Elektronika 2011-07 I.pdf - Instytut SystemÃ³w Elektronicznych ...

ok LII nr 7/2011 

• MATERIAŁY • KONSTRUKCJE • UKŁADY 

• SYSTEMY • MIKROELEKTRONIKA 

• OPTOELEKTRONIKA • FOTONIKA 

konstrukcje technologie zastosowania 

MIESIECZNIK NAUKOWO-TECHNICZNY 

• ELEKTRONIKA MIKROFALOWA 

• MECHATRONIKA 

• ENERGOELEKTRONIKA • INFORMATYKA 

ZESPÓŁ REDAKCYJNY 

prof. dr hab. inż. Jerzy Klamka – redaktor naczelny 

Bożena Lachowicz – sekretarz redakcji 

Stali współpracownicy: mgr inż. Wiesław Jabłoński, 

mgr inż. Krzysztof Kowalski, mgr inż. Cezary Rudnicki 

Adres redakcji: ul. Chmielna 6 m.6, 00-020 Warszawa, 

tel./fax (022) 827 38 79; tel.: 826 65 64, 

e-mail: elektronika@red.pl.pl, www.elektronika.orf.pl 

Zamówienia na reklamę przyjmuje redakcja lub Dział Reklamy 

i Marketingu, ul. Mazowiecka 12, 00-950 Warszawa, skr. 1004, tel./fax 

(022) 827 43 66, 826 80 16, e-mail: reklama@sigma-not.pl 

Kolportaż: ul. Ku Wiśle 7, 00-716 Warszawa, tel. (022) 840 35 89; 

tel./fax: (022) 840 59 49, (022) 891 13 74 

RADA PROGRAMOWA 

prof. dr hab. inż. Władysław Torbicz (PAN) – przewodniczący 

prof. dr hab. inż. Leonard Bolc, dr hab. inż. Jerzy Czajkowski, prof. 

dr hab. Zdzisław Drozd, prof. dr hab. inż. Andrzej Dziedzic, prof. dr 

hab. inż. Jerzy Frączek, dr hab inż. Krzysztof Górecki, dr inż. Józef 

Gromek, mgr inż. Jan Grzybowski, prof. dr hab. Ryszard Jachowicz, 

prof. dr hab. Włodzimierz Janke, prof. dr hab. Włodzimierz Kalita, 

inż. Stefan Kamiński, prof. dr hab. inż. Marian P. Kaźmierkowski, dr 

inż. Wojciech Kocańda, prof. dr hab. Bogdan Kosmowski, mgr inż. 

Zbigniew Lange, dr inż. Zygmunt Łuczyński, prof. dr hab. inż. Józef 

Modelski, prof. dr hab. Tadeusz Morawski, prof. dr hab. Bohdan Mroziewicz, 

prof. dr hab. Andrzej Napieralski, prof. dr hab. Tadeusz Pałko, 

prof. dr hab. inż. Marian Pasko, prof. dr hab. inż. Ryszard Romaniuk, 

dr hab. inż. Grzegorz Różański, prof. dr hab. inż. Edward Sędek, prof. 

dr hab. Ludwik Spiralski, prof. dr hab. inż. Zdzisław Trzaska, mgr inż. 

Józef Wiechowski, prof. dr hab. inż. Marian Wnuk, prof. dr hab. inż. 

Janusz Zarębski 

Czasopismo dotowane przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa 

Wyższego. Za opublikowane w nim artykuły MNiSzW przyznaje 

9 punktów. 

SIGMA - NOT 

Spółka z o.o. 

00-950 Warszawa 

skrytka pocztowa 1004 

ul. Ratuszowa 11 

tel.: (0-22) 818 09 18, 818 98 32 

fax: (022) 619 21 87 

Internet 

http://www.sigma-not.pl 

Prenumerata 

e-mail: kolportaz@sigma-not.pl 

Informacje 

e-mail: informacja@sigma-not.pl 

“Elektronika” jest wydawana 

przy współpracy Komitetu Elektroniki 

i Telekomunikacji Polskiej Akademii Nauk 

IEEE 

WYDAWNICTWO 

CZASOPISM I KSIĄŻEK 

TECHNICZNYCH 

Redakcja współpracuje 

z Polską Sekcją IEEE 

„Elektronika” jest notowana 

w międzynarodowej bazie IEE 

Inspec 

Publikowane artykuły naukowe były 

recenzowane przez samodzielnych 

pracowników nauki 

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności 

za treść ogłoszeń. Zastrzega 

sobie prawo do skracania i adiustacji 

nadesłanych materiałów. 

Indeks 35722 

Nakład do 2000 egz. 

Skład i druk: Drukarnia SIGMA-NOT Sp. z o.o. 

Spis treści ● Contents 

Parametryzacja sygnałów dla celów e-diagnostyki obiektów 

końcowych sieci energetycznej (Signal parametrization for 

e-diagnosis of power network equipment) – Lisowiec A. . . . . . 15 

Zastosowanie transformacji falkowej do badania rozkładu 

przebiegu czasowego prądu cewki otwierającej wyłącznika 

– badania symulacyjne (Application of wavelet transform 

to trip coil current signal decomposition – simulation research) 

– Brodziński G. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 

Aktywna kontrola w trakcie pracy dwustanowych torów wejściowych 

i wyjściowych urządzeń elektronicznych dla elektroenergetyki 

(Active on-line testing of bistable input and output 

channels of electronic bay controllers) – Kołodziejczyk Z. . . . . . . 23 

Badanie cienkich nanostrukturalnych warstw metodą spektroskopii 

absorpcyjnej (The studies of thin nanostructural films by 

absorption spectroscopy) – Kamińska A., Molenda K. . . . . . . . . 26 

Programowanie filtrów akceptacyjnych i mechanizmy arbitrażu 

w sieci CAN (Programming of acceptance filters and mechanisms 

of arbitration in CAN networks) – Kalinowski A. . . . 30 

Automatyczny prober do precyzyjnych pomiarów właściwości 

elektromagnetycznych materiałów przy częstotliwościach mikrofalowych 

(An automated prober for microwave precise measurements 

of electromagnetic properties of materials at microwave 

frequencies) – Karliński M., Kiełbasiński M., Wójcik J., Zając J. . . . 32 

Platforma sprzętowa dla systemów operacyjnych i aplikacji 

wbudowanych do zastosowań przemysłowych (Hardware 

platform for embedded operating systems and applications for 

use in industry) – Książek L. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 

Analiza powstawania zimnych połączeń lutowanych podzespołów 

BGA w montażu bezołowiowym (Investigation of the 

Head-in-Pillow component soldering defect in lead free soldering) 

– Kozioł G., Stęplewski W., Serzysko T. . . . . . . . . . . . . 38 

Kompozyty polimerowe z nanododatkami do zastosowań 

w elektronice drukowanej (Polymer composites with nanoadditives 

for printed electronics) – Janeczek K., Kozioł G., Jakubowska 

M., Araźna A., Młożniak A., Borecki J., Lipiec K. . . . . . 43 

Cyfrowa regulacja amplitudy sygnału wyjściowego z układu 

cyfrowej syntezy częstotliwości (Digital amplitude control of 

output signal from direct digital synthesis) – Przybysz R. . . . . 47 

Struktura oprogramowania interfejsu graficznego w systemach 

wbudowanych (Structure of the graphical user interface 

software in embedded systems) – Makowiecki K. . . . . . . . . . . 51 

Opracowanie i realizacja modułów programowych w urządzeniach 

EAZ na bazie dedykowanych bibliotek w języku 

XML (Description of software modules in protection relays based 

on XML language libraries) – Suchecki R. . . . . . . . . . . . . . 54 

Wpływ wielokrotnego stosowania roztworu do immersyjnego 

cynowania na przebieg procesu i lutowność osadzanych 

warstw cyny (Influence of repeated exploitation of immersion 

tin bath on tinning process and solderability of tin layers) 

– Araźna A., Bieliński J., Kozioł G., Janeczek K., Lipiec K. . . . 57 

Influence of substrate type on structure of C-Pd thin films 

(Wpływ rodzaju podłoża na strukturę cienkich warstw C-Pd) – 

Kowalska E., Czerwosz E., Kozłowski M., Firek P., Rymarczyk 

J., Radomska J. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 

Quasi wielokrotna wiązka elektronów do spawania z obróbką 

cieplną (Quasi multiple electron beam for welding with thermal 

processing) – Olszewska K., Czopik A., Krawczyk S. . . . . . . 65 

Symulacja naprężeń cieplnych występujących podczas chłodzenia 

retort pomiarowych (Thermal strain simulation in coal 

carbonization device reactor) – Ryciak S., Kiełczewski R., Grotkowski 

Ł. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 

Elektronika 7/2011

Stanowisko do automatycznej kalibracji czujników temperatury 

z piecem dwustrefowym (Temperature sensor automatic 

calibration unit with two heating zones furnace) – Kiełczewski 

R., Grotkowski Ł., Ryciak S. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 

Wpływ jakości powłok na płytce drukowanej na wyniki lutowania 

bezołowiowego (Influence of PCB coatings quality on 

lead-free soldering results) – Bukat K., Sitek J., Kościelski M. 75 

Mikrorobot do lutowania punktowego do zastosowań w automatycznych 

systemach produkcyjnych (Microrobot for point 

soldering for use in automated production systems) – Kiełbasiński 

M., Kopera W., Kozłowski T., Mocny W. . . . . . . . . . . . . . 82 

Zastosowanie systemu automatycznej inspekcji wizyjnej 

dla celów automatyzacji operacji lutowania punktowego 

w produkcyjnych liniach montażowych (Applications of 

automatic visual inspection system for automatisation of point-to-point 

soldering operation in production assembly lines) 

– Biernacki K., Karliński M., Kornacki W. . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 

Wpływ procesów rozwijania powierzchni miedzi na wielkość 

zmian rezystancji rezystora cienkowarstwowego formowanego 

z folii NiP (The influence of copper surface modification 

processes on changes of resistance of resistors made using 

thin NiP-foil) – Lipiec K., Araźna A., Borecki J., Futera K. . . . . 88 

Próby zastosowania systemu eksperckiego w automatycznej 

analizie pracy wyłącznika (Attempts of utilizing expert system 

techniques in automated analysis of circuit breaker operation) 

– Chrzaniuk H., Zybert P. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 

Wpływ wygrzewania na jakość warstw SiO 2 

wytwarzanych na 

podłożach 4H-SiC metodą utleniania termicznego (Influence 

of post annealing process on quality of thermally oxide on 

4H-SiC) – Król K., Kalisz K., Sochacki M., Szmidt J. . . . . . . . . 93 

Prognozowanie końcowej wartości współczynnika reakcyjności 

koksu w trakcie trwania pomiaru (The prediction of final 

value of coke reactivity index during the measurement execution) 

– Witowski A., Jasek K., Latocha W. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 

Montaż mieszany wielowyprowadzeniowych struktur półprzewodnikowych 

z kontaktami sferycznymi ukrytymi pod 

obudową (Assembly process of multi-lead semiconductor 

structures with hidden leads under the package) – Borecki J., 

Lipiec K., Futera K., Araźna A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 

Analiza systemu nastaw algorytmów w mikroprocesorowym 

urządzeniu kontrolno-sterującym (Analyze of algorithms set 

system in power system protection device) – Makowiecki K. 105 

Algorytmy akwizycji danych w e-diagnostyce sieci rozdzielczych 

(Data acquisition algorithms in power distribution networks 

e-diagnosis) – Sapuła Ł. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 

Układ sterowania stanowiska do monokrystalizacji SiC 

jako element systemu CIM ( Control unit of system for SiC 

crystal growth as element of CIM system) – Czerwiński M., 

Orzyłowski M. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 

Stanowisko do precyzyjnej korekcji cienko- i grubowarstwowych 

elementów rezystancyjnych (The stand for precise 

trimming of thin and thick resistive elements) – Serzysko T., 

Futera K., Kozioł G., Stęplewski W., Araźna A. . . . . . . . . . . . . . 114 

Metoda pomiarów i analizy wyników badań emisji polowej 

z nanokompozytowych warstw Ni-C (Method of measurement 

and analysis of field emissions results for nanocomposite 

films Ni-C) – Czerwosz E., Krawczyk S., Wronka H. . . . . . . . . . 118 

Morfologia linii nanoszonych metodą druku strumieniowego 

i wpływ temperatury na jakość wzorów (Inkjet printed 

lines morphology and influence of temperature on prints quality) 

– Futera K., Kozioł G., Janeczek K., Serzysko T., Stęplewski 

W. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 

Testowanie parametrów elektrycznych rezystorów cienkowarstwowych 

wbudowanych w płytki obwodów drukowanych 

(Testing of electrical parameters of thin-film resistors embedded 

in printed circuit boards) – Stęplewski W., Serzysko T., Janeczek 

K., Borecki J., Dziedzic A., Nitsch K., Piasecki T. . . . . . . . . . . . . 124 

Obwody drukowane z technologią via in pad (Via in pad technology 

in printed circuit boards) – Klej T., Borowiecka K. . . . . 128 

Przetwarzanie sygnału z wielokanałowych detektorów piroelektrycznych 

(Processing of signal from multichannel 

pyroelectric detectors) – Jasek K., Puton J., Mazurek B., 

Juszczuk R. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 

Konstrukcja detektora rekombinacyjnego do dozymetrii promieniowania 

reaktorowego (A recombination detector design 

for reactor radiation dosimetry) – Tulik P., Krzemiński Ł. . . . . 135 

Badanie wpływu wygrzewania obudowy i wibratora kwarcowego 

w procesie zamykania wysokostabilnych rezonatorów 

na wyniki długoterminowej stałości częstotliwości 

rezonatorów (Examination of the impact of warming up the 

casing and the quartz vibrator in the process of closing highstable 

resonators to results of the long-term stability of the frequency 

of resonators) – Nafalski L., Angielczyk P. . . . . . . . . . 138 

Wybrane problemy analizy kształtu próbki w urządzeniu do 

wyznaczania punktów charakterystycznych przemian fazowych 

(Some problems of sample shape analysis using the 

analyzer for determination of characteristic temperatures of solid 

fuels phase transitions) – Małkiński W., Zając J., Karliński 

M., Wójcik J. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 

Badania trójkomorowego termostatu do ultrastabilnych generatorów 

kwarcowych (Investigation of three-chambered thermostat 

to ultrastabilnych of quartz generators) – Nafalski L. . . . 146 

Projektowanie cewek Rogowskiego w technologii obwodów 

drukowanych (Designing PCB based Rogowski coils) – Kowalski 

G.: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 

Modification of polyimide surface with the use of atmospheric 

pressure cold plasma method (Modyfikacja powierzchni 

poliimidowych z wykorzystaniem metody zimnej plazmy generowanej 

pod ciśnieniem atmosferycznym) – Kalczewska M., 

Opalińska T. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 

Numeryczne modelowanie ultraszybkich elektrotermicznych 

procesów grzejnych (Numerical modeling of ultrarapid 

electrothermal heating processes) – Wesołowski M., Wolf-Łysiak 

D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 

Wybrane zagadnienia diagnozowania urządzenia wyposażonego 

w standard IEC 61850 (Some problems of diagnosing 

the device equipped with IEC 61850 standard) – Wach K. . . 161 

Ocena wyników badań kompatybilności elektromagnetycznej 

(Evaluation of electromagnetic compatibility test results) 

– Kuciński S. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 

Wymagania dla urządzeń automatyki zabezpieczeniowej sieci 

elektroenergetycznych w świetle nowych norm (Power 

system protection equipment requirements in the scope of new 

standards) – Gliński K. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 

Ograniczanie emisji zanieczyszczeń z zakładu branży elektronicznej 

(Reduction of pollution emissions from an electronics 

plant) – Lenik J. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 

TECHNIKA SENSOROWA: Korelacyjne analizatory ditlenku 

azotu i metanu w oparciu o filtr interferencyjno-polaryzacyjny 

(CIPS) (Correlative analyzers of nitrogene dioxide 

and methane based on interference-polarization filter (CIPS)) 

– Kwaśny Z., Mierczyk Z., Mierczyk J., Kałdoński G. . . . . . . . 173 

TECHNIKA MIKROFALOWA I RADIOLOKACJA: Bioradar do detekcji 

rytmu serca i oddechu – wybrane problemy przetwarzania 

sygnałów (Bioradar for cardiopulmonary activity detection 

– chosen issue of signal processing) – Łuszczyk M. . . . . . . 177 

TECHNIKI INFORMATYCZNE: Techniki biometryczne – oceny 

i kierunki rozwoju (Biometric technologies – outlooks and 

trends in development) – Plucińska M., Ryżko J. . . . . . . . . . . 182 

Mikrokontrolery PIC w zastosowaniach badawczych. Część 7: 

Moduł USART. Komunikacja z komputerem PC w standardzie 

RS232. Wizualizacja sygnału w przestrzeni 3D (Using 

PIC Microcontrollers in research applications. Part 7: USART 

Module. RS232 Serial Communication. 3D Signal Visualization) 

– Borkowski P. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 

Zastosowanie technologii SSL LED w systemach oświetleniowych 

dla potrzeb muzeów i galerii sztuki (The use of SSL 

LED technology in lighting systems for museums and art galleries) 

– Grzesiak W., Żupnik M., Porada Z. . . . . . . . . . . . . . . . . 190 

Fotonika i Inżynieria Sieci Internet 2011 (Photonics and Web 

Engineering) – Romaniuk R. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 

Analiza transmisji optycznej półprzewodnikowych warstw 

NiO osadzanych metodą magnetronowego rozpylania katodowego 

(Optical transmittance analysis of semiconducting 

NiO films deposited by magnetron sputtering) – Grochowski J., 

Guziewicz M., Borysiewicz M. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 

 


Streszczenia artykułów ● Summaries of the articles 

LISOWIEC A.: Parametryzacja sygnałów dla celów e-diagnostyki 

obiektów końcowych sieci energetycznej 

Elektronika (LII), nr 7/2011, s. 15 

W artykule przedstawiono metody parametryzacji sygnałów elektrycznych 

związanych z wyłącznikiem średnich napięć dla celów diagnostyki wyłącznika 

w trakcie jego normalnej pracy. Szczególną uwagę poświęcono metodom 

obliczania widma sygnałów napięć i prądów fazowych. Omówiono 

metodę detekcji i dokładnego wyznaczania składowych anharmonicznych 

w sygnałach napięciowych. 

Słowa kluczowe: wyłącznik średniego napięcia, analiza Fouriera 

LISOWIEC A.: Signal parametrization for e-diagnosis of power network 

equipment 

Elektronika (LII), no 7/2011, p. 15 

In the paper methods of the parametrization of medium voltage circuit 

breaker signals for the purpose of on-line diagnosis have been presented. 

Particular stress has been laid on the methods of phase and current signals 

spectrum estimation. The method of detection and parameters estimation 

of anharmonic signals has been described. 

Keywords: medium voltage circuit breaker, Fourier analysis 

BRODZIŃSKI G.: Zastosowanie transformacji falkowej do badania 

rozkładu przebiegu czasowego prądu cewki otwierającej wyłącznika 

– badania symulacyjne 


W artykule przedstawiono zarys transformacji falkowej i jej praktyczną 

implementację w zastosowaniu do rozkładu na składowe falkowe przebiegu 

czasowego prądu cewki otwierającej wyłącznika. We wstępie opisano 

przejście od ciągłej (CWT) do dyskretnej diadycznej (DDWT) transformacji 

falkowej wraz z jej praktyczną realizacją – algorytmem Mallata. Następnie 

w części dotyczącej badań symulacyjnych opisano operację splotu 

dyskretnego liniowego, procesu decymacji oraz poddano rozkładom falkowym 

wybrane zamodelowane przebiegi czasowe prądów cewki otwierającej 

wyłącznika. 

Słowa kluczowe: transformacja falkowa, algorytm Mallata, prąd cewki 

otwierającej 

KOŁODZIEJCZYK Z.: Aktywna kontrola w trakcie pracy dwustanowych 

torów wejściowych i wyjściowych urządzeń elektronicznych 

dla elektroenergetyki 


W artykule opisano koncepcję testowania wejść i wyjść dwustanowych 

urządzeń elektronicznych przeznaczonych dla elektroenergetyki. Cechą 

charakterystyczną przedstawionej metody jest możliwość prowadzenia 

testów w trakcie normalnej eksploatacji urządzeń. 

Słowa kluczowe: wejście dwustanowe, wyjście stykowe, testowanie 

KAMIŃSKA A., MOLENDA K.: Badanie cienkich nanostrukturalnych 

warstw metodą spektroskopii absorpcyjnej 


W pracy przedstawiono możliwości zastosowań spektroskopii FTIR (Fourier 

Transform Infrared Spectroscopy) i UV-VIS (Ultraviolet-Visible Spectroscopy) 

do badań cienkich warstw nanostrukturalnych na bazie węgla 

i metalu (C-M e 

). Techniki te służą do określania struktury molekularnej badanego 

materiału i poznania oddziaływań między cząsteczkami. Analiza 

widm FTIR oraz UV-VIS pozwala określić zawartość prekursorów warstw 

(octan M e 

i fulleren C 60 

), które w procesie syntezy nanostruktur C-M e 

(PVD 

– Physical Vapor Deposition) nie uległy całkowitemu rozkładowi. Badania 

te pozwalają na korelację parametrów technologicznych procesu PVD ze 

strukturą otrzymywanych warstw. 

Słowa kluczowe: spektroskopia FTIR, spektrofotometria UV-VIS, cienkie 

warstwy nanostrukturalne 

KALINOWSKI A.: Programowanie filtrów akceptacyjnych i mechanizmy 

arbitrażu w sieci CAN 


W artykule opisano właściwości sieci CAN: filtrowanie akceptacyjne i arbitraż. 

Słowa kluczowe: sieć CAN, filtrowanie akceptacyjne, arbitraż 

BRODZIŃSKI G.: Application of wavelet transform to trip coil current 

signal decomposition – simulation research 


In this paper there is presented draft of wavelet transform and her practical 

implementation to decomposition on wavelet components of trip coil current 

signal. In introduction described conversion between continuous wavelet 

transform (CWT) and her discrete version (DDWT) together practical 

realization – Mallat algorithm. In the next part described discrete convolution, 

decimation process and realized wavelet decomposition selected trip 

coil current signals. 

Keywords: wavelet transform, Mallat algorithm, trip coil current 

KOŁODZIEJCZYK Z.: Active on-line testing of bistable input and output 

channels of electronic bay controllers 


A concept of testing bistable input and output channels of electronic bay 

controllers has been presented. Characteristic feature of this method is 

that it may be used on-line. 

Keywords: bistable input, contact output, testing 

KAMIŃSKA A., MOLENDA K.: The studies of thin nanostructural films 

by absorption spectroscopy 


The paper presents the possibility of using FTIR and UV-VIS spectroscopy 

to study the nanostructural thin films basing on carbon and metal (C-M e 

). 

These techniques are used to determine the molecular structure of the investigated 

material. Analysis of FTIR and UV-VIS spectra allows to specify 

the content of films’ precursors (metal acetate and fullerene), which did 

not decompose completely during the deposition process (PVD- Physical 

Vapor Deposition). It enables to determine the influence of technological 

parameters of the PVD process on the structure of obtained films. 

Keywords: FTIR spectroscopy, spectrophotometry UV-VIS, nanostructural 

thin films 

KALINOWSKI A.: Programming of acceptance filters and mechanisms 

of arbitration in CAN networks 


The article is an CAN network funktionality: acceptance filtering and arbitration. 

Keywords: CAN network, acceptance filtering, arbitration 

KARLIŃSKI M., KIEŁBASIŃSKI M., WÓJCIK J., ZAJĄC J.: Automatyczny 

prober do precyzyjnych pomiarów właściwości elektromagnetycznych 

materiałów przy częstotliwościach mikrofalowych 


W pracy omówiono budowę i zastosowania specjalizowanego probera do 

pomiarów rezystywności i przenikalności dielektrycznej. Prober pozwala 

na bezkontaktowe pomiary i mapowanie rezystywności płytek półprzewodnikowych. 

Zastosowana metoda mikrofalowa umożliwia uzyskanie niskiej 

niepewności pomiarowej w szerokim zakresie mierzonych rezystywności. 

Może być używana w pomiarach grafenu oraz półprzewodników różnych 

rodzajów, z węglikiem krzemu włącznie. 

Słowa kluczowe: Pomiary mikrofalowe, rezonatory mikrofalowe, rezystywność, 

sterowniki przemysłowe, pomiary półprzewodników 

KARLIŃSKI M., KIEŁBASIŃSKI M., WÓJCIK J., ZAJĄC J.: An automated 

prober for microwave precise measurements of electromagnetic 

properties of materials at microwave frequencies 


The paper describes design and applications of a specialized prober for 

measurements of resistivity and dielectric permeability. The prober enables 

contactless measurements and mapping of semiconductor wafers 

resistivity. Application of microwave method makes possible to obtain low 

measurement uncertainty at wide range of measured resistivity. It could be 

used for measurements of graphene and SiC semiconductors. 

Keywords: Microwave measurement, microwave resonators, resistivity, 

industrial controllers, semiconductor measurements 



KSIĄŻEK L.: Platforma sprzętowa dla systemów operacyjnych i aplikacji 

wbudowanych do zastosowań przemysłowych 


W artykule przedstawiono wybrane zagadnienia dotyczące budowy mikroprocesorowych 

platform sprzętowych pozwalających na uruchamianie 

wbudowanych systemów operacyjnych i aplikacji użytkowych. Omówiono 

minimalne wymagania sprzętowe niezbędne przy uruchamianiu takich 

systemów oraz specyfikę ich pracy w warunkach przemysłowych. Przedstawiono 

praktyczne rozwiązanie platformy sprzętowej przeznaczonej do 

implementacji standardu komunikacyjnego IEC 61850 w urządzeniach zabezpieczeniowych 

dla energetyki. 

Słowa kluczowe: platforma sprzętowa, system wbudowany, transmisja 

danych 

KOZIOŁ G., STĘPLEWSKI W., SERZYSKO T.: Analiza powstawania 

zimnych połączeń lutowanych podzespołów BGA w montażu bezołowiowym 


Stosowanie past bezołowiowych w montażu powierzchniowym podzespołów 

w wielowyprowadzeniowych obudowach typu BGA (Ball-Grid Array) i CSP 

(Chip Scale Package) z kontaktami sferycznymi ukrytymi pod obudową powoduje, 

że niektóre wady połączeń sferycznych maja charakter dominujący. 

Jedną z takich wad jest powstawanie zimnych połączeń (ang. Head-in pillow), 

tzn połączeń, które się składają z dwóch sferycznych części. Niejednokrotnie 

wady tej nie można stwierdzić bezpośrednio po procesie montażu, gdyż obie 

części są połączone na tyle, że wykazują ciągłość elektryczną. Takie połączenie 

ma bardzo małą odporność na narażenia mechaniczne lub temperaturowe. 

W artykule są przedstawione wyniki badań przyczyn powstawania tej 

wady na przykładzie podzespołu BGA676T1.0 oraz metody jej eliminacji. 

Słowa kluczowe: zimne połączenia lutowane, BGA, profil lutowania, odkształcenie 

podzespołu 

JANECZEK K., KOZIOŁ G., JAKUBOWSKA M., ARAŹNA A., MŁOŻ- 

NIAK A., BORECKI J., LIPIEC K.: Kompozyty polimerowe z nanododatkami 

do zastosowań w elektronice drukowanej 


Dynamiczny rozwój elektroniki drukowanej wymaga opracowywania nowych 

lub ulepszonych materiałów i technik nanoszenia warstw, służących 

do wytwarzania elementów elektronicznych na elastycznych podłożach. 

Techniki druku, takie jak: sitodruk, charakteryzują się niskim kosztem, powtarzalnością 

oraz mogą być zastosowane do produkcji masowej. 

W trakcie przeprowadzonych badań opracowano dwie pasty do wytwarzania 

elementów elektronicznych technika sitodruku. Jako materiał 

podłożowy zastosowano folię poliimidową Kapton HN 500. W pastach 

zastosowano nanoproszek srebra oraz polimer przewodzący poli(3,4-etyleno-1,4-dioksytiofen): 

polistyren sulfonianu (PEDOT:PSS) z nanowłóknami 

węglowymi. Opracowane pasty oceniano pod względem jakości nadruku 

oraz struktury powierzchni warstw. Wykonano pomiary parametrów 

elektrycznych nadrukowanych ścieżek oraz testy aplikacyjne opracowanych 

past. 

Słowa kluczowe: elektronika drukowana, nanoproszek srebra, nanowłókna 

węglowe, sitodruk 

KSIĄŻEK L.: Hardware platform for embedded operating systems 

and applications for use in industry 


In the article selected problems concerning the construction of microprocessor 

hardware platforms for embedded operating systems and user applications 

have been presented. Minimal hardware requirements of such 

systems and the specificity of their work under industrial conditions have 

been discussed. The solution of the hardware platform designed for the 

implementation of the IEC 61850 communication standard in electrical 

protection units has been showed. 

Keywords: hardware platform, embedded system, data transmission 

KOZIOŁ G., STĘPLEWSKI W., SERZYSKO T.: Investigation of the 

Head-in-Pillow component soldering defect in lead free soldering 


The growing use of lead-free surface mount soldering, ultra-fine pitch and 

area-array devices in electronics manufacturing create new type of defects, 

such as HiP (head-in-pillow). The head-on-pillow soldering defect 

occurs as a result of the incomplete merging of the BGA/CSP component 

sphere and the molten solder paste during reflow. This defect was observed 

during realization of our research, mainly in solder joints of BGA676 

components. To prevent and reduce the head-on-pillow defects as well as 

understand and address this issue a series of experiments were done. 

Keywords: Head-in-Pillow, reflow profile, warpage 

JANECZEK K., KOZIOŁ G., JAKUBOWSKA M., ARAŹNA A., MŁOŻ- 

NIAK A., BORECKI J., LIPIEC K.: Polymer composites with nanoadditives 

for printed electronics 


Rapid development of printed electronics requires new or improved materials 

and technologies for producing electronic components on flexible 

substrates. Printing techniques such as screen printing characterize with 

low-cost, repeatability and can be used for high throughput production. 

During performed investigation two pastes designed for printed electronics 

were elaborated. Polyimide foil Kapton HN500 was used as a substrate 

material. The first paste contained silver nanopowder as a filler whereas 

the second one was based on the PEDOT:PSS [poly(3, 4-etylene-1,4-dioxytiophen): 

poly(styrenesulfonate)] and carbon nanofibres. Elaborated pastes 

were evaluated regarding to printing quality and layer surface profile. 

Their electrical parameters were also measured and application tests of 

elaborated pastes were carried out. 

Keywords: printed electronics, silver nanopowder, carbon nanofibres, 

screen printing 

PRZYBYSZ R.: Cyfrowa regulacja amplitudy sygnału wyjściowego 

z układu cyfrowej syntezy częstotliwości 


W artykule przedstawiono porównanie trzech metod regulacji amplitudy 

sygnału wyjściowego z układu cyfrowej syntezy częstotliwości: potencjometrycznej, 

z mnożeniem za pomocą przetwornika DAC oraz referencyjnej. 

Opisano główne właściwości oraz zalety i wady tych metod. 

Słowa kluczowe: DDS, regulacja amplitudy, mnożący przetwornik DAC 

PRZYBYSZ R.: Digital amplitude control of output signal from direct 

digital synthesis 


In the article the comparison of the following three methods of the DDS 

output signal amplitude control has been presented: potentiometric, multiplying 

DAC, and reference. The main features, advantages, and disadvantages 

of these methods have been presented. 

Key words: DDS, amplitude regulation, multiplying DAC 

MAKOWIECKI K.: Struktura oprogramowania interfejsu graficznego 

w systemach wbudowanych 


W artykule zaprezentowana została struktura oprogramowania interfejsu 

graficznego, którą stworzono dla potrzeb urządzenia typu EAZ Mupasz 

101. Obejmuje ona wszystkie podstawowe funkcjonalności wymagane od 

tego typu urządzeń mikroprocesorowych, związane z interakcją użytkownika 

z systemem tj. wyświetlaniem struktury menu, wprowadzaniem i wyświetlaniem 

różnorakich danych oraz obsługą klawiatury. Zapoznanie się 

ze sposobem realizacji tego interfejsu poszerzy wiedzę czytelnika na temat 

konstruowania interfejsów graficznych w systemach wbudowanych. 

Słowa kluczowe: systemy wbudowane, HMI 

MAKOWIECKI K.: Structure of the graphical user interface software 

in embedded systems 


Article presents software structure of the graphical interface, which was 

created for power system protection device Mupasz 101. It covers all the 

basic functionality required from this type of microprocessor devices. They 

are associated with interactions between user and the system, that is viewing 

the menu structure, launching and displaying a variety of data and 

handling the keyboard. Study of this system implementation will expand 

the reader’s knowledge about building user interfaces in embedded systems. 

Keywords: embedded systems, HMI 

 



SUCHECKI R.: Opracowanie i realizacja modułów programowych 

w urządzeniach EAZ na bazie dedykowanych bibliotek w języku XML 


Przedmiotem pracy jest opis modułów programowych do mikroprocesorowego 

urządzenia zabezpieczeniowego EAZ przeznaczonego do pracy 

w rozdzielnicach SN. Do podstawowych cech urządzenia mikroprocesorowego 

należy integracja funkcji pomiarów, zabezpieczeń, sterowania 

i rejestracji zdarzeń. Urządzenie można konfigurować przy pomocy programu 

narzędziowego DELFiN, korzystając ze złącza typu USB. Język 

XML wykorzystano do tworzenia bibliotek bloków funkcyjnych, używanych 

następnie przez oprogramowanie narzędziowe. W pracy przedstawiona 

jest realizacja prostych modułów programowych oraz struktura i realizacja 

przykładowych dedykowanych modułów bibliotecznych. 

