование языка для описания функционально- ит из множества представлений – всех средств разработки, заложенных в сти компонента, могут быть изменены УГО (условно-графическое обозначе- системе, – это соединение типа «Про- параметры «generic» VHDL-модели или ние), посадочное место, SPICE-модель вод», «Шина», использование многоли- «parameter» Verilog-модели. и прочее. В рамках данной статьи рас- стовых проектов, повторяющихся бло- смотрим только УГО, список контактов ков и других инструментов. Кроме это- и HDL-модель. Именно они задейство- го в схемотехническом редакторе во ваны при проектировании и верифи- вкладке «Свойства» может быть отобра- кации HDL-проектов в схемотехниче- ском виде. Для просмотра содержимого компо- нента необходимо обратиться к пункту «Показать компонент в библиотеке» из контекстного меню компонента при его выборе (см. рис. 2). При открытии выбранного элемента библиотеки ста- новится доступно его редактирование. На рисунке 3 показан редактор компо- нентов. Каждая вкладка редактора компо- нентов предполагает работу с опре- делённой моделью компонента. На вкладке УГО соответственно откры- вается возможность редактирования графического отображения: доступ- на отрисовка графического представ- ления, расстановка выводов и опре- деление их типов с заданием имён. С помощью выводов осуществляет- ся соединение компонентов в цепи, а графическое представление служит для визуальной идентификации эле- мента схемы. Также на основе выво- дов, использующихся в компоненте, возможна генерация шаблона HDL- кода. По выводам и их типам генери- руется интерфейс с портами и пере- менными для HDL-модели компонента. При необходимости HDL-модель ком- понента может быть расширена разра- ботчиком (см. рис. 4). Работа с HDL-описанием компонен- та доступна во вкладке «HDL модель». Здесь так же, как и при работе во вклад- ке «УГО» доступна панель со списком выводов. Именно по этому списку при нажатии кнопки «Генерировать» (см. рис. 4) произойдёт создание VHDL- и Verilog-моделей. Эти модели содержат описание портов, а функциональность дописывается пользователем самосто- ятельно. При этом в базовой версии Delta Design Simtera подразумевается поставка библиотеки со стандартными логическими ячейками. Эту библиоте- ку можно использовать при разработ- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019 WWW.SOEL.RU 65

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ На рисунке 6 показан процесс отлад- ки кода проекта с помощью точки останова (прерывания). При останов- ке выполнения программы на точ- ке можно отследить состояние HDL- программы – значения переменных, логи, правильность выполнения. Вме- сте с точкой остановки можно исполь- зовать инструмент «Список наблюде- ния», который также представлен на рисунке 6, в правой части рабочего про- странства, для отображения значений переменных при остановке программы. В системе предусмотрено моделиро- вание assert-ами (проверками утверж- дений). Для просмотра assert-ов точно так же, как и для просмотра логов, мож- но использовать панель «Журналы». Именно в неё выводятся сообщения о ходе компиляции, сообщения отладки и другая информация по программе. Рис. 5. Осциллограф Delta Design Simtera моделирование. Кроме этого возможна СИНТЕЗ отладка методом остановки по точкам Рис. 6. Отладка проекта по точкам останова прерывания в интересующих частях Заключительным этапом работы с По результатам проектирования схе- HDL-программы. На рисунке 5 пред- системой может быть, как выгрузка ставлена осциллограмма с результатами файлов HDL-проекта, так и файлов син- мы можно выгрузить документацию со моделирования разрабатываемой схе- теза из HDL в библиотечное представле- штампом, перечень используемых ком- мы. В системе, как и в предыдущих вер- ние выбранного устройства для после- понентов, а также получить статистику сиях, предусмотрены такие инструмен- дующего проектирования и получения по проекту и многое другое. ты работы с осциллографом, как курсо- файлов конфигурации ПЛИС. ры, отображение данных в цифровом ВЕРИФИКАЦИЯ и аналоговом видах, перемещение кур- В качестве устройств для синте- соров по оси времени и многое другое. за можно выбрать Xilinx чипы 7-х И ПОВЕДЕНЧЕСКОЕ серий, Intel – Cyclone IV, Cyclone IV E, МОДЕЛИРОВАНИЕ Cyclone V, Cyclone 10, Arria 10 GX, MAX 10. Также ведётся работа по поддерж- Основной функцией системы Delta ке российских ПЛИС от компании Design Simtera является верификация МИЛАНДР. HDL-проектов и их поведенческое Синтез реализован с помощью встро- енного инструмента Yosys [2]. Такая интеграция позволяет отображать Verilog-проекты (на данный момент поддерживается только Verilog) в базис библиотечных ячеек ПЛИС и выгружать результаты синтеза в форматах BLIF, EDIF, VQM и упрощённый RTL Verilog для последующей работы в программ- ных пакетах компаний-производите- лей (Xilinx, Intel, Lattice и др.). Для упрощённой работы с Yosys в Delta Design Simtera можно создавать шаблоны, которые будут использовать- ся при проведении итераций синтеза. ЛИТЕРАТУРА 1. Малышев Н. Средства функциональной верификации компании Eremex. Совре- менная электроника. 2018. №7. С. 36–37. 2. Строгонов А., Городков П. Программные средства с открытым исходным кодом для проектирования цифровых устройств в базисах БИС и ПЛИС. Компоненты и тех- нологии. 2017. №3. C. 105–114. 66 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019

Реклама

ЧЕЛОВЕК И ЗАКОН Патентно-аналитическое обеспечение инновационного развития предприятий и проведения их диверсификации Максим Шилак (Москва) зования результатов интеллектуаль- ной деятельности (РИД) зарубежными «В мире происходят кардинальные технологические перемены. конкурентами, правовая защита исклю- По своему масштабу они сопоставимы с эпохами промышленных чительных прав на РИД. революций и научных открытий, которые радикально меняли уклад жизни людей на нашей планете. Очевидно, что сейчас лидером станет В связи с этим очевидным является уве- тот, кто будет обладать собственными технологиями, знаниями, личение существующих рисков наруше- компетенциями. Они становятся важнейшим ресурсом развития, ния исключительных прав третьих лиц обеспечивают суверенитет страны» (В. Путин, 2018). при экспорте выпускаемой продукции, потери экспортных рынков высокотехно- В настоящее время особо остро сто- Анализ практики реализации инно- логичной продукции из-за их «правовой ит вопрос повышения эффективно- вационных проектов, показывает, что монополизации» компаниями-конкурен- сти и инновационного развития рос- при их выполнении зачастую не уделя- тами с использованием активного («зон- сийской промышленности. Одним из ется должное внимание вопросам анали- тичного») патентования и отставания по путей решения данной задачи являет- тического патентно-информационного показателям тактико-технических харак- ся проведение диверсификации про- обеспечения. Так, многие инновацион- теристик экспортируемой продукции. изводства, направленной на снижение ные разработки часто осуществляются рисков и повышение эффективности без учёта «патентной обстановки» в пред- В данной статье рассматриваются производства. Даже самые успешные метных областях, планы перспективных возможности технологической раз- предприятия не могут постоянно раз- разработок строятся без предваритель- ведки на основе патентно-информа- виваться и функционировать по одним ного проведения патентно-информа- ционных исследований. и тем же критериям. Как крупные, так и ционных исследований по предметным мелкие промышленные предприятия не направлениям, в рамках выполняемых С помощью патентной аналитики могут существовать в неизменном виде работ не всегда проводятся исследования осуществляется сбор, обобщение, ана- на протяжении длительного периода на уровень вновь создаваемых образцов лиз сведений, содержащихся в патент- времени без учёта постоянно меняю- техники, а по закрытии работ – исследо- ной информации, что позволяет: щихся потребностей рынка и влияния вания на патентную чистоту. ● оценить технологический уровень и внешней среды в целом. Каждому пред- приятию необходимо менять центры При осуществлении экспорта высо- конкурентоспособность предприятия; экономического внимания, распреде- котехнологичной продукции не всегда ● выявить тренды приоритетных тех- лять средства, искать новые подходы к используются необходимые институ- развитию. Это подразумевает перерас- ты и механизмы патентно-аналитиче- нологических направлений развития пределение центров внимания на рын- ского обеспечения, таких как: центра- предприятий промышленности за ру- ке, расширение выпускаемого ассорти- лизованное зарубежное патентование бежом и в РФ; мента товаров либо услуг, поиск новых перспективных ключевых технических ● определить перспективные направ- рынков сбыта, освоение новых техно- решений, реализованных в экспортиру- ления НИОКР в интересах диверси- логий и способов производства. емой продукции, мониторинг фактов фикации предприятия; незаконного копирования и исполь- ● обеспечить высокую конкуренто- способность выпускаемой продук- 4460 4382 4692 4284 4275 4578 4091 ции, сократить расходы на её созда- ние, исключив дублирование иссле- 3475 дований и разработок; 3184 ● проводить конъюнктурное и техно- логическое исследования экспорт- 1962 2329 2304 2424 2180 2376 2566 2536 ных рынков; 1752 ● обеспечить доступность (безопас- 1901 ность) экспортных рынков для оте- чественной продукции; 1241 ● выявить текущее положение конку- рентов (степень конкуренции и уро- 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 вень используемых технологий) в за- Семьи Публикации данных технологических сферах; ● выявить патентные стратегии ино- Рис. 1. Динамика патентной активности странных конкурентов на экспорт- ных рынках; ● выявить «параллельные направления» и тренды в области технологического развития зарубежных конкурентов. 68 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019

