Podstawowe elementy elektroniczne w przemyśle – przewodnik dla początkujących

Elektronika od wielu lat odgrywa niezwykle istotną rolę we wszystkich gałęziach nowoczesnego przemysłu. Pozwala ona na automatyzację procesów produkcyjnych, precyzyjne sterowanie maszynami i urządzeniami, gromadzenie i analizę ogromnych ilości danych oraz wdrażanie systemów opartych na sztucznej inteligencji.

 Wstęp do elektroniki przemysłowej

Aby możliwe było projektowanie i budowa nowoczesnych, inteligentnych linii produkcyjnych oraz zrobotyzowanych systemów przemysłowych, niezbędna jest dogłębna znajomość podstawowych elementów i układów elektronicznych. W tym obszernym artykule przybliżono kluczowe komponenty elektroniczne wykorzystywane na co dzień w przemyśle oraz opisano ich budowę, parametry, właściwości i typowe zastosowania.

Kluczowe układy i elementy elektroniczne w przemyśle

Podstawowe elementy elektroniki

Do grupy podstawowych elementów elektronicznych zaliczamy:

• Rezystory – elementy bierne służące do ograniczania natężenia prądu w obwodach elektrycznych. Charakteryzują się rezystancją mierzoną w omimach. Dzięki rezystorom możliwe jest m.in. ograniczanie prądów i napięć, dzielenie napięć oraz zabezpieczanie innych elementów przed przeciążeniami.
• Kondensatory – elementy bierne służące do magazynowania energii w polu elektrycznym. Ich najważniejszą wielkością jest pojemność mierzona w faradach. Kondensatory pozwalają m.in. na filtrowanie sygnałów elektrycznych, wygładzanie napięć zasilających oraz kształtowanie charakterystyk częstotliwościowych układów.
• Cewki – elementy bierne służące do magazynowania energii w polu magnetycznym. Ich podstawowym parametrem jest indukcyjność mierzona w henrach. Cewki znajdują zastosowanie m.in. w układach rezonansowych, filtrach dolnoprzepustowych oraz w układach indukcyjności wzajemnej.
• Diody – elementy półprzewodnikowe, które przewodzą prąd elektryczny tylko w jednym kierunku. Diody wykorzystuje się np. do prostowania prądu zmiennego, stabilizacji i ograniczania napięć, detekcji sygnałów wysokiej częstotliwości oraz generowania drgań elektrycznych.
• Tranzystory – elementy półprzewodnikowe służące głównie do wzmacniania sygnałów elektrycznych oraz pełnienia funkcji elektronicznych przełączników. Dzięki tranzystorom możliwa jest m.in. budowa układów logicznych, wzmacniaczy, generatorów i stabilizatorów napięcia.

Układy elektroniczne 

Oprócz wymienionych powyżej elementów, istotną grupę podzespołów elektronicznych stanowią rozmaite układy scalone, które zawierają w jednej obudowie od kilku do nawet kilku miliardów elementów elektronicznych. Przykładami takich układów są:

• Mikrokontrolery – miniaturowe komputery na pojedynczym układzie scalonym, które zawierają m.in. rdzeń procesora, pamięć Flash, RAM oraz układy wejść/wyjść. Stanowią podstawowe elementy układów sterowania i automatyki przemysłowej.
• Procesory – sygnałowe układy scalone zawierające wbudowane rdzenie procesorowe zoptymalizowane do szybkiego przetwarzania sygnałów analogowych i cyfrowych. Są stosowane m.in. w systemach pomiarowych i diagnostycznych.
• Przetworniki analogowo-cyfrowe – układy scalone służące do zamiany sygnałów ciągłych (napięcia i prądu) na postać cyfrową. Umożliwiają cyfrowe przetwarzanie i analizę sygnałów z czujników.
• Wzmacniacze operacyjne – układy scalone wykorzystywane m.in. do wzmacniania słabych sygnałów z czujników, budowy filtrów analogowych oraz komparatorów napięcia.

Podstawowe elementy elektroniczne – zastosowanie w przemyśle

Elementy elektroniki przemysłowej

Podstawowe elementy elektroniki, takie jak rezystory, kondensatory i cewki, mają bardzo szerokie spektrum zastosowań w elektronice przemysłowej. Pozwalają m.in. na:

• Ograniczanie i dzielenie napięć i prądów w układach zasilania i sterowania.
• Filtracje sygnałów w celu eliminacji zakłóceń i szumów. 
• Dopasowanie impedancji oraz eliminację zakłóceń w liniach sygnałowych.
• Budowę układów czasowych i generatorów funkcyjnych.
• Sprzęganie i przesyłanie sygnałów pomiędzy różnymi obwodami elektrycznymi.