Słowa kluczowe: mikroprocesorowe urządzenie zabezpieczeniowe, moduły 

programowe w urządzeniu zabezpieczeniowym, biblioteki programowe 

w języku XML 

SUCHECKI R.: Description of software modules in protection relays 

based on XML language libraries 


The aim of the study is description of the software modules in microprocessor 

protection relay EAZ. The main characteristic feature of this microprocessor 

relay is integration of measurements, protections, automatics and 

events. The device is configured using the DELFiN system and USB port. 

The XML language is used in implementation of function blocks, which are 

used in program tools. The realization of simple software modules and 

library modules is presented in this paper. 

Keywords: microprocessor based protection relay, software modules 

in protection relay, software libraries in XML language 

ARAŹNA A., BIELIŃSKI J., KOZIOŁ G., JANECZEK K., LIPIEC K.: 

Wpływ wielokrotnego stosowania roztworu do immersyjnego cynowania 

na przebieg procesu i lutowność osadzanych warstw cyny 


W pracy badano wpływ nagromadzenia się jonów miedzi(I), cyny(IV) i wielokrotnego 

wykorzystania roztworu na szybkość procesu immersyjnego 

cynowania i wybrane właściwości warstw cyny. Wykonywano osadzania 

warstw cyny z roztworów z dodatkami jonów miedzi(I) lub cyny(IV) oraz 

wielokrotne osadzanie warstw z tego samego roztworu. Grubość warstw 

określano stosując metodę kulometryczną pomiaru grubości. Lutowność 

warstw cyny w stanie dostawy i po zastosowaniu ich przyśpieszonego starzenia 

oceniano za pomocą metody meniskograficznej. Metodę woltamperometrii 

cyklicznej stosowano w badaniach wpływ dodatku jonów miedzi(I) 

lub cyny(IV) na zmiany zachodzące w roztworach chlorkowych przy ich 

wielokrotnym wykorzystaniu. Stwierdzono, że dodatek jonów miedzi(I) do 

roztworu chlorkowego przyśpieszał roztwarzanie się elektrody miedzianej 

zanurzonej w tym roztworze oraz że ze wzrostem stężenia jonów miedzi(I) 

w roztworze do cynowania malała grubość osadzanych warstw cyny. Dodatek 

jonów cyny(IV) do roztworu chlorkowego nie wpływał na szybkość 

roztwarzania się w nim elektrody miedzianej. Natomiast ze zwiększeniem 

stężenia jonów cyny(IV) w roztworze do cynowania mała grubość osadzanych 

warstw Sn. Grubość warstw Sn malała również w każdym kolejnym 

osadzaniu warstwy z tego samego roztworu. Warstwy Sn badane w stanie 

dostawy miały bardzo dobrą lub dobrą lutowność niezależnie od grubości. 

Natomiast po starzeniu wszystkie badane warstwy miały złą lutowność. 

Słowa kluczowe: cyna immersyjna, woltamperometria, lutowność 

ARAŹNA A., BIELIŃSKI J., KOZIOŁ G., JANECZEK K., LIPIEC K.: Influence 

of repeated exploitation of immersion tin bath on tinning process 

and solderability of tin layers 


In this work the influence accumulation of copper(I) and tin(IV) ions in solution 

as well as repeated use of solution on immersion process and selected 

properties of tin layer were investigation. Deposition of tin layers from 

solutions contain addition of copper(I) or tin(IV) ions as well as repeated 

deposition of tin layers from the same solution were made. The coulometry 

method was used to determine thickness of tin layers. For solderability 

measurement of Sn layers the wetting balance method was used. The Sn 

coatings were investigated as received and after ageing (4 h at 155ºC- it 

represents storage over 12 month). Cyclic voltammetry was used to determine 

influence of copper(I) and tin(IV) ions on change in hydrochloric 

acid solutions during them repeated used. It was found that copper(I) ions 

in hydrochloric acid solution speed up dissolution of copper electrode. 

Thickness of tin layers decreased when concentration of copper(I) ions 

in solution grow up. It was found also that tin(IV) ions in solution didn’t 

influenced on dissolution of copper electrode in hydrochloric acid solution. 

However, thickness of tin layers decreased when concentration of tin(IV) 

ions in solution increased. Thickness of tin layer decreased also during 

repeatedly deposition of Sn layer from one solution. All investigated tin 

coatings as received had very good or good solderability irrespective of 

their thickness. However, after ageing all investigated layers had bad or 

very bad solderability. 

Keywords: immersion tin, voltammetry, solderability 

KOWALSKA E., CZERWOSZ E., KOZŁOWSKI M., FIREK P., RYMAR- 

CZYK J., RADOMSKA J.: Wpływ rodzaju podłoża na strukturę cienkich 

warstw C-Pd 


Warstwy C-Pd zostały wytworzone metodą dwustopniową PVD/CVD 

((Physical Vapor Deposition/Chemical Vapor Deposition). Przeprowadzono 

badania nanoziaren Pd i struktury matrycy węglowej. Warstwy osadzano 

na wielu rodzajach podłoży o zróżnicowanej powierzchni właściwej. Jako 

podłoża o gładkiej powierzchni zastosowano płytki Si i Si pokryte warstwą 

DLC (Diamond Like Carbon), zaś płytki Al 2 

O 3 

i membrany AAO (Anodic 

Aluminium Oxide) użyto jako podłoża o powierzchni chropowatej. W pracy 

zaprezentowano wyniki badań SEM (Scanning Electron Microscopy) 

i AFM (Atomic Force Microscopy) warstw C-Pd otrzymanych na różnych 

podłożach. Pokazano, że powierzchnia właściwa podłoży wpływa na topografię, 

morfologię i nanostrukturę warstw C-Pd osadzanych na nich. 

Słowa kluczowe: warstwy węglowo-palladowe, metoda PVD/CVD, płytki 

Si, warstwy DLC, membrany ceramiczne 

KOWALSKA E., CZERWOSZ E., KOZŁOWSKI M., FIREK P., RYMAR- 

CZYK J., RADOMSKA J.: Influence of substrate type on structure of 

C-Pd thin films 


C-Pd films were obtained by a two steps’ PVD/CVD method (Physical Vapor 

Deposition/Chemical Vapor Deposition). Investigations of Pd nanograins 

and carbon matrix structure were performed. The films were formed on 

many types of substrates with various specific surface area (SSA). Pure Si 

wafers and Si wafers covered with DLC (Diamond Like Carbon) layer were 

used as substrates with a smooth surface, whereas Al 2 

O 3 

plates and AAO 

(Anodic Aluminium Oxide) membranes with pores of about 200 nm, were 

applied as substrates with a rough surface. The results of SEM (Scanning 

Electron Microscopy) and AFM (Atomic Force Microscopy) investigations 

of C-Pd films obtained on various substrates are presented. It is shown 

that SSA of substrates influences on topography, morphology and nanostructure 

of C-Pd films deposited on them. 

Keywords: carbonaceous-palladium films, PVD/CVD method, Si wafers, 

DLC layer, ceramic membranes 

OLSZEWSKA K., CZOPIK A., KRAWCZYK S.: Quasi wielokrotna wiązka 

elektronów do spawania z obróbką cieplną 


W artykule przedstawiono jedną z możliwości wykorzystania quasi wielokrotnej 

wiązki elektronów w procesie spawania – obróbką cieplną. Pokazano 

sposób odchylania wiązki w czasie tej operacji oraz przedstawiono 

narzędzie ułatwiające projektowanie schematów czasowo-przestrzennych 

a także wpływ takiego schematu na uzyskaną spoinę. 

Słowa kluczowe: quasi wielokrotna wiązka elektronów, spawanie elektronowe, 

obróbka cieplna 

OLSZEWSKA K., CZOPIK A., KRAWCZYK S.: Quasi multiple electron 

beam for welding with thermal processing 


Thermal processing – one of possibilities of quasi multiple EB using in 

EB welding process is presented in the paper. The way of EB deflection 

during this operation was shown and the tool which facilitates time-space 

patterns designing as well as the impact of these patterns on welds is 

described. 

Keywords: quasi multiple electron beam, EB welding, thermal processing 



RYCIAK S., KIEŁCZEWSKI R., GROTKOWSKI Ł.: Symulacja naprężeń 

cieplnych występujących podczas chłodzenia retort pomiarowych 


W artykule opisano proces symulacji naprężeń cieplnych i odkształceń, 

którym ulega retorta pomiarowa w jednym z urządzeń konstruowanych 

przez Instytut Tele- i Radiotechniczny. Przedstawiono porównanie wyników 

otrzymanych za pomocą różnych metod symulacyjnych oraz ich zastosowanie 

i wpływ na konstrukcję urządzenia. 

Słowa kluczowe: modelowanie, symulacja, naprężenia, karbonizacja węgla, 

retorta 

RYCIAK S., KIEŁCZEWSKI R., GROTKOWSKI Ł.: Thermal strain simulation 

in coal carbonization device reactor 


The document describes simulation of thermal strains and deformation 

which occures in process reactor. Presented comparison shows results 

obtained with different simulation methods and it’s application in construction 

of actual device. 

Keywords: modeling, simulation, thermal strain, coal carbonization, reactor 

KIEŁCZEWSKI R., GROTKOWSKI Ł., RYCIAK S.: Stanowisko do automatycznej 

kalibracji czujników temperatury z piecem dwustrefowym 


Dotychczasowe rozwiązanie stanowiska kalibracji użytkowych czujników 

temperatury oferowane przez ITR umożliwiało kalibrację czujników termoelementowych 

i oporowych o długościach powyżej 500 mm w zakresie 

temperatur 200…1300 o C, ze względu na zastosowanie jednostrefowego 

pieca elektrycznego. Zmodernizowane urządzenie oparto na piecu dwustrefowym, 

co umożliwiło kalibrację czujników o długości od 300 mm w tym 

zakresie. Ponadto zastosowanie nowych rozwiązań w zakresie sterowania 

i pomiarów temperatury znacznie poprawiło walory użytkowe stanowiska. 

Słowa kluczowe: kalibracja, czujnik temperatury, multimetr cyfrowy, piec 

dwustrefowy 

KIEŁCZEWSKI R., GROTKOWSKI Ł., RYCIAK S.: Temperature sensor 

automatic calibration unit with two heating zones furnace 


Previous temperature sensor automatic kalibration unit version was capable 

of handling 500 mm or longer sensors, in temperature range of 

200…1300 o C, due to it’s furnace one heating zone construction. Two 

heating zone furnace let the sensor minimal lenght decrease to 300 mm. 

Furthermore, introducing new control and data aqusition system, made 

apparatus more user friendly. 

Keywords: calibration, temperature sensor, digital multimeter, two heating 

zones furnace 

BUKAT K., SITEK J., KOŚCIELSKI M.: Wpływ jakości powłok na płytce 

drukowanej na wyniki lutowania bezołowiowego 


W artykule zostały przedstawione wyniki badań dwóch powłok na pd: 

Ni/Au oraz Ag imm 

oraz ich wpływ na jakość lutowania bezołowiowego wybranego 

zespołu do nadzoru i kontroli. Badania przeprowadzono metodą 

planowania eksperymentów Taguchie’go. Przed montażem sprawdzono 

grubość oraz lutowność powłok na płytkach drukowanych. Po procesie 

lutowania rozpływowego, z użyciem bezołowiowej pasty SnAgCu (SAC 

305), zbadano grubość i rodzaj powstałych związków międzymetalicznych 

metodami SEM i EDX. Lutowanie, z użyciem podzespołów w wykonaniu 

bezołowiowym, przeprowadzono rozpływowo pastą SnAgCu (SAC 305), 

a ręczne lutowanie uzupełniające wykonano drutami SAC i SnCu1. Powstałe 

wady lutownicze zbadano metodami wizualną, rentgenowską 

i mikroskopową. Ocenę wpływu jakości zastosowanej powłoki finalnej na 

płytkach drukowanych na jakość powstałych połączeń lutowanych zespołu 

do nadzoru i kontroli przeprowadzono z wykorzystaniem analizy wariancji 

(ANOVA). Stwierdzono, że jakość powłoki na pd, mierzona jej lutownością, 

ma bezpośredni wpływ, na jakość wyników lutowania bezołowiowego. 

Słowa kluczowe: powłoka na płytce drukowanej, lutowanie bezołowiowe 

BUKAT K., SITEK J., KOŚCIELSKI M.: Influence of PCB coatings quality 

on lead-free soldering results 


Investigation results of two PCBs coatings: Ni/Au and Ag imm 

are presented 

in the article as well as their influence on lead-free soldering results of 

monitoring and control equipment. The investigation was performed using 

Tagouchie’s method of design of experiments. Before soldering, thickness 

of coatings on PCB and their solderability were measured. After reflow 

soldering with SAC 305 solder paste, we measured thickness and type of 

IMCs using SEM and EDX methods. Soldering process with using leadfree 

components was performed using SnAgCu (SAC 305) paste for reflow 

soldering and lead-free SAC and SnCu1 wires for hand soldering. 

Soldering failures were investigated using visual, X-ray and microscopic 

methods. Assessment of influence of the PCB’s finishing coating quality 

on the lead-free soldering quality of the monitoring and control equipment 

was performed using analysis of variance (ANOVA). It was concluded, that 

quality of the PCB finish, measured by its solderability, has direct influence 

on the lead-free quality results. 

Keywords: PCB’s finishing coating, lead-free soldering 

KIEŁBASIŃSKI M., KOPERA W., KOZŁOWSKI T., MOCNY W.: Mikrorobot 

do lutowania punktowego do zastosowań w automatycznych 

systemach produkcyjnych 


W artykule przedstawiono opis urządzenia do lutowania punktowego przeznaczonego 

do pracy w automatycznych liniach montażu podzespołów 

elektrotechnicznych. W skład urządzenia wchodzi m.in. wizyjny system 

pozycjonowania głowicy lutującej względem punktu lutowania oraz wizyjna 

kontrola jakości wykonanego połączenia. 

Słowa kluczowe: mechatronika, technologia bezołowiowa, lutowanie, 

lutownica, podajnik drutu lutowniczego, system wizyjny, wizyjny system 

kontroli jakości 

KIEŁBASIŃSKI M., KOPERA W., KOZŁOWSKI T., MOCNY W.: Microrobot 

for point soldering for use in automated production systems 


This paper presents a description of the point soldering device designed 

for use in automated assembly lines of electrical components. The device 

includes machine vision system used to positioning of the soldering head 

relatively to soldering point and to perform optical quality inspection of the 

joint made. 

Keywords: mechatronics, lead-free technology, soldering, soldering iron, 

solder wire feeder, vision system, quality control vision system 

BIERNACKI K., KARLIŃSKI M., KORNACKI W.: Zastosowanie systemu 

automatycznej inspekcji wizyjnej dla celów automatyzacji operacji 

lutowania punktowego w produkcyjnych liniach montażowych 


W artykule przedstawiono zastosowanie podsystemu wizyjnego w oparciu 

o układ kamery inteligentnej (smart camera), wyposażonej w oświetlacz 

typu LED-ring light, na potrzeby wyznaczania korekty położenia narzędzia 

roboczego (głowicy lutowniczej) oraz realizacji podstawowych zadań inspekcji 

jakości lutowanych elementów w mikrorobocie do lutowania punktowego.łowa 

kluczowe: automatyzacja operacji lutowania punktowego, 

inspekcja wizyjna, kontrola jakości 

BIERNACKI K., KARLIŃSKI M., KORNACKI W.: Applications of automatic 

visual inspection system for automatisation of point-to-point 

soldering operation in production assembly lines 


This paper presents the applications of visual inspection system with the 

use of smart camera and LED-ring light for the position correction determination 

of soldering head and implementation of basic quality inspection 

tasks of soldered elements in point-to-point soldering microrobot. 

Keywords: automatisations of point-to-point soldering operation, visual 

inspection, quality control 

 



LIPIEC K., ARAŹNA A., BORECKI J., FUTERA K.: Wpływ procesów 

rozwijania powierzchni miedzi na wielkość zmian rezystancji rezystora 

cienkowarstwowego formowanego z folii NiP 


Dbałość o środowisko naturalne zakłada zmniejszenie ilości wytwarzanych 

odpadów i wymusza konieczność wprowadzania nowych rozwiązań, które 

pozwolą zmniejszyć powierzchnię płytki drukowanej. Jednym z takich rozwiązań 

jest formowanie rezystorów cienkowarstwowych z folii NiP. Uformowane 

rezystory na warstwach wewnętrznych uwalniają więcej miejsca 

na inne podzespoły elektroniczne montowane na warstwie zewnętrznej 

płytki drukowanej. Aby dowiedzieć się, jak na rezystancję rezystora wpływają 

procesy rozwijania powierzchni miedzi wykonano szereg badań. 

Słowa kluczowe: rezystory cienkowarstwowe z folii NiP, tlenki 

CHRZANIUK H., ZYBERT P.: Próby zastosowania systemu eksperckiego 

w automatycznej analizie pracy wyłącznika 


Artykuł przedstawia możliwość zastosowania systemu eksperckiego we 

współpracy z zaawansowanymi metodami przetwarzania sygnału do celów 

automatycznej e-diagnostyki pracy wyłączników. 

Słowa kluczowe: system ekspercki, diagnostyka wyłączników 

LIPIEC K., ARAŹNA A., BORECKI J., FUTERA K.: The influence of 

copper surface modification processes on changes of resistance of 

resistors made using thin NiP-foil 


Taking care of natural environment assumes reduction in the amount of 

manufacturing wastes. Therefore, it is necessary to introduce new solutions 

which will allow for reduction of printing plate surface. One of such 

solutions is formation of thin-layered resistors from NiP foil. Formed resistors 

on internal layers discharge more space for other electronic subcomponents 

assembled on external layer of the printing plate. To learn how 

the resistance of the resistor affects the processes of developing a copper 

surface some research was carried out. 

Keywords: thin-layered resistors from NiP foil, oxides 

CHRZANIUK H., ZYBERT P.: Attempts of utilizing expert system techniques 

in automated analysis of circuit breaker operation 


The aim of this article is to present the possibility of utilizing expert systems 

and signal processing techniques in order to implement automated 

e-diagnostics of circuit breaker operation. 

Keywords: expert system, circuit breaker diagnostics 

KRÓL K., KALISZ K., SOCHACKI M., SZMIDT J.: Wpływ wygrzewania 

na jakość warstw SiO 2 

wytwarzanych na podłożach 4H-SiC metodą 

utleniania termicznego 


W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczących wpływu procesów niskotemperaturowego 

wygrzewania, stosowanego w procesie otrzymywania 

tlenku bramkowego do zastosowań w tranzystorze MOS, na właściwości 

elektrochemiczne warstw SiO 2 

wytwarzanych metodą utleniania termicznego. 

W pracy przedstawiono wzajemne zależności pomiędzy składem 

chemicznym warstw analizowanym przy pomocy spektroskopu mas jonów 

wtórnych (SIMS), a właściwościami elektrycznymi kondensatorów MOS, 

w których funkcję dielektryka bramkowego pełniły analizowane warstwy 

SiO 2 

. Wygrzewania przeprowadzono w temperaturze 700 oraz 800°C stosując 

różne czasy trwania procesu. Najlepsze właściwości elektro-fizyczne 

interfejsu SiO 2 

/SiC otrzymano dla warstw wygrzewanych w temperaturze 

800°C, natomiast najlepszymi właściwościami objętościowymi, biorąc pod 

uwagę krytyczne pole elektryczne, charakteryzowały się próbki wygrzewane 

w temperaturze 700°C. Dodatkowo zbadano wpływ wygrzewania w atmosferach 

azotowych na właściwości otrzymanych dielektryków. 

Słowa kluczowe: węglik krzemu, utlenianie termiczne, wygrzewanie 

KRÓL K., KALISZ K., SOCHACKI M., SZMIDT J.: Influence of post annealing 

process on quality of thermally oxide on 4H-SiC 


We present research results on influence of postoxidation anneal treatment 

to thermal oxide quality obtained by high-temperature wet oxidation 

of 4H-SiC for usage in power MOSFET transistors. For proper evaluation 

of investigated oxides properties both chemical characterisation methods 

(SIMS) and electrical methods were utilized. In order to extract electrical 

properties MOS capacitors ware fabricated using examined dielectric 

layers as gate dielectric. Postoxidation anneal included low-temperature 

oxygen treatment in 700°C and 800°C for different times and high-temperature 

nitridation using wet N 2 

O and dry N 2 

anneal. We have obtained 

best SiO 2 

/SiC properties for longer reoxidation times in 800°C followed by 

nitridation process, however best volume properties in terms of oxide breaking 

voltage U br 

value and uniformity characterized samples reoxedized 

in 700°C followed by nitridation process. 

Keywords: silicon carbide, thermal oxidation, annealing processes 

WITOWSKI A., JASEK K., LATOCHA W.: Prognozowanie końcowej wartości 

współczynnika reakcyjności koksu w trakcie trwania pomiaru 


W komunikacie omówiono zagadnienia związane z badaniem reakcyjności 

koksu wobec ditlenku węgla poprzez pomiary chwilowych wartości stężeń 

gazów poreakcyjnych. Zaprezentowano także opracowaną procedurę 

prognozowania końcowej wartości współczynnika reakcyjności koksu 

w trakcie trwania pomiaru. 

Słowa kluczowe: koks, reakcyjność, współczynnik reakcyjności CRI 

WITOWSKI A., JASEK K., LATOCHA W.: The prediction of final value 

of coke reactivity index during the measurement execution 


The problems connected with coke reactivity to carbon dioxide determination 

on the basis of the measurements of actual values of concentration 

of reaction outlet gases are described in the paper. The procedure of the 

prediction of final value of coke reactivity index during the measurement 

execution is presented. 

Keywords: coke, reactivity, coke reactivity index 

BORECKI J., LIPIEC K., FUTERA K., ARAŹNA A.: Montaż mieszany 

wielowyprowadzeniowych struktur półprzewodnikowych z kontaktami 

sferycznymi ukrytymi pod obudową 


Nowoprojektowane urządzenia elektroniki użytkowej zawierają coraz bardziej 

zintegrowane podzespoły elektroniczne, których właściwe funkcjonowanie 

w głównej mierze uzależnione jest od niezawodności połączeń 

lutowanych formowanych w procesie montażu elektronicznego. Eksploatacja 

tych urządzeń w niekiedy diametralnie zróżnicowanych warunkach 

powoduje silne narażenia, które mogą wpływać niekorzystnie na niezawodność 

połączeń lutowanych. Większą niezawodnością w tym względzie 

odznaczają się połączenia wykonane w technologii ołowiowej. Jednakże 

biorąc pod uwagę fakt, że bardzo często podzespoły elektroniczne występują 

jedynie w wersji bezołowiowej, konieczne jest wykonanie montażu 

elektronicznego w technologii mieszanej. W artykule przedstawiono kluczowe 

zagadnienia prowadzenia mieszanego montażu elektronicznego ze 

szczególnym uwzględnieniem montażu wielowyprowadzeniowych struktur 

półprzewodnikowych z kontaktami sferycznymi ukrytymi pod obudową. 

Słowa kluczowe: BGA, CSP, połączenia lutowane, powłoka ochronna pól 

lutowniczych, badania jakości, analiza rentgenowska, długofalowe badania 

nieuszkadzalności 

BORECKI J., LIPIEC K., FUTERA K., ARAŹNA A.: Assembly process 

of multi-lead semiconductor structures with hidden leads under the 

package 


The new-projected electronic devices consist more and more integrated 

electronic components, which functionality mainly depends on operational 

reliability of solder joints created in electronic assembly process. The operation 

of those devices in sometimes dramatically differential conditions 

cause strong risks which can negatively influence on solder joints reliability. 

The higher reliability in this aspect have joints created in Pb-technology. 

However, to take into consideration of that, very often the electronic components 

are made in Pb-free technology, it is necessary to make of electronic 

assembly by use of mixed technology. In the article there are presented 

the crucial issues of making of mixed electronic assembly process with 

the special taking into account the assembly of multi-lead semiconductor 

structures with hidden leads under the package. 

Keywords: BGA, CSP, solder joints, protective coating layer of solder 

pads, quality examination, X-ray analysis, long-time researches of reliability 



MAKOWIECKI K.: Analiza systemu nastaw algorytmów w mikroprocesorowym 

urządzeniu kontrolno-sterującym 


W artykule poddano analizie implementację systemu nastaw algorytmów w mikroprocesorowym 

urządzeniu kontrolno-sterującym typu EAZ. System ten, jeśli 

chodzi o obsługiwane algorytmy, cechuje się elastycznością pod względem 

ilościowym i jakościowym, tzn. dodawanie, bądź usuwanie algorytmów jest 

maksymalnie uproszczone i nie wymaga prac programistycznych. Udostępnia 

on także możliwość edycji nastaw poprzez graficzny interfejs użytkownika, 

bądź dowolne łącze transmisyjne obsługiwane przez urządzenie. 

Słowa kluczowe: EAZ, zabezpieczenia w energetyce, algorytmy zabezpieczeniowe, 

Modbus RTU 

SAPUŁA Ł.: Algorytmy akwizycji danych w e-diagnostyce sieci rozdzielczych 

Elektronika (LII), nr 72011, s. 107 

W artykule przedstawiono metody akwizycji danych w sieci teleinformatycznej 

do e-diagnostyki energetycznych sieci rozdzielczych. Akwizycja 

danych jest dokonywana przez sterowniki polowe. Omówiono algorytmy 

akwizycji danych oraz ich wstępne przetwarzanie dla celów realizacji algorytmów 

zabezpieczeniowych oraz diagnozowania wyłączników SN. W artykule 

opisano również system transmisji danych do urządzeń nadrzędnych. 

Słowa kluczowe: Diagnostyka, akwizycja danych, transmisja 

CZERWIŃSKI M., ORZYŁOWSKI M.: Układ sterowania stanowiska do 

monokrystalizacji SiC jako element systemu CIM 


Artykuł omawia na wstępie sterowanie prototypowego stanowiska do monokrystalizacji 

SiC. Ze względu na perspektywę budowy linii produkcyjnej, 

wyposażonych w tego rodzaju stanowiska, zaprezentowana jest też koncepcja 

rozwoju systemu sterowania. Jej celem jest komputerowa integracja 

całej linii z możliwością włączenia jej w dalszej kolejności w komputerowo 

zintegrowany system wytwarzania (CIM). Jako priorytety przyjęto niezawodność 

działania linii oraz zwiększanie wydajności i jakości produkcji na 

bazie analizy zarejestrowanych przebiegów procesów produkcyjnych. 

Słowa kluczowe: węglik krzemu, monokrystalizacja, sterowanie, zintegrowane 

komputerowo wytwarzanie 

SERZYSKO T., FUTERA K., KOZIOŁ G., STĘPLEWSKI W., ARAŹNA 

A.: Stanowisko do precyzyjnej korekcji cienko- i grubowarstwowych 

elementów rezystancyjnych 


Światowy przemysł elektroniczny jest coraz bardziej zainteresowany technologią 

wbudowywania podzespołów biernych do wnętrza płytki drukowanej. Podzespoły 

bierne takie jak rezystory, kondensatory oraz elementy indukcyjne stanowią 

niezbędną część każdego urządzenia elektronicznego. Ze względu na 

ich dużą liczbę w wyrobie zajmują one znaczną powierzchnię na warstwach zewnętrznych 

płytki drukowanej i jednocześnie, ze względu na swoje małe gabaryty 

takie jak 0402 i 0201, stają się kłopotliwe w automatycznym montażu elektronicznym 

i uciążliwe w kontroli jakości połączeń lutowanych. Ze wszystkich 

rodzajów podzespołów biernych, uwaga zwrócona jest zwłaszcza na rezystory, 

ponieważ stanowią największą liczbę montowanych podzespołów biernych. 

W niniejszym artykule przedstawiono opracowane w Instytucie Tele- i Radiotechnicznym 

stanowisko laboratoryjne do korekcji elementów rezystancyjnych 

oraz wyniki prac nad korygowaniem wartości rezystancji rezystorów 

cienko- i grubowarstwowych za pomocą lasera przy wykorzystaniu 

różnej konfiguracji cięć korygujących. 

Słowa kluczowe: płytka drukowana, laser, korekcja laserowa, podzespoły 

bierne, rezystory cienkowarstwowe, rezystory grubowarstwowe 

MAKOWIECKI K.: Analyze of algorithms set system in power system 

protection device 


Article presents implementation of algorithms settings system in the power 

system protection device. This system is flexible and adding or removing 

algorithm is simple and don’t requires programming work. It also provides 

the ability to edit the settings through the graphical user interface or any of 

a transmission line supported by the device. 

Keywords: Power System Protection, protection algorithms, Modbus 

RTU 

SAPUŁA Ł.: Data acquisition algorithms in power distribution networks 

e-diagnosis 

Elektronika (LII), no 72011, p. 107 

In the paper methods of data acquisition in the teleinformation network 

for e-diagnosis of power distribution networks have been presented. The 

acquisition of data is performed by bay controllers. The algorithms of data 

acquisition have been described together with initial data processing for 

protection functions realization and circuit breaker diagnosis. The data 

transmission system to supervisory devices has also been presented. 

Keywords: diagnostics, data acquisition, data transmission 

CZERWIŃSKI M., ORZYŁOWSKI M.: Control unit of system for SiC 

crystal growth as element of CIM system 


The paper at the beginning describes the control of the prototype system 

for the growth of SiC crystals. Taking into account the possibility of building 

of the production line equipped with such systems the conception of control 

system development is presented also. The aim is computer integration 

of the whole line with possibility inclusion in computer integrated manufacturing 

system (CIM). The reliability of the line functioning and increasing 

of productivity and quality of the products carried out on the basis of process 

data collection analysis has been chosen as the priorities. 

Keywords: silicon carbide, crystal growth, computer integrated manufacturing 

SERZYSKO T., FUTERA K., KOZIOŁ G., STĘPLEWSKI W., ARAŹNA A.: 

The stand for precise trimming of thin and thick resistive elements 


Global electronics industry becomes more and more interested in embedding 

passive subassemblies into printed circuit board. Passive subassemblies 

so as resistors, capacitors and inductive elements are necessary part 

of every electronic device. Their huge number in device implies that they 

cover most of external layers on printed circuit board. Moreover their small 

size (0402, 0201) causes that automatic assembly and quality control soldered 

connections are problematic. From all kinds of passive subassemblies 

attention is paid especially to resistors, because they are the most 

often assembled. 

In this article is included worked out in Tele&Radio Research Institute laboratory 

position for resistance elements correction and results of working 

on thin and thick resistors resistance value correction using laser and correcting 

cuts in different configurations. 

Key words: printed circuit board, laser, laser trimming, passive components, 

thin film resistors, thick film resistors 

CZERWOSZ E., KRAWCZYK S., WRONKA H.: Metoda pomiarów i analizy 

wyników badań emisji polowej z nanokompozytowych warstw Ni-C 


Badanie emisii polowej nanokompozytowych warstw Ni-C wymaga rejestrowania 

charakterystyk prądu emisji w funkcji czasu oraz prądu emisji w funkcji 

napięcia anodowego. Zapisywanie odczytywanych danych „ręcznie” jest 

żmudne, czasochłonne i mało precyzyjne dlatego celowe jest zastosowanie 

komputerowego rejestrowania wyników pomiarów. W tym celu użyty został 

w naszym instytucie mikrokontroler z multipleksowanym przetwornikiem A/C 

jako urządzenie pomiarowe oraz komputer PC do gromadzenia, przetwarzania 

i zapisywania wyników. Łączność między mikrokontrolerem a komputerem 

odbywa się poprzez łącze RS232. Mikrokontroler pracuje w oparciu o dedykowany 

program napisany w języku „C”. Komputer PC pracuje pod kontrolą 

systemu Windows XP oraz program napisany w środowisku LabView. 

Słowa kluczowe: emisja polowa, warstwy Ni-C, akwizycja danych 

CZERWOSZ E., KRAWCZYK S., WRONKA H.: Method of measurement 

and analysis of field emissions results for nanocomposite films Ni-C 


Field emission studies require research current-voltage characteristics as 

well as a current of emission vs. of time enrollment characteristics for a studied 

material. Data acquisition with „manually” manner is time-consuming 

and not précised whereas employment of computer measurement for data 

acquisition enable performing better and more precise data acquisition.. 

Microcontroller with multiplexed converter A/C and computer for collecting 

and processing of results have been used in our set-up. Computer- microcontroller 

link was realized by RS232. Microcontroller is programmed in 

the language „C”. Computer system was windows XP and program was 

written in environment LabView. 

Keywords: field emission, Ni-C layers, data acquisition 

 



FUTERA K., KOZIOŁ G., JANECZEK K., SERZYSKO T., STĘPLEW- 

SKI W.: Morfologia linii nanoszonych metodą druku strumieniowego 

i wpływ temperatury na jakość wzorów 


Organiczne urządzenia elektroniczne to nowa, szybko rozwijająca się gałąź 

rynku. Artykuł przybliża jedną z metod wytwarzania takich elementówdruk 

strumieniowy, oraz opisuje jego główne właściwości. 

Opisane są także wyniki prób laboratoryjnych przeprowadzonych w Instytucie 

Tele- i Radiotechnicznym, wytwarzania elementów technologią druku 

strumieniowego. Scharakteryzowano, pod względem struktury powierzchni, 

wytworzone ścieżeki oraz wpływu parametrów procesu (temperatury, 

ilości warstw) na morfologię ścieżek oraz ich rezystancję. 