ЧЕЛОВЕК И ЗАКОН Китай США На рисунке 2 показана динамика 2500 1200 патентной активности в отдельности по каждой из стран. Китай активно 2000 1000 наращивает темпы технологического развития в данном направлении, одна- 1500 800 ко небольшая разница между числом патентных семей и числом публика- 1000 600 ций свидетельствует о том, что основ- ная масса заявок не выходит за преде- 500 400 лы страны, указывая на ориентирован- ность разработок на внутренний рынок. 0 200 В США после 2012 года наблюдается тен- 2010 2012 2014 2016 2018 денция к снижению числа патентных 0 2009 2011 2013 2015 2017 2010 2012 2014 2016 2018 2009 2011 2013 2015 2017 Япония Корея 700 300 600 250 500 400 200 300 150 200 100 100 50 0 0 2010 2012 2014 2016 2018 2010 2012 2014 2016 2018 2009 2011 2013 2015 2017 2009 2011 2013 2015 2017 Германия Россия 80 350 70 300 60 250 50 200 40 150 30 100 20 10 50 0 0 2010 2012 2014 2016 2018 2010 2012 2014 2016 2018 2009 2011 2013 2015 2017 2009 2011 2013 2015 2017 Публикации Семьи Рис. 2. Динамика патентной активности по странам В качестве примера предлагаем рас- за счёт подачи заявки и её дальнейшей смотреть результаты патентно-инфор- публикации в желаемой стране. мационных исследований в области техники, соответствующей группе меж- Значительная разница между количе- дународного патентного классифика- ством семейств и общим количеством тора (МПК) – Н02Н-003 «Схемы защи- публикаций с 2009 по 2018 год (в сред- ты электрических линий, осуществля- нем ~1,8 раза) позволяет сделать вывод ющие автоматическое отключение о высокой коммерческой значимости и непосредственно реагирующие на разработок в данной области. Спад, недопустимое отклонение от нормаль- наблюдаемый в 2018 году, обусловлен ных электрических рабочих параме- тем, что ещё не все заявки, поданные в тров с последующим восстановлени- период 2016–2018 гг., опубликованы. ем соединения или без такового». Распределение патентных семейств Данная рубрика насчитывает поряд- по странам первого приоритета (страна ка двадцати двух тысяч патентных подачи первой заявки) позволяет опре- семейств, включающих в себя около делить те страны, которые являются сорока тысяч публикаций начиная основными разработчиками и иссле- с 2009 года. Выдано порядка двадца- дователями в анализируемой области. ти одной тысячи патентов. Динами- Китай является лидером по числу раз- ка патентной активности, показанная работок, на чью долю приходится 60% на рисунке 1, имеет положительный от общего числа семейств в анализиру- тренд, что говорит об актуальности емой области. На втором месте США – направления для разработчиков. Рост 11%, на третьем Япония – 10%, Корея – числа публикаций может указывать на 4–5%, Германия замыкает пятёрку веду- стремление к захвату зарубежных рын- щих стран-разработчиков – 4%. Россия ков, обеспечив надлежащую правовую с показателем в 454 патентных семьи охрану своих технических решений (2%) занимает шестое место рейтинга. путём расширения патентных прав в Всего было установлено тридцать пять потенциальных странах поставки про- стран, ведущих собственные разработ- дукции, вызывая рост патентной семьи ки в области защитных схем электри- ческих цепей. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019 WWW.SOEL.RU 69

ЧЕЛОВЕК И ЗАКОН Таблица 1. Результаты анализа распределения публикаций по ведомствам второй и последующих подач Страна Потенциальные рынки сбыта Экспорт технологий (доля Импортёры технологий Китай (*основные) экспортируемых заявок) (*основные) США США*, Тайвань, Япония, Индия, Корея, Бразилия, Канада, Австралия, Германия, Слабый (8%) США*, Япония*, Германия*, Корея, Франция, Тайвань, Великобритания, Россия, Мексика, Испания, Сингапур, Дания, Франция, Великобритания, Австрия, Индия, Австралия, Италия, Япония Высокий (67%) Финляндия, Швеция, Дания, Польша, Чехия, Норвегия, Корея Португалия, Гонконг, Новая Зеландия, Италия, Финляндия, Норвегия, Чили, Израиль, Бельгия, Россия, Украина, Бразилия, Словения Германия Колумбия Средний (53%) Россия Средний (44%) Япония*, Китай, Германия, Корея, Тайвань, Франция, Китай*, Канада*, Япония, Мексика, Корея, Индия, Германия, Тайвань, Высокий (71%) Великобритания, Австрия, Индия, Австралия, Италия, Бразилия, Австралия, Испания, Россия, ЮАР, Великобритания, Израиль, Слабый (5%) Ирландия, Швеция, Дания, Израиль, Норвегия, Гонконг, Новая Зеландия, Дания, Сингапур, Австрия, Чили, Франция, Финляндия, Чехия, Россия, Бразилия, ЮАР, Бельгия, Аргентина, Коста-Рика, Норвегия, Малайзия, Колумбия, Перу, Швеция, Тайланд, Польша, Словения, Португалия, Вьетнам, Италия, Турция, Египет, Мексика, Словения, Новая Зеландия Чехия, Финляндия, Венгрия, Ирландия США*, Германия, Корея, Китай, Франция, Тайвань, Великобритания, Австралия, Россия, Индия, Бразилия, США*, Китай*, Корея, Германия, Тайвань, Индия, Бразилия, Вьетнам, Канада, Австралия, Великобритания, Россия, Испания, Гонконг, Тайланд, Франция, Италия, Финляндия, Норвегия Австрия, Сингапур, Мексика, Польша, Дания, Малайзия США*, Япония*, Германия, Китай, Франция, Тайвань, Великобритания, Австралия, Австрия, Бразилия, Италия, США*, Китай*, Япония, Испания, Индия, Германия, Тайвань, Бразилия, Россия, Канада, Великобритания, Тайланд, Чили Финляндия, Швеция, Норвегия, Россия, Бельгия Китай*, США*, Япония, Индия, Корея, Испания, Канада, Россия, Бразилия, США*, Япония*, Китай, Великобритания, Корея, Тайвань, Австралия, Австрия, Дания, Польша, Франция, Словения, Мексика, Чехия, Россия, Франция, Италия, Финляндия, Дания, Индия, Австралия, Австрия, Швеция Великобритания, ЮАР, Сингапур, Гонконг, Венгрия, Италия, Турция, Чехия, Аргентина, Португалия, Тайвань, Украина, Израиль, Швеция США*, Германия*, Франция*, Китай, Австрия, Великобритания, Япония, Украина, Корея, Польша, США, Германия, Китай, Япония, Корея, Индия, Канада, Бразилия, Австралия, Австралия, Тайвань, Чехия, Бразилия, Италия, Финляндия, Мексика, Украина, Вьетнам, Малайзия Швеция семей, при этом существенная разница же являться мерой сдерживания потен- Мировой рейтинг ведущих разработ- между числом патентных семей и чис- циальных нарушителей прав. чиков в анализируемой области по чис- лом публикаций (~3,8 раза) указывает лу патентных семейств выглядит сле- на зрелость технологий, а также стрем- В таблице 1 представлены результа- дующим образом. Лидером в области ление американских компаний обеспе- ты анализа распределения публикаций защитных схем электрических цепей чить надлежащую правовую охрану на по ведомствам второй и последующих является китайская электросетевая компа- зарубежных рынках. Аналогичная ситу- подач. Китай, несмотря на лидирую- ния (SGCC), которая, несмотря на ведущие ация наблюдается и в Японии, где пик щие позиции по числу разработок, не позиции Китая по числу разработок, явля- зрелости был достигнут в 2010 году. стремится выводить свои разработки за ется единственным представителем стра- В Германии и Корее динамика возник- пределы страны, где на долю экспорта ны в рейтинге ведущих разработчиков. новения числа семейств более стабиль- технологий приходится только 8% (из Второе место с двукратным отставанием на, что указывает на актуальность дан- 14 336 документов лишь 1163 опубли- занимает немецкий концерн Siemens. На ного направления для разработчиков. ковано за пределами страны). При этом третьем месте с незначительным отстава- достаточно широкий территориальный нием представитель Японии – Mitsubishi В России на протяжении всего перио- охват (24 страны) указывает на наличие Electric, являющийся производителем да наблюдается нестабильная динамика крупных китайский компаний, стре- широкого спектра электрического и с пиковыми значениями в 2012 и 2016 мящихся к защите своих технических электротехнического оборудования. годах, где в среднем подаётся около решений на международных рынках. Два других представителя этой страны – пятидесяти заявок в год, что значитель- Toshiba и Chugoku Electric Power зани- но меньше, чем показатели в ведущих Наиболее активную деятельность по мают четвёртое и десятое место, соот- странах. Отсутствие разницы в числе международному патентованию ведут ветственно. На пятом месте представи- патентных семей и числе публикаций представители Германии и США, где доля тель Тайваня – Hon Hai Precision Industry, может указывать на незаинтересован- экспорта заявок составляет 71 и 67% соот- более известный под торговым наиме- ность в правовой охране разработок за ветственно, при этом США имеет самый нованием Foxconn – крупнейший в мире рубежом, что может также объяснять- широкий спектр территориального охва- контрактный производитель электрони- ся высокой стоимостью зарубежно- та патентных прав (41 страна), что гово- ки, осуществляющий производство ком- го патентования, а также наличием рит о стремлении к захвату и закрепле- плектующих и сборку высокотехноло- большого числа неконкурентоспособ- нию на международных рынках. гической продукции для других компа- ной продукции для внешних рынков. ний, которые, в свою очередь, продают Общая тенденция к спаду, наблюдае- США и Китай являются наиболее изделия под своими брендами. Шведско- мая в 2016–2018 годах, вызвана задерж- востребованными странами для рас- швейцарская корпорация ABB Schweiz, кой в публикации заявок, поданных за ширения патентных прав, куда посту- специализирующаяся в области элек- указанный период. пают заявки из 25 и 23 стран, соответ- тротехники, энергетического машино- ственно, что указывает на привлека- строения и информационных техноло- Анализ ведомств второй и последую- тельность данных рынков для сбыта гий, занимает шестое место. На седьмом щих подач позволяет выявить потенци- продукции. Россия, как и Китай, прак- и восьмом местах расположились пред- альные рынки сбыта и/или намерения тически не выводит свои разработки за ставители США – корпорации Eaton и развернуть собственное производство рубеж. При этом стоит отметить стрем- General Electric. Девятое место у фран- в желаемой стране. Кроме того, выбор ление российских компаний к выходу цузской энергомашиностроительной страны для территориального расши- на международные рынки (13 стран), компании Schneider Electric – произво- рения патентных прав может быть обу- однако ввиду того, что во все указан- дителя оборудования для энергетиче- словлен стремлением к ограничению ные страны было подано по 1–2 заявки, свободы действия конкурентов, а так- выявить наиболее предпочтительный из них не представляется возможным. 