Zastosowania podstawowych elementów elektronicznych

Podstawowe elementy półprzewodnikowe, takie jak diody i tranzystory, umożliwiają z kolei:

• Prostowanie napięć przemiennych oraz generację napięć i prądów o określonych parametrach.
• Wzmacnianie i kształtowanie przebiegów elektrycznych. 
• Przetwarzanie i wzmacnianie słabych sygnałów z czujników.
• Przełączanie i modulowanie obwodów elektrycznych.
• Budowę układów logicznych i cyfrowych automatów przemysłowych.

Komponenty i układy elektroniczne w przemyśle

Nowoczesne układy scalone, takie jak mikrokontrolery, procesory sygnałowe czy układy PLD umożliwiają:

• Inteligentne sterowanie maszynami, urządzeniami i całymi liniami produkcyjnymi.
• Zautomatyzowane gromadzenie, przetwarzanie i analizowanie danych pomiarowych.
• Szybką reakcję układów sterowania na zdarzenia w czasie rzeczywistym.
• Komunikację i wymianę danych pomiędzy elementami systemów przemysłowych.
• Samodiagnostykę i raportowanie błędów przez urządzenia.

Układy i komponenty elektroniczne – lista dla przemysłu

Poniżej przedstawiono przykładową, rozszerzoną listę najważniejszych elementów i układów elektronicznych wraz z ich zastosowaniami w przemyśle:

• Rezystory – ograniczanie prądów i napięć, dzielniki napięcia, zabezpieczenia przeciążeniowe.
• Kondensatory – filtracja i wygładzanie napięć zasilających, dopasowanie obwodów, pamięci podtrzymywane bateryjnie. 
• Cewki i transformatory – separacja galwaniczna, sprzęganie obwodów, filtry dolnoprzepustowe.
• Diody prostownicze – prostowniki napięcia i prądu, zasilacze impulsowe.
• Diody Zenera – stabilizacja i ograniczanie napięć, zabezpieczenia przeciwprzepięciowe.
• Tranzystory – wzmacniacze, przełączniki i sterowniki mocy, układy cyfrowe i logiczne.
• Tyrystory i triaki – elektroniczne styczniki i regulatory mocy.
• Optoelementy – separacja galwaniczna układów sterowania i pomiarowych.
• Mikrokontrolery – układy sterujące maszynami, programowalne automaty (PLC). 
• Procesory sygnałowe – szybkie przetwarzanie sygnałów analogowych i cyfrowych.
• Przetworniki A/C i C/A–  elektroniczne systemy pomiarowe, układy akwizycji danych.

Elementy elektroniki i układy elektroniczne – przykłady zastosowań

Elektronika w przemyśle motoryzacyjnym

Nowoczesne samochody i ciężarówki zawierają ogromne ilości elementów i układów elektronicznych, które umożliwiają m.in.:

• precyzyjne sterowanie silnikami (mikrokontrolery sterujące wtryskiem paliwa, zapłonem)
• zautomatyzowane skrzynie biegów i układy hamulcowe (siłowniki hydrauliczne i pneumatyczne z elektronicznym sterowaniem) 
• systemy bezpieczeństwa i wspomagania kierowcy (czujniki, kamery, radary, systemy ABS, ESP)
• cyfrowe systemy multimedialne i nawigacyjne (wyświetlacze LCD i TFT, odtwarzacze audio i wideo)

Mikroelektronika w medycynie i diagnostyce 

Elektronika odgrywa również niezwykle ważną rolę w nowoczesnej aparaturze medycznej i diagnostycznej. Elementy takie jak czujniki, przetworniki sygnałów czy mikrokontrolery sterujące umożliwiają m.in.: 

• szybką cyfrową analizę próbek krwi i innych płynów ustrojowych
• precyzyjny pomiar parametrów życiowych pacjentów
• obsługę i kontrolę zaawansowanych technik obrazowania (USG, tomografia komputerowa)
• programowanie i personalizację sztucznych organów i protez 

Elementy elektroniczne – inne zastosowania

Inne przykłady wykorzystania elektroniki w przemyśle to m.in.:

• układy automatyki i sterowania liniami produkcyjnymi oraz maszynami 
• elektroniczne systemy pomiarowe i czujniki parametrów procesowych
• inteligentne liczniki i systemy pomiaru zużycia energii
• elektroniczne zamki i systemy kontroli dostępu do budynków

Podsumowanie i przyszłość elektroniki przemysłowej

Podstawowe elementy i układy elektroniczne są fundamentem nowoczesnych systemów i urządzeń wykorzystywanych na co dzień w przemyśle. Pozwalają one zwiększać wydajność i elastyczność linii produkcyjnych, redukować awaryjność maszyn oraz usprawniać procesy technologiczne. Wraz z postępem w dziedzinie elektroniki, informatyki i sztucznej inteligencji, zautomatyzowane systemy przemysłowe będą stawać się coraz bardziej złożone i autonomiczne.