Słowa kluczowe: Inkjet, druk strumieniowy, nano srebro, elektronika organiczna, 

materiały organiczne 

FUTERA K., KOZIOŁ G., JANECZEK K., SERZYSKO T., STĘPLEWSKI 

W.: Inkjet printed lines morphology and influence of temperature on 

prints quality 


Organic electronics is a platform technology that enables multiple applications 

based on organic electronics but varied in specifications. Organic 

electronics is based on the combination of new materials and cost-effective, 

large area production processes that provide new fields of application. 

This paper describe results of laboratory test of printing nono silver based 

ink using inkjet printing method. Lines morphology on printing parameters 

influence were explain, resistance of lines printed with different parameters 

(substrate temperature, number of layers) were measured 

Keywords: inkjet, organic electronics, nano silver, nano materials, organic 

materials 

STĘPLEWSKI W., SERZYSKO T., JANECZEK K., BORECKI J., DZIE- 

DZIC A., NITSCH K., PIASECKI T.: Testowanie parametrów elektrycznych 

rezystorów cienkowarstwowych wbudowanych w płytki obwodów 

drukowanych 


W artykule przedstawiono wybrane sposoby testowania oraz wyniki prób 

doświadczalnych testowania wielowarstwowych płytek drukowanych 

z wbudowanymi cienkowarstwowymi elementami rezystywnymi. Artykuł 

jest wynikiem prac w ramach projektu „Technologia doświadczalna wbudowywania 

elementów rezystywnych i pojemnościowych wewnątrz płytki 

drukowanej”, którego celem jest opracowanie technologii wielowarstwowych 

płytek drukowanych z podzespołami biernymi wytwarzanymi na wewnętrznych 

warstwach płytki obwodu drukowanego. 

Słowa kluczowe: rezystor cienkowarstwowy, płytka obwodu drukowanego, 

podzespoły bierne wbudowane, spektroskopia impedancyjna 

STĘPLEWSKI W., SERZYSKO T., JANECZEK K., BORECKI J., DZIE- 

DZIC A., NITSCH K., PIASECKI T.: Testing of electrical parameters of 

thin-film resistors embedded in printed circuit boards 


In the paper chosen methods of testing and results of experimental tests of 

multilayer circuit boards with thin-film embedded resistors are presented. 

The paper is a result of the investigations carried on in the frame of the 

project” Experimental technology of resistive and capacitive components 

embedded inside the printed circuit board”. This project is focused on 

elaboration of technology of multilayer printed circuit boards (PCBs) with 

passives fabricated at the inner layers of PCB. 

Keywords: thin-film resistor, printed circuit board, embedded passives, 

impedance spectroscopy 

KLEJ T., BOROWIECKA K.: Obwody drukowane z technologią via 

in pad 


Zapotrzebowanie na coraz mniejsze urządzenia elektroniczne wymusza 

poszukiwanie takich rozwiązań technologicznych, które pozwolą na 

większe upakowanie elementów na dm 2 bez konieczności zwiększania 

wymiarów płytek. Rozwiązaniem pozwalającym na miniaturyzację płytki 

jest zastosowanie technologii via in pad. W pracy omówiono poszczególne 

etapy technologiczne wytwarzania obwodów drukowanych z otworami 

umieszczonymi w polach lutowniczych. 

Słowa kluczowe: technologia via in pad, otwory nieprzelotowe 

KLEJ T., BOROWIECKA K.: Via in pad technology in printed circuit 

boards 


The demand for reduction of the electronic devices forces to search technological 

solutions which increase element’s density in the dm 2 without 

increasing the board size. Via in pad technology is the solution for the 

miniaturization of PCB. This paper shows the various ways of producting 

printed circuit boards with holes placed in pad. 

Keywords: via in pad, blind vias 

JASEK K., PUTON J., MAZUREK B., JUSZCZUK R.: Przetwarzanie 

sygnału z wielokanałowych detektorów piroelektrycznych 


W pracy przedstawiono różne sposoby przetwarzania sygnału z czterokanałowego 

detektora piroelektrycznego z filtrami interferencyjnymi, 

przeznaczonego do pomiaru CO, CO 2 

, SO 2 

oraz filtrem referencyjnym. 

Detektor pracował w analizatorze NDIR przeznaczonym do oznaczania 

składu gazów spalinowych. Aby wybrać odpowiednią metodę obróbki 

sygnału oraz określić wpływ różnych czynników na wyniki pomiarów wyznaczono 

charakterystyki stężeniowe analizatora dla różnych mocy źródła 

promieniowania. Stwierdzono, że najlepsze rezultaty otrzymuje się posługując 

sygnałem zredukowanym S = 1 – U/U 0 

, gdzie U i U 0 

oznaczają odpowiednio 

sygnał detektora w trakcie pomiaru oraz zerowania przyrządu. 

Uwzględnienie kanału referencyjnego nie wpływa w istotnym stopniu na 

dokładność oznaczeń. Zbadano różne zależności, aproksymujące sygnał 

detektora w funkcji stężenia mierzonego gazu. Dla wszystkich badanych 

gazów najlepsze dopasowanie do wartości doświadczalnych uzyskano dla 

zależności S = b [1-exp(-aC n )], gdzie C oznacza stężenie gazu; a, b, n 

współczynniki wyznaczane z danych doświadczalnych. 

Słowa kluczowe: detektory IR, NDIR, obróbka sygnału 

JASEK K., PUTON J., MAZUREK B., JUSZCZUK R.: Processing of signal 

from multichannel pyroelectric detectors 


Different ways of signal processing from multichannel pyroelectric detector 

with interference filters designed for measurements CO, CO 2 

, SO 2 

and 

reference filter is presented in the paper. The detector operates in NDIR 

analyzer, dedicated to determine composition of exhaust gases. To select 

the best method of signal processing and determine the influence of various 

factors on measurement results, concentration characteristics were 

found at different radiation source power. The best results were obtained 

at relative signal S = 1 – U/U 0 

, where U and U 0 

stand for detector signal 

during the measurement and zeroing, respectively. The precision of measurements 

was not considerably improved by using the reference channel. 

Some relationships between the detector signal and gas concentration 

were examined. In all cases the best fitting of signal to experimental values 

was obtained for the function S = b [1-exp(-aC n )], where C is gas concentration, 

a, b, n are experimental coefficients. 

Keywords: IR detectors, NDIR, signal processing 



TULIK P., KRZEMIŃSKI Ł.: Konstrukcja detektora rekombinacyjnego 

do dozymetrii promieniowania reaktorowego 


Praca przedstawia konstrukcję detektora rekombinacyjnego o grafitowych 

elektrodach wypełnionego azotem, przeznaczonego do dozymetrii pól 

promieniowania mieszanego, przede wszystkim reaktorowego. Pomiary 

prądu ciemnego oraz charakterystyk prądowo-napięciowych skonstruowanego 

detektora potwierdziły prawidłowe działanie detektora. Dodatkowo 

skonstruowano moderator składający się z nakładek wykonanych z polietylenowych 

płyt. Moderator ma konstrukcję modułową, co umożliwia zmianę 

grubości materiału moderatora przed detektorem, na kierunku padania 

wiązki, oraz za detektorem, w granicach od 30 do 100 mm. Zastosowanie 

nakładek o różnej grubości pozwoli symulację pomiaru dawek na różnej 

głębokości w tkance, z uwzględnieniem spowalniania i rozpraszania neutronów 

epitermicznych. Skonstruowany detektor zostanie wykorzystany 

w pracach badawczych i pomiarach porównawczych jako model detektora 

przeznaczonego do pomiarów rutynowych. 

Słowa kluczowe: dozymetria neutronowa, detektory rekombinacyjne, 

BNCT 

NAFALSKI L., ANGIELCZYK P.: Badanie wpływu wygrzewania obudowy 

i wibratora kwarcowego w procesie zamykania wysokostabilnych 

rezonatorów na wyniki długoterminowej stałości częstotliwości 

rezonatorów 


W artykule przedstawiono wyniki badań wygrzewania części składowych 

rezonatorów cięcia SC na parametry stałości długoterminowej rezonatora 

wysokostabilnego. Badania przeprowadzono na rezonatorach o stabilności 

dobowej częstotliwości mniejszej od 1 ⋅10 -9 . W celu zbadania wpływu 

wygrzewania elementów rezonatora na parametry starzeniowe zamknięto 

w takich samych warunkach dwie partie rezonatorów, jedną wygrzewając 

w temperaturze 120°C przez dwie godziny i drugą partie zamykając 

bez wygrzewania. Pozostałe warunki zamykania zostały zachowane dla 

obu partii rezonatorów, które zamknięto w próżni na poziomie 5 ⋅ 10 ‐6 mBa 

metodą zimnego zgniotu. Po zamknięciu rezonatory włożono do termostatowanych 

generatorów, zestrojono generatory i zbadano poziom zmian 

dobowej częstotliwości generatorów z rezonatorami z obu partii. Otrzymane 

wyniki porównano ze sobą. Zakładając, że wpływ towarzyszących 

układów rezonatora był pomijalnie mały, (nieistotny) [8] otrzymane stałości 

częstotliwości długoterminowej generatora odzwierciedlało stałość rezonatorów. 

Słowa kluczowe: rezonator kwarcowy, generator wysokostabilny, długoterminowa 

stabilność częstotliwości 

MAŁKIŃSKI W., ZAJĄC J., KARLIŃSKI M., WÓJCIK J.: Wybrane problemy 

analizy kształtu próbki w urządzeniu do wyznaczania punktów 

charakterystycznych przemian fazowych 


W artykule przedstawiono wybrane techniki analizy parametrów geometrycznych 

próbki, która zmienia swój kształt w funkcji temperatury. Przedstawiono 

ogólną klasyfikację parametrów zastosowanych do analizy zmian 

kształtu próbki: parametry odnoszące się bezpośrednio do obrazu próbki 

oraz parametry odnoszące się do rozwinięcia biegunowego konturu próbki 

względem jej środka ciężkości lub względem podstawy. Zaprezentowano 

wybrane techniki identyfikacji niektórych punktów charakterystycznych 

przemian fazowych: punktu maksymalnego skurczu i wydymania próbki, 

punktu kuli i półkuli. Na przykładzie punktu płynięcia przedstawiono podejście 

dwuetapowe do wyznaczania niektórych punktów przemian fazowych. 

Zaproponowano metodę identyfikacji niektórych zjawisk dynamicznych, 

towarzyszących ogrzewaniu próbki np. krótkotrwałych zniekształceń 

lokalnych próbki, powstających na powierzchni bocznej oraz górnej. 

Słowa kluczowe: komputerowe przetwarzanie i analiza obrazów, analiza 

sekwencji obrazów, oznaczanie charakterystycznych temperatur topliwości 

popiołu, paliwa stałe 

TULIK P., KRZEMIŃSKI Ł.: A recombination detector design for reactor 

radiation dosimetry 


The paper presents a design of a nitrogen filled recombination detector 

with graphite electrodes, devoted for mixed radiation dosimetry, especially 

in nuclear reactor radiation fields. Measurements of dark current 

and saturation curves of the detector confirmed the correct performance 

of the detector. In addition, a moderator made with polyethylene plates 

was prepared. Moderator is modular, therefore it is possible to change the 

thickness of the moderating material in the beam direction and behind the 

detector in the range from 30 mm to 100 mm. The use of cups of different 

thicknesses enables simulation of the absorbed dose measurement at different 

depths in tissue, with account for slowing down of neutrons and for 

epithermal neutrons scattering. The detector will be used for research and 

in intercomparison measurements as a model of the detector for routine 

measurements. 

Keywords: neutron dosimetry, recombination detector, BNCT 

NAFALSKI L., ANGIELCZYK P.: Examination of the impact of warming 

up the casing and the quartz vibrator in the process of closing highstable 

resonators to results of the long-term stability of the frequency 

of resonators 


In the article findings of warming component parts of resonators of the SC 

cut were described. Partnership to parameters of the long-term stability of 

the high-stable resonator. They conducted research on resonators about 

the stability of the twenty-four hour frequency lower than 1 ⋅ 10 -9 . With 

a view to examining the influence of warming elements of the resonator 

up on long-term stability. In the same conditions two batches of resonators 

were closed one, warming up in temperature 120 degree for two hours 

and second closing parties without warming up. Remaining conditions 

of closing were preserved for both parties of resonators which were locked 

up in vacum on level 5 ⋅ 10 ‐6 mBa with method of the cold well. After closing 

resonators were put to termostatowanych of generators, generators 

were harmonized and a level of changes of the twenty-four hour frequency 

of generators was searched with resonators of around both parties. Received 

results were compared with themselves. Assuming that the income 

of accompanying layouts of the resonator was negligible small, (unimportant) 

[8] reflected received constancies of the long-term frequency of the 

generator constancy of resonators. 

Keywords: quartz resonator, high-stable generator, long-term stability 

of the frequency 

MAŁKIŃSKI W., ZAJĄC J., KARLIŃSKI M., WÓJCIK J.: Some problems 

of sample shape analysis using the analyzer for determination 

of characteristic temperatures of solid fuels phase transitions 


The article presents selected methods of analysis of geometric sample’s 

parameters. The sample changes shape as a function of temperature. The 

article describes general classification of parameters, applied for determination 

of changes of sample’s shape: parameters directly based on image 

of the sample and parameters based on extraction of the contour of the 

sample and analysis it’s pole notation, refered to the center of the sample or 

to the center of the base of the sample. Some methods of determination of 

characteristic temperatures of solid fuels phase transitions, such as: shrink 

temperature, swelling temperature, sphere temperature and hemisphere 

temperature are described. The two phase method for determination of flowing 

temperature is proposed. The method of identification of some dynamic 

effects during sample heating, for example transient local deformations 

on side and upper surfaces of the sample, is presented in the paper. 

Keywords: computerized image processing and analysis, images sequence 

analysis, determination of characteristic temperatures of fusibility of 

ash, solid mineral fuels 

10 



NAFALSKI L.: Badania trójkomorowego termostatu do ultrastabilnych 

generatorów kwarcowych 


W artykule przedstawiono wyniki badań zmian temperatury trójkomorowego 

termostatu przeznaczonego do ultrastabilnych generatorów kwarcowych. 

Termostat został opracowany w Instytucie Tele- i Radiotechnicznym. 

W dotychczas stosowanych konstrukcjach termostatów element 

termostabilizowany był umieszczony w komorze termostatu w taki sposób, 

że cieplnie jest izolowany warstwą powietrza od metalowej obudowy 

komory, a czujnik temperatury kontroluje tylko część mocy nie mając 

wpływu na moc dostarczaną z obudowy komory do rezonatora kwarcowego. 

W przedstawionym rozwiązaniu jest zastosowany termostat o dwóch 

połączonych zworami cieplnymi komorach o stabilizowanej temperaturze 

ułożonych szeregowo względem elementu grzejnego, czujnik temperatury 

jest umieszczony w ścianie pierwszej komory. Dla generatora o bardzo 

wysokiej stałości częstotliwości, konieczne jest uzyskanie bardzo dużego 

współczynnika dobroci termostatu w komorze rezonatora i komorze 

z układami generacyjnym i przestrajania. Dobroć termostatu definiowana 

jako stosunek zmian temperatury na zewnątrz termostatu do zmian temperatury 

w komorze liczbowo powinna być większa od 500 taki wynik [5] 

gwarantuje stałość temperaturową generatora na poziomie kilku 10 -10 . 

Słowa kluczowe: termostat, ultrastabilny generator kwarcowy, termostabilizacja, 

rezonator 

NAFALSKI L.: Investigation of three-chambered thermostat to ultrastabilnych 

of quartz generators 

Elektronika (LII), no 7/2011, p.146 

In the article findings of changes of temperature were described therechamber 

of thermostat intended for ultrastable quartz generators. The 

thermostat was drawn up at the Tele and Radio Institute engineering. In 

the presented solution there is an applied thermostat about two connected 

with thermal armatures chambers about the stabilized temperature arranged 

in series with regard to the heating element. The temperature sensor 

is put in the wall of the first chamber. For the generator about the very 

high permanence of the frequency, getting the very large rate of the goodness 

of the thermostat in the chamber of the resonator and the chamber 

is necessary with systems generational and of retuning. The goodness of 

the thermostat defined as the relationship of changes of temperature outside 

the thermostat for changes of temperature in the chamber in figures 

should be bigger from 500 such a result [5] is guaranteeing the temperature 

constancy of the generator on the level frequency stability few 10 – 10 . 

Keywords: thermostat, ultrastable quartz generator, teperature stability, 

resonator 

KOWALSKI G.: Projektowanie cewek Rogowskiego w technologii obwodów 

drukowanych 


Artykuł opisuje metody projektowania cewek Rogowskiego w technologii 

wielowarstwowych obwodów drukowanych, a w szczególności obliczanie 

czułości cewek i sposób ich konstruowania oraz wyniki pomiarów dla wybranych 

parametrów tak wykonanych cewek. 

Słowa kluczowe: cewki Rogowskiego, pomiar prądu, obwody drukowane 

KOWALSKI G.: Designing PCB based Rogowski coils 


The paper presents methods of designing multilayer PCB based Rogowski 

coils and calculating their sensitivity and results of Rogowski coil selected 

parameters measurements. 

Keywords: Rogowski coil, current measurement, printed circuit boards 

KALCZEWSKA M., OPALIŃSKA T.: Modyfikacja powierzchni poliimidowych 

z wykorzystaniem metody zimnej plazmy generowanej pod 

ciśnieniem atmosferycznym 


Folia poliimidowa, która jest powszechnie używana jako podłoże giętkich 

obwodów drukowanych dla wielu urządzeń elektronicznych, musi być przed 

zastosowaniem odpowiednio przygotowana, ponieważ jej powierzchnia 

jest niezwykle gładka i charakteryzuje się niską adhezyjnością. Mokre metody 

modyfikacji powierzchni oparte są na zastosowaniu żrących środków 

chemicznych. Zastosowanie metody plazmowej umożliwia pomyślną modyfikację 

powierzchni polimeru bez produkcji niebezpiecznych odpadów. 

Jako wynik działania plazmy, powierzchnia poliimidu zostaje nadtrawiona. 

Wyładowanie z barierą dielektryka generowane pod ciśnieniem atmosferycznym 

jest korzystną metodą zmiany struktury powierzchni polimeru. 

Wielu autorów podjęło próby wypracowania optymalnych warunków tej 

metody. Niniejszy artykuł jest przeglądem prac poświęconych tej tematyce. 

W pierwszym rozdziale przedstawiono warunki eksperymentalne, w jakich 

prowadzi się modyfikacje powierzchni poliimidowych. Charakterystykę 

procesu trawienia polimeru oraz właściwości obrabianych powierzchni 

zostały przedstawione w dalszej części pracy. 

Słowa kluczowe: plazma, poliimid, trawienie, wyładowanie barierowe, 

modyfikacja powierzchni 

KALCZEWSKA M., OPALIŃSKA T.: Modification of polyimide surface 

with the use of atmospheric pressure cold plasma method 


Polyimide foil, which is commonly used as a substrate in production of 

many electronic devices, needs to be appropriately modified due to the 

high smoothness and low adhesiveness of the surface. The wet methods 

of the surface modification are based on using caustic chemicals. Using 

a plasma method enables the successful modification of the polymer surface 

without producing hazardous wastes. As a result of plasma treatment, 

the polyimide surface is etched. The atmospheric pressure plasma generated 

in dielectric barrier discharge is an advantageous method of changing 

the structure of the polyimide surface. The researches over elaborating 

the optimal conditions have been recently undertaken by many authors. 

The review of these researches is presented in the paper. In the first part 

of the paper the experimental conditions of polyimide surface modification 

are described. The characteristics of etching process of polyimide surface 

and properties of the modified surface are presented in the second part 

of the study. 

Keywords: plasma, polyimide, etching, dielectric barrier discharge, surface 

modification 

WESOŁOWSKI M., WOLF-ŁYSIAK D.: Numeryczne modelowanie ultraszybkich 

elektrotermicznych procesów grzejnych 


W niniejszym artykule scharakteryzowano modelowanie dynamicznych 

procesów grzejnych. Podano modele matematyczne oparte na klasycznym 

równaniu przewodzenia ciepła oraz na równaniu Vernotte’a, możliwe 

do wykorzystywania w analizie procesów elektrotermicznych. Zaprezentowano 

wyniki obliczeń modeli, uzyskane na podstawie opracowanego 

algorytmu bazującego na metodzie bilansów elementarnych. Porównanie 

rezultatów obliczeniowych umożliwiło ocenę zakresu stosowalności 

poszczególnych równań z zachowaniem wysokiej dokładności wyników 

obliczeniowych. 

Słowa kluczowe: modelowanie temperatury, szybkie nagrzewanie, równanie 

Vernotte’a 

WESOŁOWSKI M., WOLF-ŁYSIAK D.: Numerical modeling of ultrarapid 

electrothermal heating processes 


The paper characterizes the modeling of dynamic heating processes. The 

mathematical models based on classical equations of heat conduction and 

Vernotte equation useful for analysis of thermal processes are described. 

The results of modeling based on the method of elementary balances are 

presented. The comparison of the results of the calculations has enabled 

the evaluation of the range of applicability of the considered equations in 

respect to high accuracy of this calculations. 

Keywords: temperature modeling, rapid heating, Vernotte equation 

Elektronika 7/2011 11


WACH K.: Wybrane zagadnienia diagnozowania urządzenia wyposażonego 

w standard IEC 61850 


Akceptacja protokółu komunikacyjnego IEC 61850 staje się faktem. Jest 

on coraz powszechniej stosowany w urządzeniach podstacji elektroenergetycznych. 

IEC 61850 stawia nowe wyzwania w zakresie testowania 

urządzeń podstacji w czasie rzeczywistym w procesie eksploatacji, w tym 

(między innymi) części cyfrowej urządzeń automatyki zabezpieczeniowej. 

Artykuł przedstawia wybrane zagadnienia diagnozowania urządzenia, będącego 

obiektem dyskretnym, poprzez zastosowanie znanej strategii diagnozowania 

polegającej na testowaniu kontrolnym wyznaczonych fragmentów 

urządzenia. W omawianym przypadku, problem polega na zastosowaniu 

tego podejścia do współczesnego pakietu cyfrowego oraz na poszukiwaniu 

praktycznych metod rozwiązania problemu przy niepełnej informacji o obiekcie 

oraz przy, z reguły, licznych ograniczeniach technicznych, warunkujących 

zbiór dopuszczalnych do testowania kontrolnego fragmentów pakietu. Współczesny 

obiekt cyfrowy charakteryzuje się z reguły wysokim stopniem złożoności 

strukturalnej, występowaniem złożonych elementów przełączających 

i dwukierunkowych wyprowadzeń informacyjnych, płaskim montażem oraz 

wykorzystywaniem nadmiarowych środków autodiagnostyki. 

Diagnozowanie przez testowanie kontrolne fragmentów, między innymi, 

wymaga rozwiązania problemów dotyczących wyznaczania fragmentów, 

testów kontrolnych fragmentów, wartości oczekiwanej uogólnionego kosztu 

realizacji testowania tych fragmentów, maksymalnej możliwej do uzyskania 

wnikliwości diagnostycznej oraz sposobu wnioskowania o stanie 

niezawodnościowym elementów obiektu na podstawie wyniku testu kontrolnego 

fragmentu. 

Słowa kluczowe: Stacje elektroenergetyczne, standard IEC 61850, wyznaczanie 

fragmentów IED, testy kontrolne fragmentów, procedura diagnostyczna, 

testowanie w czasie rzeczywistym 

WACH K.: Some problems of diagnosing the device equipped with 

IEC 61850 standard 


The IEC 61850 communication protocol becomes more widely accepted. 

It is becoming more widely applied in electrical substation equipment. The 

IEC 61850 presents new challenges for the testing of the substation equipment 

in real time in the process of exploitation, including (among others) 

of the digital part of the relay protection equipment. 

The paper presents selected issues of diagnosis device, which is a discrete 

object, by applying known strategies to diagnose through the adjusting 

of the set pieces of equipment. In the discussed case, the problem lies in 

applying that approach to the modern digital circuit and searching the practical 

method of its solution by a minimum amount of the object information 

and generally by the many technical limitations, which specify the set of the 

clusters accessible for the functional testing circuit. Typical modern digital circuit, 

as a rule, contains the bidirectional information pins, complex switching 

elements, and redundant aids and is made in the surface mounting technology 

and characterized by a high degree of the structural complexity. 

The digital device diagnosis (by control testing of its clusters), among other 

things, requires the solution of problems relating to the assignation of digital 

circuit clusters, the generation of control tests for these clusters, the determination 

of the expected value of the generalized cost of implementing 

of the testing of these clusters, “the largest” (possible obtainable) diagnostic 

insight and the method of the inference on the reliability state of the circuit 

elements based on the result of the cluster test. 

Keywords: power substations, IEC 61850 standard, the determination of 

an IED clusters, control tests of clusters, diagnostic procedures, real time 

testing 

KUCIŃSKI S.: Ocena wyników badań kompatybilności elektromagnetycznej 


W artykule przedstawiono sposoby oceny wyników pomiarów emisji elektromagnetycznej 

oraz badań odporności na zaburzenia elektromagnetyczne 

wyrobów elektrycznych i elektronicznych. Zaprezentowano niektóre 

problemy na jakie napotyka się przy tej ocenie i zaproponowano możliwe 

rozwiązania. W podsumowaniu podkreślono wagę właściwej oceny wyników 

badań kompatybilności elektromagnetycznej wyrobów dla zapewnienia 

prawidłowości ich działania w określonym środowisku elektromagnetycznym, 

a także dla minimalizacji zagrożeń dla ludzi i środowiska, które 

te obiekty mogą powodować. 

Słowo kluczowe: badania EMC 

KUCIŃSKI S.: Evaluation of electromagnetic compatibility test results 


The article presents the methods of the evaluation results of measurement 

of electromagnetic emission from electronic and electrical products 

and results of testing their immunity to electromagnetic disturbances. The 

paper presents some of the problems that occur in that assessment and 

suggested possible solutions. The summary highlighted the importance of 

appropriate evaluation of testing electromagnetic compatibility results of 

products to ensure the proper operation within a specified electromagnetic 

environment and to minimize risks to humans and the environment that 

these objects may cause. 

Keyword: EMC testing 

GLIŃSKI K.: Wymagania dla urządzeń automatyki zabezpieczeniowej 

sieci elektroenergetycznych w świetle nowych norm 


Urządzenia automatyki zabezpieczeniowej oprócz wymagań funkcjonalnych 

powinny spełniać wymagania dyrektyw nowego podejścia UE. Zasadniczo 

wymagania te są zawarte w serii norm PN-EN 60255 oraz w PN- 

EN 50263. 

Omówiono wymagania dotyczące bezpieczeństwa użytkowania, kompatybilności 

elektromagnetycznej oraz warunków środowiskowych eksploatacji 

i przechowywania. Przedstawiono dane, które powinny być uwzględnione 

w specyfikacji technicznej wyrobu. Dane te są wymagane do jednoznacznej 

identyfikacji właściwości wyrobu w tym środowiska, w którym dopuszczalna 

jest jego eksploatacja. Podano wykaz badań typu i badań wyrobu 

potwierdzających zgodność urządzenia z wymaganiami zarówno nowych 

wydań norm, jak i obowiązujących dyrektyw. 

Słowa kluczowe: przekaźniki pomiarowe, wymagania bezpieczeństwa, 

kompatybilność elektromagnetyczna, ocena zgodności 

LENIK J.: Ograniczanie emisji zanieczyszczeń z zakładu branży elektronicznej 


Artykuł dotyczy zarządzania ochroną środowiska w przedsiębiorstwie 

produkującym obwody drukowane. Opisuje podstawowe problemy o.ś. 

występujące w branży i wskazówki do zorganizowanego sposobu ich rozwiązywania 

przy użyciu metody Czystszej Produkcji. W artykule opisano 

przykłady wytypowanych tą metodą i zrealizowanych projektów ograniczania 

emisji odorów i tlenku węgla do atmosfery, niklu do ścieków, ograniczania 

ilości osadów pozostałych po neutralizacji ścieków. 

Słowa kluczowe: ochrona środowiska, zarządzanie środowiskowe, przemysł 

elektroniczny, Czystsza Produkcja, dezodoryzacja, oczyszczanie gazów 

odlotowych, oczyszczanie ścieków przemysłowych 

GLIŃSKI K.: Power system protection equipment requirements in the 

scope of new standards 


Equipment Protection Devices in addition to the operational requirements 

shall meet the requirements of New Approach directives of the EU. Basically, 

these requirements are contained in a series of standards EN 60255 

and EN 50263rd. 

Discusses the requirements for safety, electromagnetic compatibility, and 

environmental conditions for handling and storage. Presents data that should 

be included in the technical specifications of the product. These data 

are required to uniquely identify the product in that environment, which is 

permitted to be operated. Given a list of tests and testing equipment confirming 

compliance with the requirements of both new editions of standards, 

and current directives. 

Keywords: measuring relays, safety requirements, electromagnetic compatibility, 

conformity assessment 

LENIK J.: Reduction of pollution emissions from an electronics 

plant 


The article refers to issues of environmental management at the plant manufacturing 

PCBs. It discusses the basic issues of environmental protection and related 

to the sector, as well as instructions for organised way of solving such issues 

by adopting Cleaner Production method. In the article examples are described of 

emission reduction projects selected and implemented by adopting that method, 

with regard to emissions of odours and carbon oxide to atmosphere, nickel to 

sewage, and reduction of post-neutralization sewage sediments. 

Keywords: environmental protection, environmental management, electronics 

industry, Cleaner Production, deodorisation, purification of flue gas, 

purification of industrial sewage) 

12 



KWAŚNY Z., MIERCZYK Z., MIERCZYK J., KAŁDOŃSKI G.: Korelacyjne 

analizatory ditlenku azotu i metanu w oparciu o filtr interferencyjno-polaryzacyjny 

(CIPS) 


W artykule przedstawiono podstawy metody CIPS (Correlation Interference-Polarization 

Spectroscopy), budowę analizatorów ditlenku azotu 

i metanu, ich parametry techniczne i możliwości aplikacyjne. Metoda charakteryzuje 

się wysoką czułością (poziom sub- ppm), selektywnością, stabilnością 

pracy, powtarzalnością wyników pomiarowych, niskimi kosztami 

wykonania aparatury i jest rozwiązaniem alternatywnym w odniesieniu do 

bardzo drogich układów spektroskopii laserowych. 

Słowa kluczowe: analizatory gazów, spektroskopia korelacyjna, filtr interferencyjno-polaryzacyjny 

ŁUSZCZYK M.: Bioradar do detekcji rytmu serca i oddechu – wybrane 

problemy przetwarzania sygnałów 


Artykuł prezentuje mikrofalowy sensor przeznaczony do detekcji rytmu serca 

i oddechu bez konieczności zapewnienia kontaktu fizycznego z monitorowaną 

osobą. Sensor pracujący na fali ciągłej w paśmie ISM (2,4GHz). 

Zaprojektowane urządzenie składa się oscylatora mikrofalowego realizującego 

funkcje nadajnika i odbiornika, układu kondycjonowania sygnału 

pomiarowego oraz układu akwizycji sygnału wraz z oprogramowaniem 

realizującym algorytmy cyfrowego przetwarzania sygnałów. W artykule 

przedstawiono wyniki badań i analizy sygnałów pomiarowych w warunkach 

pomiaru do 20 cm od osoby monitorowanej. Wyniki pomiarów wykazały 

dużą dokładność sensora mikrofalowego w stosunku do referencyjnej 

metody elektrokardiograficznej. 

Słowa kluczowe: radar dopplerowski, bioradar, sensor mikrofalowy 

KWAŚNY Z., MIERCZYK Z., MIERCZYK J., KAŁDOŃSKI G.: Correlative 

analyzers of nitrogene dioxide and methane based on interference-polarization 

filter (CIPS) 


In this article the basic principles of CIPS (Correlation Interference-Polarization 

Spectroscopy), the construction of nitrogen dioxide and methane 

analyzers, their technical parameters and possible applications are reported. 

The CIPS method is highly sensitive (sub-ppm level), selective, stable, 

gives reproducible results, has a low cost of equipment and is an alternative 

to very expensive laser spectroscopy systems 

Keywords: gas analyzers, correlation spectroscopy, interference – polarization 

filter 

ŁUSZCZYK M.: Bioradar for cardiopulmonary activity detection 

– chosen issue of signal processing 


This paper deals with a wireless sensor, which was designed to detect 

a human heartbeat and respiration signals without direct skin contact. 

Compact, low-cost 2,4 GHz direct conversion sensor was designed and 

implemented in a printed circuit board. The demonstrated sensor consists 

of one printed antennas, microwave oscillator and analog circuits. The heartbeat 

and respiration signals acquired from the detector of the sensor 

are applied to the digital signal processing circuit using laptop compute 

and reference respiration signals are measured simultaneously to evaluate 

the performance of the sensor. Measurement results show that the heart 

rate and respiration accuracy was very high. 

Keywords: Doppler radar, microwave sensor, wireless sensor 

PLUCIŃSKA M., RYŻKO J.: Techniki biometryczne – oceny i kierunki 

rozwoju 


W artykule przedstawiono najważniejsze przekształcenia rynku biometrycznego 

oraz omówiono aktualne dane dotyczące zastosowań technik 

biometrycznych. Pokazano również nowe sektory rynku biometrycznego 

oraz przytoczono różne opinie na temat stosowania biometrii. 

Słowa kluczowe: techniki biometryczne, zastosowania biometrii, rynek 

biometryczny 

PLUCIŃSKA M., RYŻKO J.: Biometric technologies – outlooks and 

trends in development 


The main transformations of biometric market are described and actual 

values of biometric applications are discussed. The new sectors of biometric 

market are mentioned and finally the different outlooks on biometric 

are presented. 