70 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019

ЧЕЛОВЕК И ЗАКОН ских подкомплексов промышленных Таблица 2. Активность ведущих компаний-разработчиков в отношении стран, отражающая интерес предприятий, объектов гражданского к тому или иному рынку на основе числа опубликованных документов и жилищного строительства, центров обработки данных. Компания Потенциальные рынки сбыта (*основные) В рейтинге ведущих разработчиков SGCC Китай*, США, Индия, Бразилия, Дания по числу патентных семей на терри- тории РФ лидером является шведско- Siemens Китай*, Германия*, США*, Бразилия, Индия, Россия, Корея, Канада, Австралия, Великобритания, швейцарская корпорация ABB Schweiz. Австрия, Япония, Испания, Сингапур, Дания, Польша, Мексика, Италия Второе место у французской энергома- шиностроительной компании Schneider Mitsubishi Япония*, Китай*, США*, Корея, Германия, Тайвань, Великобритания, Индия, Австралия, Канада, Electric. Третье место поделили между Electric Гонконг, Тайланд, Бразилия, Франция, Испания, Дания, Сингапур, Вьетнам собой немецкий концерн Siemens и рос- сийская компания ООО «Релематика» Toshiba Япония*, Китай*, США*, Индия, Бразилия, Вьетнам, Корея, Канада, Тайвань, Россия, Германия, (ранее ИЦ «Бреслер») – ведущий оте- Австралия, Испания, Великобритания, Гонконг, Тайланд чественный разработчик и производи- тель современных комплексов релей- Hon Hai Китай*, США*, Тайвань*, Япония ной защиты и автоматики. Precision Industry В таблице 2 показана активность ведущих компаний-разработчиков в ABB Schweiz США*, Китай*, Индия, Россия, Канада, Япония, Корея, Бразилия, Австралия, Испания, Германия, отношении стран, отражающая инте- Сингапур, ЮАР, Аргентина, Франция, Мексика, Дания, Финляндия, Польша, Гонконг, Новая рес к тому или иному рынку на осно- Зеландия, Вьетнам, Италия, Швеция ве числа опубликованных документов. Страны расположены в порядке умень- Eaton Intelligent США*, Китай, Канада, Мексика*, Бразилия, Индия, Германия, Австралия, Великобритания, Япония, шения числа публикаций, где звёздоч- Power Австрия, Россия, Тайвань, Корея, Испания, Украина, Коста-Рика, Дания, ЮАР, Сингапур, Вьетнам, кой отмечены страны с наибольшим числом публикаций. Тайланд, Норвегия, Чили, Марокко Как видно из таблицы, наиболее при- General Electric США*, Китай*, Япония*, Канада*, Бразилия, Германия, Индия, Корея, Австралия, Мексика, Дания, влекательными для ведущих компаний Испания, Великобритания, Новая Зеландия, Франция, Россия, Сингапур, Швеция, Тайвань являются рынки США и Китая. Наиболь- ший территориальный охват у Eaton Schneider Китай*, США*, Франция*, Индия*, Россия, Испания, Австралия, Бразилия, Канада, Мексика, Intelligent Power и ABB Schweiz, которые, Electric Япония, Корея, Польша, Великобритания, Австрия, ЮАР, Германия, Украина, Дания, Сингапур как и Siemens, Mitsubishi Electric, Toshiba, Industries General Electric и Schneider Electric Industries заинтересованы в максималь- Chugoku Electric Япония* ном присутствии на зарубежных рын- Power ках. Китайская электросетевая компа- ния ориентирована в основном на вну- стве. Также в настоящий момент нахо- на простая неисключительная лицензия тренний рынок, при этом был отмечен дятся на рассмотрении заявки, подан- на срок до 30.06.2019 на право исполь- небольшой интерес в США (11 публи- ные в Бразилию, Индию, Филиппины зования компанией ООО «НПП «ЭКРА», каций). В Индии, Бразилии и Дании и в Европейское патентное ведомство. что также может характеризовать дан- отмечено по одной публикации. Япон- Такое значительное число стран указы- ное техническое решение как значимое. ская компания Chugoku Electric Power вает не только на стремление к выходу на работает исключительно на внутренний соответствующие рынки, но и свидетель- Другим патентом АО «СО ЕЭС» являет- рынок. Тайваньская компания Hon Hai ствует о высокой коммерческой значи- ся патент EA № 023229 от 31.05.2016 на Precision Industry придерживается стра- мости запатентованного решения, оку- «Способ включения трёхфазной линии тегии охраны от возможных конкурен- пающего весьма существенные затраты электропередачи». В России на данное тов уже на существующих рынках Китая на международное патентование. техническое решение также была выда- и США и не претендует на масштабное на лицензия на право использования территориальное расширение. Другим патентообладателем – Ива- компанией ООО «НПП «ЭКРА». ном Фёдоровичем Маруда – был полу- Среди российских разработчиков так- чен патент Германии № 202011109999 Распределение патентных семейств по же была отмечена активность на меж- от 31.10.2012 на «Устройство релейной областям применения устройств и спосо- дународной арене. Компания АО «НПО защиты сосредоточенного объекта от бов защиты схем электрических цепей и «Стример» имеет внушительный терри- коротких замыканий», которое может анализ темпов роста их числа за десяти- ториальный охват патентных прав на использоваться в защитах генераторов, летний период позволяет оценить раз- «Высоковольтный изолятор и высоко- трансформаторов, автотрансформато- витие технологической области на про- вольтная линия электропередачи» (см. ров, токоограничивающих реакторов и тяжении всего анализируемого периода Патент РФ № 2377678 от 27.12.2009). другого электрооборудования. (см. рис. Д1 в Дополнительных матери- Соответствующие патенты на данное алах к статье). Одна патентная семья техническое решение были получены в Компания АО «СО ЕЭС» владеет может быть отнесена к нескольким тех- Австралии, Канаде, Китае, Японии, Корее, рядом евразийских патентов. Патент нологическим областям. За десятилетний Мексике, Малайзии, Украине, США, Вьет- ЕА № 027267 от 31.07.2017 получен на период развития наблюдается широкий наме и Евразийском патентном ведом- «Способ включения линии электропе- охват областей применения (28 из 34), редачи переменного тока», основанный что обычно характерно для «зрелых» на включении первой фазы, измерении областей техники. Из данного распре- напряжения на второй и третьей фазах. деления видно, что базовой областью Патент EA № 023872 от 29.07.2016 полу- применения анализируемых технологий чен на «Устройство для защиты от корот- является «Электрооборудование, Энерге- ких замыканий в «мёртвой» зоне откры- тика», которая насчитывает порядка двад- тых распределительных устройств объ- цати двух тысяч патентных семей. ектов электроэнергетики высокого или сверхвысокого напряжения – на участ- Наибольшие темпы роста наблюда- ках между трансформаторами тока и ются в направлениях «Обработка», где выключателями». Стоит отметить, что на за период 2014–2018 гг. была зафик- территории России на данное техниче- сирована тридцать одна семья (47 за ское решение по патенту РФ на изобрете- 2009–2018 гг.). Высокие темпы роста ние № 2508585 от 27.02.2014 была выда- можно увидеть и в таких направлени- ях, как «Медицина», «Тепловые процес- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019 WWW.SOEL.RU 71

