Įterptinės sistemos ir fizika

IMG 7621 web

Docentas Mindaugas Viliūnas dirba Vilniaus universiteto Kietojo kūno elektronikos katedroje. Šio universiteto Fizikos fakultetą baigė 1992 m., po septynerių metų apsigynė fizikos mokslų daktaro disertaciją. Pagrindinė jo tyrinėjimų sritis – krūvininkų transporto tyrimai netvarkios struktūros medžiagose.Vilniaus universitete studentams skaito įvairius specialius kursus, kuriuos lanko ne vien būsimieji fizikai, bet ir chemikai, matematikai. Pirmiausia tai „Mikroprocesorių technologijų“ bendras kursas, laisvai pasirenkamas visame universitete.

Šis ir kiti M. Viliūno skaitomi kursai – „Skaitmeninių signalų procesoriai“, „Skaitmeninių signalų procesorių taikymai“ ir „Kompiuterizuotieji fizikiniai ir technologiniai matavimai“ – tiesiogiai susiję su įterptinių sistemų problematika. Šių sistemų reikšmę fizikams ir fizikos procesų suvokimo svarbą dirbantiems su įterptinėmis sistemomis inžinieriams aptarsime pašnekesyje su Mindaugu Viliūnu.

Esate fizikas, kietojo kūno elektronikos atstovas. Kas daroma Vilniaus universiteto Kietojo kūno elektronikos katedroje?

IMG_7621_web

Mindaugas Viliūnas.
Kietojo kūno elektronikos katedroje dirbame su įvairiomis puslaidininkinėmis medžiagomis, daugiausia organiniais puslaidininkiais, amorfiniais ir mikrokristaliniais dariniais. Svarbi šių medžiagų savybė – žymiai mažesnė vidinė tvarka negu kristaliniuose puslaidininkiuose. Tai suteikia šioms medžiagoms iš esmės naujų charakteristikų. Medžiagos su mažesne vidine tvarka nėra svarbiausios puslaidininkinėje elektronikoje, bet jos taikomos saulės energetikoje, vaizdo nuskaitymo ir atkūrimo sistemose, jutikliuose ir kai kuriose kitose srityse.

Kaip suderinti amorfines organines medžiagas, su kuriomis dirbate, ir kietąjį kūną, kuris figūruoja katedros pavadinime?

M. Viliūnas. Organika gali būti nebūtinai minkšta, yra ir pakankamai kieta. Tarkime, perlai. Abejoju, kad kam nors asocijuojasi su minkštu daiktu. Matote, mūsų katedros darbų paskirtis nėra labai griežtai apibrėžiama: čia organika, o štai ten jau ne. Tiesiog dirbame su medžiagomis, puslaidininkiais, tačiau tais, kurie nėra patys populiariausi, bent jau ne tokie kaip kristalinis silicis, ar germanis… Dažniausias mūsų tyrimo objektas yra didžiavaržiai (didelės varžos) puslaidininkiai, t. y. medžiagos, kurių elektrinis laidumas gerokai mažesnis negu įprastinių.

Ar tai našiausias būdas – iš organinių medžiagų gaminti šviestukus ir saulės elementus?

M. Viliūnas. Iš įprastų puslaidininkinių medžiagų gaminami šviestukai, kurių naudingumo koeficientas bus apie 15 proc., o iš organinių medžiagų pagamintų šviestukų kol kas geriausiu atveju pavyksta „išspausti“ kelių procentų naudingumo koeficientą. Pavykus gauti bent 5 proc. jau gali jaustis laimingas.

Tai kas Jus ir kitus tyrinėtojus traukia būtent prie organinių medžiagų?

M. Viliūnas. Jeigu šviestukai daromi iš organinių medžiagų, tai tą medžiagą galima užtepti ant namo sienos ir ji švies. Panašiai ir su saulės elementais. Naudojant organiką galima nudažyti atitinkamais dažais stogą ir turėsime „bateriją“, kurios efektyvumas bus, tarkime, apie 3 proc., bet net ir tai yra mūsų siekiamybė, nes nebrangios medžiagos ir instaliavimo paprastumas atpirks nedidelį efektyvumą. Dabar masiškai parduodamų saulės baterijų efektyvumas, yra apie 15 proc. Tai vartotojui pagal kainą prieinama baterija, optimaliausia statyti, nes galima nusipirkti ir 30 proc. efektyvumo, tik ne kiekvienam pagal kišenę.

Neturėtume pamiršti, kad organinės medžiagos linkusios senti, jų savybės degraduoja, ir tai didelė problema. Deguonies veikiama organika praranda efektyvumą. Deguonis krūvininkų pernašai sudaro kliūčių, o saulės elementams tai didelis trūkumas. Skirtingai nuo organikos kristalinis puslaidininkis daugmaž savo efektyvumą išlaiko, ir tai dar vienas jo pranašumas.

Netvarkių organinių struktūrų privalumas

Ar nenorite pasakyti, kad siekiate galva pramušti sieną? Kodėl mandagiai neatsisveikinus su netvarkiomis medžiagomis ir nesiėmus darbo su kristaliniais puslaidininkiais? Juk patikimesni, ilgalaikiai, didesnio efektyvumo.