Keywords: biometric technologies, application of biometrics, biometric 

market 

BORKOWSKI P.: Mikrokontrolery PIC w zastosowaniach badawczych. 

Część 7: Moduł USART. Komunikacja z komputerem PC w standardzie 

RS232. Wizualizacja sygnału w przestrzeni 3D 


W siódmej części cyklu artykułów zbudowany zostanie system wizualizujący 

przebieg sygnału w przestrzeni 3D. Do wizualizacji wykorzystany 

zostanie program komputerowy. Omówiona zostanie szeregowa komunikacja 

z komputerem w standardzie RS232. 

Słowa kluczowe: mikrokontroler, PIC18F4455, przerwanie, timer, USART, 

RS232, sygnał 

BORKOWSKI P.: Using PIC Microcontrollers in research applications. 

Part 7: USART Module. RS232 Serial Communication. 3D Signal Visualization 


In the seventh part of the series of articles, the 3D signal visualization has 

been built. A PC program has been used for signal visualization. RS232 

serial communication has been described. 

Keywords: microcontroller, PIC18F4455, interrupt, timer, USART, RS232, 

signal 

GRZESIAK W., ŻUPNIK M., PORADA Z.: Zastosowanie technologii 

SSL LED w systemach oświetleniowych dla potrzeb muzeów i galerii 

sztuki 


W artykule omówiono problematykę związaną z doborem i projektowaniem 

systemów oświetleniowych przeznaczonych do iluminacji obiektów 

muzealnych, dzieł w galeriach sztuki i.t.p. Dokonano przeglądu i analizy 

wymogów stawianych takim systemom. Zaproponowano zastosowanie do 

ich realizacji technologii SSL LED (Solid State Lighting Light-Emitting Diodes) 

i omówiono korzyści z niej wynikające. Zaprezentowano innowacyjne 

rozwiązanie techniczne pozwalające na znaczną poprawę współczynnika 

oddawania barw polegające na zastosowaniu kombinacji diod LED o różnych 

i odpowiednio dobranych temperaturach barwowych. Przedstawiono 

wyniki badań spektralnych systemu. Przedyskutowano wybrane zagadnienia 

konstrukcyjno technologiczne związane z ich projektowaniem. Dokonano 

prezentacji praktycznych realizacji systemów w kilku obiektach 

muzealnych na terenie Polski. 

Słowa kluczowe: technologia SSL LED, diody elektroluminescencyjne, 

oświetlenie obiektów muzealnych, oświetlenie galerii sztuki 

GRZESIAK W., ŻUPNIK M., PORADA Z.: The use of SSL LED technology 

in lighting systems for museums and art galleries 


The article discusses the problems associated with the selection and 

design of lighting systems for illumination of museum objects, works of 

art in galleries, etc. A review and analysis of the requirements of such 

systems was conducted. The implementation of SSL LED (Solid State 

Lighting Light-Emitting Diodes) was proposed and their advantages were 

discussed. The paper presents an innovative technical solution allowing 

for significant improvement in color rendering factor. This solution is based 

on using a combination of LEDs of different and properly selected color 

temperatures. Results of systems spectral investigation are presented. 

Selected issues related to construction technology and design of the system 

are discussed. Several realizations of systems in a number of Polish 

museum objects were presented. 

Keywords: SSL LED, light emitting diodes, lighting of museum objects, 

lighting of art galleries 



ROMANIUK R.: Fotonika i Inżynieria Sieci Internet 2011 


W artykule przedstawiono przegląd wybranych prac naukowo-technicznych 

zaprezentowanych przez młodych uczonych z różnych uczelni 

technicznych w kraju w czasie sympozjum Wilga 2011 pt. Fotonika i Inżynieria 

Sieci Internet. Sesje tematyczne sympozjum obejmowały, między 

innymi: nanomateriały i nanotechnologie dla fotoniki, światłowody 

czujnikowe i aktywne, obiektowe projektowanie sprzętu, metrologię fotoniczną, 

zastosowania optoelektroniki i fotoniki, projektowanie układów 

fotoniczno-elektronicznych, systemy optoelektroniczne i elektroniczne 

dla astronomii i eksperymentów fizyki wysokich energii, rozwój eksperymentów 

JET oraz pi-of-the-sky. Sympozjum jest dorocznym podsumowaniem 

postępów w realizacji wielu prac doktorskich z tych dziedzin na 

uczelniach w kraju. 

Słowa kluczowe: nanomateriały, światłowody, optoelektronika, fotonika, 

systemy pomiarowe, astronomia, eksperymenty fizyki wysokich energii 

ROMANIUK R.: Photonics and Web Engineering 


The paper presents a digest of chosen technical work results shown by 

young researchers from different technical universities from this country 

during the Wilga 2011 symposium on Photonics and Web Engineering. 

Topical tracks of the symposium embraced, among others, nanomaterials 

and nanotechnologies for photonics, sensory and nonlinear optical fibers, 

object oriented design of hardware, photonic metrology, optoelectronics 

and photonics applications, photonics-electronics co-design, optoelectronic 

and electronic systems for astronomy and high energy physics experiments, 

JET and pi-of-the sky experiments development. The symposium 

is an annual summary in the development of numerable Ph.D. theses carried 

out in this country in the area of advanced electronic and photonic 

systems. 

Keywords: nanomaterials, optical fibers, optoelectronics, photonics, measurement 

systems, astronomy, high energy physics experiments 

GROCHOWSKI J., GUZIEWICZ M., BORYSIEWICZ M.: Analiza transmisji 

optycznej półprzewodnikowych warstw NiO osadzanych metodą 

magnetronowego rozpylania katodowego 


Optyczne właściwości cienkich półprzewodnikowych warstw NiO wytwarzanych 

za pomocą reaktywnego magnetronowego rozpylania katodowego 

zbadano pod kątem transmisji optycznej. Określono szerokość 

przerwy energetycznej w zależności od warunków wzrostu warstwy. 

Elektryczne parametry warstw zmierzono metodą Hall’a bezpośrednio 

po osadzaniu oraz po procesach wygrzewania w tlenie i argonie w zakresie 

temperatur 200…700°C. Warstwy osadzane w temperaturze pokojowej 

przy zawartości tlenu w plazmie od 9% do 100% charakteryzują 

się transmisją poniżej 10%, przewodnictwem typu p oraz rezystywnością 

poniżej 0,5 Ωcm. Warstwy osadzane w podwyższonej temperaturze 

z zakresu 300…700°C charakteryzują się transmisją optyczną powyżej 

60% oraz rezystywnością wyższą od 1 Ωcm. Wygrzewanie warstw w tlenie 

wywołuje zmiany transmisji i szerokości przerwy energetycznej w zależności 

od zastosowanej temperatury i czasu, przy czym obserwowano 

wzrost rezystywności po wygrzewaniu w wyższych temperaturach, zaś 

wygrzewanie w atmosferze argonu powoduje drastyczny spadek przewodnictwa. 

Warstwy NiO domieszkowano także węglem, co kilkukrotnie 

zmniejszało ich rezystywność. Warstwy te po dodatkowym wygrzewaniu 

w tlenie charakteryzują się wyższym poziomem transmisji oraz szerszą 

przerwą energetyczną. 

Słowa kluczowe: transparentne tlenki półprzewodnikowe, cienkie warstwy, 

tlenek niklu, magnetronowe rozpylanie katodowe 

GROCHOWSKI J., GUZIEWICZ M., BORYSIEWICZ M.: Optical transmittance 

analysis of semiconducting NiO films deposited by magnetron 

sputtering 


Optical properties of thin semiconducting NiO films deposited by reactive 

magnetron sputtering were examined using optical transmittance 

measurements. Bandgap widths of these films were calculated in dependence 

of deposition process’ parameters. Electrical properties of 

films were measured after deposition and annealing processes in O 2 

and Ar at temperatures from 200…700°C by Hall method. NiO films 

deposited at room temperature and having oxygen amount in process 

plasma varying from 9% to 100% are characterized by optical transmittance 

below 10%, p-type conduction and resistivity lower than 0.5 

Ωcm. Films deposited at temperatures elevated from 300…700°C are 

characterized by transmittance above 60% and resistivity higher than 

1 Ωcm. Annealing in oxygen results in change of optical transmittance 

level and bandgap width depending on used time and temperature. 

Resistivity is higher after annealing at higher temperatures in oxygen 

while annealing in argon ambient causes conductivity to drop dramatically. 

Doping thin NiO films with carbon was also performed which 

resulted in lower resistivity few times. After additional annealing NiO:C 

films in O 2 

their optical transmittance level raised and bandgap width 

widened. 

Keywords: transparent oxide semiconductors, thin films, NiO, magnetron 

sputtering 

14 


Parametryzacja sygnałów dla celów e-diagnostyki 

obiektów końcowych sieci energetycznej 

dr inż. ALEKSANDER LISOWIEC 

Instytut Tele- i Radiotechniczny, Warszawa 

Kompleksowa diagnostyka on-line, tzn. w trakcie normalnej 

pracy podstawowych obiektów sieci energetycznych, jakimi 

są wyłączniki odbywa się w sieci teleinformatycznej – rys. 1 

[1]. Z każdym wyłącznikiem jest stowarzyszone Urządzenie 

Akwizycji Danych, które realizuje algorytmy zabezpieczeniowe 

oraz dokonuje na bieżąco akwizycji wszystkich sygnałów 

elektrycznych związanych z wyłącznikiem. Sygnały są zapisywane 

w buforze kołowym. W momencie wystąpienia zdarzenia 

otwarcia bądź zamknięcia wyłącznika zawartość bufora 

jest przesyłana do Koncentratora Danych – komputera klasy 

PC znajdującego się w rozdzielni. Długość bufora pozwala na 

zapis 6400 próbek sygnałów, co przy częstotliwości próbkującej 

16 kHz obejmuje okres 400 ms. Oprogramowanie diagnostyczne 

zainstalowane w Koncentratorze Danych składa 

się z modułu parametryzacji sygnałów oraz modułu systemu 

eksperckiego. System ekspercki na podstawie wyznaczonych 

parametrów sygnałów oraz bazy wiedzy wnioskuje o stanie 

wyłącznika. 

Sygnały elektryczne związane z wyłącznikiem to napięcia 

i prądy fazowe, prądy cewek otwierających i zamykających 

wyłącznika, sygnały dwustanowe styków pomocniczych oraz 

sygnały przetworzone wielkości nieelektrycznych takich jak 

temperatura styków oraz widmo promieniowania w czasie wyładowań 

łukowych. 

Parametryzacja napięć i prądów fazowych do realizacji 

algorytmów zabezpieczeniowych odbywa się w Urządzeniu 

Akwizycji Danych, natomiast parametryzacja napięć i prądów 

fazowych oraz pozostałych sygnałów do celów e-diagnostyki 

odbywa się w Koncentratorze Danych – komputerze klasy PC. 

Parametryzacja napięć i prądów fazowych 

Wyznaczanie częstotliwości przebiegu 

Podstawowe parametry napięć i prądów fazowych wyznaczane 

dla celów e-diagnostyki, to częstotliwość składowej 

podstawowej, widmo Fourierowskie oraz wartość RMS. Częstotliwość 

sama w sobie nie niesie szczególnych informacji 

diagnostycznych o wyłączniku, jest natomiast niezbędna 

w celu przeprowadzenia operacji resamplingu oryginalnego 

ciągu próbek, który – jak to zostanie wyjaśnione dalej – jest 

konieczny do prawidłowego wyznaczenia widma. 

Częstotliwość jest wyznaczana z interpolowanych przejść 

przez zero przebiegu składowej podstawowej jednego z napięć 

lub prądów fazowych. Do odfiltrowania składowej podstawowej 

stosuje się dwusekcyjny filtr pasmowo-przepustowy 

drugiego rzędu o nieskończonej odpowiedzi impulsowej. Charakterystyka 

częstotliwościowa filtra wyraża się wzorem: 

2 

j 

ω 

2 

j 

ω 

a 

1 

+ 

a 

2 

e 

a 

3 

+ 

a 

4 

e 

H ( ω 

) = 

(1) 

j 

ω 

2 

j 

ω 

• 

j 

ω 

2 

j 

ω 

b 

+ 

b 

e 

+ 

b 

e 

b 

+ 

b 

e 

+ 

b 

e 

1 

2 

3 

gdzie: wartości współczynników a 1 

, a 2 

, a 3 

, a 4 

, b 1 

, b 2 

, b 3 

, b 4 

, b 5 

i b 6 

zostały przedstawione w tabeli 1, a ω jest pulsacją unormowaną 

(pulsacja sygnału pierwotnego podzielona przez pulsację 

sygnału próbkującego). 

Szerokość 3-decybelowa filtru pasmowo-przepustowego 

wynosi 10 Hz, częstotliwość środkowa jest równa 50 Hz. 

4 

5 

6 

URZĄDZENIE 

AKWIZYCJI DANYCH 

OBSZAR POJEDYNCZEJ 

ROZDZIELNI 

URZĄDZENIE 

AKWIZYCJI DANYCH 

WYŁĄCZNIK 

URZĄDZENIE 

POMIAROWO- 

KONTROLNE 

UPK 

WYŁĄCZNIK 

URZĄDZENIE 

POMIAROWO- 

KONTROLNE 

UPK 

INTERFEJS 

IEC 61850 

INTERFEJS 

IEC 61850 

ETHERNET 100Mb 

KONCENTRATOR DANYCH 

TCP/IP 

BRAMA 

INTERNET 

CENTRALNA BAZA DANYCH 

Rys. 1. Ogólny schemat sieci teleinformatycznej do diagnostyki wyłącznika 

Fig. 1. General diagram of teleinformation network for circuit breaker diagnosis 


Tab. 1. Wartości współczynników filtra pasmowo-przepustowego 

Tabl. 1. Bandpass filter coefficients 

Współczynnik a 1 

a 2 

a 3 

a 4 

b 1 

Wartość 0.0006181043572723866 -a 1 

a 1 

-a 1 

0.5 

Tab. 1. Wartości współczynników filtra pasmowo-przepustowego, cd. 

Tabl. 1. Bandpass filter coefficients 

Współczynnik 

b 2 

b 3 

b 4 

b 5 

b 6 

Analiza widmowa dla wyznaczenia 

wartości RMS 

Analizę widmową fazowych sygnałów prądowych i napięciowych 

w Koncentratorze Danych przeprowadza się za pomocą 

dyskretnej transformaty Fouriera DFT. Widmo wyznaczone 

za pomocą DFT odpowiada rzeczywistemu widmu sygnału 

w przypadku spełnienia następujących warunków: a) badany 

sygnał jest stacjonarny, b) częstotliwość próbkowania spełnia 

warunek Nyquista, c) liczba próbek odpowiada dokładnie 

wielokrotności okresu sygnału, d) sygnał nie zawiera składowych 

o częstotliwościach niebędących wielokrotnością częstotliwości 

podstawowej sygnału [2]. Dla spełnienia warunku 

c), w Koncentratorze Danych stosuje się operację resamplingu. 

Polega ona na wstawieniu N-1 próbek zerowych między 

każdą z par próbek oryginalnych, poddaniu tak otrzymanego 

ciągu działaniu dolno-przepustowego filtru interpolacyjnego, 

a następnie wybraniu co M-tej próbki. Otrzymuje się w ten 

sposób ciąg próbek o częstotliwości (N/M)∙f, gdzie f jest częstotliwością 

pierwotnego ciągu próbek. 

Dla wartości częstotliwości próbkującej f s 

= 16 kHz, pierwotna 

ilość próbek na okres zmienia się w zakresie w zależności od wartości częstotliwości podstawowej 

sieci energetycznej f line 

. Po procesie resamplingu, w którym 

N = 80 a M zmienia się zgodnie z zależnością: 

f 

s 

⋅ 

N 

M 

= 

(2) 

f 

⋅128 

gdzie ║x║ oznacza liczbę całkowitą najbliższą x, otrzymuje 

się ciąg próbek o liczbie próbek na okres równej 128 z dokładnością 

±0,32 próbki. 

To, że dla pewnych wartości częstotliwości przebiegu sieci, 

przyjętej wartości współczynnika interpolacji N i wyliczonej 

wartości współczynnika decymacji M odstępstwo od 128 

próbek na okres osiąga ±0,32 próbki powoduje wystąpienie 

efektu „przeciekania widma”. Zjawisko to charakteryzuje się 

wzajemnym wpływem blisko siebie położonych prążków widmowych. 

W konsekwencji w wyznaczonym widmie niektóre 

prążki mają nieco większą amplitudę a inne zmniejszoną. 

Ponadto pojawiają się składniki widma, które tak naprawdę 

w widmie nie powinny wystąpić. 

Przeprowadzono analizę dokładności wyznaczenia widma 

dla tych wartości częstotliwości f line 

, dla których odstępstwo od 

128 próbek na okres po przeprowadzeniu procesu interpolacji 

jest największe. Najmniej korzystnym przypadkiem jest, gdy 

w widmie sygnału występują składowe harmoniczne położone 

obok siebie. Rysunek 2 przedstawia względny błąd wyznaczenia 

amplitudy prążków harmonicznych w takim właśnie 

przypadku. 

16 

line 

Wartość -0.9991053487174213 0.49931909004226327 b 1 

b 2 

b 3 

Rys. 2. Względny błąd wyznaczenia poziomu wyższych harmonicznych. 

Harmoniczne występują parami obok siebie 

Fig. 2. Relative error of the estimation of higher harmonics. The 

harmonics are in pairs close to each other 

Analiza widmowa do wykrywania zjawisk 

ferrorezonansowych 

Ferrorezonans występuje, kiedy w nieobciążonym trójfazowym 

systemie zawierającym elementy indukcyjne i pojemnościowe 

zajdzie chwilowe zakłócenie w jednej z faz. W praktyce 

jest to zazwyczaj sieć energetyczna wysokiego lub średniego 

napięcia z kilkoma transformatorami (elementy indukcyjne) 

i kablami lub przewodami energetycznymi (elementy pojemnościowe). 

Jeśli taka sieć jest nieobciążona i pojawi się zakłócenie 

na jednej z faz (np. krótkotrwałe zwarcie), wówczas 

może wystąpić zjawisko ferrorezonansu. Jeśli po wystąpieniu 

ferrorezonansu sieć jest dalej zasilana, to następuje wzrost 

napięcia do wartości, przy której może nastąpić przebicie izolacji 

i w rezultacie fizyczne uszkodzenie urządzeń. 

Do wykrywania zjawiska ferrorezonansu można stosować 

analizę widma przebiegu, przy czym konieczne jest zwiększenie 

rozdzielczości częstotliwościowej. Rozdzielczość częstotliwościowa 

jest odwrotnie proporcjonalna do okresu czasu, 

z którego wyznacza się widmo. 

Częstotliwość drgań ferrorezonansowych nie jest związana 

z częstotliwością sieci energetycznej lub jej harmonicznymi. 

Może być ona praktycznie dowolna i to zarówno wyższa, 

jak i niższa od częstotliwości podstawowej sieci. Ponieważ 

częstotliwość drgań ferrorezonansowych nie jest z góry znana, 

niemożliwe jest określenie okresu analizy sygnału niezbędnego 

do dokładnego wyznaczenia widma związanego 

z ferrorezonansem. 

Pierwotnie w Koncentratorze Danych dostępnych jest 

6400 próbek każdego sygnału z wyłącznika, rejestrowanych 

za okres 400 ms w trakcie trwania zdarzenia „otwórz” 

lub „zamknij”. Część okresu 400 ms (kilka okresów częstotliwości 

podstawowej sieci) obejmuje okres tuż przed zadziałaniem 

wyłącznika. Pozostałych kilkanaście okresów to 

czas, w którym na skutek zadziałania wyłącznika zmieniła 

się konfiguracja sieci. W tym czasie mogą wystąpić zjawiska 

ferrorezonansowe. Dla celów detekcji tych stanów przebiegi 

napięć fazowych poddaje sie operacji resamplingu o współczynnikach 

N i M odmiennych niż przy operacji resamplingu 

dla wyznaczenia harmonicznych z jednego okresu sygnału. 

Wartości N i M są tak dobrane, aby otrzymać 1024 próbki dla 

10 okresów przebiegu. N ma wartość 600, a M wyznacza się 

z wyrażenia: 

f 

s 

⋅ 

N ⋅ 

10 

M 

= 

(3) 

f 

⋅1024 

line 


14 

12 

10 

8 

6 

Widmo z anharmoniczną 16,25 Hz 

Widmo bez anharmonicznej 

Tab. 2. Parametry modelu sygnału o postaci (4) 

Tabl. 2. Parameters of the signal described by the formula (4) 

Parametr A 1 

A 2 

f 1 

[Hz] f anh1 

[Hz] 

Wartość startowa 0,5 0,5 50 25 

Wyznaczona 

wartość 

0,4989128 0,49022616 53,929859 16,1954282 

4 

2 

0 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 

Nr harmonicznej 

Rys. 3. Fragment widma sygnału o postaci (4) 

Fig. 3. Part of the spectrum of the signal described by the formula 

(4) 

0.5 

0.0 

Wyznaczanie parametrów czasowych 

sygnałów wyłącznika 

Parametry czasowe dotyczą napięć i prądów fazowych, 

prądów cewek otwierających i zamykających wyłącznika 

oraz sygnałó dwustanowych styków pomocniczych. Parametry 

czasowe napięć i prądów fazowych są to momenty 

pojawienia się lub zaniku tych sygnałów i wyznaczane są 

one metodami progowymi [3]. Parametry czasowe prądów 

cewek otwierających wyznaczane są z wykorzystaniem 

transformaty falkowej (Wavelet transform). Metody te zostały 

opisane w artykule zamieszczonym w niniejszym numerze 

Elektronki pt.: Zastosowanie transformacji falkowej 

do rozkładu przebiegu czasowego prądu cewki otwierającej 

wyłącznika. 

Podsumowanie 

0.5 

0 50 100 150 200 250 

numer próbki 

Rys. 4. Próbki sygnału (4) z nałożonym białym szumem Gaussowskim 

Fig. 4. Samples of the signal described by the formula (4) 

W wyniku operacji resamplingu otrzymuje się 1024 próbek 

sygnału za okres 200 ms. Pozwala to zastosować do tego 

zbioru próbek algorytm FFT, przy czym rozdzielczość częstotliwościowa 

wynosi 5 Hz. Rysunek 3 przedstawia fragment 

wyznaczonego widma sygnału o postaci (4): 

v t 

) 

= A 

⋅ 

sin (2 

⋅ 

π 

⋅ 

f 

⋅ 

t 

) 

+ 

A 

⋅ 

sin(2 

⋅ 

π 

⋅ 

f 

⋅ 

) anh (4) 

( 1 1 

2 

1 

t 

gdzie: A 1 

= 0,5, f 1 

= 54,2 Hz, A 2 

= 0,5, f anh1 

= 16,26 Hz, powstałego 

wskutek wystąpienia zjawiska ferrorezonsu. Widmo 

zostało wyznaczone z 1024 próbek za 10 okresów sygnału. 

Analiza widma przedstawionego na rys. 2 pozwala stwierdzić, 

że w sygnale występuje składowa o częstotliwości anharmonicznej 

w pobliżu 15 Hz. Do wyznaczenia dokładnej wartości 

amplitudy oraz częstotliwości tej składowej anharmonicznej 

można użyć metod optymalizacyjnych. W metodach tych przyjmuje 

sie pewien model sygnału a następnie estymuje parametry 

modelu w celu osiągnięcia optimum funkcji celu, jak na 

przykład minimalizację sumy kwadratów różnic między modelem 

a rzeczywistymi próbkami sygnału. Metody optymalizacyjne 

sprawdzają się, gdy algorytmy szukania optimum, jako wartości 

początkowe dostają wartości parametrów bliskie optymalnym. 

Na rysunku 4 przedstawiono zbiór 256 próbek sygnału (4) 

z nałożonym szumem. 

W tabeli 2 pokazano wartości startowe parametrów A 1 

, A 2 

, 

f 1 

i f anh1 

oraz wartości wyznaczone przez minimalizację sumy 

kwadratów różnic między modelem sygnału (4) i jego próbkami 

za pomocą metody Newtona. 

Parametryzacja sygnałów wyłącznika SN dla celów e- 

diagnostyki wymaga zaawansowanych metod cyfrowego 

przetwarzania sygnałów. Podstawowym narzędziem do 

wyznaczania widma sygnałów napięć i prądów fazowych 

jest dyskretne przekształcenie Fouriera z ciągu próbek 

odpowiadających jednemu okresowi. W przypadku, gdy 

istnieje podejrzenie pojawienia się w sygnale składowych 

anharmonicznych, tzn. sygnałów o częstotliwościach nie 

będących całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości 

podstawowej, należy przeprowadzić analizę Fourierowską 

w przedziale czasu większym niż okres podstawowy. 

Pojawienie się w widmie prążków o częstotliwościach interharmonicznych 

i dużej amplitudzie może świadczyć 

o występowaniu w sieci zjawisk ferrorezonansowych. Do 

dokładnego wyznaczenia amplitudy i częstotliwości składowych 

anharmonicznych można następnie użyć metod 

parametrycznych. 

Do wyznaczania momentów zaniku lub pojawienia się 

napięć i prądów fazowych można zastosować proste metody 

progowe. Analiza parametrów czasowych prądów cewek 

otwierających i zamykających wyłącznika wymaga bardziej 

zaawansowanych metod jak transformata falkowa. 

Prace prezentowane w tym artykule są częścią projektu rozwojowego 

współfinansowanego prze Unię Europejską w ramach 

Funduszy Strukturalnych Program Operacyjny Innowacyjna Gospodarka, 

numer projektu WND-POIG.01.03.01-14-141/08. 

Literatura 

[1] Lisowiec A., Nowakowski A., Kołodziejczyk Z., Miedziński B.: 

E-diagnozowanie energetycznych sieci rozdzielczych. Przegląd 

Elektrotechniczny, 2009, nr 9. 

[2] Oppenheim A.V. & Schafer R.W.: Discrete-Time Signal Processing. 

1998 2ed., PH, USA. 

[3] Brodziński G., Rup M.: Metoda oceny wybranych parametrów 

czasowych wyłączników SN podczas eksploatacji. 


Zastosowanie transformacji falkowej do badania 

rozkładu przebiegu czasowego prądu cewki 

otwierającej wyłącznika – badania symulacyjne 

dr inż. GRZEGORZ BRODZIŃSKI 


Transformacja falkowa jest stosunkowo nowym narzędziem Dla różnych współczynników skali m uzyskuje się różne przedziały 

analizowanych częstotliwości i różne szerokości okna fal- 

analizy sygnałów niestacjonarnych. Funkcje bazowe (falki 

analizujące) nie są funkcjami harmonicznymi tak jak jest kowego. Kiedy m zwiększa się o 1, falki stają się dwa razy krótsze, 

a ich widmo częstotliwościowe jest dwa razy szersze. Dzięki 

to w przypadku klasycznej lub krótkoczasowej transformaty 

Fouriera. Wynika z tego, że badany sygnał napięciowy wraz zmianie szerokości okna falkowego uzyskuje się analizę wielorozdzielczą 

(MRA – Multiresolution Analysis). Dla małej wartości 

z zakłóceniami o charakterze impulsowym może być przedstawiony 

za pomocą skończonej ich liczby. Aby funkcja ψ(t) współczynnika m (duże a – szerokie okno falkowe) uzyskuje się 

mogła stanowić okno falkowe musi spełniać warunek (1): małą rozdzielczość czasową, a dużą rozdzielczość częstotliwościową. 

Dla dużych wartości m (małych skal) jest odwrotnie. 

Ψ ( ω ) 

(1) 

ω 

= 0 = 

∫ ψ 

( 

t 

) 

dt 

= 

0 

Zatem kształt atomów czasowo-częstotliwościowych w przeci- 

 

+∞ 

−∞ 

∞ψ 

wieństwie do STFT jest zależny od położenia na płaszczyźnie 

Falki ψ(t) muszą być zatem oscylacyjnymi i tłumionymi czas-skala (rys. 1), natomiast ich pole pozostaje niezmienne. 

ciągłymi funkcjami czasu (falki muszą oscylować i gasnąć). W praktycznej realizacji numerycznej dyskretnej diadycznej 

transformaty falkowej są wykorzystywane filtry związane 

Ciągła transformata falkowa sygnału u(t ) w dziedzinie czasu 

jest zdefiniowana za pomocą zależności (2): 

z falkami (algorytm Mallata) [1]. Wyjaśnia to teoria wieloroz- 

+∞ dzielczej aproksymacji sygnału. Zgodnie z [1] sygnał u(t ) 

T 1 

* 

t 

− 

b 

CWT 

u 

( 

a 

, 

b 

) 

= (2) 

 

u 

t 

dt 

a 

∫ 

( ) ψa 

b 

( ) 

może być przedstawiony na zerowym poziomie rozdzielczości 

czasowej za pomocą sumy poprzesuwanych, wzajemnie 

, 

a 

− 

∞ 

1 

gdzie: Ψ 

, 

( t) 

( 

t − 

a b 

ortonormalnych funkcji bazowych φ (t) 

: 

a b 

= ψ ) – okno falkowe, a – skala, 

a 

b – przesunięcie. 

∑ ∑ +∞ 

0 

* 

u ( t) 

= c 

0, 

nφ (2 t − n) 

= c 

0 

, nφ( 

t− 

n) 

, c 0 , 

n = ∫ u 

( 

t 

) 

φ 

( 

t 

− 

n 

n 

n 

− 

∞ 

Wynikiem tego przekształcenia jest zbiór liczb określających (6) 

„stopień podobieństwa” (korelacji) badanego sygnału do falki 

∑ ∑ +∞ 

0 

* 

u ( t) 

= c 

0, 

nφ (2 t − n) 

= c 

0 

, nφ( 

t− 

n) 

, c 0 , 

n = ∫ u 

( 

t 

) 

φ 

( 

t 

− 

n 

) 

dt 

n 

n 

dla różnych skal i przesunięć w czasie. Transformacja falko- 

− 

∞ 

wa reprezentuje badany sygnał w przestrzeni czas-skala (t/s), 

a nie czas-częstotliwość (t/f ) jak w przypadku krótkoczasowej Z kolei na pierwszym poziomie rozdzielczości sygnał u(t ) jest 

transformaty Fouriera STFT. Skala a oraz przesunięcie b mogą wyrażony za pomocą zależności (7): 

przyjmować wartości ze zbioru liczb rzeczywistych – ciągła 

+∞ 

transformata falkowa. Wraz ze wzrostem wartości skali, rośnie 

1 

u ( t 

) 

= 

∑ 

c 

1 , 

n 

2 

φ (2 

t 

− 

n 

) 

= 

∑ 

c 

1 

, 

n 

2 

φ 

(2 

t 

− 

n 

) 

, c 1 , 

n = ∫ 

u 

( 

t 

) 

2 

φ 

szerokość okna falkowego (w czasie) oraz zmniejsza się jego n 

n 

(7) 

−∞ 

szerokość w częstotliwości (widma Fouriera). Ciągła repre- 

+∞ 

1 

* 

zentacja falkowa jest bardzo u nadmiarowa. ( t 

) 

= 

∑ 

c 

1 , 

n 

2Dlatego φ (2 

t 

− podobnie 

n 

) 

= 

∑ 

c 

1 

, 

n 

2 

φ 

(2 

t 

− 

n 

) 

, c 1 , 

n = ∫ 

u 

( 

t 

) 

2 

φ 

(2 

t 

− 

n 

) 

dt 

jak w przypadkach DFT oraz STFT jest n 

definiowana dyskretna 

n 

−∞ 

transformacja falkowa DWT. Przejście od ciągłej do dyskretnej 

transformaty falkowej polega na dyskretyzacji skali a i przesunięcia 

b zgodnie z zależnością (3) [1, 2, 3]: 

− 

m 

− 

m 

= 0 

0 

a 

= a 

0 , 

b 

nb 

a 

(3) 

gdzie: m – współczynnik skali, n – współczynnik przesunięcia. 

Przyjmując te oznaczenia i podstawiając je do zależności 

(2) otrzymuje się wzór na dyskretną transformatę falkową (4): 

ω 

1 

+∞ m 

DWT 

(4) 

u [ m , 

n 

] 

= u 

t 

a 

t 

nb 

dt 

m ∫ 

( ) ψ( 

0 

− 

0) 

− 

a 

0 

− 

∞ 

Przyjmując ponadto wartości a 0 

= 2 oraz b 0 

= 1 otrzymuje 

się dyskretną diadyczną, transformację falkową (DDWT) opisaną 

zależnością (5): 

m 

/ 

2 

m 

DDWT [ 

m , 

n 

] 

= ∑ u 

( 

k 

)2 

ψ 

(2 

k 

− 

n 

) (5) 

gdzie: k – indeks próbki sygnału badanego, n – współczynnik 

przesunięcia, m – współczynnik skali. 