ЧЕЛОВЕК И ЗАКОН Таблица 3. Патентные семьи с наибольшим показателем цитирования популярность в США, Японии, Корее, Германии и Канаде. Данное техноло- Номер документа Наименование Патентообладатель Число гическое преимущество, а также сла- цитирований бый интерес к разработкам в данном ЕР2587601 Активный ограничитель тока от Georgia Tech Research, США направлении в Тайване, а также ряде WO2014018434 перенапряжений Edison Global Circuits, США 175 других стран, может открывать возмож- US20110141644 Eaton, США 120 ности для захвата данной ниши про- US20110216453 Панель предохранителей Pass & Seymour, США 71 дукцией зарубежных компаний, в том числе и российских, а также для развёр- CA2717953 Дуговая защита постоянного тока, детектор Eaton, США 69 тывания собственного производства. дугового замыкания постоянного тока и способ обнаружения дугового замыкания 68 Для российских разработчиков, осуществляющих свою деятельность Защитное устройство для системы в направлении Н02Н-003/40 «Схемы электроснабжения защиты, реагирующие на отношение напряжения и тока», также может быть Провод и система, использующая интересен выход на зарубежные рынки электрические генерирующие модули с соответствующей продукцией. Стоит постоянного тока и ряд блоков защиты отметить характерный для всех стран, провода за исключением Китая, слабый интерес к направлению Н02Н-003/253 «Схемы сы и аппараты», «Методы IT для управ- полученным данным, наибольшее чис- защиты, реагирующие на пониженное ления» и «Цифровые коммуникации». ло разработок ведётся в направлении напряжение и его отсутствие для мно- Н02Н-003/08 «Схемы защиты, реагиру- гофазового применения, например, Однако стоит учитывать, что подавля- ющие на токовые перегрузки», насчи- фазовое прерывание (выключение)». ющее число патентных семейств при- тывающем 726 патентных семей. Однако надлежит Китаю, где проводится особая после пика активности в 2011–2012 годах Распределение рубрик МПК по веду- патентная политика, в результате которой к настоящему моменту наблюдается тен- щим мировым компаниям (см. рис. Д5 в наблюдается экспоненциальный рост денция к спаду, что говорит о снижении Дополнительных материалах к статье) числа подаваемых заявок практически интереса к созданию новых технических также позволяет определить их техно- во всех областях техники, что в конечном решений. Стоит ожидать улучшение пока- логическую специфику. Разработки итоге оказывает положительное влияние зателей 2017–2018 гг. после публикации китайской электросетевой компании на общую динамику патентной активно- всех заявок, поданных в указанный пери- SGCC сфокусированы в направлениях сти. Таким образом, следует рассматри- од, что, тем не менее, не сильно отразит- Н02Н-003/08 «Схемы защиты, реагиру- вать сложившиеся тенденции в областях ся на сложившейся тенденции. Наиболее ющие на токовые перегрузки» и Н02Н- техники отдельно от публикаций, имею- положительную динамику можно наблю- 003/06 «Элементы конструкций, обеспе- щих китайский приоритет. Полученные дать в направлениях Н02Н-003/087 «Схе- чивающие автоматическое восстановле- результаты (см. рис. Д2 в Дополнительных мы защиты, реагирующие на токовые ние соединения». Разработки компаний материалах к статье) свидетельствуют о перегрузки для цепей постоянного тока» Siemens и Mitsubishi Electric имеют наи- том, что основными областями примене- и Н02Н-001/00 «Элементы конструкций, больший технологический охват. При ния технологий также являются «Элек- детали, схемы защиты». этом Siemens больше внимания уделя- трооборудование, Энергетика», «Измере- ет направлению Н02Н-003/08, тогда ние», «Управление», «Транспорт», «Базовые Распределение патентных семейств как Mitsubishi Electric делает акцент на процессы коммуникаций». Однако сто- по рубрикам МПК и странам публи- направлениях Н02Н-003/02 «Элементы ит отметить отсутствие интереса к обла- кации (см. рис. Д4 в Дополнительных конструкций устройств в схемах защи- сти «Технологии поверхностей, покры- материалах к статье) позволяет выявить ты» и Н02Н-003/05 «Элементы конструк- тия», которые были отмечены при ана- специфику разработок в той или иной ций устройств в схемах защиты со сред- лизе с учётом вклада Китая, что говорит стране. В Китае отмечено наиболь- ствами увеличения надёжности, напри- о более широком применении техноло- шее число разработок практически в мер, с резервирующими устройствами», гий на китайском рынке. каждом из направлений. В США, как в которые также наиболее интересны дру- большинстве стран, основной акцент гому представителю Японии – компа- Каждой заявке, поданной в нацио- делается в направлениях Н02Н-003/00 нии Toshiba. Hon Hai Precision Industry нальное патентное ведомство, присваи- «Схемы защиты, осуществляющие ведёт основную деятельность в направ- вается соответствующий индекс между- автоматическое отключение и непо- лении Н02Н-003/20 «Схемы защиты, народной патентной классификации, средственно реагирующие на недо- реагирующие на избыточное напряже- которая является основным средством пустимое отклонение от нормальных ние». Направление Н02Н-003/38 «Схемы для классификации патентных доку- электрических рабочих параметров с защиты, реагирующие как на напряже- ментов. Анализ тенденций по рубри- последующим восстановлением соеди- ние, так и на ток; реагирующие на фазо- кам МПК также позволяет выявить наи- нения или без такового», Н02Н-003/08 вый угол между напряжением и током» более значимые и активно развиваю- «Схемы защиты, реагирующие на токо- наиболее интересно компании Chugoku щиеся направления, касающиеся схем вые перегрузки» и Н02Н-003/20 «Схемы Electric Power, которая работает исклю- защиты электрических линий. защиты, реагирующие на избыточное чительно на внутренний рынок. напряжение», которое, однако, не отно- Для этого необходимо рассмотреть рас- сится к наиболее популярным в России. Аналогичное распределение для рос- пределение патентных семейств по деся- сийских ведущих разработчиков (см. ти наиболее популярным рубрикам МПК Стоит отметить высокий интерес в и по году подачи приоритетной заявки, России к направлению Н02Н-003/16 без учёта Китая (см. рис. Д3 в Дополни- «Схемы защиты, реагирующие на ток тельных материалах к статье), где наблю- замыкания на землю, на корпус или на дается положительный рост практиче- массу», которое также имеет высокую ски по всем направлениям. Согласно 72 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019

ЧЕЛОВЕК И ЗАКОН рис. Д6 в Дополнительных материа- Таблица 4. Наиболее цитируемые патентные семьи российских правообладателей лах к статье) позволяет сделать следу- ющие выводы. Сфера интереса компа- Номер Наименование Патентообладатель Число нии ООО «Релематика» лежит в направ- документа цитирований лении Н02Н-003/40 «Схемы защиты, реагирующие на отношение напря- RU 2377678 Высоковольтный изолятор и высоковольтная линия АО «НПО «Стример» 19 жения и тока». Разработки в направ- электропередачи лении Н02Н-003/08 «Схемы защиты, реагирующие на токовые перегруз- RU 2454769 Устройство заземления нейтрали трёхфазной ООО «НПП 5 ки» наиболее интересны представи- электрической сети «ЭНЕРГОКОНСАЛТ» 5 телям высших учебных заведений – 5 Томскому политехническому универ- RU 2422964 Устройство токовой защиты электрических сетей от Пермский ситету и НИУ «МЭИ». Компания ООО однофазных замыканий на землю (варианты) государственный «НПП «ЭКРА» больше внимания уделя- технический университет ет направлению Н02Н-003/16 «Схемы защиты, реагирующие на ток замыка- Устройство быстродействующей селективной защиты от Санкт-Петербургский ния на землю, на корпус или на массу». Орловский государственный универси- RU 2410812 однофазных замыканий на землю в распределительных государственный горный тет осуществлял разработки в направ- лении Н02Н-003/04 «Элементы кон- сетях с возможностью безаварийного ввода резерва университет струкций устройств в схемах защиты, обеспечивающие после отключения RU 2584548 Устройство для максимальной токовой защиты Томский политехнический 4 дополнительную подачу контроль- электроустановок университет ного и предупредительного сигна- лов, например, для указания о том, что ЗАКЛЮЧЕНИЕ а также на отношение напряжения и защитный прибор сработал». тока, что даёт потенциальную возмож- Анализ развития технологического ность для захвата данных ниш в стра- Анализ цитирования патентных семей направления, соответствующего группе нах, имеющих технологическое отста- позволяет выявить наиболее ценные сре- МПК Н02Н-003 «Схемы защиты электри- вание по данным направлениям. ди них, зачастую содержащие инфор- ческих линий, осуществляющие авто- мацию о базовых технологиях, на матическое отключение и непосред- В целом российским компаниям, пла- основании которых строятся будущие ственно реагирующие на недопустимое нирующим осуществлять свою деятель- модернизации, оказывающие большое отклонение от нормальных электриче- ность в анализируемом направлении, влияние на развитие отрасли. Показа- ских рабочих параметров с последую- стоит обратить внимание на наибо- тели цитирования патентных докумен- щим восстановлением соединения или лее цитируемые документы, которые тов с приоритетами в некоторых странах без такового» показал его зрелость и могут содержать сведения о базовых выглядят следующим образом: США – высокую коммерческую значимость. технологиях, что, в свою очередь, может 27168, Китай – 14910, Япония – 6709, позволить осуществлять собственные Германия – 2418, Корея – 1776, Велико- В данном техническом направле- разработки с использованием более британия – 1185, Австралия – 1015, Тай- нии Китай имеет подавляющее тех- высокого уровня зрелых и апробиро- вань – 687, Франция – 575, Россия – 202. нологическое преимущество по чис- ванных технических решений. К наи- Несмотря на то что по числу патентных лу осуществляемых разработок, кото- более перспективным из таких направ- семей подавляющее преимущество за рые всё же нельзя отнести к мировым, лений можно отнести Н02Н-003/087 китайскими разработчиками, к наибо- т.