M. Viliūnas. Kai kurios šių organinių puslaidininkių savybės labai egzotiškos ir tuo patrauklios. Įprastiniai puslaidininkiniai prietaisai apšviečiami stiprios jonizuojančios spinduliuotės nustoja veikti, gali netgi nepataisomai sugesti. Pvz., Černobylio atominės elektrinės katastrofos padariniams likviduoti bandyta naudoti robotus. Jie turėjo stumti nuo elektrinės stogo radioaktyvias nuolaužas, bet labai greitai visi tie robotai išėjo iš rikiuotės. Kodėl? Radiacijos fonas taip stipriai veikė puslaidininkius, kad jie pasirodė visai neilgalaikiai. Robotai buvo pakeisti žmonėmis, padarinių likvidatoriais…

Kaip paaiškintumėte amorfinių puslaidininkių atsparumą radiacijai?

M. Viliūnas. Amorfiniai puslaidininkiai iš principo yra netvarkūs, t. y. netvarkios vidinės struktūros. Įprasti puslaidininkiai savo kristalinės struktūros dėka yra labai tvarkūs, tačiau bet koks tų kristalų pažeidimas veda prie puslaidininkio savybių degradavimo. Amorfinis puslaidininkis yra betvarkumo pavyzdys, o kiek betvarkę begadintum, ji vis viena lieka betvarkė, todėl jos savybės praktiškai nekinta. Jeigu tų minėtų robotų valdymo blokai būtų sukurti taikant amorfinę elektroniką, daugybei žmonių būtų išsaugotos gyvybės.

 

Optimalios galios valdiklių svarba

Kur visuose čia aptariamuose dalykuose įterptinių sistemų taikymo, gal ir kūrimo vieta?

M. Viliūnas. Visada domėjausi šiuo dalyku. Inžinerinė veikla elektronikoje itin glaudžiai susijusi su įterptinėmis sistemomis, o pastaruoju metu tai itin perspektyvi sritis ir jos reikšmė tik didės. Sunku rasti sritį, kur šios sistemos nebūtų taikomos jau šiandien. Įterptinių sistemų misija  –padaryti kiekvieną prietaisą funkcionalesnį ir efektyvesnį. Kalbant apie mūsų darbą, siekiame sukurti efektyvesnes saulės baterijas. Tarkime, deklaruojamas saulės baterijos efektyvumas yra apie 15 proc. Tai reiškia, kad jei užtikriname optimalią apkrovą, gausime būtent tokį efektyvumą. Bet jei saulės baterija krauna akumuliatorių ar jei ji pajungta prie kokio nors kito energijos vartotojo, priklausomai nuo apšviestumo, baterijos temperatūros ir apkrovos charakteristikų gali būti išgauna tik dalis generuotos energijos. Taip yra todėl, kad maksimali energija išgaunama tik prie tam tikros apkrovos varžos. Taigi reikia prietaiso, išgaunančio maksimalų energijos kiekį ir jį perduodančio vartotojui.

O kad perduotų, reikia užtikrinti optimalią apkrovą?

M. Viliūnas. Teisingai, todėl dabar vis svarbesnis optimalios galios valdiklių (kontrolerių) kūrimas. Reikia tam tikrų įtaisų ar prietaisų, kurie smarkiai padidintų energetinį našumą, nors nieko naujo, atrodytų, ir nepadaro.

Tai čia jau prasideda įterptinių sistemų indėlis?

M. Viliūnas. Taip, įterptinė sistema turi suskaičiuoti visus režimus, „žinoti“, kaip veikia ta saulės baterija ir kokia jai reikalinga apkrova. Iš visos šios turimos informacijos galima parinkti optimalų darbo režimą. Be to, įterptinė sistema gali kaupti duomenis apie generuojamą galią ir saulės baterijos būklę, o jei yra mechaninių galimybių, gali orientuoti saulės bateriją išgauti didžiausią galią.

Apskritai įterptines sistemas galima pritaikyti beveik visur, kur naudojama elektros energija. Tarkime, elektrinis dantų šepetėlis. Jo atskiros detalės sukasi, vibruoja, valo dantis, bet šis įtaisas gali atlikti ir kitokias papildomas funkcijas: matuoti laiką, apkrovą ir pagal šiuos parametrus derinti įtaiso veikimą. Įterptinės sistemos praverčia visose vietose, kur reikia pasukti galvą, kaip optimaliai panaudoti įvairią įrangą, aparatūrą, prietaisus ar įtaisus ir pagal tai reguliuoti darbą. Jeigu norime maksimaliai panaudoti prietaiso ar įtaiso galimybes, stengiamasi į jį įterpti tam tikrą papildomą sistemą, kuri optimaliai ir valdo tą prietaisą.

Gali suteikti ir naujų funkcijų? Pvz., prijungus papildomus įrankius?

M. Viliūnas. Įterptinė sistema yra prietaiso „smegenys“. Gavęs „smegenis“ prietaisas gali įgyti ir papildomų savybių. Aš šiuo atveju daugiau dirbu prie „smegenų“, o ne įrankių. Tačiau ir apie įrankius kūrėjas, inžinierius ar fizikas, turi išmanyti, antraip „smegenys“ darys ne tai, kas reikalinga.

Kalbėjosi Gediminas Zemlickas

Bus tęsinys Nr. 12.