18 

u 

k 

skala 

Rys. 1. Kształt atomów czasowo-częstotliwościowych dla diadycznej 

transformaty falkowej 

Fig. 1. Shape of time-frequency atoms for discrete diadic wavelet 

transform 

Elektronika 7/2011 

t

W tym przypadku funkcje bazowe są także ortonormalne, lecz 

dwa razy krótsze, a ich widmo dwa razy szersze. Aproksymacja 

na tym poziome jest bardziej szczegółowa. Przyjmując oznaczenia 

Ω 0 

i Ω 1 

jako przestrzeni rozpinanych odpowiednio przez funkcje 

φ ( 2 

0 t) 

i 2φ (2 

1 t) 

oraz Π 0 

jako dopełnienie Ω 0 

do Ω 1 

wówczas: 

Ω (8) 

1 = Ω 

0 

+ 

Π 

0 

, Ω 

1 ⊃ 

Ω 

0 

Jeżeli przestrzeń Ω 0 

jest rozpinana przez funkcję φ (t) 

, to dla 

przestrzeni Π 0 

taką rolę pełni falka ψ (t). Zatem przestrzenie 

Ω n 

są rozpinane przez funkcje skalujące φ (t) 

odpowiadające 

filtrowi dolnoprzepustowemu, natomiast przestrzenie Π n 

są 

rozpinane przez falki ψ(t), których widmo odpowiada charakterystyce 

filtru pasmowoprzepustowego i stanowi ono dopełnienie 

widma funkcji skalującej z niższego poziomu rozdzielczości 

do widma funkcji skalującej z poziomu wyższego. To 

umożliwia opis sygnału na J-tym poziomie rozdzielczości jako 

suma aproksymacji uzyskiwanej za pomocą funkcji skalującej 

i detali uzyskiwanych za pomocą filtrów falkowych: 

u 

( t 

) 

= 

c 

φ 

( 

t 

) 

+ 

d 

ψ 

( 

t (9) 

gdzie: 

+∞ 

∫ 

∑ 

n 

J 

∑ − 1 

m , n m , n 

∑ 

m 

, 

n 

m 

, 

n 

) 

0 0 

m 

= 

m 

0 

n 

m 

/ 

2 

* 

m 

m 

/ 

2 

* 

m 

c m , n 

= u 

( 

t 

)2 

φ (2 

t 

− 

n 

) 

dt 

, d 

m , 

n 

= ∫ 

u 

( 

t 

)2 

Ψ 

(2 

t 

− 

n 

) 

dt (10) 

−∞ 

W wielorozdzielczej dekompozycji sygnału funkcja skalująca 

na poziomie niższym musi być liniową kombinacją funkcji 

skalujących z poziomu wyższego: 

φ( ( t ) 

= 

∑ h 

( 

k 

) 

2 

φ 

(2 

t 

− 

k 

) 

(11) 

k 

Współczynniki wagowe h(k) pełnią rolę współczynników 

filtru dolnoprzepustowego. Podobnie falka na poziomie niższym 

jest liniową kombinacją funkcji skalujących z poziomu 

wyższego: 

ψ ( t ) 

= 

∑ g 

( 

k 

) 

2 

φ 

(2 

t 

− 

k 

) 

(12) 

k 

Współczynniki wagowe g(k) pełnią rolę współczynników 

filtru górnoprzepustowego. Współczynniki filtru dolnoprzepustowego 

muszą spełniać wymagania opisane zależnościami 

(13) i (14) [1]: 

 

∑ h ( 

k 

) 

= 

2 

(13) 

k 

∑ 

h 

( 

k 

) 

2 = 

1 

(14) 

k 

Natomiast współczynniki filtru górnoprzepustowego muszą 

spełniać wymagania opisane zależnościami (15) i (16) [2]: 

+∞ 

−∞ 

Współczynniki c m,n 

z niższego poziomu rozdzielczości 

otrzymuje się drogą filtracji dolnoprzepustowej współczynników 

c m+1,n 

z poziomu wyższego za pomocą filtru h(k ) oraz następującej 

po niej decymacji drugiego rzędu [2]: 

m 

, 

n 

m 

( ∑ m 

+ 

1 

l 

c = 

c 

n 

) 

= 

h 

( 

l 

− 

2 

n 

) 

c 

( 

l 

) (18) 

Natomiast współczynniki d m,n 

uzyskuje się w wyniku filtracji 

górnoprzepustowej współczynników c m+1,n 

za pomocą filtru 

g(h) i analogicznej decymacji [2]: 

m 

, 

n 

m 

( ∑ m 

+ 

1 

l 

d = 

d 

n 

) 

= 

g 

( 

l 

− 

2 

n 

) 

c 

( 

l 

) (19) 

Schemat praktycznej realizacji numerycznej trzypoziomowej 

analizy (dekompozycji) sygnału metodą diadycznej transformacji 

falkowej zwany także drzewem dekompozycji falkowej 

(algorytm Mallata) jest pokazany na rysunku 2. 

Zakłada się, że na najwyższym poziomie rozdzielczości 

czasowej współczynniki c m 

są równe próbkom przetwarzanego 

sygnału. Wyniki filtracji na wyjściach filtrów dolnoprzepustowych 

nazywa się aproksymacjami. Zawierają one niskoczęstotliwościowe 

składowe sygnału. Natomiast wyniki filtracji 

na wyjściach filtrów górnoprzepustowych nazywa się detalami 

i zawierają składowe wysokoczęstotliwościowe. Niektórzy autorzy 

zamiast pojęcia poziomu rozdzielczości używają pojęcia 

poziomu dekompozycji. Wyższy poziom dekompozycji odpowiada 

większej szerokości czasowej okna falkowego. Relacja 

między poziomem rozdzielczości, a poziomem dekompozycji 

jest opisana zależnością (20): 

j = 

J 

− l 

(20) 

= l res 

gdzie: j – numer poziomu dekompozycji, J – całkowita liczba 

poziomów dekompozycji, l res 

– poziom rozdzielczości. 

Zerowy poziom rozdzielczości odpowiada J-emu (ostatniemu) 

poziomowi dekompozycji. Ponadto autorzy niektórych 

prac dyskretyzując skalę a oraz przesunięcie b, przyjęli współczynnik 

skali m ze znakiem dodatnim: 

m 

a 0 

m 

b 0 

0 

= a 

, 

= 

nb 

a 

(21) 

gdzie: a 0 

= 2, b 0 

= 1. 

Przy tych oznaczeniach dyskretna, diadyczna transformata 

falkowa jest opisana zależnością (22): 

− 

m 

/ 

2 

− 

m 

DDWT [ 

m , 

n 

] 

= ∑ u 

( 

k 

)2 

ψ 

(2 

k 

− 

n 

) (22) 

u 

k 

Numer poziomu dekompozycji j odpowiada współczynnikowi 

skali m ( j = m). Zatem dla kolejnych współczynników skal 

m uzyskuje się podwojenie szerokości czasowej okna falkowego. 

Na podstawie współczynników aproksymacji z pozio- 

∑ g ( 

k 

) 

= 

0 

(15) 

g 

( 

k 

) 

2 = 

1 

(16) 

W przypadku ortonormalnych systemów falkowych współczynniki 

filtru górnoprzepustowego można wyznaczyć bezpośrednio 

ze współczynników filtru dolnoprzepustowego zgodnie 

z zależnością (17): 

n 

g 

( n 

) 

= ± 

( 

− 

1) 

h 

( 

N 

− 

1 

− 

n 

) 

(17) 

gdzie: N – liczba współczynników filtru. 

k 

∑ 

k 

Ω 3 

g(k) 

h(k) 

Π 2 

2 

d 2 

( n) 

2 Ω 2 

c 2( 

n ) 

g(k) 

h(k) 

2 

d ( n 1 

) 

2 

c ( ) 

Rys. 2. Trójpoziomowe drzewo dekompozycji falkowej 

Fig. 2. Three level wavelet decomposition tree 

1 n 

Π 1 

Ω 1 

g(k) 

h(k) 

Π 0 

2 

d 0 

( n) 

2 

c 0 

( n) 

Ω 0 


g(k) 

2 

D ( n 1 

) 

A ( n ) 

D 0 ( n 2 

) 

g(k) 

2 

D ( n 3 

) 

h(k) 

2 

g(k) 

2 

A 1( 

n ) 

h(k) 

2 

A 2 

( n ) 

h(k) 

2 

A ( n 3 

) 

Poziom rozdzielczości 

Poziom dekompozycji 

J-1 J-2 J-3 

1 2 3 

Rys. 3. Trzypoziomowe drzewo dekompozycji falkowej z zaznaczeniem 

zależności między poziomami rozdzielczości, a poziomami 

dekompozycji 

Fig. 3. Three level wavelet decomposition tree with mark dependence 

between resolution levels and decomposition level 

Rys. 4. Ilustracja graficzna splotu dyskretnego liniowego dwóch 

sygnałów x(n) i h(n) 

Fig. 4. Graphic presentation of discrete linear convolution two 

signal x(n) and h(n) 

mu j-1 ( c 

( m− 1, 

n 

= c 

j −1, 

n 

= c 

j −1 n) 

= Aj 

−1( 

n) 

) drogą filtracji górnoi 

dolnoprzepustowej uzyskuje się współczynniki detali D j 

(n) 

i aproksymacji A j 

(n) na poziomie j: 

∑ 

A n 

) 

= 

h 

(2 

n 

− 

k 

) 

A 

( 

k 

) 

(23) 

j 

( j 

− 

1 

k 

∑ 

D n 

) 

= 

g 

(2 

n 

− 

k 

) 

A 

( 

k 

) 

(24) 

j 

( j 

− 

1 

k 

Na rysunku 3 jest pokazane ponownie drzewo dekompozycji 

falkowej uwzględniające opisane modyfikacje. 

Badania symulacyjne w środowisku 

Matlab 

Podstawową operacją w realizacji drzewa dekompozycji falkowej 

jest splot dyskretny liniowy – filtracja cyfrowa. W ogólności 

splot sygnału x(n) przez h(n) jest opisany zależnością 

(25) i zilustrowany na rysunku 4. 

y 

( 

n 

) 

= 

∑ (25) 

= h 

( 

m 

) 

x 

( 

n 

− 

m 

) 

Polega on na mnożeniu i sumowaniu próbek sygnału przez 

współczynniki filtru. W dalszej kolejności współczynniki filtru 

są przesuwane względem sygnału w prawo o jedną próbkę 

i jest powtarzana operacja mnożenia i sumowania. Proces ten 

trwa tak długo, aż w wyniku przesuwania współczynników filtru 

wszystkie ich indeksy przestaną pokrywać się z indeksami 

sygnału x(n). 

W sygnale wynikowym y(n) jest widoczny „przeciek” – 

efekt brzegowy. Przyczyną tego zjawiska jest rozpoczynanie 

i kończenie się filtracji cyfrowej z niepełnym wykorzystaniem 

współczynników filtru. W celu eliminacji wpływu tego zjawiska 

należy wyzerować (N f 

– 1) próbek na obu krańcach tego sygnału 

(N f 

– liczba współczynników filtru). Zakładając, że liczba 

próbek sygnału wynosi N, po operacji splotu liczba próbek 

wynosi N + (N f 

– 1). Po operacji usuwania efektu brzegowego 

liczba próbek wynosi: [N + (N f 

– 1) – 2(N f 

– 1) = N – (N f 

– 1). 

Na rysunku 5 pokazano operację splotu dyskretnego liniowego 

z uwzględnieniem operacji decymacji – realizacja jednej 

pełnej ścieżki drzewa dekompozycji falkowej. 

W ogólności sygnałem filtrującym h(n) są współczynniki 

filtru typu FIR. W przypadku dyskretnej transformacji falkowej 

są nimi współczynniki filtrów falkowych h(k) i g(k). Do 

ich otrzymania wykorzystano funkcję WFILTERS oferowaną 

przez pakiet Matlab. Jej argumentem wejściowym jest nazwa 

20 

M 

m 

0 

Rys. 5. Ilustracja graficzna operacji splotu dyskretnego linowego 

dwóch sygnałów x(n) i h(n) z uwzględnieniem procesu decymacji 

Fig. 5. Graphic presentation of discrete linear convolution two 

signal x(n) and h(n) with consider decimation process 

falki. Funkcja ta generuje cztery zestawy współczynników 

filtrów falkowych dolno- i górnoprzepustowych wykorzystywanych 

podczas procesu dekompozycji (LO_D i HI_D) lub 

ewentualnej rekonstrukcji (LO_R, HI_R). W celach poglądowych 

na rysunku 6 pokazano kształt falki db2, jej funkcji skalującej 

oraz rozkład współczynników filtrów falkowych h(k) i g(k) 

wykorzystywanych podczas procesu dekompozycji sygnału 

badanego. 

Przebiegi czasowe prądu cewki otwierającej wyłącznika 

otrzymano drogą sklejania odcinkowego funkcji wykładniczych 

– rysunek 7. Charakterystyczna „szczerba” występująca 

w przebiegu czasowym prądu cewki wyłączającej wyłącznika 

jest spowodowana zadziałaniem układu mechanicznego 

wyłącznika. Jej położenie w czasie określa stan rozważanego 

wyłącznika. Wykorzystanie do jej analizy transformacji 

falkowej polega na jej detekcji oraz lokalizacji czasowej. Do 

detekcji i lokalizacji w czasie szczerby nałożonej na przebieg 

czasowy prądu cewki wyłącznika należy wykorzystać 

współczynniki detalu na pierwszym poziomie dekompozycji 

(D 1 

). Detal ten jest uzyskany drogą filtracji górnoprzepustowej 

sygnału badanego (rys. 3). Zawiera on zatem składowe 

wysokoczęstotliwościowe znajdujące się w paśmie f s 

/2 2 ÷ f s 

/2 

(f s 

– częstotliwość próbkowania). 

Detekcja szczerby oraz lokalizacja chwili początkowej i końcowej 

polega na wyszukiwaniu położenia maksimów detalu na 

pierwszym poziomie dekompozycji (MAX(D 1 

(n))). Każda nieregularność 

sygnału (spowodowana wystąpieniem szczerby) 

jest powodem przyjmowania przez współczynniki tego detalu 

wartości różnych od zera. Pojawienie się w badanym sygnale 

prądowym szczerby powoduje, że detal na pierwszym poziomie 

dekompozycji przyjmuje postać dwóch impulsów odpowiadających 

chwilom początkowej i końcowej jej wystąpienia. 

Ponadto dla detalu na pierwszym poziomie dekompozycji D 1 


Rys. 6. Falka db2, funkcja skalująca oraz rozkład współczynników filtrów falkowych h(k) i g(k) 

Fig. 6. Wavelet db2, scaling function and wavelet filters coefficients distribution 

Ostatecznie chwila początkowa t p 

, końcowa t k 

oraz czas 

trwania szczerby t t 

są opisane zależnościami (27), (28) i (29). 

t = 

n 

⋅ 

T 

(27) 

p 

= p 

s 

t = 

n 

⋅ 

T 

(28) 

k 

= k 

s 

t = 

t 

− 

t 

(29) 

t 

= k 

p 

Rys. 7. Zamodelowany przebieg czasowy prądu cewki otwierającej 

wyłącznika 

Fig. 7. Trip coil current signal 

są wprowadzane poziomy progowe (D 1 

_THR p 

, D 1 

_THR m 

). 

Wartości poziomów progowych są wyznaczane na etapie inicjalizacji 

systemu przy założeniu, że badany sygnał prądowy 

jest pozbawiony szczerb. W szczególności mogą one przyjąć 

wartość zerową. Chwile początkowa t p 

i końcowa t k 

wystąpienia 

szczerby są wyznaczane na podstawie indeksów próbek 

detalu na pierwszym poziomie dekompozycji, których wartość 

przekracza poziomy progowe. Zależność między indeksami 

na pierwszym i zerowym poziomie dekompozycji jest opisana 

za pomocą wyrażenia (26). 

n , 

n 

) 

= 

2* 

index 

{ 

D 

> 

D 

_ 

THR 

∨ 

D 

< 

D 

_ 

THR 

} (26) 

( p 

k 

1 1 

p 

1 

1 

m 

gdzie: n p 

, n k 

– indeksy próbek sygnału oryginalnego (na zerowym 

poziomie dekompozycji) odpowiadające początkowi 

i końcowi wystąpienia zakłócenia. 

gdzie: T s 

– okres próbkowania. 

Do badań symulacyjnych przyjęto założenie, że szerokość 

okna pomiarowego wynosi 50 ms i w tym czasie jest pobranych 

1024 próbki sygnału prądowego, zatem częstotliwość 

próbkowania wynosi 20480 Hz. Na rysunku 8 przedstawiono 

detale uzyskane w wyniku pięciopoziomowego rozkładu falkowego 

przebiegu czasowego prądu cewki wyłącznika z zastosowaniem 

falki, która w Matlabie mają następujące oznaczenia: 

bior2.2. Na rysunku obwiednią zaznaczono wartości 

amplitudowe przyjmowane przez detale na pierwszym poziomie 

dekompozycji (D1) dla początku i końca czasu trwania 

szczerby na przebiegu czasowym prądu cewki otwierającej 

wyłącznika spowodowanej zadziałaniem jego układu mechanicznego. 

W celu złagodzenia przejść pomiędzy odcinkami funkcji 

wykładniczych, (przebieg czasowy i (t) na rysunku 7) sygnał 

i(t) podano na wejście 32-ogniwowego filtru SOI. Na 

rysunku 9 pokazano pięciopoziomowe rozkłady falkowe 

tego sygnału. 

Na kolejnym rysunku pokazano rozkłady falkowe przebiegu 

czasowego prądu cewki wyłączającej wyłącznika z nałożonym 

szumem o rozkładzie Gaussa o odchyleniu standardowym 

wynoszącym 0,01. 


Rys. 8. Detale uzyskane w wyniku pięciopoziomowego rozkładu 

falkowego przebiegu czasowego prądu cewki otwierającej 

wyłącznika z wykorzystaniem falki bior2.2 dla trwania szczerby 

w przedziale czasowym 5…10 ms 

Fig. 8. Details obtain from five level wavelet decomposition of 

trip coil current signal with use bior2.2 wavelet for notch time 

duration in range 5…10 ms 


falkowego (z wykorzystaniem falki bior2.2) przebiegu czasowego 

prądu cewki otwierającej wyłącznika z nałożonym szumem o rozkładzie 

Gaussa o odchyleniu standardowym wynoszącym 0,01 

Fig. 10. Details obtain from five level wavelet decomposition 

(with use bior2.2 wavelet) of trip coil current signal with superimose 

noice at Gausian distribution 


falkowego (z wykorzystaniem falki bior2.2) przebiegu czasowego 

prądu cewki otwierającej wyłącznika poddanego wstępnej dolnoprzepustowej 

procedurze filtracji cyfrowej 

Fig. 9. Details obtain from five level wavelet decomposition (with 

use bior2.2 wavelet) of trip coil current signal after low pass filter 

procedure 

Podsumowanie 

W pracy przedstawiono zarys transformacji falkowej oraz 

metodę praktycznej jej implementacji. W celu otrzymania 

przykładowych wyników, zamodelowano przebiegi czasowe 

prądu cewki otwierającej wyłącznika z nałożoną szczerbą 

uwzględniając różne chwile czasowe początku i końca jej wystąpienia. 

Do modelowania wykorzystano technikę sklejania 

odcinkowego funkcji wykładniczych. Każdy odcinek może 

mieć niezależnie regulowany czas trwania i stałą czasową. 

W dalszej kolejności dokonano pięciopoziomowego rozkładu 

falkowego otrzymanych przebiegów. Stworzono grupy rozkładów 

ze względu na chwilę początkową, końcową i czas trwania 

szczerby. Zgodnie z przedstawionymi rysunkami chwile 

początkowa i końcowa wystąpienia szczerby odpowiadają 

skokom wartości amplitudowych próbek detalu na pierwszym 

poziomie dekompozycji – rysunek 8. 

Złagodzenie przejść pomiędzy odcinkami funkcji wykładniczych 

za pomocą dolnoprzepustowego filtru cyfrowego 

typu SOI powoduje mniejsze nachylenia zboczy detalu D 1 

na 

pierwszym poziomie dekompozycji – rysunek 9. 

Nałożenie na badany przebieg czasowy prądu cewki wyłącznika 

szumu, powoduje, że pojawia się on w detalu D 1 

na 

pierwszym poziomie dekompozycji – rysunek 10. Uniemożliwia 

to skuteczną detekcję i lokalizację czasową szczerby. 

Ścieżka A 0 

– D 1 

(rys. 3) stanowi filtr górnoprzepustowy o największej 

częstotliwości dolnej granicznej z całego schematu 

algorytmu Mallata. 

Prace prezentowane w tym artykule są częścią projektu rozwojowego 

współfinansowanego prze Unię Europejską w ramach 

Funduszy Strukturalnych Program Operacyjny Innowacyjna Gospodarka, 

numer projektu WND-POIG.01.03.01-14-141/08. 

Literatura 

[1] Zieliński T. P.: Od teorii do cyfrowego przetwarzania sygnałów. 

AGH, Kraków, 2002. 

[2] Rak R. J.: Wirtualny przyrząd pomiarowy – realne narzędzie 

współczesnej metrologii. Oficyna Wydawnicza Politechniki 

Warszawskiej 2003. 

[3] Rak R. J.: Falkowa analiza sygnałów pomiarowych. MWK’2005. 

[4] Strachan S., McArthur S., McDonald, Legat W., Campbell A.: Trip 

coil signature analysis and interpretation for distribution circuit 

breaker conditio Assessment and diagnosis. 18-th, International 

Conference on Electricity Distribution, Turin, 6–9 June 2005. 

22 


Aktywna kontrola w trakcie pracy dwustanowych 

torów wejściowych i wyjściowych urządzeń 

elektronicznych dla elektroenergetyki 

mgr inż. ZDZISŁAW KOŁODZIEJCZYK 


Obok podstawowych składników systemu elektroenergetycznego, 

takich jak generatory, linie przesyłowe, rozdzielnice, 

wyłączniki, ważną rolę w systemie pełnią kontrolno-pomiarowe 

i zabezpieczeniowe urządzenia elektroniczne. Stanowią 

one ważny składnik systemu energetycznego, decydujący 

w znacznym stopniu o jego sprawnym funkcjonowaniu, a także 

o bezpieczeństwie w różnych obszarach życia codziennego 

i działalności gospodarczej. Odgrywają one dużą rolę w minimalizacji 

strat związanych z przerwami w dostawach energii 

elektrycznej, a przez to mają bezpośredni wpływ na komfort 

życia odbiorców energii elektrycznej. Z uwagi na rolę spełnianą 

przez te urządzenia w systemie energetycznym dużego znaczenia 

nabiera niezawodność ich działania. Sprawność tych 

urządzeń jest kontrolowana okresowo zgodnie z obowiązującymi 

planami przeglądów, które obejmują nazwyczaj sprawdzenie 

stanu złącz, wymianę baterii, kontrolę wybranych funkcji, 

dokładności itp., jednakże sprawdzenia te nie są w stanie 

zapobiec skutkom uszkodzeń, które mogą się zdarzyć losowo 

w okresach pomiędzy przeglądami. Z tego względu urządzenia 

są wyposażane w mechanizmy autotestowania, które 

funkcjonują w trakcie eksploatacji urządzenia i mogą zaalarmować 

służby techniczne o wykryciu niesprawności jakiegoś 

elementu urządzenia zanim spowoduje ona nieprawidłowe 

zadziałanie. Sprawdzaniu podlegają najczęściej napięcia zasilania, 

sumy kontrolne pamięci programu, nastaw i ważnych 

obszarów pamięci danych, czasem kontrolowana jest funkcjonalność 

przetwornika analogowo-cyfrowego i fragmenty torów 

pomiarowych. Obejmuje ono z konieczności tylko wewnętrzne 

fragmenty urządzenia, pomijając części wejściowo-wyjściowe 

urządzenia narażone na uszkodzenia z uwagi na kontakt 

z otoczeniem. Dotyczy to zwłaszcza zacisków, które mogą 

ulegać korozji czy elektroerozji w niesprzyjających warunkach 

atmosferycznych, mogą być też pokryte osadami na skutek 

zapylenia czy ulegać rozłączaniu na skutek drgań. Tego typu 

uszkodzenia nie mogą być wykrywane przez mechanizmy autotestowania 

wbudowane do urządzeń. 

Sposób i stanowisko do automatycznego testowania wielofunkcyjnych 

urządzeń zabezpieczeniowych został zaproponowany 

w [1]. Nie nadawał się on do kontroli urządzeń w trakcie 

eksploatacji jednakże pozwalał na pełną kontrolę urządzenia 

obejmującą również jego zaciski wejściowe i wyjściowe. 

Koncepcję pełnego testowania urządzeń zabezpieczeniowych 

w trakcie ich eksploatacji przedstawiono w [2]. Dotyczyła 

ona w pierwszym rzędzie testowania torów analogowych 

urządzenia i polegała na zastosowaniu zewnętrznego 

urządzenia, które pozwalało na sekwencyjne wstrzykiwanie 

do poszczególnych torów analogowych urządzenia sygnału 

testowego, odtwarzanie tego sygnału wewnątrz urządzenia 

za pomocą specjalnych procedur testowych i porównywanie 

z sygnałem oryginalnym. Na tej podstawie są wyciągane 

wnioski o sprawności testowanego analogowego toru wejściowego 

urządzenia. 

W publikacji [2] naszkicowano też ideę testowania wejść 

i wyjść dwustanowych urządzenia. Polegała ona na odłączaniu 

urządzenia pracującego w polu rozdzielczym od tego pola 

na czas testowania, połączeniu wyjść testowanego urządzenia 

z jego wejściami za pośrednictwem urządzenia pośredniczącego 

i uruchomieniu procedury testowania wejść i wyjść poprzez 

wymuszanie zmian na wyjściach i obserwowaniu reakcji 

na połączonych z nimi wejściach urządzeniach. Testowanie 

takie wymagało odłączenia urządzenia od pola rozdzielczego, 

czyli wymagało wyłączenia go z eksploatacji. Testowanie tym 

sposobem miało jednak tę zaletę, że w pewnych warunkach 

mogło być przeprowadzane w sposób automatyczny, bez konieczności 

udziału operatora. Było to możliwe w odniesieniu 

do urządzeń zamontowanych w rozdzielnicach wyposażonych 

w sterowane zdalnie wózki lub odłączniki pozwalające 

na odłączenie wyłącznika od pola rozdzielczego. Miało to 

zaletę w przypadku pól rozdzielczych w stacjach bezobsługowych, 

do których dostęp jest utrudniony. Wadą była jednak 

konieczność wyłączania pola rozdzielczego z eksploatacji na 

czas testowania wejść i wyjść dwustanowych. W niniejszym 

artykule przedstawiono koncepcje pełnego testowania wejść 

i wyjść dwustanowych urządzenia zabezpieczeniowego bez 

jego wyłączania z eksploatacji. 

Testowanie pojedynczych wejść 

dwustanowych 

Testowanie wejścia dwustanowego polega na doprowadzeniu 

do niego sygnału testowego zmieniającego się w czasie 

i sprawdzaniu, czy zmiany sygnału testowego są prawidłowo 

widziane przez oprogramowanie urządzenia. Aby takie testowanie 

przeprowadzić, trzeba odłączyć sygnał doprowadzony 

do testowanego wejścia w trakcie pracy urządzenia i w to miejsce 

doprowadzić sygnał testowy. Równoległe doprowadzenie 

sygnału testowego jest z oczywistych względów niemożliwe. 

Wydawać by się mogło, że z tych względów nie można testować 

wejścia urządzenia w trakcie jego eksploatacji, gdyż na 

czas testowania zostaje ono odłączone od współpracujących 

z nim urządzeń zewnętrznych. Istota rozwiązania zaproponowanego 

w niniejszym artykule polega na wyznaczeniu zastępczego 

wejścia w testowanym urządzeniu, odłączeniu, na czas 

testowania, sygnału dochodzącego do testowanego wejścia 

i dołączeniu go do wejścia zastępczego. W tym samym czasie 

oprogramowanie urządzenia, realizujące swoje rutynowe funkcje, 

zamiast z testowanego wejścia odczytuje sygnały z wejścia 

zastępczego. W ten sposób wejście testowane zostaje 

uwolnione dla celów testowania a praca urządzenia nie ulega 

zakłóceniu. Aby test przeprowadzić, należy jeszcze doprowadzić 

do uwolnionego wejścia zmieniający się w czasie sygnał 

testowy i obserwować te zmiany za pomocą procedury testowej. 

Jeśli testowane wejście właściwie reaguje na zmieniający 

się sygnał testowy, zostaje uznane za sprawne i następuje 

procedura odwrotna polegająca na odłączeniu od testowanego 

wejścia sygnału testowego, przełączeniu sygnału z wejścia 

zastępczego na wejście testowane i przywróceniu standardowej 

pracy procedur wewnętrznych, tj. przywróceniu odczytu 


ZZ 

WEZ 

TWE 

WYST WAT 

UT 

Z1 

WE1 

WE2 

WY 

EP2 

ZST 

EP1 

Z2 

PR 

WYPR 

ZZ 

TWE1 

WEZ 

TWEn 

AT S1 Sm 

UT 

ZA1 

ZAn 

EP1 

EPn 

ZB1 

ZBn 

PR 

OP1 

OPn 

EP3 

WEAm 

DEK 

WEA1 

Rys. 1. Schemat blokowy układu do testowania pojedynczego 

wejścia dwustanowego 

Fig. 1. Block diagram of a circuit for testing a single bistable input 

sygnału wejściowego z wejścia testowanego zamiast z wejścia 

zastępczego. Wszystkie przełączenia sygnałów w trakcie 

testowania odbywają się na zewnątrz testowanego urządzenia 

za pośrednictwem specjalnej przystawki testującej. Przyjmuje 

się, że wynik pozytywny testu świadczy o sprawności 

testowanego wejścia, zaś wynik negatywny może świadczyć 

zarówno o uszkodzeniu testowanego wejścia jak i samej przystawki 

i wymaga dodatkowych czynności prowadzących do 

rozstrzygnięcia tej niejednoznaczności. 

Schemat blokowy układu do testowania pojedynczego 

wejścia dwustanowego urządzenia przedstawiono na rys. 1. 

Widać na nim, że w trakcie normalnej eksploatacji sygnał 

wyjściowy z pola rozdzielczego (WYPR) jest doprowadzony 

do testowanego wejścia poprzez normalnie zamknięty styk 

przekaźnika (EP1). W czasie testowania styk ten się otwiera, 

a zamyka się, normalnie otwarty, styk innego przekaźnika 

(EP3), przez który sygnał z pola rozdzielczego dochodzi do 

wejścia zastępczego (WEŹ) testowanego urządzenia. Następnie 

przez styk przekaźnika (EP2) do testowanego wejścia 

dwustanowego doprowadzana jest sekwencja testująca 

polegająca na załączaniu i odłączaniu źródła sygnału testowego 

(ZST) pod nadzorem procedury testowej wykonywanej 

w urządzeniu. 

Testowanie wielu wejść dwustanowych 

Opisany powyżej układ do testowania dwustanowych torów 

wejściowych zespołu zabezpieczeniowego pozwala na 

testowanie pojedynczego dwustanowego toru wejściowego, 

jednakże jest uciążliwy w zastosowaniu do wielu torów 

dwustanowych, w które wyposażone są zazwyczaj zespoły 

zabezpieczeniowe. Często spotyka się zespoły zabezpieczeniowe, 

zwłaszcza wielofunkcyjne, które mają 24 i więcej 

dwustanowych torów wejściowych. W tym przypadku opisany 

układ trzeba by powielić tyle razy, ile jest dwustanowych torów 

wejściowych, a to prowadziłoby do konieczności zbudowania 

dużej i kosztownej przystawki pośredniczącej. Ponadto, do 

obsługi testowanych dwustanowych torów wejściowych, trzeba 

by wydzielić wiele dodatkowych wejść i wyjść testowanego 

zespołu zabezpieczeniowego lub dokonywać ręcznie pracochłonnych 

przełączeń przystawki pomiędzy testami poszczególnych 

torów wejściowych, co uniemożliwiałoby testowanie 

w pełni automatyczne. 

Aby uniknąć powyższych niedogodności proponuje się zastosowanie 

przystawki pośredniczącej wielokanałowej, która 

minimalizuje liczbę wejść i wyjść dwustanowych testowanego 

urządzenia, które należy wydzielić na potrzeby testowania. 

Schemat blokowy przystawki do testowania wielu wejść dwustanowych 

przedstawiono na rys. 2. 

24 

WEST 

WY 

ZST 

DEM 

EN 

Cechą charakterystyczną zaproponowanego układu jest 

wykorzystanie multipleksera (MUX) i demultipleksera (DEM) 

sygnałów analogowych, które upraszczają jego budowę. Dzięki 

wykorzystaniu kodowanego sterowania testowanymi wejściami 

dwustanowymi liczba dodatkowych wyjść dwustanowych testowanego 

urządzenia zaangażowanych do testowania wejść 

dwustanowych jest minimalna. Dla przykładu: do testowania 

31 wejść dwustanowych w urządzeniu potrzeba o 4 wyjścia 

sterujące więcej niż do testowania jednego wejścia. Liczba pomocniczych 

wejść nie ulega zmianie i nadal wynosi 1. 

Testowanie pojedynczego wyjścia 

dwustanowego 

MUX 

Rys. 2. Schemat blokowy układu do testowania wielu wejść dwustanowych 

Fig. 2. Block diagram of a circuit for testing a multiple bistable 

inputs 

Testowanie stykowego wyjścia dwustanowego polega na przepuszczeniu 

przez niego sygnału ze źródła sygnału testowego, 

doprowadzenia go do wejścia kontrolnego i sprawdzanie, czy 

sygnał sterujący stanem testowanego wyjścia wywołuje odpowiednią 

zmianę stanu na wejściu kontrolnym. Widać, że na 

czas testowania wyjście to musi być odłączone od układów 

zewnętrznych, którymi steruje, gdyż w przeciwnym wypadku 

powodowałoby przekazanie do nich błędnych informacji, co 

mogłoby wywołać ich nieprawidłowe zadziałanie. Z kolei odłączenie 

wyjścia na czas testowania od układów zewnętrznych 

też jest niekorzystne, gdyż uniemożliwia wykorzystanie tego 

wyjścia w tym czasie do realizacji jego funkcji. Dla rozwiązania 

tej pozornej sprzeczności proponuje się wydzielenie specjalnego 

wyjścia zastępczego, które na czas testowania przejmuje 

funkcję wyjścia testowanego, poprzez dołączenie go do 

obwodów zewnętrznych. Wyjście testowane zostaje odłączone 

od obwodów zewnętrznych i można je testować zgodnie 

z przyjętą metodyką. Oprogramowanie sterujące wyjściami 

w czasie testowania danego wyjścia sygnały przeznaczone 

dla niego kieruje do wyjścia zastępczego, poprzez które obwody 

zewnętrzne odbierają taką samą informację, jaka docierałaby 

do nich poprzez testowane wyjście. Testowanie nie 

zakłóca więc normalnej współpracy testowanego urządzenia 

z układami zewnętrznymi. 