к. большая их часть ориентирована на «Устройства схем защиты, реагирующие лее цитируемым документам относят- внутренний рынок. на токовые перегрузки для цепей посто- ся публикации представителей США. янного тока» и Н02Н-001/00 «Элементы Низкие показатели цитирования рос- Наиболее востребованными рынка- конструкций, детали, схемы защиты». сийских публикаций могут указывать ми сбыта данной продукции являют- на то, что отечественные разработки в ся США и Китай, однако для выхода на Анализ информации, содержащей- данной области не могут служить базой них необходимо создание конкуренто- ся в опубликованных патентных доку- для будущих модернизаций и не оказы- способной продукции, не уступающей ментах, позволил определить техно- вают большого влияния на мировое раз- по качеству продукции ведущих миро- логический уровень разрабатывае- витие анализируемой области. В табли- вых разработчиков, таких как Eaton мых технических решений, выявить це 3 представлены патентные семьи с Intelligent Power, ABB Schweiz, Siemens, мировые тренды приоритетных тех- наибольшим показателем цитирова- Mitsubishi Electric, Toshiba, General нологических направлений развития ния. Ознакомиться с текстом указанных Electric и Schneider Electric Industries. и определить перспективные направ- документов можно на сайте Европейско- ления НИОКР в интересах диверсифи- го патентного ведомства [1]. В табли- В России к началу 2019 года наблюда- кации отечественных предприятий. це 4 представлены наиболее цитируемые ется заметное отставание от стран, име- Опираясь на результаты проведённо- патентные семьи российских правооб- ющих технологическое преимущество, го анализа, можно осуществить конъ- ладателей. Ознакомиться с текстом доку- занимающих значительную долю рын- юнктурное и технологическое иссле- ментов можно на сайте ФГБУ «ФИПС» в ка устройств для схем защиты электри- дования экспортных рынков с целью разделе «Открытые реестры» [2]. ческих линий, реагирующих на отклоне- определения их доступности для оте- ние электрических параметров. При этом чественной продукции, выявить теку- стоит отметить наличие потенциаль- щее положение конкурентов в зани- но конкурентоспособных технических маемых технологических сферах, решений у компаний АО «НПО «Стример» включая их патентные стратегии на и АО «СО ЕЭС», наиболее активных в меж- экспортных рынках. дународном патентовании. ЛИТЕРАТУРА Также в России отмечено наличие небольшого технологического преиму- 1. https://worldwide.espacenet.com щества перед рядом стран в направле- 2. http://www1.fips.ru/registers-web/action?ac ниях, касающихся устройств в схемах защиты, реагирующих на ток замыка- Name=clickRegister&regName=RUPAT ния на землю, на корпус или на массу, СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019 WWW.SOEL.RU 73

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ У истоков квантовой электроники К 180-летию со дня рождения А.Г. Столетова Владимир Бартенев ([email protected]) матери, друга и наставника. Под вли- янием матери Александр рано потя- В статье, приуроченной к 180-летию со дня рождения нашего великого нулся к знаниям. Этому способствова- соотечественника Александра Григорьевича Столетова, рассказывается ло наличие у мальчика незаурядных о его жизненном пути, достижениях в научных исследованиях способностей, проявившихся в самом и открытиях в годы зарождения электромагнетизма, электромагнитной раннем детстве. Ему ещё не было пяти теории и квантовой электроники в России. лет, когда он самостоятельно и неза- метно для близких научился читать. ВВЕДЕНИЕ ему суждено было стать фамильным У него была прекрасная память, что наследственным домом Столетовых. немало помогало ему во всех его увле- Александр Григорьевич Столетов чениях. Он, например, увлекался поэ- родился 29 июля (10 августа) 1839 го- Владимирская семья Столетовых, зией, знал наизусть множество стихов да. Родина этого выдающегося учё- как и многие другие купеческие семьи, и очень любил декламировать; обожал ного, профессора Московского уни- во многом сохраняла традиционные, русскую классику. верситета – город Владимир [1]. патриархальные устои, но в то же вре- Здесь прошли его детские и юноше- мя это была замечательная, дружная и Наряду с матерью большое участие ские годы. В кремле – древней части просвещённая семья. У родителей Алек- в воспитании Александра принимал Владимира – располагались соборы сандра Григорьевича было шесть детей: его старший брат Николай. В 1850 году XII века (Успенский и Дмитриевский), четыре сына и две дочери. Александр он с золотой медалью окончил Влади- а также казённые каменные здания: был четвёртым. Это младшее поколение мирскую гимназию, затем поступил на присутственные места, дом губерна- Столетовых много трудилось, приобре- математический факультет Московско- тора, Дом дворянского собрания, муж- тая разносторонние знания. Блестящее го университета. Завершив свое образо- ская гимназия. В одном ряду с Успен- университетское образование, соеди- вание получением степени кандидата ским и Дмитриевским соборами, к вос- нившись с природной одарённостью, математических наук, Николай Столе- току от них, стоял Рождественский позволило Столетовым встать в ряд луч- тов решил посвятить себя военной дея- мужской монастырь XII века, напро- ших представителей российской интел- тельности. Сразу после окончания уни- тив которого купцом Д.Я. Столето- лигенции: Николай Григорьевич Сто- верситета он ушёл на фронт: Россия в вым (прадедом А.Г. Столетова) был летов стал генералом от инфантерии, это время вела Крымскую войну. Нико- построен двухэтажный каменный видным военным деятелем, Дмитрий лай Столетов участвовал в героической дом в формах позднего классициз- Григорьевич Столетов – генерал-май- обороне Севастополя и в этот же пери- ма конца XVIII века. Этот дом сохра- ором артиллерии, а Александр Григо- од встретился со Львом Николаевичем нился до настоящего времени (№ 59 рьевич – одним из основоположников Толстым и подружился с ним. Выдаю- по улице Большой Московской) – физики электромагнетизма, оптики и щиеся качества ума и характера Нико- фотоэлектричества. Он открыл и иссле- лая Столетова объясняют его большое довал законы внешнего фотоэффекта, влияние на младшего брата. предвосхитив тем самым его объясне- ние квантовым характером взаимодей- В детские годы Александр Столетов ствия электромагнитного излучения с начинает изучать французский язык, веществом. в чём ему помогает старший брат Николай, который заставляет Алек- А.Г. Столетов (1839–1896) ДЕТСТВО А.Г. СТОЛЕТОВА сандра делать переводы, старается разговаривать с ним по-французски. Александр рос живым, общительным, Такая форма занятий, повседневного подвижным мальчиком. Воспитанием общения позволила Александру изу- детей занималась их мать, Александра чить этот язык очень быстро и весьма Васильевна (до замужества Полежаева), основательно. Позже Александр Гри- которая была сердечной, умной, энер- горьевич также в совершенстве овла- гичной и образованной женщиной, дел немецким и английским языками. любившей художественную литера- Первоклассное знание основных евро- туру, искусство и музыку. Она умело и пейских языков, так полезное каждо- чутко руководила их занятиями, при- му научному работнику, было особен- вивала детям любовь к труду, к книге, но необходимо Столетову в его после- поощряла всякое хорошее начинание. дующей деятельности. Воспитателем она была идеальным и заслужила со стороны всех своих детей В 1849 году, когда мальчику исполни- глубокую любовь и уважение. Она удач- лось десять лет, родители отдали его во но сочетала в себе качества преданной Владимирскую гимназию, сразу во вто- рой класс. Владимирская губернская 74 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ гимназия была основана на базе Глав- русского самодержавия в Крымской Г.Р. Кирхгоф (1824–1887) ного народного училища, начавшего войне, способствовали распростране- свою деятельность в 1786 году. К момен- нию среди студентов и преподаватель- знанием иностранных языков специ- ту, когда в неё был принят А.Г. Столетов, ского состава революционных взгля- алист, был направлен в Гейдельберг – гимназия уже имела почти полувеко- дов, мыслей и идей, заставляли глубже город, в котором жили и работали такие вой опыт в обучении молодых людей. задумываться над животрепещущими выдающиеся физики, как Кирхгоф и В семи классах гимназии обязатель- социально-политическими проблема- Гельмгольц. ными предметами были русский язык, ми, злободневными вопросами, волно- закон божий, география, история, мате- вавшими тогдашнее общество. Не слу- В Гейдельберге Александр Григорье- матика, физика, физическая география, чайно после смерти Николая I сменив- вич начал посещать лекции по мате- естественная история, немецкий язык, ший его Александр II в марте 1856 года матической физике одного из осно- французский язык, черчение и рисова- в своей речи, обращённой к предводи- воположников спектрального анализа ние, русское законоведение, а в отделе- телям московского дворянства, подчер- Г. Кирхгофа, находившегося в то время нии готовящихся в университет – ещё и кнул, что лучше освободить крестьян на вершине своей славы. Там же Столе- латинский язык. Во время учёбы у Сто- от крепостной зависимости, нежели тов слушает лекции Гельмгольца, это- летова появился интерес к точным нау- ждать, когда они освободятся сами. го удивительного по разносторонно- кам, главным образом к физике. сти своих научных интересов человека. Складывавшаяся революционная Летом 1863 года А.Г. Столетов отпра- Гимназический преподаватель мате- ситуация вынудила царское прави- вился в Геттинген, где слушал лекции матики и физики Н.Н. Бодров был тельство 5 марта 1861 года обнародо- Вебера, а также Мейера по теоретиче- прекрасным педагогом, творческим, вать манифест об отмене крепостного ской оптике. Через некоторое время умевшим увлекательно преподнести права. Это событие привело к быстрому Столетов переехал в Берлин. Там он в материал. Уроки физики очень часто развитию промышленного капитала в течение зимы 1863–1864 годов слушал сопровождались демонстрационными России, чему способствовал массовый лекции Магнуса, Квинке, Дове и рабо- опытами, показом действующих физи- приток в города на заработки крестьян, тал в частной физической лаборато- ческих приборов или их моделей. Его вынужденных покидать насиженные рии Магнуса. Затем Александр Гри- уроки были интересны и содержатель- места, что было на руку владельцам горьевич решил вернуться в Гейдель- ны. Физика по-настоящему и надолго фабрик и заводов, получивших дешё- берг к Кирхгофу, который только что увлекла Александра Григорьевича. Ему вую рабочую силу. открыл физическую лабораторию при настолько нравились демонстрируе- университете. мые в гимназии физические опыты, что Александра Столетова, как и многих он старался их повторить в домашних его товарищей по университету, конеч- В Гейдельберге Столетов, как и пре- условиях. Мальчик мастерит самодель- но, интересовали общественно-поли- жде, слушал лекции Кирхгофа по ные приборы, пытается строить маши- тические события, разыгрывавшиеся в математической физике и очень мно- ны, при помощи несложных и прими- стенах университета и за его предела- го работал под руководством этого тивных приспособлений показывает ми, но до поры до времени он не прини- учёного в лаборатории физического своим домашним физические опыты, с мал в них активного участия. Его пол- практикума. Совместная работа сбли- удовольствием читает книги по физике. ностью поглощали занятия. Отдава- зила их – между ними возникла друж- ясь целиком наукам, он стремился как ба. В Кирхгофе Столетов видел выда- В середине июня 1856 года Александр можно лучше, полнее и глубже впи- ющегося учёного, обогатившего науку Столетов успешно заканчивает обуче- тать в себя всё то, что провозглашалось рядом ценных открытий. В своём уче- ние в гимназии. За отличные успехи с профессорских кафедр. В 1860 году нике Кирхгоф усмотрел талантливо- ему, как и его старшему брату, была Александр Григорьевич Столетов окон- го, настойчивого в достижении цели, присуждена золотая медаль. чил физико-математический факуль- тет Московского университета со зва- УЧЁБА А.Г. СТОЛЕТОВА нием кандидата [2]. Задолго до этого на В МОСКОВСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ него обратил внимание декан факуль- тета профессор Г.Е. Щуровский, кото- И ЗА ГРАНИЦЕЙ рый видел в Столетове человека с неза- Решение Александра Столетова о урядными способностями, преданно- го науке, серьёзного и трудолюбивого. поступлении в Московский универ- В Совет университета было подано ситет было одобрено его домашними ходатайство об оставлении Столетова (получение образования в этом учеб- при учебном заведении для подготов- ном заведении становилось их семей- ки к профессорскому званию. В нача- ной традицией), и в середине лета ле сентября 1861 года вышло соответ- 1856 года он приехал в Москву, где осе- ствующее решение. В жизни А.Г. Столе- нью того же года стал студентом мате- това начался новый этап. матического отделения физико-мате- матического факультета Московского Весной 1862 года на средства стипен- университета. дии, специально предназначенной для научной заграничной командировки Университетская среда того време- на 2 года, А.Г. Столетов, как наиболее ни и сами условия эпохи, с резким обо- энергичный, трудолюбивый, с незау- стрением противоречий, возникших в рядными способностями и хорошим стране, нарастанием революционных настроений, вызванных поражением СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019 WWW.SOEL.RU 75

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ серьёзного и чрезвычайно работо- Горя желанием как можно скорее при- изложил общий ход решения задачи и способного молодого человека, упор- ступить к активной деятельности, Столе- принципы, положенные в основу иссле- но стремящегося овладеть знаниями. тов уже в феврале 1866 года начал чте- дования, а в мае того же года он защи- Кирхгоф никогда не делал комплимен- ние курсов математической физики и тил магистерскую диссертацию. Теоре- тов своим ученикам и всегда давал им физической географии. Перед ним вста- тическая работа А.Г. Столетова, показав- весьма трезвую, а подчас даже суровую ла довольно трудная задача: он должен шая блестящее знание математического оценку. Столетова же он считал своим был заново строить свои курсы, глав- аппарата её автором, в то же время яви- лучшим учеником. По возвращении ным образом, конечно, курс математи- лась, по существу, прообразом последу- в Москву Столетов не порвал связи с ческой физики, ибо не мог опираться на ющих теоретических работ, выполнен- Кирхгофом и переписывался с ним на опыт своих предшественников. Правда, ных в России. Её характерные черты: протяжении всех последующих лет, Столетов сам только что слушал блестя- исключительная чёткость формулиру- вплоть до его смерти. щие по форме и глубокие по содержа- емых положений, простое и изящное нию лекции Кирхгофа, но они были рас- изложение, полнота решения. В Москву Столетов вернулся в нача- считаны на более подготовленную ауди- ле 1866 года, пробыв, таким образом, за торию и поэтому могли служить лишь В том же году Александр Григорьевич границей вместо двух лет три с поло- подспорьем в подготавливаемых Алек- стал доцентом. Обладая всеми необхо- виной года. Назначенного первона- сандром Григорьевичем курсах. димыми данными для того, чтобы стать чально срока не хватило для заверше- теоретиком, А.Г. Столетов всё же отка- ния научной программы, и Столетов В течение двенадцати лет Столетов зался от этого пути. С самого начала вынужден был обратиться с просьбой читал студентам курс математической научной деятельности его влекло к экс- о продлении срока пребывания за гра- (теоретической) физики, и на протя- перименту. В Москве Столетов одним из ницей. Это время совпало с началом жении всего этого периода непрерыв- первых поставил вопрос об организа- интенсивного развития научной дея- но совершенствовал его. В результате, ции физической лаборатории. тельности в области физики. В ряде по отзывам современников, его лекции европейских стран начали создавать- всегда отличались блестящей, безуко- По его представлениям, физическая ся физические лаборатории и инсти- ризненной формой, правильностью лаборатория должна была стать цен- туты. В различных городах Европы, а языка и высоким научным уровнем. тром научно-исследовательской рабо- затем в Петербурге появились специ- К.А. Тимирязев писал: «Он поставил снача- ты профессора и его помощников, где альные физические практикумы для ла математическую, а затем эксперимен- студенты могли бы приобретать экс- студентов. Становилось всё яснее, что тальную физику на высоту, соответству- периментальные навыки. Однако для физика, подарившая миру величайшие ющую их современному развитию» [3]. выполнения экспериментов в рамках открытия, является важнейшей наукой, подготовки выполнения докторской без развития которой невозможен даль- Не прерывая своей педагогической диссертации весной 1871 года Алек- нейший прогресс. Этот процесс стреми- работы, Столетов начал активно гото- сандр Григорьевич вынужден был сно- тельного роста научно-исследователь- виться к защите магистерской дис- ва поехать к Кирхгофу в Гейдельберг ских учреждений, начавшийся в конце сертации. Перед ним стояла пробле- с просьбой разрешить ему выполнить 60-х годов XIX века, захватил большин- ма: делать экспериментальную работу экспериментальную работу в этом горо- ство европейских стран. вне Москвы, в какой-нибудь гостепри- де, на что получил радушное согласие. имной лаборатории (ибо в Москве По приезду Столетов предпринял опыт- Столетов, являвшийся свидетелем физических лабораторий ещё не суще- ное исследование, посвящённое изуче- этого подъёма интереса к физике и ствовало), или же приняться за теоре- нию зависимости магнитной воспри- сам прекрасно понявший выдающу- тическое исследование. Столетов мог имчивости железа от напряжённости юся роль физических исследований, поехать в Петербургский универси- магнитного поля. Нужно заметить, что, вернулся в Москву с твёрдым намере- тет к Ф.Ф. Петрушевскому, который в будучи в Гейдельберге ещё в 1865 го- нием принять активное участие в соз- это время интенсивно расширял свой ду, Столетов уже интересовался этой дании условий, которые могли бы спо- физический кабинет, но такое реше- проблемой, никем как следует не раз- собствовать повышению уровня отече- ние повлекло бы за собой срыв чита- работанной. Таким образом, начиная ственной физической науки. емых им курсов. Поэтому вполне есте- свое экспериментальное изучение этой ственно, что А.Г. Столетов остановил темы, А.Г. Столетов брался фактически ПЕРВЫЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ свой выбор на работе теоретического за новый вопрос. В Гейдельберге Столе- А.Г. СТОЛЕТОВА характера. Темой своего исследования тов пробыл всего лишь полгода, с мая он выбрал вопрос, связанный с теори- по ноябрь, успев выполнить за этот Когда Столетов в 1866 году из своей ей электричества, озаглавив его «Общая короткий срок все необходимые опы- заграничной командировки вернулся задача электростатики и приведение ты, и возвратился в Москву для последу- в Московский университет, руководи- её к простейшему случаю». Нужно ска- ющей обработки полученного им мате- тель кафедры опытной физики профес- зать, что решённая Столетовым задача риала и написания самой диссертации. сор Н.