Schemat blokowy układu do testowania pojedynczego stykowego 

wyjścia urządzenia elektronicznego trakcie normalnej 

pracy pokazano na rys. 3. 


ZZ 

UT 

Z1 

Ep1 

Z3 

PR 

WEK 

TWY 

Z2 

Ep2 

Ep3 

Z4 

WEPR 

WYST WAT 

ZST 

We1 

We2 

UL. 

WY 

Rys. 3. Schemat blokowy układu do testowania pojedynczego 

stykowego wyjścia dwustanowego 

Fig. 3. Block diagram of a circuit for testing a single contact 

output 

Na rysunku widać, że wyjście dwustanowe połączone jest 

z wejściem w polu rozdzielczym poprzez normalnie zamknięte 

styki przekaźnika (Ep1). Do tego samego wejścia w polu 

rozdzielczym dołączony jest również równolegle styk przekaźnika 

(Ep3) sterowany poprzez wyjście zastępcze testowanego 

urządzenia. Normalnie otwarte styki kolejnego przekaźnika 

(Ep2) są włączone w obwód, przez który sygnał ze 

źródła sygnału testowego (ZST) i styki testowanego wyjścia 

dwustanowego doprowadzony jest do wejścia kontrolnego 

urządzenia (WEK). 

Testowanie wielu wyjść dwustanowych 

Opisany powyżej układ do testowania dwustanowych torów 

wyjściowych zespołu zabezpieczeniowego pozwala na 

testowanie pojedynczego dwustanowego toru wyjściowego, 

jednakże, podobnie jak w przypadku testowania wielu 

torów wejściowych, jest uciążliwy w zastosowaniu do wielu 

wyjściowych torów dwustanowych, w które wyposażone 

są zazwyczaj zespoły zabezpieczeniowe. Wielofunkcyjne 

zespoły zabezpieczeniowe mają czasem 16 i więcej dwustanowych 

torów wyjściowych. W tym przypadku również 

opisany układ trzeba by powielić, co komplikuje i podraża 

koszt układu do testowania. Ponadto, do obsługi testowanych 

dwustanowych torów wyjściowych, trzeba by wydzielić 

wiele dodatkowych wejść i wyjść testowanego zespołu zabezpieczeniowego 

lub dokonywać ręcznie pracochłonnych 

przełączeń przystawki testującej pomiędzy testami poszczególnych 

torów wyjściowych, co uniemożliwiałoby testowanie 

w pełni automatyczne. 

Aby uniknąć powyższych niedogodności proponuje się 

zastosowanie układu pośredniczącego w formie przystawki, 

która minimalizuje liczbę wejść i wyjść dwustanowych testowanego 

urządzenia, które należy wydzielić na potrzeby testowania. 

Schemat blokowy przystawki do testowania wielu 

wyjść dwustanowych przedstawiono na rys. 4. 

Zaproponowany układ wykorzystuje multiplekser (MUX) 

sygnałów analogowych, który upraszcza jego budowę. Dalsze 

uproszczenie uzyskano dzięki wykorzystaniu kodowa- 

Rys. 4. Schemat blokowy układu do testowania wielu stykowych 

wyjść dwustanowych 

Fig. 4. Block diagram of a circuit for testing multiple contact 

outputs 

nego sterowania testowanymi wyjściami dwustanowymi 

i cyfrowych dekoderów (DEK1 i DEK2) oraz demultipleksera 

(DEM). Liczba dodatkowych wyjść testowanego urządzenia 

zaangażowanych do testowania stykowych wyjść dwustanowych 

jest minimalna. Dla przykładu: do testowania 16 wyjść 

dwustanowych w urządzeniu potrzeba o 3 wyjścia sterujące 

więcej niż do testowania jednego wyjścia. Liczba pomocniczych 

wejść nie ulega zmianie i nadal wynosi 1. 

Podsumowanie 

Przedstawiono nowatorską koncepcję testowania wejść 

i wyjść dwustanowych urządzeń elektronicznych przeznaczonych 

dla elektroenergetyki. Cechą charakterystyczną przedstawionej 

metody jest możliwość prowadzenia testów w trakcie 

normalnej eksploatacji urządzeń bez zakłócania zarówno 

ich pracy jak i ich współpracy z urządzeniami zewnętrznymi. 

Przedstawiona metoda może mieć zastosowanie w szczególnie 

odpowiedzialnych obszarach sterowania i zabezpieczania 

sieci energetycznej. Przedstawiony sposób i układy 

zostały zgłoszone do opatentowania [3]. 

Literatura 

[1] Kołodziejczyk Z., Kruszyński H.: Automatyczne testowanie 

urządzeń zabezpieczeniowych dla elektroenergetyki. 

Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2005, nr 7(414), 

ss. 26–30. 

[2] Kołodziejczyk Z.: Zdalna kontrola cyfrowych zabezpieczeń 

elektroenergetycznych w trakcie eksploatacji. Wydawnictwo 

Komitetu Automatyki Elektroenergetycznej SEP, Warszawa, 

październik 2008, ss. 105–108. 

[3] Zgłoszenia patentowe UP RP P.385437, P.391505, P.391663 


Badanie cienkich nanostrukturalnych warstw 

metodą spektroskopii absorpcyjnej 

dr inż. ANNA KAMIŃSKA, inż. KAMILA MOLENDA 


W pracy przedstawiono możliwości zastosowań dwóch metod 

spektroskopii absorpcyjnej – z zakresu podczerwieni oraz 

z zakresu światła widzialnego i nadfioletu – w badaniu cienkich 

warstw węglowo-metalowych (C-M e 

) osadzonych na różnych 

podłożach. 

Spektroskopia FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) 

jest techniką, która wykorzystuje promieniowanie podczerwone 

z zakresu 400...4000 cm -1 do otrzymywania widm 

oscylacyjnych badanych związków. Widma FTIR pozwalają 

na określenie struktury molekularnej analizowanego związku 

na podstawie identyfikacji poszczególnych grup funkcyjnych, 

które absorbują promieniowanie IR przy charakterystycznych 

dla nich częstościach drgań. Przedziały częstości charakterystycznych 

dla danych grup funkcyjnych są zebrane w tabelach 

korelacyjnych dostępnych w literaturze. Istnieją dwie 

techniki badawcze materiałów – metoda transmisji i odbicia. 

Zastosowanie przystawki ATR (Attenuated Total Reflection), 

wykorzystującej zjawisko osłabionego całkowitego wewnętrznego 

odbicia, umożliwia badania cienkich warstw bezpośrednio 

na podłożach, bez dodatkowego przygotowania próbki. 

Spektrofotometria UV-VIS (Ultraviolet-Visible Spectrophotometry) 

jest techniką służącą do oznaczenia zawartości i identyfikacji 

substancji zawartej w próbce, a także do wyznaczenia 

struktury cząsteczek. Widmo w zakresie światła widzialnego 

oraz bliskiego nadfioletu (zakres spektralny 190…1100 nm), 

powstaje na skutek absorpcji promieniowania elektromagnetycznego 

przez cząsteczki zawarte w próbce, co prowadzi 

do wzbudzeń ich elektronów walencyjnych. Miarą spadku 

natężenia promieniowania elektromagnetycznego w wyniku 

oddziaływania z próbką jest absorbancja A (zdolność pochłaniania 

promieniowania): 

gdzie I 0 

– natężenie promieniowania padającego na próbkę, 

I – natężenie promieniowania po przejściu przez próbkę. 

Spektrofotometria UV-VIS umożliwia zarówno analizę jakościową, 

jak i ilościową. Technika ta stosowana jest przede 

wszystkim w analizie ilościowej barwnych roztworów jonów metali 

przejściowych (związki posiadające elektrony π lub n) oraz 

złożonych związków organicznych (aldehydy, ketony, aminy). 

W Instytucie Tele- i Radiotechnicznym spektrometr FTIR 

jest wykorzystywany do określania obecności fullerenu C 60 

oraz octanów: palladu i niklu w wytworzonych cienkich warstwach 

węglowo-palladowych oraz węglowo-niklowych. 

Z kolei spektrofotometr UV-VIS stosowany jest do ilościowego 

oznaczenia zawartości fullerenu w warstwach C-Pd i C-Ni, 

korzystając z metody krzywej wzorcowej. 

Podstawy fizyczne spektroskopii FTIR 

i UV-VIS 

Widma oscylacyjne 

Widma oscylacyjne związków chemicznych powstają w wyniku 

absorpcji kwantów promieniowania z zakresu podczerwieni. 

Zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, energia przejść 

26 

A 

= 

− 

log ( 

I 

/ 

I 

0 

) 

oscylacyjnych jest skwantowana, to znaczy może przyjmować 

jedynie wartości spełniające następujące równanie: 

E n 

= (n + 1/2) · hν 

gdzie: n – oscylacyjna liczba kwantowa, ν – częstotliwość promieniowania, 

h – stała Plancka. 

Aby dane przejście oscylacyjne było aktywne w podczerwieni, 

muszą zostać spełnione tzw. reguły wyboru. Pierwsza 

z nich mówi, że dozwolone są jedynie przejścia na kolejne poziomy 

energetyczne, czyli foton musi posiadać energię równą 

różnicy pomiędzy dwoma poziomami: 

ΔE n 

= hν 

gdzie ΔE n 

– absorbowana energia 

Zgodnie z drugą regułą wyboru przejście musi powodować 

zmianę oscylacyjnej liczby kwantowej o 1, 2, 3 itd.: 

Δn = ±1, ±2, ±3… 

Ostatni warunek dotyczy momentu dipolowego. Aby dane 

przejście było aktywne w podczerwieni, musi powodować 

zmianę momentu dipolowego cząsteczki: 

⎛ 

∂ 

μ 

⎞ 

⎜ 

≠ 

0 

⎟ 

⎝ ∂q 

⎠ 

gdzie μ – moment dipolowy, q – współrzędna. 

W wyniku oddziaływania promieniowania podczerwonego 

z badaną próbką, następują zmiany długości wiązania 

chemicznego (drgania rozciągające) oraz kąta pomiędzy 

sąsiednimi wiązaniami (drgania zginające). Związane jest to 

z absorpcją promieniowania o określonej, charakterystycznej 

dla danej grupy funkcyjnej częstotliwości. Identyfikację badanego 

związku prowadzi się w oparciu o korelację liczby 

falowej pasma ze strukturą grup funkcyjnych występujących 

w cząsteczce. 

Widma elektronowe 

Absorpcyjne widma elektronowe powstają wskutek przejść cząsteczek 

ze stanu elektronowego podstawowego do jednego ze 

stanów wzbudzonych, a zatem widmo UV-VIS daje informacje 

o różnicy energii elektronowej obu stanów. Przejście do wyższych 

stanów może nastąpić, gdy układ zyskuje z zewnątrz pewną porcję 

energii np. w postaci kwantów promieniowania elektromagnetycznego. 

Jeżeli energia kwantów E f 

pasuje do różnicy energii 

ΔE pomiędzy poziomami energetycznymi, są one pochłaniane 

i cząsteczka przechodzi do stanu wzbudzonego. W cząsteczkach 

odpowiedzialne za pochłanianie promieniowania UV‐VIS 

są orbitale molekularne, orbitale σ, σ*, π, π* oraz n. 

Spektroskopia UV-VIS, jako ilościowa metoda analityczna 

polega na pomiarze absorbancji A λ 

badanego roztworu, przy 

zadanej wielkości długości fali – λ i wykorzystaniu prawa Lamberta-Beera, 

zgodnie z którym: 

A λ 

= ε λ 

· l · c = -log (I/I 0 

), 


gdzie ε λ 

jest współczynnikiem absorpcji przy danej długości 

fali λ, l grubością warstwy absorbującej, a c stężeniem 

substancji w badanym roztworze. Powyższe równanie 

wskazuje, że A λ 

wiązki promieniowania monochromatycznego 

przechodzącego przez jednorodny roztwór jest wprost 

proporcjonalna do stężenia c roztworu i grubości l warstwy 

absorbującej (jeżeli współczynnik absorpcji rozpuszczalnika 

jest równy zeru). 

Gdy stężenie roztworu c wyrażone jest w jednostkach mol/ 

dm 3 , a grubość warstwy l w cm, współczynnik ε λ 

nazwany jest 

molowym współczynnikiem absorpcji. Współczynnik absorpcji 

jest ściśle zależny od długości fali promieniowania elektromagnetycznego. 

Absorpcję właściwą wyraża się w cm 3 /(mg · 

cm); jest ona wówczas liczbowo równa absorbancji roztworu 

oznaczanej substancji o stężeniu 1 mg/cm 3 w kuwecie o długości 

drogi optycznej 1 cm [11]. 

Część doświadczalna 

a) 

Absorbance [a.u.] 

b) 

2000 1500 1000 500 

Wavenumber [cm -1 ] 

Nanostrukturalne warstwy węglowo-palladowe (C-Pd) oraz 

węglowo-niklowe (C-Ni) otrzymywano metodą fizycznego 

odparowania w próżni PVD (Physical Vapour Deposition,) 

fullerenu oraz octanu palladu/niklu w różnych warunkach 

technologicznych (zmienne wartości dla prądu źródeł I C60 

, I Pd/ 

, czasu trwania procesu t, odległości d podłoży od źródeł). 

Ni 

Jako podłoża stosowano płytki kwarcowe i alundowe. Do analizy 

składu uzyskanych warstw nanostrukturalnych wykorzystano 

spektrometr FTIR Nicolet iS10 firmy ThermoScientific, 

wyposażony w detektor DTGS, oraz spektrofotometr UV‐VIS 

Evolution 300 firmy ThermoScientific, z ksenonowym źródłem 

światła i detektorem w postaci fotodiod krzemowych. 

Widma FTIR otrzymywano przy użyciu przystawki ATR, 

w zakresie spektralnym 4000…650 cm -1 , przy rozdzielczości 

4 cm -1 , liczbie skanów 64. 

Widma UV-VIS wykonywano w zakresie promieniowania 

190…1100 nm, z szybkością skanowania 240 nm/min, przy 

szerokości szczeliny 2 nm. 

Wyniki i dyskusja 

Aby poprawnie zanalizować wyniki z badań spektroskopowych 

warstw C-M e 

należało poznać widma FTIR i UV-VIS dla 

prekursorów tych warstw (fullerenu C 60 

i octanu Pd/Ni). 

Przykładowe widma FTIR octanu palladu oraz fullerenu 

C 60 

, wykonane w naszym instytucie przy zastosowaniu techniki 

transmisyjnej, przedstawiono na rys. 1. W widmie octanu 

Pd (rys. 1a) obecne są charakterystyczne pasma związane 

z drganiami grupy karbonylowej oraz metylowej: 

1) 1605 cm -1 – drganie asymetryczne rozciągające grupy karbonylowej 

C=O, 

2) 1432 cm -1 – drganie symetryczne rozciągające grupy karbonylowej 

C=O, 

3) 1333 oraz 695 cm -1 – drgania zginające grupy metylowej 

CH 3 

[1,2]. 

Natomiast w widmie fullerenu C 60 

(rys. 1b) można wyróżnić 4 

charakterystyczne pasma związane z następującymi drganiami: 

1) 1428 cm -1 – drganie ściskające pięciokątów, 

2) 1182 cm -1 – asymetryczna deformacja pięciokątów, 

3) 576 cm -1 – drganie symetryczne pulsujące, 

4) 527 cm -1 – drganie deformacyjne cząsteczki C 60 

[3–6]. 

Przykładowe widmo absorpcyjne UV-VIS warstwy fullerenu 

C 60 

osadzonego na płytce kwarcowej pokazano na rys. 2. 

Widmo fullerenu charakteryzuje się obecnością czterech pasm 

związanych z dozwolonymi przejściami elektronowymi w cząsteczce 

C 60 

przy długościach fali 219, 267, 344 oraz 442 nm 

[8–10]. 


2000 1500 

1000 500 


Rys. 1. Widma FTIR octanu palladu (a) oraz fullerenu C 60 

(b) 

Fig. 1. FTIR spectra of palladium acetate (a) and fullerene C 60 

(b) 

Absorbance 

3 

2 

1 

0 

200 300 400 500 600 700 800 

Wavelength [nm] 

Rys. 2. Widmo UV-VIS fullerenu C 60 

osadzonego na płytce kwarcowej 

Fig. 2. UV-VIS spectra of fullerene C 60 

deposited on quartz substrate 

Spektroskopia FTIR z zastosowaniem techniki ATR 

do badań cienkich warstw 

Zastosowanie przystawki ATR do badania nanokompozytowych 

warstw C-Pd/Ni pozwala określić skład warstw, osadzonych 

bezpośrednio na podłożach. Dzięki tej technice możliwe 

jest szybkie wyznaczenie obecności octanu oraz fullerenu 

w warstwach, które w procesie ich syntezy nie uległy całkowitemu 

rozkładowi. Analiza widm FTIR umożliwia korelację 

struktury molekularnej warstw z warunkami technologicznymi 

procesu PVD. 


Na rysunku 3 widma FTIR dla warstw C-Pd potwierdzają 

obecność octanu palladu oraz fullerenu w próbce 1 oraz śladowych 

ilości fullerenu w próbce 2. Pasma charakterystyczne 

dla octanu Pd, związane z obecnością grupy karbonylowej 

C=O widoczne są w próbce 1 przy liczbach falowych 1593 cm -1 

i 1427 cm -1 [1, 2]. Poza tym w widmie próbki 1 można również 

obserwować wyraźne pasmo przy liczbie falowej 1183 cm -1 , 

które jest charakterystyczne dla asymetrycznej deformacji pierścieni 

pięcioczłonowych cząsteczki C 60 

[3‐6]. Natomiast w widmie 

warstwy 2 możemy zaobserwować jedynie pasma o niewielkiej 

wartości absorbancji: przy liczbie falowej 1183 cm -1 oraz 

1428 cm ‐1 (drganie ściskające pierścieni pięcioczłonowych cząsteczki 

C 60 

) [3-6]. Niska intensywność obu pasm wskazuje na 

śladową zawartość fullerenu. Brak pasm, związanych z drganiami 

grupy karbonylowej może sugerować całkowity rozkład 

octanu palladu podczas procesu PVD w przypadku próbki 2. 

Na rysunku 4 przedstawiono widma FTIR warstw C-Ni również 

osadzonych na podłożach alundowych. Warstwy 3 i 4 zawierają 

zarówno octan niklu, jak i fulleren, jednak zawartość tych 

związków w obu próbkach jest różna i zależna od parametrów 

technologicznych procesu PVD. Szerokie pasma przy liczbach 

falowych 1592 cm -1 oraz 1409 cm ‐1 odpowiadają drganiom rozciągającym 

wiązania C-O anionu karboksylanowego w octanie 

niklu [7]. Natomiast absorpcja promieniowania IR przy liczbach 

falowych 1183 i 1429 cm -1 świadczy o obecności fullerenu w warstwach. 

Porównując wielkość absorbancji w obu warstwach C-Ni 

wyraźnie widać, że próbka 3 zawiera zdecydowanie więcej octanu 

niklu i nieznacznie więcej fullerenu w porównaniu z próbką 4. 

Spektroskopia UV-VIS do badań cienkich warstw 

W celu ilościowego oznaczenia fullerenu C 60 

w warstwach 

C-Pd/Ni, zastosowano spektroskopię w zakresie UV-VIS. Na 

rysunku 5 przedstawiono widmo warstwy C-Pd (próbka 5) 

z pasmami charakterystycznymi dla przejść elektronowych 

w cząsteczce C 60 

, co świadczy o obecności fulerenu w próbce 

i potwierdza wyniki otrzymane za pomocą spektroskopii FTIR. 

Do ilościowego oznaczenia fullerenu w syntezowanych 

warstwach C-Pd/Ni zastosowano metodę krzywej wzorcowej. 

W celu jej sporządzenia, najpierw prowadzona jest ślepa 

próba tzw. baseline. Używany roztwór wzorcowy stanowi rozpuszczalnik 

dla badanej substancji. Istotne jest zatem odpowiednie 

dobranie rozpuszczalnika, aby sam nie wykazywał 

absorpcji w zakresie UV-VIS. 

W przypadku fullerenu wybrano toluen – rozpuszczalnik 

aromatyczny, w którym rozpuszczalność C 60 

jest wysoka 

(2,15 mg/cm 3 ). Przygotowano 6 roztworów o znanym stężeniu 

C 60 

w toluenie (od 0,005 mg/cm 3 do 0,05 mg/cm 3 ) i przeprowadzono 

pomiary absorbancji A dla tych roztworów (rys. 6). 

Wyniki pomiarów spektrofotometrycznych posłużyły do 

wyznaczenia krzywej wzorcowej przedstawionej na rysunku 7 

w układzie współrzędnych absorbancja A – stężenie C 60 

c. 

Krzywa wzorcowa opisana równaniem: 

A = 72,1·c + 0,101 

gdzie A stanowi absorbancję roztworu C 60 

o znanym stężeniu c, 

umożliwiła wyznaczenie stężenia fullerenu w warstwach C-Ni 

na podstawie wartości absorbancji zmierzonych dla tych 


1 

2 

Absorbance 

3 

2 

1 

C 60 

C-Pd 

2000 1800 1600 1400 1200 1000 


Rys. 3. Widma FTIR warstw C-Pd osadzonych na podłożach alundowych 

w różnych warunkach technologicznych 

Fig. 3. FTIR spectra of C-Pd films deposited on alumina in different 

technological conditions 

0 

200 400 600 800 

Wavelength [nm] 

Rys. 5. Widma UV-VIS warstwy C 60 

oraz warstwy C-Pd (próbka 5) 

na podłożu kwarcowym 

Fig. 5. UV-VIS spectra of C 60 

film and C-Pd film on quartz substrate 

(sample 5) 


3 

4 

Absorbance 

2,5 C 1 

2,0 

1,5 

1,0 

0,5 

C 2 

C 3 

C 4 

C 5 

C 6 

2000 1800 1600 1400 1200 1000 


0,0 

300 350 400 450 500 

Wavelenght [nm] 

Rys. 4. Widma FTIR warstw C-Ni osadzonych na podłożach alundowych 

w różnych warunkach technologicznych 

Fig. 4. FTIR spectra of C-Ni films deposited on alumina in different 

technological conditions 

Rys. 6. Widma roztworów C 60 

w toluenie o różnych stężeniach 

Fig. 6. Spectra of C 60 

solutions in toluene with different concentrations 

28 


warstw. Pomiary prowadzono dla pasma absorpcji C 60 

przy 

długości fali 336 nm (rys. 8). 

Na rysunku 9 pokazano przykładowe widma 3 nanostrukturalnych 

warstw C-Ni (próbka 6, 7 i 8) o różnej procentowej zawartości 

fullerenu. W tabeli zebrano wyniki zmierzonej absorbancji 

i wyznaczonego z krzywej wzorcowej stężenia C 60 

dla tych próbek. 

Procentowa zawartość fullerenu w warstwach została określona 

w oparciu o znajomość naważki poszczególnych próbek. 

Widać wyraźnie, że im wyższa zawartość fullerenu w warstwach 

tym wyższa wartość absorbancji jest mierzona. 

4 

Zestawienie wyników pomiarów spektrofotometrycznych dla warstw C-Ni 

Results of spectrophotometric measurements for C-Ni films 

Nr próbki 

Absorbancja 

Warstwy C-Ni 

Stężenie C 60 

[g/dm 3 ] 

Zawartość C 60 

w warstwie [%] 

6 1,57 0,0204 14,7 

7 2,26 0,0299 30,5 

8 4,364 0,0590 54,6 

Absorbance 

3 

2 

1 

A = 72,1c + 0,101 

0 

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 

Concentration C 60 

[mg/cm 3 ] 

Rys. 7. Krzywa wzorcowa dla układu absorbancja – stężenie C 60 

Fig. 7. Calibration curve for the system of absorbance – C 60 

concentration 

Absorbance 

1,6 

1,4 

1,2 

1,0 

0,8 

0,6 

0,4 

0,2 

0,0 

Pasmo fullerenu C 60 

λ max = 336nm 

300 350 400 450 500 550 


Rys. 8. Przykładowe widmo warstwy C-Ni z zaznaczonym pasmem 

absorpcji przy długości fali 336 nm 

Fig. 8. Spectrum of C-Ni film with marked band at wavelength of 

336 nm 

Absorbance 

5,0 

4,5 

4,0 

3,5 

3,0 

2,5 

2,0 

1,5 

1,0 

0,5 

0,0 

300 350 400 450 500 


Rys. 9. Widma UV-VIS warstw C-Ni (6,7 i 8) o różnej zawartości C 60 

Fig. 9. UV-VIS spectra of C-Ni films (6, 7 and 8) with different C 60 

content 

6 

7 

8 

Metoda krzywej wzorcowej opracowana dla ilościowych 

oznaczeń fullerenu C 60 

w nanostrukturalnych warstwach węglowo-metalowych 

wytwarzanych w procesie PVD pozwala 

w szybki i prosty sposób oznaczyć jego zawartość. 

Wnioski 

Zastosowanie technik spektroskopowych w zakresie IR i UV- 

VIS do analizy składu i struktury molekularnej nanokompozytowych 

warstw C-M e 

wytwarzanych metodą PVD, pozwala 

szybko i w miarę precyzyjnie określić zawartość prekursorów 

tych warstw, które w procesie syntezy nie uległy całkowitemu 

rozłożeniu. Zatem modyfikacja parametrów technologicznych 

procesu PVD może zostać przeprowadzona natychmiast po 

uzyskaniu wyników. Należy zwrócić uwagę nie tylko na wartości 

prądów źródeł C 60 

i octanu metalu, ale również na czas 

trwania procesu i odległość pomiędzy podłożami a źródłami 

w celu wybrania warunków prowadzących do większego stopnia 

degradacji obu związków. 

Autorzy dziękują Pani Elżbiecie Czerwosz, Pani Halinie Wronce, 

Pani Ewie Kowalskiej oraz Pani Joannie Radomskiej za udział 

w badaniach wykorzystanych w niniejszym artykule. Praca naukowa 

częściowo finansowana z Europejskiego Funduszu Rozwoju 

Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna 

Gospodarka 2007-2013 Nr UDA-POIG.01.03.01-14-071/08-06 

oraz MNT ERA Net project Nr 400/ERA-NET/2009. 

Literatura 

[1] Zhang J.Y., Boyd I.W.: Photo-decomposition of thin palladium 

acetate films with 126 nm radiation,. Appl. Phys. A 65 (1997) 

379–382. 

[2] Fang Q., He G., Cai W.P., Zhang J.-Y., Boyd I. W.: Palladium nanoparticles 

on silicon by photo-reduction using 172 nm excimer 

UV lamps. Appl. Surf. Sci. 226 (2004) 7–11. 

[3] Byszewski P., Klusek Z.: Some properties of fullerenes and carbon 

nanotubes. Opto‐Electronics Review 9(2) (2001) 203–210. 

[4] Przygocki W., Włochowicz A.: Fulereny i nanorurki. WNT 2001. 

[5] Jing D., Pan Z.: Molecular vibrational modes of C 60 

and C 70 

via 

finite element method. European Journal of Mechanics A/Solids 

28 (2009) 948–954. 

[6] Ibrahim M.: Modelling and Vibrational Structure of C 60 

and C 80 

. 

Acta Chim. Slov. 52 (2005) 153–158. 

[7] Guan H., Zhou W., Fu S., Shao C., Liu Y.: Electrospun nanofibers 

of NiO/SiO 2 

composite. J. Phys. Chem. Solid 70 (2009) 

1374–1377. 

[8] Ajie H. et al.: Characterization of the Soluble All-Carbon Molecules 

C 60 

and C 70 

. J. Phys. Chem. 94 (1990) 8630-8633. 

[9] Scharff P. et al.: Structure of C 60 

fullerene in water: spectroscopic 

data. Carbon 42 (2004) 1203–1206. 

[10] Baltog I. et al.: Spectroscopic studies on C 60 

fullerene solutions in 

binary solvent mixture. Romanian Reports in Physics, 57 (2005) 

837–844. 

[11] Minczewski J., Marczenko Z.: T3 – Analiza Instrumentalna (1973). 

[12] Andrievsky G. V., Klochkov V. K., Bordyuh A. B.: Comparative 

analysis of two aqueous-colloidal solutions of C 60 

fullerene with 

help of FTIR reflectance and UV–VIS spectroscopy. Chem. Phys. 

Lett. 364 (2002) 8–17. 


Programowanie filtrów akceptacyjnych i mechanizmy 

arbitrażu w sieci CAN 

mgr inż. ADAM KALINOWSKI 


Sieć CAN to szeregowa magistrala wymiany danych stworzona 

w 1989 r. w firmie Bosch na potrzeby przemysłu motoryzacyjnego. 

Przyczyną opracowania standardu CAN, było 

umożliwienie współpracy dużej ilości czujników i sterowników 

pokładowych urządzeń samochodowych. Innym powodem 

była chęć wyeliminowania setek metrów kabli, z których zbudowana 

była instalacja elektryczna samochodu. Wreszcie, założono 

otrzymanie ponadprzeciętnej niezawodności przesyłu 

danych, co przekłada się bezpośrednio na bezpieczeństwo 

pracy podzespołów samochodu. Realizacja założeń na sieć 

CAN powiodła się znakomicie. Powstało medium komunikacyjne 

o nadzwyczajnej niezawodności i odporności na błędy 

transmisji. O powyższych zaletach świadczy przykład sieci 

CAN pracującej nieprzerwanie osiem godzin dziennie przez 

365 dni w roku. W takiej sieci pierwszy niewykryty błąd pojawi 

się dopiero po tysiącu lat. Jeżeli do tego dodać maksymalną 

prędkość transmisji wynoszącą 1 Mbit/s, dopuszczalną długość 

sieci przekraczającą tysiąc metrów i największą ilość 

węzłów równą 120, to zrozumiałe jest jednomyślne przyjęcie 

standardu przez wszystkich producentów motoryzacyjnych. 

Ale sieci CAN zdobyły nie tylko przemysł motoryzacyjny. Z powodzeniem 

stosowane są w sieciach przemysłowych, na statkach 

(również kosmicznych), a nawet w rolnictwie. 

Wykorzystując wytyczne standardu CAN zawarte w [1] 

zbudowano w ITR modem CAN przedstawiony na rys. 1. Modem 

zawiera zespół arbitrażowy i blok filtrów akceptacyjnych. 

Arbitraż pakietów i filtrowanie akceptacyjne wynikają ze 

specyfiki magistrali, polegającej na równorzędnej roli wszystkich 

dołączonych modułów. W przeciwieństwie do szyn komunikacyjnych 

z innymi protokołami, tutaj żaden węzeł nie 

jest nadrzędny wobec pozostałych. Stąd wynika, że każdy 

moduł może zawłaszczać szynę w dowolnym momencie, zaś 

łączność jest typu rozgłoszeniowego, bez określonego adresata. 

Aby uniknąć konfliktów na magistrali, powodowanych 

przez urządzenie próbujące nawiązać łączność jednocześnie, 

zastosowano arbitraż. Polega on na negocjacji pomiędzy 

włączającymi się równocześnie węzłami. Negocjacje mają 

doprowadzić do wyłonienia tego węzła, który przejmie dominację 

nad siecią, spychając inne węzły w stan oczekiwania. 

O wyniku arbitrażu decyduje nagłówek wysyłanego pakietu. 

Jest to pierwsza część ramki, tzw. pole arbitrażu, składające 

się z 11 lub 29 bitów. Każdy z bitów nagłówka może być bitem 

dominującym lub recesywnym. Bit dominujący to logiczne 

zero, odpowiada wartości sygnału różnicowego większej niż 

0,9 V. Natomiast bit recesywny to logiczna jedynka, o wartości 

napięcia zbliżonej do zera. 

Przyjmując model przedstawiony w [3], elementy składowe 

sieci można w dużym przybliżeniu przedstawić jako tranzystory 

w konfiguracji otwartego kolektora, realizujące funkcję iloczynu 

galwanicznego. Model taki przedstawiony jest na rys. 2. 

Jeżeli węzeł jest w stanie dominującym, to tranzystor jest włączony, 

zwiera szynę i przykrywa węzły recesywne. Wszystkie 

stacje sieci odczytują stan dominujący magistrali. 

W opracowanym modemie CAN wdrożono mechanizm arbitrażu. 

Arbitraż dotyczy sytuacji jednoczesnego dostępu do 

łącza wielu stacji. Kilka włączających się do sieci urządzeń 

rozpoczyna podawanie na magistralę kolejnych bitów pola 

arbitrażu nagłówka wysyłanej ramki. Każde z urządzeń umie 

odczytać aktualny stan magistrali. Jeżeli wszyscy uczestnicy 

negocjacji wystawiają taki sam bit, to odczytując zawartość 

magistrali, stwierdzają, że jest ona zgodna z wysłanym bitem. 

Na tym etapie negocjacja jest nierozstrzygnięta i następuje 

przejście do kolejnego etapu. Jeżeli teraz jedno z urządzeń 

poda bit recesywny (jedynkę logiczną) a drugie bit dominujący 

(zero logiczne), to stacja wystawiająca jedynkę odczytuje niezgodność 

stanu magistrali z wystawionym bitem. Oznacza to, 

że ta stacja ma niższy priorytet niż inna i przegrywa arbitraż. 

Przestawia się na odczyt i czeka na zwolnienie magistrali. 

Węzeł sieci, który wychodzi zwycięsko z arbitrażu, przejmuje 

dostęp do sieci. Może rozpocząć nadawanie pozostałej części 

pakietu. 

Wynika stąd, że negocjacje zawsze wyłonią zwycięską 

stację o najmniejszym numerze nagłówka. Przeprowadzono 

próby arbitrażu, polegające na równoczesnym wysterowaniu 

trzech modemów CAN przyłączonych do szyny. Warunek równoczesnego 

nadawania uzyskano przez pobudzenie wejść 

dwustanowych modemów tym samym przełącznikiem. Każdy 

modem miał wysłać ramkę o różnym nagłówku. Zaobserwowano 

efekt, że spośród wszystkich wysyłanych ramek, najwyższy 

priorytet miała ramka z najmniejszą wartością nagłówka. 

Rys. 1. Modem sieciowy CAN 

Fig.1. CAN network modem 

Rys. 2. Model przyłączenia węzłów do sieci CAN 

Fig. 2. Model of nodes connection in CAN bus network 

30 


Działanie opracowanego modemu CAN polegało na filtrowaniu 

akceptacyjnym. Bloki realizujące tą funkcję nazywają 

się filtrami akceptacyjnymi. Są to sprzętowe układy logiczne 

porównujące nagłówki odbieranych pakietów z zapisanymi 

wzorcami. Filtrowanie akceptacyjne wynika z rozgłoszeniowego 

charakteru pracy sieci CAN. Tryb rozgłoszeniowy polega 

na tym, że każdy węzeł sieci odbiera wszystkie napływające 

pakiety i sam nadaje do wszystkich pozostałych węzłów. Jednak 

nie każda odebrana ramka jest użyteczna dla danej stacji. 

Wybiórczość ramek dobrze ilustruje przykład samochodowej 

instalacji elektrycznej. Składa się ona, między innymi, z takich 

elementów jak: komputer sterujący wtryskiem i zapłonem paliwa, 

układ zapobiegający blokowaniu hamulców, układ kontroli 

toru jazdy, sterowanie poduszek powietrznych, regulator klimatyzacji 

i wiele innych. Wszystkie elementy składowe elektroniki 

pokładowej wymieniają informacje poprzez sieć CAN. 

O ile jednak skład spalin podawany do sieci przez sondę 

lambda jest użyteczny dla komputera sterującego silnikiem, 

o tyle jest zupełnie bezużyteczny dla sterownika wycieraczek. 

Zatem aby z natłoku informacji wybrać tylko te potrzebne, stosuje 

się filtrowanie danych. 

Przykład programowania filtrów akceptacyjnych opracowanego 

modemu CAN przedstawiono na rys. 3. 

CAN_IER = 0x013; // przerwanie od oproznionej skrzynki nadawczej 

// i niepustej skrzynki odbiorczej FIFO0 i FIFO1 

CAN_MCR |= 0x01; // przejscie w tryb inicjacji CAN 

while((CAN_MSR & 0x01) == 0); // czekanie na INAK = 1 

CAN_BTR = 0x0369000F; // 125kb/s, fPCLK1=36MHz, PR=16, tBS1=10tq, tBS2=7tq 

CAN_FMR = 0x01; 

CAN_FS1R = 0x03; 

CAN_FM1R = 0x03; 

CAN_FFA1R = 0x02; 

Rys. 3. Programowanie filtrów akceptacyjnych 

Fig. 3. Programming of acceptance filters 

// przejscie w tryb inicjacji filtrow akceptacyjnych 

// filtr 0 i filtr 1 jako pojedyncze o dlugosci 32 bity 

// bank 0 i bank1 jako zestawy dwoch rejestrow o dlugosci 32 bity 

// filtr 1 przypisany do FIFO1 

CAN_F0R1 = (0xAA

Automatyczny prober do precyzyjnych pomiarów 

właściwości elektromagnetycznych materiałów 

przy częstotliwościach mikrofalowych 

mgr inż. MARCIN KARLIŃSKI, mgr inż. MARCIN KIEŁBASIŃSKI, mgr inż. JANUSZ WÓJCIK, 

dr inż. JERZY ZAJĄC 


We współczesnej mikroelektronice podstawowe znaczenie 

mają parametry elektromagnetyczne stosowanych materiałów. 

Parametry te, a w szczególności rezystywność i przenikalność 

dielektryczna, decydują o możliwości zastosowań 

poszczególnych materiałów i o możliwych do uzyskania parametrach 

elektrycznych wyrobów produkowanych z tych materiałów. 

W przemyśle półprzewodnikowym od wielu lat stosuje 

się standardowe metody pomiarów rezystywności płytek półprzewodnikowych. 

Dotyczy to płytek podłożowych oraz płytek 

z warstwami epitaksjalnymi i dyfuzyjnymi [4]. Znane i często 

stosowane metody pomiaru rezystywności: czteroostrzowa, 

charakterystyk pojemnościowo-napięciowych C – V, rezystancji 

rozpływu oraz pomiary hallowskie metodą van der Pauwa, 

są badaniami kontaktowymi i w związku z tym niszczącymi 

powierzchnię badanej płytki. Ponadto zakres ich zastosowań 

ogranicza się najczęściej do krzemu i germanu, a półprzewodniki 

A III 

B V 

, A II 

B VI 

i A IV 

B IV 

mierzą się raczej źle, co często 

wynika z trudności w uzyskaniu odpowiedniego kontaktu elektrycznego 

między badaną płytką a urządzeniem pomiarowym. 

Dodatkowym ograniczeniem tych metod jest zakres badanych 

rezystywności. Z dużymi trudnościami dają się stosować dla 

wysokich (>10 3 Ωcm) i niskich (

I – symetryczny do pomiaru rezystywności w zakresie od 

10 -1 Ωcm do 10 5 Ωcm 

II – niesymetryczny do pomiaru rezystywności w zakresie 

od 10 -4 Ωcm do 10 2 Ωcm. 

Budowa probera 

Wygląd zewnętrzny probera z otwartą osłoną obszaru załadowczego 


Rys. 2. Wygląd zewnętrzny probera z otwartą osłoną obszaru załadowczego 

Fig. 2. Appearance of the prober with open cover of loading area 

W prawej części rysunku widoczny jest obszar załadowczy 

probera z otwartą osłoną. Pod osłoną znajduje się taca, na 

którą kładzie się badaną płytkę. W środkowej części probera, 

pod metaliczną osłoną z pionową szczeliną (umożliwiającą wyprowadzenie 

falowodu) znajduje się rezonator. W lewej części 

probera znajduje się sterownik mikroprocesorowy (w okienku 

widoczne są lampki sygnalizujące stan sterownika). Obok sterownika 

znajduje się zasilacz i segment napędu liniowego. 

Poglądowy schemat probera, przedstawiający bardziej 

szczegółowo zespoły probera i ich rozmieszczenie przedstawiono 

na rys. 3. 

Rys. 3. Schemat poglądowy probera 

Fig. 3. Illustrative schema of the prober 

Przed rozpoczęciem pomiarów należy umieścić badaną płytkę 

w oznaczonym położeniu (koncentrycznie względem narysowanych 

okręgów) na tacy, znajdującej się w obszarze załadowczym. 

W tacy rozmieszczono kilka otworków, które mogą być 

dołączone do podciśnienia, co umożliwia unieruchomienie badanej 

płytki względem tacy. Pod tacą znajduje się obrotowy stolik 

– przyssawka, umożliwiający obracanie płytki o zadany kąt. Na 

czas obrotu stolik jest podnoszony do góry i uzyskuje kontakt ze 

środkową częścią płytki, a dołączone podciśnienie unieruchamia 

płytkę na stoliku. W tacy znajduje się podłużne wycięcie, przez 

które stolik może wysunąć się do góry. Podnoszenie stolika jest 

wykonywane przez mechanizm podciśnieniowy. Dołączanie i odłączanie 

podciśnienia jest wykonywane przez elektrozawory załączane 

przez sterownik. W czasie ruchu płytka jest unieruchomiona 

na tacy albo na stoliku przez podciśnienie. Podciśnienie 

unosi także stolik do góry. W czasie skanowania płytki, obszar 

załadunku i obracania jest osłonięty przez pokrywę. 

Taca może być poruszana przez napęd liniowy z silnikiem 

skokowym do zaprogramowanego położenia. Złożenie ruchu 

liniowego tacy i obrotowego stolika umożliwia skanowanie 

powierzchni płytki względem rezonatora mikrofalowego. 

W poszczególnych zaplanowanych położeniach płytki można 

zatrzymać jej ruch i wykonywać pomiar właściwości rezonansowych 

rezonatora i na tej podstawie obliczyć rezystywność 

(ewentualnie przenikalność) płytki. Typowe skanowanie płytki 

wykonywane jest wzdłuż kilku średnic (2 albo 4 przecinających 

się pod zadanym kątem 90 albo 45º. Możliwe jest także zaplanowanie 

innych, bardziej złożonych wzorów skanowania. 

Wielokrotne powtórzenie pomiarów w zadanych miejscach 

płytki pozwala na uzyskanie dokładnego i powtarzalnego rozkładu 

rezystywności na powierzchni płytki półprzewodnikowej. Pozwala 

to na wykonywanie pomiarów w sposób bezkontaktowy, 

nie powodujący uszkodzenia badanych płytek półprzewodnikowych 

a tym samym na 100% kontrolę jakości zarówno u producentów, 

jak i odbiorców materiałów półprzewodnikowych. 

Podstawowe parametry probera: 

● średnice mierzonych płytek 75…150 mm 

● grubości mierzonych płytek 300…1000 μm 

● zakres przesunięć w osi X 150 mm z rozdzielczością 

0,25 mm 

● zakres obrotu w osi Φ 

±360º z rozdzielczością 0,5 o 

● zasilanie: 

230 V AC, 50 Hz, 0.2 kVA 

● podciśnienie 

0,05 MPa (0,50 bara) 

● wymiary urządzenia: 

330 * 820 * 230 mm 

● masa 

25 kg. 

Sterowanie probera 

Przyrząd ResMap10 może być sterowany przez nadrzędny 

komputer sterujący za pośrednictwem interfejsu sieci komputerowej 

Ethernet z protokołem MODBUS TCP [5]. Transmisje 

między sterownikami: nadrzędnym i lokalnym probera są 

sprawdzane pod kątem ich poprawności. Wszystkie operacje 

probera (z wyjątkiem restartu po włączeniu zasilania) są inicjowane 

przez komputer nadrzędny. Wysyła on do probera 

rozkazy, które są interpretowane i wykonywane przez lokalny 

sterownik probera. Zastosowany protokół powoduje, że 

sterownik lokalny może realizować rozkazy sekwencyjnie, 

a każdy z nich kończy się ustaleniem kodu rezultatu tzn. 

potwierdzeniem poprawnego wykonania albo kodem błędu. 

Kod rezultatu jest zapisywany do rejestru stanu sterownika 

lokalnego i może być odczytywany przez interfejs sieciowy. 

Podczas realizacji rozkazu, sterownik sygnalizuje stan zajętości. 

Przed wysłaniem każdego rozkazu sterownik nadrzędny 

sprawdza, czy sterownik lokalny jest w stanie gotowości, tzn. 

że poprzedni rozkaz został wykonany w całości i bezbłędnie. 

Sterownik lokalny został zbudowany z zastosowaniem modułów 

przemysłowych, wbudowanych (ang. embedded) komputerów 

PC firmy Beckhoff [1]. Moduł procesorowy sterownika 

typu CX1010 pracuje pod kontrolą systemu operacyjnego 

Windows CE. Obsługuje on komunikację probera i zarządza 

pracą pozostałych modułów obiektowych: 

● Kontroli zasilania, 

● Wejść i wyjść cyfrowych, 

● Sterowników silników skokowych, 

● Pomiaru ciśnienia. 


Wyjścia cyfrowe sterują elektrozaworami, dołączającymi 

podciśnienie do tacy i stolika (w celu unieruchomienia badanej 

płytki) oraz do mechanizmu podnoszenia stolika. Stan 

ciśnienia w tych blokach jest kontrolowany przez dwukanałowy 

blok pomiaru ciśnienia. Sterowniki silników skokowych 

realizują ruchy tacy i stolika (odpowiednio w osiach X i Φ). 

Napędy obu osi zawierają precyzyjne mechanizmy z silnikami 

skokowymi. 

Prober uzyskuje gotowość do pracy po upływie ok. 1 min. 

od włączenia zasilania, co jest sygnalizowane na wyświetlaczu 

sterownika, widocznego w okienku obudowy przyrządu, 

komunikatem „Beckhoff CX1000”. Pierwszą czynnością wykonywaną 

po włączeniu zasilania jest przesunięcie do położenia 

bazowego modułu liniowego z umieszczoną na nim tacą. 

Przyrząd oczekuje na polecenia z komputera sterującego. 

Zmiany stanów modułów obiektowych są sygnalizowane za 

pomocą diod LED umieszczonych na ich obudowach. 

Prober przyjmuje polecenia przez interfejs LAN pracujący 

z protokołem MODBUS TCP. Lista obsługiwanych rozkazów 

obejmuje: 

1. Sprowadzenie tacy i stolika do położeń bazowych, 

2. Obrót stolika o zadany kąt (względny i bezwzględny), 

3. Przesunięcie tacy o zadany dystans (względny i bezwzględny), 

4. Przesunięcie tacy nad centrum stolika, 

5. Opuszczenie i podniesienie stolika, 

6. Ustalenie początku układu współrzędnych osi X i Φ, 

7. Odczyt odległości od środka rezonatora do centrum stolika. 

Komunikaty związane z rozkazami grup 2. i 3. zawierają 

parametr (wartość kąta w stopniach lub przesunięcia w mm) 

w postaci liczby zmiennoprzecinkowej o długości 32 bitów. 

W odpowiedzi na rozkaz z grupy 7. przesyłana jest liczba 

zmiennoprzecinkowa, będąca wartością odległości w mm. 

Sterownik lokalny posiada także dostępne przez interfejs 

rejestry zawierające informacje o bieżącej pozycji napędów 

osi X i Φ. 

Sterownik probera ResMap10 udostępnia w odpowiednim 

rejestrze kody swego stanu. Rejestr stanu sterownika zawiera 

informacje o zajętości, albo gotowości sterownika oraz kody 

błędów związane z: formatami komunikatów, przekroczeniami 

czasów wykonania rozkazów, realizacją ruchów w poszczególnych 

osiach i wiele innych. 

Wnioski 

Prezentowany prober we współpracy z komputerem nadrzędnym 

i analizatorem mikrofalowym umożliwia pomiary rezystywności 

płytek półprzewodnikowych. Zestaw taki pozwala 

na zautomatyzowane mapowanie rezystywności płytek wykonanych 

z różnych rodzajów półprzewodników. Szczególną 

zaletą takich pomiarów jest brak materialnego kontaktu 

powierzchni badanej płytki z systemem pomiarowym. Równocześnie 

zakres mierzonych rezystywności i dokładność 

pomiarów wykraczają poza granice metod standardowych. 

Powoduje to, że system taki może być stosowany tam, gdzie 

standardowe metody pomiarów nie sprawdzają się, np. w pomiarach 

płytek wykonanych z węglika krzemu Sic lub grafenu. 

Rekompensuje to dość wysokie koszty systemu związane 

głównie kosztem analizatora mikrofalowego. 

Literatura 

[1] http://www.beckhoff.pl/ 

[2] Krupka J.: Frequency Domain Complex Permittivity Measurements 

at Microwave Frequencies. Measurement Science and 

Technology, vol. 17, R55-R77, 2006. 

[3] Krupka J., Mazierska J.: Contact-less measurements of resistivity 

of semiconductor wafers employing single-post and 

split-post dielectric resonator techniques. IEEE Trans.on IM, 

pp. 1839–1844, October 2007. 

[4] Machalica P., J. Zając, W. Mocny, B. Młynarski, J. Wójcik, G. 

Zaremba, M. Niemiec: System kontroli parametrów elektrofizycznych 

krzemowych warstw epitaksjalnych i dyfuzyjnych. Elektronika 

nr 12, 2002, ss. 12–15. 

[5] MODBUS TCP/IP OVERVIEW, http://www.rtaautomation.com/ 

modbustcp/ 

Platforma sprzętowa dla systemów operacyjnych 

i aplikacji wbudowanych do zastosowań przemysłowych 

dr inż. LESZEK KSIĄŻEK 

Instytut Tele- i Radiotechniczny, Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych, Warszawa 

Obecnie większość zagadnień technicznych, których realizacja 

obejmuje problematykę z zakresu sterowania, podejmowania 

decyzji, interakcji z użytkownikiem poprzez różnego 

rodzaju interfejsy, realizowana jest z użyciem systemów komputerowych 

specjalnego przeznaczenia, tak zwanych systemów 

wbudowanych. Przykładami systemów wbudowanych 

są sterowniki przemysłowe PLC, komputery sterujące pracą 

silników samochodowych oraz układami ABS, układy alarmowe, 

telefony komórkowe, drukarki, kserokopiarki, urządzenia 

diagnostyki medycznej, kioski informacyjne, nawigacje satelitarne 

i wiele innych. Ogólnie systemem wbudowanym jest dowolny 

system mikroprocesorowy przeznaczony do realizacji 

określonego zadania lub ich ograniczonej ilości. W najprostszej 

postaci system taki tworzy mikroprocesorowa platforma 

sprzętowa oraz oprogramowanie realizujące określoną funkcjonalność 

wraz z niskopoziomową obsługą układów peryferyjnych 

niezbędnych do realizacji tej funkcjonalności (tzw. 

firmware). W przypadku realizacji bardziej zaawansowanych 

34 

zadań stosuje się rozwiązania pracujące pod kontrolą systemów 

operacyjnych. W tego typu systemach wyróżnia się dwie 

podstawowe warstwy programowe: systemową i aplikacyjną. 

Warstwa systemowa stanowi środowisko, w którym wykonywane 

jest oprogramowanie aplikacyjne użytkownika. Główną 

zaletą rozwiązania tego typu jest możliwość wykorzystania 

w aplikacji użytkowej gotowych, przetestowanych mechanizmów 

i funkcji programowych będących składnikami systemu 

operacyjnego. Programista tworzący aplikację ma do dyspozycji 

takie komponenty programowe jak obsługa łączności 

Ethernet z użyciem stosu TCP/IP, obsługa łączności UART, 

obsługa systemu plików oraz wiele innych. Takie podejście do 

tworzenia aplikacji użytkowej pozwala na znaczne skrócenie 

czasu opracowania danego projektu poprzez skupienie się na 

realizacji jego głównej funkcjonalności. 

Wiodący producenci układów mikroprocesorowych oferują 

rozwiązania pozwalające na uruchamianie systemów 

operacyjnych, takich jak: Microsoft Windows Embedded CE, 


Embedded Linux, Android oraz aplikacji użytkowych działających 

pod kontrolą tych systemów. Stosowane są dwa główne 

modele programowe procesorów: CISC (ang. Complex Instruction 

Set Computers) z mikroprocesorami o architekturze x86 

oraz RISC (ang. Reduced Instruction Set Computers) z mikroprocesorami 

o przykładowych architekturach: ARM, MIPS, 

SuperH. Stosowane przez producentów rozwiązania jednostek 

centralnych procesorów pozwalają na osiągnięcie znacznych 

mocy obliczeniowych przy stosunkowo niskim poborze 

mocy ze źródeł zasilania oraz niskiej mocy strat. Umożliwia to 

eliminację wentylatorowych układów chłodzenia z ruchomymi, 

zawodnymi elementami. Cechą charakterystyczną tych rozwiązań 

jest również integracja w strukturze mikrokontrolerów 

znacznej ilości układów peryferyjnych. Dzięki temu znaczącej 

redukcji ulega ilość elementów zewnętrznych niezbędnych do 

realizacji platformy sprzętowej danego systemu. Konstrukcja 

takiej platformy charakteryzuje się wtedy niewielkimi rozmiarami, 

dużą niezawodnością oraz niskimi kosztami realizacji. 

W artykule przedstawiono rozwiązanie platformy sprzętowej 

do pracy w warunkach przemysłowych, wykorzystujące 

mikrokontroler z rodziny ARM. Opracowana platforma pozwala 

na uruchamianie wbudowanych systemów operacyjnych 

i aplikacji użytkowych. Została ona wykorzystana przy realizacji 

funkcji serwera standardu komunikacyjnego IEC61850 

dla urządzeń elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej 

(EAZ) produkowanych w ITR. 

Podstawowe wymagania systemów 

operacyjnych do zastosowań 

wbudowanych 

Systemy operacyjne klasy Windows Embedded CE oraz 

Embedded Linux przeznaczone są do pracy na platformach 

sprzętowych zbudowanych w oparciu o mikroprocesory 32- 

bitowe wyposażone w układy zarządzania pamięcią MMU. 

Głównym czynnikiem decydującym o wydajności tych systemów 

jest częstotliwość taktowania użytego mikroprocesora. 

Wzrost częstotliwości taktowania powoduje wzrost wydajności 

przetwarzania tych systemów a także wzrost mocy niezbędnej 

do zasilania platformy sprzętowej systemu. Dla zastosowań 

wbudowanych często występują ograniczenia odnośnie 

mocy, jaka może być dostarczona do układu. W takim przypadku 

dobór częstotliwości taktowania systemu powinien stanowić 

kompromis pomiędzy wydajnością systemu, a mocą 

wymaganą do jego zasilania. 

Kluczowym elementem mikroprocesora, niezbędnym przy 

implementacji systemów operacyjnych, takich jak Windows 

Embedded CE oraz Embedded Linux, jest układ zarządzania 

pamięcią MMU (ang. Memory Management Unit). Układ 

ten, wbudowany w strukturę procesora, dokonuje translacji 

adresów pomiędzy przestrzenią adresową pamięci wirtualnej 

dostępną w systemie operacyjnym, a przestrzenią adresową 

pamięci fizycznej dostępną dla danej platformy sprzętowej. 

Dzięki temu bloki ciągłych obszarów pamięci wirtualnej mogą 

być utworzone z wielu nieciągłych obszarów pamięci fizycznej. 

Układ MMU dokonuje również sprzętowej ochrony pamięci 

RAM. Zakres ochrony obejmuje dostęp współdzielony do 

pamięci, zapis/odczyt pamięci oraz tylko odczyt pamięci. Jeśli 

podczas dostępu do pamięci rodzaj tego dostępu jest dla danego 

obszaru niezdefiniowany lub niedozwolony układ MMU 

informuje o tym system poprzez zgłoszenie odpowiedniego 

przerwania. Zastosowanie pamięci wirtualnej w systemach 

operacyjnych daje wiele korzyści. Procesy korzystające z tej 

pamięci mogą być uruchamiane współbieżnie, korzystanie 

z bibliotek systemowych przez poszczególne procesy odbywa 

się na zasadzie współdzielenia. Programy wykorzystujące 

mechanizm pamięci wirtualnej mogą być relokowalne, co 

oznacza, iż mogą być one umieszczone pod dowolnym adresem 

w pamięci fizycznej. Z programistycznego punktu widzenia 

mechanizm pamięci wirtualnej ułatwia proces tworzenia 

oprogramowania gdyż programy mogą być pisane w sposób 

niezależny od fizycznej organizacji pamięci. 

Charakterystyczną cechą systemów operacyjnych do zastosowań 

wbudowanych jest ich skalowalność. Jest ona osiągana 

poprzez modułową budowę oprogramowania tych systemów 

w zakresie obsługi sprzętowej układów peryferyjnych 

jak również oferowanej funkcjonalności (interfejs graficzny, 

protokoły transmisji, system plików, bazy danych). Na etapie 

przygotowania obrazu bitowego systemu operacyjnego określa 

się, które składniki funkcjonalne (moduły programowe) 

dostępne będą w systemie docelowym. Wybór tych składników 

wynika z konfiguracji platformy sprzętowej realizowanego 

systemu a także z przewidywanego wykorzystania ich funkcjonalności 

w aplikacji użytkowej. Z tego względu wymagania 

pamięciowe dla tego typu systemów mogą być bardzo różne. 

Proste konfiguracje systemów operacyjnych przystosowane 

do realizacji ograniczonej ilości zadań mogą wymagać pamięci 

operacyjnej RAM oraz pamięci nieulotnej typu Flash 

rzędu pojedynczych megabajtów. Systemy o zaawansowanej 

konfiguracji obsługujące różne układy peryferyjne, interfejsy 

graficzne, protokoły komunikacyjne oraz rozbudowane aplikacje 

użytkowe mogą wymagać pamięci RAM rzędu dziesiątek 

megabajtów oraz Flash rzędu setek megabajtów. Pamięć 

operacyjną RAM w tego typu systemach stanowi pamięć 

dynamiczna typu SDRAM montowana na płytce drukowanej 

razem z mikroprocesorem. Pamięć Flash wykorzystywana 

jest do przechowywania kodu wykonywalnego systemu operacyjnego 

a także organizacji systemu plików i przechowywania 

danych użytkownika. Najczęściej wykorzystuje się tu 

układy pamięciowe typu NAND Flash montowane, podobnie 

jak w przypadku układów SDRAM, na płytce drukowanej mikroprocesora. 

Dla takiej konfiguracji układów pamięciowych, 

podczas inicjacji mikroprocesora, systemem operacyjny przechowywany 

w pamięci NAND Flash jest najpierw kopiowany 

do pamięci SDRAM, a następnie jest z niej wykonywany. 

Przeznaczenie oraz funkcjonowanie 

platformy sprzętowej systemu 

Platforma sprzętowa prezentowana w niniejszym artykule 

została przystosowana do implementacji standardu komunikacyjnego 

IEC 61850 w urządzeniach elektroenergetycznej 

automatyki zabezpieczeniowej opracowywanych w ITR. Standard 

IEC 61850 jest nowoczesnym rozwiązaniem technicznym 

stosowanym w automatyce elektroenergetycznych stacji 

rozdzielczych. Funkcjonowanie tego standardu opiera się na 

wykorzystaniu sieci lokalnych typu Ethernet do przesyłania 

danych sterujących oraz opisujących stan systemu elektroenergetycznego. 

Zalecana prędkość przesyłu danych siecią 

Ethernet to 100 Mbit/s. Standard IEC 61850 zawiera zalecenia 

dotyczące wymiany informacji na wszystkich poziomach 

stacji elektroenergetycznej oraz bezpośredniej wymiany informacji 

pomiędzy urządzeniami na zasadzie każdy z każdym. 

Określa on także struktury danych odwzorowujące elementy 

funkcjonalne urządzeń systemu elektroenergetycznego. 

Platforma sprzętowa zastosowana do implementacji standardu 

IEC 61850 pełni dwie podstawowe funkcje: komunikuje 

się z urządzeniem EAZ za pomocą łącza szeregowego 

celem wymiany danych z tym urządzeniem oraz udostępnia 

łączem typu Ethernet dane i funkcje kontrolne urządzenia 

EAZ w postaci serwera zgodnego z normą IEC 61850. Ze 

względu na konieczność integracji z istniejącymi urządzenia- 


mi EAZ, zastosowana platforma sprzętowa charakteryzuje 

się małymi wymiarami geometrycznymi oraz małym poborem 

mocy, dzięki czemu możliwym było jej wbudowanie do tych 

urządzeń. Złożoność funkcjonalna standardu IEC 61850 oraz 

jego wymagania w zakresie zasobów pamięciowych, łączności 

z użyciem różnych protokołów sieciowych, a także organizacji 

systemu plików do przechowywania danych konfiguracyjnych 

powodują, iż do jego implementacji celowym było 

zastosowanie rozwiązania bazującego na jednym z dostępnych 

systemów operacyjnych. Dla opisywanego przypadku 

wytypowane zostało rozwiązanie wykorzystujące system 

operacyjny Windows Embedded CE 6.0. Dla tego systemu 

oraz mikroprocesora zastosowanego w platformie sprzętowej 

dostępny jest pakiet oprogramowania BSP (ang. Board Support 

Package), wspierający tworzenie docelowej konfiguracji 

systemu operacyjnego. 

Rozwiązania układowe platformy 

sprzętowej 

W opisywanej konstrukcji platformy sprzętowej wyróżnić 

można: szybki mikrokontroler firmy ATMEL o symbolu AT- 

91SAM9260 z rdzeniem ARM926EJ-S, układy pamięci typu 

SDRAM oraz typu NAND Flash, interfejs transmisji szeregowej 

UART, interfejs transmisji Ethernet, interfejs uniwersalnej 

magistrali szeregowej USB (Device), czytnik kart pamięci typu 

microSD oraz układ zasilania. W zaimplementowanym systemie 

komunikacyjnym platforma sprzętowa stanowi element 

pośredniczący w wymianie informacji pomiędzy urządzeniem 

zabezpieczeniowym EAZ, a komputerowym systemem nadzoru. 

Ze względu na przemysłowe środowisko pracy została 

ona wyposażona w rozwiązania zapewniające izolację galwaniczną 

dla współpracujących ze sobą systemów. Elementy 

elektroniczne użyte do budowy platformy sprzętowej przystosowane 

są do pracy w przemysłowym zakresie temperatur 

(‐40…+85°C). Schemat blokowy platformy sprzętowej systemu 

komunikacyjnego IEC 61850 przedstawiono na rysunku. 

EAZ 

Schemat blokowy platformy sprzętowej systemu komunikacyjnego 

IEC 61850 

Block diagram of hardware platform for IEC 61850 communication 

system 

36 

USB 

Device 

Interfejs 

transmisji 

szeregowej 

ADUM1201 

NAND 

Flash 

SDRAM 

Mikrokontroler 

AT91SAM9260 

Zasilacz izolowany 

+12V/+3.3V 

+3.3V/+1.8V 

Czytnik 

microSD 

Warstwa fizyczna 

Ethernet 

DM9161 

LAN 

RJ45 

Jednostka centralna 

Jednostkę centralną platformy sprzętowej systemu stanowi 

32-bitowy mikrokontroler AT91SAM9260 bazujący na rdzeniu 

rodziny ARM926EJ-S. Maksymalna częstotliwość pracy mikrokontrolera 

AT91SAM9260 wynosi 210 MHz. W mikrokontrolerze 

zastosowano architekturę typu Harvard z rozdzielonymi 

magistralami dla pamięci programu oraz danych. Rdzeń 

procesora współpracuje z jednostką zarządzania pamięcią 

MMU (Memory Management Unit) pozwalającą na uruchamianie 

systemów operacyjnych klasy Windows Embedded 

CE lub Embedded Linux oraz interfejsem TCM (Tightly Coupled 

Memory) zapewniającym krótkie czasy dostępu do pamięci 

zewnętrznych. W strukturze mikrokontrolera znajdują 

się dwa banki pamięci typu SRAM (po 4096 bajtów każdy), 

pracującej z pełną szybkością procesora, wykorzystywane 

podczas startu systemu do przechowywania kodu programu 

ładującego a także stosu oraz zmiennych. Dostęp do układów 

peryferyjnych mikrokontrolera odbywa się poprzez magistrale 

systemowe AHB (Advanced High-performance Bus) oraz 

APB (Advanced Peripheral Bus). Układy peryferyjne wymagające 

szybkiej obsługi dołączone są do magistrali AHB, układy 

peryferyjne wolniejsze do magistrali typu APB. 

Najważniejsze układy peryferyjne wbudowane w strukturę 

mikrokontrolera AT91SAM9260 to: trzy 32-bitowe porty I/O 

(w sumie 96 linii I/O), układ transmisji Ethernet 10/100 Mb/s 

zawierający kontroler MAC802.3 (Media Access Control) oraz 

interfejs MII (Media Independent Interface) służący do przyłączenia 

interfejsu warstwy fizycznej sieci Ethernet (PHY), port 

USB 2.0 Full Speed (12 Mb/s) typu Device, dwa porty USB 

2.0 Full Speed (12 Mb/s) typu Host, interfejs magistrali zewnętrznej 

EBI umożliwiającej podłączenie pamięci masowych 

typu SDRAM i NAND Flash, kontroler dla obsługi MultiMediaCard 

(SDCard/SDIO), zaawansowany kontroler przerwań, 

kontroler resetu procesora, zegar czasu rzeczywistego RTC 

z podtrzymaniem bateryjnym, 10-bitowy przetwornik A/C, 

kontroler DMA, synchroniczny interfejs szeregowy, 6 portów 

transmisji szeregowej USART oraz 1 port DBGU na potrzeby 

uruchomieniowe, 2 interfejsy SPI, dwa 3-kanałowe liczniki/timery 

z możliwością generowania sygnałów PWM oraz Input 

Capture, Interfejs TWI (I2C). Mikrokontroler AT91SAM9260 

wyposażony jest w układ JTAG służący do jego programowania 

oraz uruchamiania tworzonego oprogramowania w układzie 

docelowym. Mikrokontroler ten może współpracować 

z różnymi typami pamięci: NAND Flash, SDRAM, DataFlash 

w różnych ich konfiguracjach przy czym całkowita przestrzeń 

adresowa tych pamięci wynosi 4 GB. Rdzeń mikrokontrolera 

zasilany jest napięciem +1,8 V, układy peryferyjne, oprócz 

układu przetwarzania A/D, napięciem z zakresu 1,65...3,6 V. 