А. Любимов просил его взяться за по своему смыслу содержала больше чтение курса математической физики, математических элементов, чем физи- В начале 1872 года диссертация а кроме того, физической географии. ческих. Тем не менее она представля- Столетова «Исследование о функции Подобное предложение было, пожалуй, ла интерес в равной мере как для физи- намагничения мягкого железа» была наиболее приемлемым для Столетова, ков, так и для математиков. им представлена на факультет. В апре- поскольку в то время в университете ле 1872 года состоялся диспут, кото- не было физической лаборатории и не 15 февраля 1869 года на заседании рый закончился присуждением Алек- имелось никакой возможности вести Московского математического обще- сандру Григорьевичу учёной степени экспериментальные исследования. ства Столетов сделал доклад, в котором доктора физических наук. «Исследова- 76 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ ние о функции намагничения мягкого Сам А.Г. Столетов такими словами Г.Р. Герц (1857–1894) железа» было последним эксперимен- формулирует цель предпринятой им тальным исследованием А.Г. Столетова, работы: «Задачу настоящей работы Александра Григорьевича был цели- проведённым им вне стен университе- составляет точное определение отно- ком посвящён большой и напряжён- та. В июне 1872 года он был произведён шения единиц электромагнитных и ной работе на поприще просвещения в экстраординарные профессоры, а в электростатических – определение той в самом широком смысле этого сло- следующем 1873 году – в ординарные. скорости Максвелла, которая представ- ва. Прежде всего он предпринял энер- ляет скорость распространения элек- гичные хлопоты по переоборудованию СОЗДАНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ тромагнитных действий в воздухе (или физической лаборатории. Получив ЛАБОРАТОРИИ В МОСКОВСКОМ пустоте) и которая, по всей вероятно- кафедру опытной физики, он энергич- сти, не отличается от скорости света но принялся за улучшение читаемого УНИВЕРСИТЕТЕ в той же самой среде» [4]. Он тщатель- курса, который был им тщательно про- Вскоре после приезда из Гейдельбер- но продумывал методику и пришёл к думан от начала до конца и, по суще- выводу, что «среди различных методов, ству, заново переработан. Новые экс- га, ещё до защиты докторской диссер- которые применялись для установле- периментальные исследования были тации, А.Г. Столетов возобновил свои ния величины скорости, существует им начаты лишь в 1888 году. хлопоты по поводу организации физи- один, который... может дать весьма точ- ческой лаборатории. На этот раз дело ные результаты: это метод абсолютного ОТКРЫТИЕ А.Г. СТОЛЕТОВЫМ увенчалось успехом. Осенью 1872 года конденсатора, т.е. конденсатора с воз- факультет получил помещение для духом (или вакуумом), ёмкость которо- ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА устройства в нём лаборатории. По мыс- го может быть точно вычислена по его В начале 1888 года Александр Григо- ли А.Г. Столетова, в лаборатории дол- форме и размерам» [4]. жен был проходить физический прак- рьевич, несмотря на свою необычайную тикум для студентов и проводиться В 1871 году, ещё будучи в Гейдель- занятость, сумел выделить время и сно- научная работа силами профессоров берге и работая над своей докторской ва приняться за научную работу. В тече- и сотрудников кафедры. В конце того диссертацией, Столетов заказал конден- ние нескольких месяцев напряжённого же года физическая лаборатория была сатор, который был изготовлен лишь труда он сделал ряд ценных открытий, уже готова к приёму студентов – прак- через три года. Таким образом, Столе- принесших ему мировое признание. тические занятия по физике начались. тов начал свои измерения в 1874 году Явления, изучением которых он так в недавно организованной им физи- успешно занимался, были названы им Естественно, что заведующим лабо- ческой лаборатории. Эта работа была актино-электрическими. Теперь их раторией был назначен А.Г. Столетов. первым научным изысканием, прове- называют фотоэлектрическими. Толч- Педагогические обязанности отнима- дённым учёным не на чужбине, а в сво- ком к началу работы послужили резуль- ли у него очень много времени, кроме ей лаборатории, на создание которой таты экспериментальных исследований того, физическая лаборатория ещё не было положено так много труда. Успеш- электромагнитных волн, проведённых была достаточно хорошо оборудована. но завершив работу по определению Генрихом Герцем в Германии. Тем не менее он продолжал заниматься отношения электромагнитной едини- научной работой. Своё новое экспери- цы количества электричества к едини- Занимаясь в 1877 году опытами с элек- ментальное исследование он посвятил це электростатической, проделанную в тромагнитными волнами, Герц попутно разработке метода измерения отноше- физической лаборатории Московско- открыл совершенно новое явление. Оно ния электромагнитной единицы коли- го университета, Александр Григорье- заключалось в том, что искровой разряд, чества электричества к электростатиче- вич примерно на восемь лет прерывает проходивший между двумя электродами, ской. Причины, побудившие А.Г. Сто- свою экспериментальную деятельность. каждый раз облегчался в том случае, ког- летова заняться этим исследованием, да электроды освещались ультрафиоле- объясняются его возросшим интере- В 1880 году, когда А.Г. Столетов закон- сом к трудам выдающегося английско- чил вчерне свою работу по определе- го физика Джеймса Максвелла. В своем нию величины скорости Максвелла, он «Трактате об электричестве и магнетиз- уже пользовался широкой известно- ме» Максвелл показал, что отношение стью как в России, так и за границей. электромагнитной единицы количе- Авторитет его как учёного и педагога ства электричества к электростатиче- уже в то время был велик, что и послу- ской равняется скорости распростра- жило поводом для избрания его предсе- нения электромагнитных возмущений дателем физического отделения Обще- в безвоздушном пространстве. Но этот ства любителей естествознания. В тече- чисто теоретический результат, являв- ние восьми лет Столетов был целиком шийся основным, фундаментальным поглощён университетскими делами и выводом теории, не был подкреплён большой общественной работой, про- точными и надёжными опытными дан- водившейся им в Москве. ными. Убеждение в необходимости экс- периментального доказательства тео- В конце 1882 года профессор ретического вывода Максвелла, а кро- Н.А. Любимов, заведовавший кафедрой ме того, ясное понимание важности опытной физики, решил уйти из уни- этого доказательства и побудили Сто- верситета в Министерство просвеще- летова взяться за такое сложное науч- ния. Заведование кафедрой перешло ное исследование. к А.Г. Столетову. Этот период в жизни СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019 WWW.SOEL.RU 77

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ Внешний вид фотоэлемента Ф-4 (из коллекции дования Столетова – наиболее выдаю- тельная разгадка внешнего фотоэф- автора) щиеся из его научных работ. фекта не могла родиться раньше, чем появилась на свет классическая работа товыми лучами. Со свойственным ему Во второй половине февраля 1888 года А. Эйнштейна, написанная им в 1905 году. чутьём физика, Герц не прошел мимо Столетов начал свои опыты. В этот пери- такого, на первый взгляд, незначитель- од изучением внешнего фотоэффек- Однако к чести Столетова следует ска- ного факта, а сразу же обратил внимание та занимались и другие физики: в Ита- зать, что он чрезвычайно близко подо- на это явление и всесторонне его иссле- лии – А. Риги, во Франции – Е. Биша и шёл к раскрытию физической сущно- довал. Результаты этих исследований он Р. Блондло, в Германии – Э. Видеман, сти этого явления. Даже самое беглое и изложил в статье «О влиянии ультрафи- В. Гальвакс, Г. Эберт. Все они, а особенно сжатое рассмотрение работ выдающе- олетового света на электрический раз- Август Риги, были серьёзными исследо- гося физика нашей страны показывает, ряд», вышедшей в том же году [5]. Основ- вателями. В своей монографии, обобща- насколько глубоко разбирался он во всех ной вывод, сделанный в статье, – ультра- ющей в основном все его актино-элек- вопросах и насколько дальновиден, про- фиолетовое излучение явно облегчает трические исследования, Столетов писал: зорлив он был. Это утверждение станет искровой разряд. Это было твёрдо уста- «Повторяя в начале 1888 г. интересные ещё более очевидным, если вспомнить, новленным экспериментальным фактом, опыты гг. Герца, Видемана и Эберта, Галь- что исследованием актино-электриче- не имеющим пока какого-нибудь разум- вакса относительно действия лучей на ского эффекта занималось достаточно ного теоретического объяснения, что и электрические разряды высокого напря- большое число крупных физиков и ни подтвердил сам Герц. В то время ни сам жения, я вздумал испытать, получится один из них не смог установить истин- он, ни его современники не отдавали ли подобное действие при электриче- ной природы этих явлений. Тем более себе ясного отчёта, насколько крупную стве слабых потенциалов... Моя попыт- поразительной является точка зрения роль сыграет в науке и технике это откры- ка имела успех выше ожидания. Пер- Столетова, считавшего, что «в разрядах, тие, получившее впоследствии название вые мои опыты начаты около 20 февра- происходящих под действием лучей, внешнего фотоэлектрического эффекта. ля 1888 г. и продолжались непрерывно, необходимую роль играет механиче- насколько позволяли другие занятия, по ская конвекция электричества». Этот круг ещё не разгаданных явле- 21 июня 1888 г. В течение этого времени ний заинтересовал Столетова. Нужно мне удалось, полагаю, осветить некото- Сущность этого явления заключает- сказать, что Александр Григорьевич был рые любопытные вопросы относитель- ся в том, что под действием падающего учёным особого класса с необычайно но „актино-электрических действий“» [6]. на тело электромагнитного излучения развитым физическим чутьём. Он всег- с его поверхности в окружающее про- да очень тонко умел отличать главное Столетов установил следующие зако- странство вылетают электроны. Откры- от второстепенного и хорошо ощущал номерности внешнего фотоэффекта, не тие электрона принадлежит англичани- актуальность проблемы. Поэтому, когда утратившие своего значения до наше- ну Джозефу Джону Томсону в 1897 году, он начал свои знаменитые актино-элек- го времени: а в 1899 году немецкий физик Ф. Ленард трические исследования, он прекрасно ● наиболее эффективное действие ока- методом отклонения зарядов в элек- понимал, что подробное и обстоятель- трическом и магнитном полях опре- ное изучение обещает впереди много зывают ультрафиолетовые лучи; делил удельный заряд частиц, выры- важного и интересного для науки. Его ● под действием света вещество теряет ваемых светом из катода, доказав, что предположения более чем оправдались эти частицы являются электронами. в его же собственных работах: Столето- только отрицательные заряды; К сожалению, всё это произошло уже ву удалось установить основные особен- ● сила тока, возникающего под дей- после смерти Столетова. ности и закономерности исследуемого им явления и открыть новые. Общепри- ствием света, прямо пропорциональ- В 1905 году А. Эйнштейн сформулиро- знано, что актино-электрические иссле- на его интенсивности. вал квантовую теорию света, согласно Непонятным для Столетова продол- которой, фотоны, поглощённые веще- жало оставаться лишь одно: что же всё- ством, в процессе поглощения отдают таки происходит в процессе поглощения свою энергию атомам вещества, благо- света металлическим диском-катодом? даря чему входящие в их состав элек- Какова природа возникающего актино- троны приобретают способность пре- электрического тока? Нужно сказать, что одолевать удерживающие их связи с на этот последний вопрос Столетов отве- ядром и с поверхностью тела и выле- та дать не мог по вполне естественной тают наружу. Явление фотоэффекта и причине, заключающейся в состоянии его закономерности были объяснены. физических знаний конца 80-х годов Согласно Эйнштейну, свет частотой позапрошлого столетия. Ни Герц, ни Сто- ν не только испускается, как это пред- летов, ни Гальвакс, ни Риги, ни Видеман – полагал Планк, но и распространяется одним словом, ни один из современни- в пространстве и поглощается веще- ков Столетова принципиально не мог ством отдельными порциями (кван- дать правильного и тем более исчерпы- тами). Таким образом, распростране- вающего ответа на этот вопрос, потому ние света нужно рассматривать не как что в ту эпоху ещё ничего не было извест- непрерывный волновой процесс, а как но ни о строении атома, ни о существо- поток локализованных в пространстве вании электронов, ни об их способности дискретных световых квантов, движу- покидать при известных обстоятельствах щихся со скоростью распространения пределы тела, ни о квантово-механиче- света в вакууме (c=3×108 м/с). Кванты ских законах – могущественных законах естествознания. В связи с этим оконча- 78 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ электромагнитного излучения полу- волны 600 нм составляет 9,4 мкА/мВт. циональную зависимость силы фото- чили название фотонов. Спектральная чувствительность при тока от интенсивности падающего на длине волны 400 нм составляет фотокатод света (закон Столетова). Квантовая теория Эйнштейна позво- 65,8 мкА/мВт. Фототок при длине вол- лила объяснить и ещё одну закономер- ны 215 нм и ширине щели спектрофо- Научные заслуги А.Г. Столетова были ность, установленную Столетовым. тометра СФ-4, равной 2 мм, – 74×10−12 А. высоко оценены как в России, так и за В 1888 Столетов заметил, что фототок Темновой ток при температуре окру- рубежом. В 1877 году он был награж- появляется почти одновременно с осве- жающей среды +18…+25°С – 0,6×10−12 А. дён орденом Святой Анны 2-й степени, щением катода фотоэлемента. Согласно в 1885-м – орденом Святого Владимира классической волновой теории, электро- ЗАКЛЮЧЕНИЕ 3-й степени; в 1889-м – орденом Святого ну в поле световой электромагнитной Станислава 1-й степени. В 1882 году был волны требуется время для накопле- А.Г. Столетов был одним из бле- награждён французским орденом Почёт- ния необходимой для вылета энергии, стящих российских ученых. Он внёс ного легиона. В 1884 году награждён поэтому фотоэффект должен проте- огромный вклад в развитие физики, и медалью за деятельность на пользу обще- кать с запаздыванием по крайней мере этот вклад состоит из нескольких эле- ства и Политехнического музея Москвы на несколько секунд. По квантовой тео- ментов: результатов его эксперимен- Обществом любителей естествознания, рии же, когда фотон поглощается элек- тальных и теоретических исследова- антропологии и этнографии. троном, вся энергия первого переходит ний, его книг, монографий, статей, лек- к последнему, при этом никакого време- ций, речей, выступлений, его труда по Александр Григорьевич Столетов про- ни для накопления энергии не требуется. воспитанию молодых учёных, работы жил сравнительно короткую жизнь, на общественном поприще, чувства которую он целиком отдал служению Спектральная характеристика ваку- гражданственности, честности, прин- науке и народу. Среди всех деятелей умного фотоэлектронного прибора ципиальности. Окидывая ретроспек- науки России мы с особой признатель- определяется типом фотокатода, его тивным взглядом всю деятельность Сто- ностью вспоминаем этого замечатель- толщиной, материалом подложки и летова и пытаясь установить её связь с ного учёного и гражданина, чья яркая окна (баллона) прибора. Приведём современностью, мы с удовлетворени- научная деятельность всегда будет слу- характеристики современного ваку- ем находим её зримые черты в физи- жить примером для будущих поколений. умного фотоэлемента типа Ф-4: ке наших дней. Кратко подведём ито- ● Назначение. Фотоэлемент типа Ф-4 ги научной деятельности профессора ЛИТЕРАТУРА Александра Григорьевича Столетова. вакуумный с сурьмяно-цезиевым 1. Столетов Александр Григорьевич // Боль- (SbCs) фотокатодом со световым ок- Он первым установил закономер- шая советская энциклопедия: в 30 т. – М.: ном из увиолевого стекла (обладаю- ность, проявляющуюся в том, что при Советская энциклопедия, 1969. щего повышенным пропусканием увеличении намагничивающего поля ультрафиолетового излучения) пред- магнитная восприимчивость железа 2. Соколов А.П. Александр Григорьевич Сто- назначен для спектрофотометриче- сначала растёт, а затем, после дости- летов. Биографический очерк. ЖРФХО, ских измерений. жения максимума, уменьшается, и снял ч. физ., 1897, т. 29, № 2. С. 25–74. ● Основные технические данные. Катод кривую магнитной проницаемости сурьмяно-цезиевый массивный рас- ферромагнетика (кривая Столетова). 3. Тимирязев К. А. Сочинения, т. V. – М.: Сель- положен на внутренней поверхности хозгиз, 1938. С. 254–278. стенки баллона. Область спектраль- Кроме того, Столетов эксперимен- ной чувствительности 215…600 нм. тально измерил величину отношения 4. Столетов А.Г. Собрание сочинений, т. I. – Наибольшая высота выводов 104 мм. электромагнитных и электростатиче- М.-Л.: Гостехтеоретиздат, 1939. С. 177. Рабочее напряжение 30 В. ских единиц, близкую к скорости све- ● Предельные условия эксплуатации. та; установил три закона фотоэффек- 5. Герц Г. О действии ультрафиолетового све- Область спектральной чувствитель- та; провёл цикл работ по изучению та на разряд электричества. «50 лет волн ности 215…600 нм. Наибольшее на- внешнего фотоэффекта, открытого Герца». – М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1938. С. 136. пряжение питания 100 В. в 1887 году Г. Герцем; создал первый ● Параметры фотоэлемента. Спек- фотоэлемент, основанный на внешнем 6. Столетов А.Г. Актино-электрические тральная чувствительность при длине фотоэффекте; открыл прямо пропор- исследования. – СПб.: Тип. В. Демакова, 1889. 48 с.: http://e-heritage.ru/ras/view/ publication/general.html?id=42070560 7. А.Г. Столетов. Летопись Московско- го университета: http://letopis.msu.ru/ peoples/1033 НОВОСТИ МИРА МИКРОН ПРИГЛАШАЕТ дуктов завода – ID-продукты и RFID- ки, приборостроения, информационных ОЗНАКОМИТЬСЯ С ХАЙ-ТЕК решения под потребности цифровой и телекоммуникационных технологий, экономики. производства медицинского оборудо- ПРОДУКТАМИ РЕЗИДЕНТОВ вания, биотехнологий, фармацевтики Микрон имеет статус резидента осо- и нанотехнологий. ОЭЗ «ТЕХНОПОЛИС «МОСКВА» бой экономической зоны «Технополис «Москва» с 2015 года. ОЭЗ создана Ознакомиться с выставкой можно в ад- Микрон представляет отрасль микро- для развития инновационной экосисте- министративно-деловом центре ОЭЗ «Тех- и наноэлектроники в постоянной экс- мы города, объединяет 6 высокотехно- нополис «Москва» на площадке «Алабу- позиции высокотехнологичных продук- логичных отраслей и более 130 компа- шево». тов компаний-резидентов особой эко- ний, занятых в сферах микроэлектрони- номической зоны (ОЭЗ) «Технополис Пресс-служба ПАО «Микрон» «Москва». Среди представленных ро- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019 WWW.SOEL.RU 79



Реклама

Реклама