Układ przetwarzania A/D może być zasilany napięciem z przedziału 

3,0... 3,6 V. 

Układy pamięciowe, sekwencja startowa systemu 

W platformie sprzętowej systemu zastosowano pamięć dynamiczną 

typu SDRAM o symbolu IS42S32160A. Jest to pamięć 

32-bitowa o pojemności 64 MB (512 Mbit) i maksymalnej 

częstotliwości taktowania 133 MHz. Pamięć ta została podłączona 

do szybkiej, zewnętrznej magistrali mikrokontrolera 

AT91SAM9260 o częstotliwości pracy 100 MHz. Wewnętrznie 

pamięć tworzą dwie identyczne struktury pamięciowe, pracujące 

równolegle, o szerokości magistrali danych 16 bitów 

każda, sterowane wbudowanym kontrolerem. Pamięć zorganizowana 

jest w postaci czterech banków pamięci dynamicznej 

DRAM o pojemności 128 Mbitów (4 M x 32 bity) z synchronicznym 

dostępem do każdego banku. Każdy z banków 

posiada 32-bitowe komórki pamięci o organizacji 8192 wiersze 

na 512 kolumn. Kontroler pamięci SDRAM wbudowany 

w mikroprocesor AT91SAM9260 pozwala na obsługę pamięci, 

w których długość strony (ilość wierszy) mieści się w zakresie 

2048…8192 zaś ilość kolumn w zakresie 256…2048. Dane 

pamięci SDRAM mogą być odczytywane i zapisywane jako 

bajty, słowa (16 bitów) oraz podwójne słowa (32 bity). 

Drugi rodzaj pamięci zastosowany w platformie sprzętowej 

to pamięć nieulotna typu NAND Flash. W zależności od ilości 


poziomów elektrycznych stosowanych w tych pamięciach do 

kodowania przechowywanej informacji bitowej, rozróżnia się 

pamięci typu SLC (ang. Single Level Cell) przechowujące pojedynczy 

bit w komórce oraz MLC (ang. Multiple Level Cell) 

przechowujące dwa bity w komórce. Pamięci NAND Flash 

charakteryzują się dużymi pojemnościami oraz sekwencyjnym 

dostępem do danych. Zapis danych jest możliwy 

po uprzednim skasowaniu całego bloku danych w miejscu, 

w którym ma nastąpić ich wpis. W pamięciach tych stosuje 

się oznaczanie błędnych obszarów danych (ang. bad block), 

np. po nieudanej operacji skasowania lub zaprogramowania 

bloku danych. Zarządzanie takimi obszarami dokonywane 

jest z poziomu oprogramowania systemowego. Ze względu 

na znaczne pojemności pamięci NAND Flash są wykorzystywane 

m.in. w systemach wbudowanych do przechowywania 

obrazów bitowych systemów operacyjnych i aplikacji 

użytkowych a także są stosowane w produkcji przenośnych 

pamięci masowych. W platformie sprzętowej zastosowano 

pamięć NAND Flash typu SLC o pojemności 256 MB z 8- 

bitową szyną danych o symbolu K9F2G08U0 M. Pamięć ta 

zorganizowana jest w formie stron oraz bloków w następujący 

sposób: każda strona pamięci składa się z dwu części 

– podstawowej o długości 2048 bajtów, w której przechowywane 

są dane właściwe oraz dodatkowej o długości 64 bajtów, 

w której przechowywane są kody korekcyjne błędów, 

identyfikatory błędnych bloków oraz znaczniki programowe. 

Pojedynczy blok danych tworzy 64 strony pamięci, tj. 128 kB 

pamięci podstawowej oraz 4 kB pamięci dodatkowej. Całość 

pamięci składa się z 2048 bloków, tj. 256 MB pamięci podstawowej 

oraz 8 MB pamięci dodatkowej. 

W mikrokontrolerze AT91SAM9260 stosowany jest kilkustopniowy 

algorytm inicjacji po włączeniu napięcia zasilającego, 

pozwalający na uruchomienie systemu z pamięci 

nieulotnych typu Flash (DataFlash, NAND Flash) lub też 

uruchomienie procedury zapisu oprogramowania do tych pamięci 

z użyciem narzędzia programowego SAM‐BA. W trakcie 

próby uruchomienia mikrokontrolera z pamięci typu Flash 

sprawdzane są zawartości ośmiu początkowych adresów 

tych pamięci, odpowiadające wektorom wyjątków. Jeśli dla 

którejś z dołączonych pamięci znaleziona zostanie prawidłowa 

sekwencja programu pod tymi adresami (instrukcje 

skoku lub ładowania względnego), następuje załadowanie 

pamięci SRAM mikroprocesora zawartością tej pamięci, przy 

czym ilość wpisywanych danych określona jest zawartością 

szóstej pozycji adresowej. Ze względu na ograniczoną wielkość 

pamięci SRAM (4096 bajtów) proces ładowania systemu 

operacyjnego przebiega dwustopniowo. Wpis programu 

ładującego do pamięci SRAM stanowi pierwszy stopień ładowania 

systemu. W drugim kroku, w trakcie wykonywania 

programu z pamięci SRAM, następuje załadowanie pamięci 

SDRAM programem ładującym drugiego stopnia, pobranym 

z pamięci Flash, po czym następuje przejście do fazy jego 

wykonania. W trakcie wykonywania programu ładującego 

drugiego stopnia następuje załadowanie, inicjacja oraz skok 

do wykonywania kodu systemu operacyjnego. W każdej fazie 

uruchamiania sytemu inicjowane są niezbędne układy 

peryferyjne (porty szeregowe, kontroler łączności Ethernet, 

porty USB i inne). 

Interfejs USB typu Device 

W platformie sprzętowej wykorzystywany jest interfejs USB 

wbudowany w strukturę mikrokontrolera, pracujący w konfiguracji 

typu Device. Po dołączeniu do komputera typu PC 

interfejs ten pozwala na przeprowadzanie czynności związanych 

z programowaniem pamięci wykorzystywanych w systemie. 

Służy do tego oprogramowanie udostępniane przez 

producenta mikrokontrolera (SAM-BA). Po uruchomieniu systemu 

operacyjnego na platformie sprzętowej, interfejs USB 

(Device) zapewnia także współpracę tego systemu ze środowiskiem 

programistycznym pracującym na komputerze typu 

PC. Za jego pośrednictwem możliwie jest np. przesyłanie 

kodu aplikacji do wykonania w systemie wbudowanym a także 

uruchamianie tworzonego oprogramowania poprzez jego 

debugowanie. 

Izolowany układ transmisji szeregowej 

Separację galwaniczną linii nadawczo-odbiorczych transmisji 

szeregowej zrealizowano z użyciem izolatora cyfrowego 

o symbolu ADUM1201. Izolator ten wykonany jest w technologii 

stanowiącej połączenie technologii szybkich układów logicznych 

CMOS z klasycznymi transformatorami impulsowymi 

wbudowanymi w strukturę układu scalonego. Pierwotna oraz 

wtórna strona izolatora cyfrowego mogą być zasilane napięciami 

z przedziału 4,5…5,5 V lub 2,7…3,6 V. Wartość napięcia 

izolacji dla układu ADUM1201 wynosi 2,5 kV RMS 

. Maksymalna 

prędkość transmisji dla tego układu wynosi 25 Mb/s. 

Interfejs transmisji Ethernet 

Interfejs warstwy fizycznej Ethernet został zrealizowany z użyciem 

układu DM9161. W strukturze układu DM9161 zawarty 

jest interfejs MII (Media Independent Interface) za pomocą 

którego następuje sprzęgnięcie z kontrolerem MAC802.3 procesora 

głównego platformy sprzętowej. Główne cechy układy 

DM9161 to: 

● zgodność z normami IEEE 802.3/IEEE 802.3u 10Base- 

T/100Base-TX, 

● wsparcie dla funkcji MDI/MDI-X auto crossover (Auto-MDI), 

● wsparcie dla funkcji Auto-Negotiation IEEE 802.3u, 

● tryb pracy full-duplex lub half-duplex, 

● praca w trybie obniżonego poboru mocy. 

Układ DM9161 steruje diodami sygnalizacyjnymi LED dostarczającymi 

informację o stanie połączenia modułu z siecią 

Ethernet. Dla opracowanej platformy sprzętowej sygnalizowane 

są: stan uzyskania poprawnego połączenia modułu z siecią 

Ethernet (LINK) oraz stan wykrycia sieci 100 Mb/s. Układ 

dołączany jest do sieci lokalnej Ethernet za pomocą transformatora 

separującego oraz złącza RJ45. 

Czytnik kart microSD 

Mikrokontroler AT91SAM9260 posiada wbudowany interfejs 

kart multimedialnych MCI (Multimedia Card Interface) wspierający 

specyfikacje MMC V3.11, SDIO V1.0 oraz SD Memory 

Card V1.1. Platforma sprzętowa systemu została wyposażona 

w standardowe złącze czytnika kart pozwalające na używanie 

kart pamięci microSD lub innych urządzeń z interfejsem 

SDIO w formacie karty microSD. Zastosowanie czytnika kart 

microSD pozwala na łatwe wprowadzanie danych do systemu 

jak również ich odczyt i przenoszenie do zewnętrznego komputera 

typu PC. 

Układ zasilania 

Platforma sprzętowa systemu komunikacyjnego IEC61850 

zasilana jest z napięcia 12 V. W zasilaczu zastosowano nieregulowaną 

przetwornicę DC/DC o napięciu wyjściowym 12 

V, mocy 3 W i izolacji galwanicznej 6 kV. Izolowane napięcie 

12 V doprowadzane jest do regulatora impulsowego dostarczającego 

napięcie wyjściowe 3,3 V. Napięcie 1,8 V, do zasilania 

rdzenia mikrokontrolera, uzyskiwane jest z napięcia 3,3 

V za pomocą dedykowanego regulatora napięcia. Sprawność 

przetwornicy DC/DC dla obciążenia znamionowego wynosi 

około 80%, sprawność regualtora impulsowego jest na poziomie 

90%. Maksymalny pobór mocy układu wynosi 2 W. 


Podsumowanie 

Przedstawiona w artykule platforma sprzętowa pozwala na 

uruchamianie wbudowanych systemów operacyjnych i aplikacji 

użytkowych pod ich kontrolą. Została przystosowana do 

wbudowania do urządzeń zabezpieczeniowych EAZ w celu 

implementacji standardu komunikacyjnego IEC 61850. Charakteryzuje 

się małymi rozmiarami, niskim poborem prądu, 

rozszerzonym zakresem temperatury pracy oraz dużą odpornością 

na zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne, przez 

co może być stosowna w przemysłowym środowisku pracy. 

Stosowanie mikroprocesorowych platform sprzętowych 

pracujących pod kontrolą systemów operacyjnych przy realizacji 

różnego typu zadań wymagających użycia mikroprocesora 

ma wiele zalet. Korzysta się ze sprawdzonych mechanizmów 

i funkcji oferowanych przez te systemy. Ponadto proces 

tworzenia aplikacji użytkowych ulega znacznemu uproszczeniu 

oraz skróceniu. 

Literatura 

[1] http://www.at91.com/ 

[2] http://www.microsoft.com/windowsembedded/en-us/develop/ 

windows-embedded-ce-6-for-developers.aspx 

[3] http://elinux.org/ 

[4] Tanenbaum A. S.: Systemy operacyjne. Wydawnictwo Helion, 

Gliwice 2010. 

[5] Devadiga V. K.: Employ the proper flash memory in your design. 

Embedded Systems Design Europe, May 2008, pp. 36–39. 

[6] AT91SAM9260 datasheet: AT91 ARM Thumb Microcontrollers 

– AT91SAM9260, July 2009 (http://www.atmel.com) 

[7] DM9161 datasheet: Industrial-grade 10/100 Mbps Fast Ethernet 

Physical Layer Single Chip Transceiver, July 2008 (http://www. 

davicom.com.tw) 

[8] K9F2G08U0 M datasheet: 256 M x 8 Bit/128 M x 16 Bit/512 M 

x 8 Bit NAND Flash Memory, May 2004 (http://samsung.icfull. 

com/datasheet/K9F2G08U0 M-PDF.html) 

[9] IS42S32160A datasheet: 4 M Words x 32 Bits x 4 Banks (512-MBIT) 

Synchronous dynamic RAM, July 2009 (http://www.issi.com/) 

[10] ADUM1201 datasheet: Dual-Channel Digital Isolators ADuM1200/ 

ADuM120, January 2009 (http://www.analog.com) 

Analiza powstawania zimnych połączeń lutowanych 

podzespołów BGA w montażu bezołowiowym 

dr GRAŻYNA KOZIOŁ, mgr inż. WOJCIECH STĘPLEWSKI, mgr inż. TOMASZ SERZYSKO 


Wada zimnego połączenia lutowanego wyprowadzeń podzespołów 

BGA lub CSP polega na całkowitym zwilżeniu 

przez pastę lutowniczą pola lutowniczego przy jednoczesnym 

niecałkowitym zwilżeniu kulki lutu kontaktów sferycznych 

podzespołu oraz braku koalescencji pasty i kulki lutu 

w procesie rozpływu. Na zgładzie metalograficznym wadliwe 

połączenie wygląda jak dwie sferyczne części ułożone 

jedna na drugiej, z mniej lub bardziej wyraźną granicą 

podziału między nimi [1, 2]. Niejednokrotnie wady tej nie 

można stwierdzić bezpośrednio po procesie montażu, gdyż 

obie części są połączone na tyle, że wykazują ciągłość 

elektryczną. Jednakże takie połączenie ma bardzo małą 

odporność na narażenia mechaniczne lub temperaturowe. 

W tym przypadku wada uwidacznia się w czasie eksploatacji 

urządzenia. 

Istnieje wiele przyczyn występowania wady zimnego połączenia 

lutowanego wyprowadzeń podzespołów BGA. Może 

być ona spowodowana słabą zwilżalnością, nieprawidłowym 

procesem druku pasty lutowniczej, nieprawidłowym profilem 

czasowo-temperaturowym lutowania, odkształceniem nośnika 

kontaktów sferycznych i/lub płytki drukowanej, nieodpowiednim 

(mało aktywny) topnikiem w paście, nadmierną 

ilością wilgoci zawartej w nośniku, czy też zbyt wysoką zawartością 

miedzi w kulkach lutu kontaktów sferycznych podzespołu. 

Najczęściej, jako główne przyczyny podawane są niedostateczna 

zwilżalność i odkształcenia nośnika kontaktów 

sferycznych [1–5]. W pierwszym przypadku niedostateczna 

zwilżalność kulek lutu wyprowadzeń sferycznych podzespołu 

może być związana z obecnością na ich powierzchni grubej 

warstwy tlenków powstałych w czasie wytwarzania i/lub przechowywania 

podzespołów oraz w czasie ich wygrzewania 

przed montażem. Jeśli topnik zawarty w paście nie zdoła usunąć 

warstwy tlenkowej to w czasie fazy rozpływu lutowania 

nie nastąpi pełne przetopienie lutu i powstanie wada zimnego 

lutu. 

38 

W drugim przypadku, gdy na skutek zbyt wysokiej temperatury 

lub zbyt długiego czasu w piku lutowania płytka drukowana 

lub nośnik kontaktów sferycznych ulegną odkształceniu 

niektóre kulki lutu mogą zostać uniesione i pierwotne połączenie 

z pastą zostanie rozerwane. W miejscu przerwania połączenia 

na skutek utlenienia nie będzie możliwe wytworzenie 

prawidłowego połączenia [3, 4]. 

W badaniach nad opracowaniem warunków formowania 

bezołowiowych połączeń lutowanych podzespołów QFP, 

PBGA i CSP stwierdzono powstawanie wady HiP w połączeniach 

podzespołu BGA676T1.0. 

W artykule przedstawiono wyniki badań przyczyn powstawania 

wady zimnego połączenia lutowanego wyprowadzeń 

podzespołów BGA oraz metody jej eliminacji. 

Zakres prac. Stosowane materiały i procesy 

W celu określenia przyczyn występowania zimnych połączeń 

lutowanych podzespołów BGA wykonano badania: 

– wpływu profilu lutowania, 

– zawartości miedzi w lucie wyprowadzeń sferycznych podzespołu 

BGA 

– wpływu obecności warstwy tlenkowej na kulkach lutu 

BGA, 

– stosowania zwiększonej ilości pasty na polach pod podzespołem. 

Proces lutowania rozpływowego prowadzono przy użyciu 

bezołowiowych past SAC305 (SnAg3,0Cu0,5) z topnikiem 

ROL0 i ROL1 oraz z trzema rodzajami wielkości ziarna 

proszku w paście – typ 4, 5 i 6. Montaż podzespołów typu 

QFP, PBGA i CSP (tab. 1) wykonano na płytkach drukowanych 

z powłoką złota immersyjnego na podwarstwie niklu chemicznego 

oraz powłoce organicznej OSP. Na płytkach montowane 

były także elementy w obudowie typu SO, w obudowach 

dyskretnych typu 0805, 0603, 0402, 0201 oraz SOT-23. 


Tab. 1. Podzespoły stosowane w badaniach 

Tabl. 1. Components used in lead-free surface mound soldering 

Lp. Rodzaj podzespołu Charakterystyka podzespołu 

1 QFP52T25-3.2 52 wyprowadzenia o długości 3,2 mm; 

raster 0,65 mm 

2 BGA100T.8-DC109 100 wyprowadzeń o średnicy 0,46 mm; 

raster 0,8 mm; 

Rozmiar matrycy 10×10 mm 

3 BGA676T1.0-DC269 676 wyprowadzeń o średnicy 0,63 mm, 



4 CBGA256T1.27C-DC61 256 wyprowadzeń o średnicy 0,75 mm; 



5 CSP84T.5C-DC125 84 wyprowadzenia o średnicy 0,31 

mm; raster 0,5 mm; 


6 CSP132T.5C-DC145 132 wyprowadzenia o średnicy 0,31 mm; 



Nadruk pasty lutowniczej prowadzono na drukarce automatycznej 

MPM Accuflex Speedline Technology przez szablon 

stalowy o grubości 125 µm wycinany laserowo. Stosowano 

dwa projekty szablonów oraz parametry druku, które 

zapewniały standardowo stosowaną ilość nakładanej pasty 

oraz zwiększoną objętość pasty. Podzespoły układano za 

pomocą automatu FUJI AIM, a proces lutowania prowadzono 

w pięcio- strefowym piecu konwekcyjnym BTU VIP40. Przed 

lutowaniem zastosowano wcześniejsze wygrzewanie podzespołów 

i płytek w suszarce (temperatura 80°C) w celu usunięcia 

z nich wilgoci. 

Stosowano dwa typy charakterystyk temperaturowo-czasowe 

z profilem w strefie grzania wstępnego z przegięciem 

w postaci siodła i wznoszącym się liniowo w górę (rys. 1). 

Analizę składu lutu kulek podzespołu wykonano przy użyciu 

spektrofotometru rentgenowskiego Fischeroscope XRAY 

XDV-SD. Ocenę połączeń lutowanych prowadzono za pomocą 

urządzenia do inspekcji rentgenowskiej Nanome/X 180 

NF oraz mikroskopu metalograficznego. Wykonywano zgłady 

metalograficzne połączeń oraz pomiary odkształcenia nośnika 

kontaktów sferycznych i wielkości kulek lutu wyprowadzeń. 

Wyniki badań 

Wadę zimnego połączenia lutowanego podzespołu BGA676T1.0 

stwierdzono w czasie kontroli rentgenowskiej połączeń lutowanych 

montowanych przy użyciu profilu siodłowego z temperaturą 

w piku lutowania 245°C i czasem przebywania powyżej 

temperatury lutowania wynoszącym 90 sekund (rys. 2). Wada 

ta występowała tylko dla podzespołu BGA676T1.0, który na badanej 

płytce testowej był jednym z podzespołów o stosunkowo 

dużych wymiarach i dużej masie oraz największej liczbie wyprowadzeń 

(matryca 26×26, 676 wyprowadzeń sferycznych). 

Pomimo zastosowania profilu siodłowego i uzyskania pod 

podzespołem BGA676T1.0 temperatury 234°C, która powinna 

gwarantować prawidłowe polutowanie nie uzyskano prawidłowych 

połączeń. Wadę tę stwierdzono we wszystkich badanych 

płytkach tej serii badań niezależnie od miejsca położenia podzespołu 

na płytce i rodzaju powłoki finalnej na polach lutowniczych 

(Ni/Au, OSP). Jednakże w większości przypadków (ok. 

92% ze wszystkich obserwowanych) występowały na powłoce 

Ni/Au. Nieprawidłowy kształt połączeń potwierdziły wykonane 

zgłady metalograficzne (rys. 3). 

Rys. 2. Przykłady zimnych połączeń lutowanych podzespołu 

BGA676T1.0 obserwowane na prześwietleniu rentgenowskim 

podzespołu 

Fig. 2. The X-Ray image of BGA676T1.0 solders joints with 

Head- in-Pillow defects 

Rys. 1. Charakterystyka temperaturowo-czasowa procesu lutowania 

rozpływowego z profilem w strefie grzania wstępnego z przegięciem 

w postaci siodła (a) i wznoszącym się liniowo w górę (b) 

Fig. 1. Reflow profiles of soldering processes: a) the linear type of 

profile, b) ramp-soak type of profile 

Rys. 3. Przykłady wady zimnych połączeń lutowanych wyprowadzeń 

sferycznych podzespołu BGA 

Fig. 3. The examples of cross-section of solder balls with 

HiP defect 


Pomiary rezystancji elektrycznej siatki połączeń podzespołów 

(dasisy chain) wykazały wielokrotnie brak przejścia 

elektrycznego lub podwyższoną rezystancję zmontowanego 

układu. 

Wpływ parametrów procesu lutowania 

Zastosowanie pasty lutowniczej z bardzo aktywnym topnikiem 

typu ROL1 spowodowało nieznaczne zmniejszenie (o ok. 5%) 

ilości obserwowanych wadliwych połączeń w stosunku ilości 

wadliwych połączeń lutowanych przy użyciu pasty z mniej aktywnym 

topnikiem typu ROL0. Ponadto obserwowano zmniejszenie 

obszaru występowania zimnych połączeń w obrębie 

podzespołu. W montażu z pastą SAC ROL1 występowały one 

głównie w środkowej części podzespołu. 

Wada ta występowała zarówno dla podzespołów i płytek 

wygrzewanych przed procesem montażu jak i nie wygrzewanych. 

Wskazuje to, że ewentualna zawartość wilgoci w lutowanym 

zespole nie była czynnikiem wpływającym na powstawanie 

wady HiP. 

Badania nad eliminacją wady zimnego lutu rozpoczęto od 

modyfikacji profili lutowania. Wprowadzono zmiany parametrów 

w strefie grzania wstępnego, temperatury w piku lutowania 

oraz czasu przebywania w strefie lutowania mając na 

uwadze ich ewentualny wpływu na mechanizm powstawania 

wady. Zbyt szybkie ogrzewanie wstępne zespołu lutowniczego 

lub wykonywane w zbyt wysokiej temperaturze może doprowadzić 

do szybkiego odparowania topnika, który w nie zdoła 

dostatecznie oczyścić lutowanych powierzchni z tlenków. 

Może to być przyczyną podziału połączenia na dwie części. 

Również zbyt niska temperatura lutowania może powodować 

niedostateczne dogrzanie zespołu lutowniczego, co może 

prowadzić do powstawania wad w połączeniach lutowanych. 

Określenie zakresu wymienionych zmian było o tyle trudne, 

że zastosowany pierwotnie profil powinien zapewnić uzyskanie 

prawidłowych połączeń dla pozostałych podzespołów. 

Zmiany wprowadzano tak, aby rozkład temperatury na płytce 

był jak najmniejszy. Dla każdego profilu wykonano pomiary 

temperatur pod wszystkimi podzespołami oraz dodatkowo 

pomiar rozkładu temperatur pod podzespołem BGA676T1.0. 

W tym celu sześć termopar zamontowano w różnych punktach 

pod podzespołem (rys. 4 ), przy czym jedną (nr 1) umieszczono 

na płytce od strony podzespołu za pierwszym rzędem 

wyprowadzeń sferycznych, a pozostałych pięć (nr 2–6) w otworach 

wywierconych w płytce pod badanym podzespołem. 

Po wykonaniu pomiarów stwierdzono, że rozkład temperatur 

pod podzespołem BGA676T1.0 wykazuje bardzo duże 

zróżnicowanie. Różnica temperatury wynosiła w zależności 

od zastosowanego profilu lutowania 3,5…16,5ºC. 

Rys. 4. Miejsca rozmieszczenia termopar pod podzespołem 

BGA676T1.0 

Fig. 4. Thermocouple positions under BGA676T1.0 

Tab. 2. Zestawienie podstawowych parametrów charakterystyki temperaturowo-czasowej dla badanych profili z rozkładem temperatur pod 

podzespołem BGA676T1.0 

Tabl. 2. The main parameters of soldering profiles and temperature under BGA676T1.0 components 

Nr/Profil typ/zmieniony 

parametr 

5. /Siodłowy/ 

Wyższa temperatura 

w piku lutowania 

7. /Siodłowy/ 

Zwiększony czas 

przebywania w strefie 

lutowania 

(dwie strefy lutowania) 

Punkt pomiarowy 

Temp. [ºC] 

Czas powyżej 

217ºC [s] 

pod CSP132 250,0 64 

ΔT 

[ºC] 

Punkt 

pomiarowy 

BGA676 

Temp. 

[ºC] 

#1 243,0 

pod CBGA256T1.27 246,0 62 #2 248,5 

na powierzchni płytki 253,5 67 #3 244,0 

12 

przy QFP52 249,0 75 #4 239,5 

pod BGA676T1.0 241,5 68 #5 239,5 

pod BGA100 249,5 65 #6 241,0 

pod CSP132 251,0 87 

#1 246,0 

pod CBGA256T1.27 248,5 89 #2 248,0 


6 

przy QFP52 250,0 95 #4 244,5 

pod BGA676T1.0 245,5 91 #5 245,0 

pod BGA100 251,0 88 #6 245,5 

8. /liniowy pod CSP132 245,0 54 

#1 232,5 

pod CBGA256T1.27 236,5 51 #2 242,5 


16,5 

przy QFP52 250,5 48 #4 227,0 

pod BGA676T1.0 235,0 35 #5 226,0 

pod BGA100 242,5 42 #6 228,0 

ΔT 

BGA676 

9 

3,5 

16,5 

40 


W tabeli 2 przedstawiono podstawowe parametry profili 

wybranych do próby eliminacji wady podzespołu BGA676T1.0 

oraz rozkład temperatur pod badanym podzespołem BGA. 

Ocena połączeń wykonanych przy zastosowaniu wszystkich 

omówionych modyfikacji profili lutowania wykazała, że dla 

żadnego z profili wada zimnych połączeń układu BGA676T1.0 

nie została usunięta. Wskazuje to, iż w tym przypadku parametry 

lutowania dobrane w zakresach zalecanych dla lutowania 

bezołowiowego podzespołów typu BGA i CSP nie były podstawową 

przyczyną występowania wady tego podzespołu. 

Jedną z możliwych przyczyn powstawania defektu HoP 

może być zła zwilżalność kontaktów sferycznych podzespołu 

spowodowana ich nadmiernym utlenieniem podczas 

przechowywania. W takim przypadku, nawet jeśli pasta zawiera 

aktywny topnik, to może on nie być w stanie usunąć 

nagromadzonej dużej ilości tlenków i powstanie wadliwe 

połączenie. 

W celu sprawdzenia, czy stosowane podzespoły nie miały 

zbytnio utlenionych kulki lutu przeprowadzono montaż, w którym 

podzespół BGA676T1.0 był myty przed procesem lutowania 

w topniku o dużej aktywności (oznaczenie K-83, topnik 

typu 1.1.2/3 A wg ISO 9454-1, jest alkoholowym roztworem 

kalafonii z dodatkiem aktywatorów organicznych). 

Do lutowania zastosowano profil 5 i 7 oraz pastę SAC 

z topnikiem ROL1. 

Prześwietlenie rentgenowskie i zgłady metalograficzne 

wykazały jednak obecność defektu HiP w połączeniach podzespołu 

BGA676T1.0 w środkowej części tego podzespołu. 

Usunięcie wierzchniej warstwy tlenków pokrywających kulki 

stopu w wyprowadzeniach podzespołu BGA676T1.0 przed 

procesem lutowania nie umożliwiło zlikwidowania wady. 

Analiza składu kulek lutu podzespołu 

W kolejnym etapie badań wykonano analizę składu stopu 

wyprowadzeń sferycznych podzespołu BGA676T1.0 w celu 

sprawdzenia informacji producenta, który deklarował, że wyprowadzenia 

podzespołu były wykonane ze stopu SnAgCu 

o zawartości 2,3% Ag i 1,0% Cu. Zawartość miedzi w stopie 

SAC powyżej 1% może powodować występowanie wad lutowniczych. 

W przypadku badanego podzespołu wyprowadzenia 

zawierały, więc graniczną „bezpieczną” ilość miedzi 

w stopie. Analizę składu procentowego stopu wyprowadzeń 

podzespołu BGA676T1.0, wykonywano dla pięciu różnych 

podzespołów w dziewięć obszarach pomiarowych jak jest to 

przedstawione na rys. 5. Wyniki przedstawiono w tabeli 3. 

Tab. 3. Wyniki analizy zawartości procentowej miedzi w wyprowadzeniach 

sferycznych 3 przykładowych podzespołów BGA676T1.0 

Tabl. 3. Measurements results of copper percentage content in solder 

balls of BGA676T1.0 for 3 representative components 

Strefa 

W każdym obszarze przeprowadzono analizę składu procentowego 

stopu pięciu wybranych losowo wyprowadzeń. 

Wyniki wskazały, że najmniejszą ilość miedzi (poniżej lub około 

1%) miały analizowane wyprowadzenia sferyczne ze stref 

1, 3, 7 i 8. Ponieważ wada zimnego lutu występowała najczęściej 

w obszarze 1 można przypuszczać, że w tym przypadku 

skład lutu kulek wyprowadzeń podzespołu nie był podstawową 

przyczyną powstawania wady HiP, ale zwiększona zawartość 

miedzi w niektórych wyprowadzeniach mogła się do jej 

przyczyniać. Należy także pamiętać, że podczas lutowania 

zawartość miedzi w stopie wzrasta na skutek rozpuszczania 

się miedzi z pól lutowniczych podczas lutowania. Oznacza to 

iż bardzo ważne jest stosowanie podzespołów o jednorodnym 

składzie kulek lutu i zawartości miedzi w nim poniżej 1%. 

Odkształcenie podzespołu 

Średnia zawartość Cu [%] w lucie kulek BGA 

Podzespół 1 Podzespół 2 Podzespół 3 

1 0,820 0,977 1,391 

2 1,203 1,153 0,894 

3 0,963 0,886 1,035 

4 1,129 1,350 1,416 

5 1,471 1,389 1,368 

6 1,397 1,409 1,436 

7 0,886 1,100 1,012 

8 0,923 0,933 1,104 

9 1,476 1,272 1,152 

Przy dużych gabarytach podzespołów, tak jak ma to miejsce 

w przypadku podzespołu BGA676T1.0 istnieje niebezpieczeństwo, 

że w temperaturze bezołowiowego lutowania rozpływowego 

podzespół może ulec odkształceniu/deformacji 

z powodu nierównomiernego rozchodzenia się ciepła na korpusie 

podzespołu. Zjawisko to potwierdziły wyniki pomiarów 

rozkładu temperatury pod badanym podzespołem wykonane 

w czasie doboru profilu lutowania. 

Pomiary wysokości wyprowadzeń sferycznych podzespołu 

po lutowaniu wykazały różnice w wysokości kulek lutu, co 

świadczyło o odkształceniu podzespołu podczas lutowania. 

Różnice pomiędzy najwyższymi i najniższymi wyprowadzeniami 

sferycznymi wynosiły maksymalnie 90 µm, przeciętnie 

było to około 44 µm, przy całkowitej średniej wysokości 

kontaktu sferycznego ≅ 500 µm. Najniższe wysokości były na 

rogach podzespołu. Ten efekt zaobserwowano również przy 

obserwacjach rentgenowskich. Wskazywał na to obraz wyraźnie 

bardziej spłaszczonych wyprowadzeń na rogach podzespołów 

niż bliżej centrum. 

Rys. 5. Strefy pomiarowe podzespołu, w obszarach których wykonywano 

analizę lutu wyprowadzeń sferycznych 

Fig. 5. The measurement zones in component for copper content 

analysis 

Rys. 6. Zdjęcie przekroju poprzecznego podzespołu BGA676T1.0 

ukazujące różnice w wysokości połączeń lutowanych 

Fig. 6. Photographs of cross-section of BGA676T1.0 showing differences 

in solder joints height 


Obserwowane różnice w wysokości połączeń lutowanych 

(90 µm) mogły prowadzić do powstawania wady zimnego lutu. 

Występowanie wady HiP również w przypadku podzespołów 

o mniejszej skali odkształcenia nośnika kontaktów sferycznych 

sugerują, że w przypadku tego podzespołu przyczyną 

powstawania obserwowanej wady było nałożenie się kilku 

czynników. 

Projekt szablonu, ilość pasty 

Ilość naniesionej pasty ma wpływ na kształt połączenia lutowanego, 

a w konsekwencji na jego wytrzymałość i właściwości 

mechaniczne. Dobór ilości pasty jest utrudniony 

przy montażu na jednej płytce podzespołów typu BGA 

o różnych rozmiarach obudów i rastrze wyprowadzeń. 

Zbyt duża ilość pasty na polach lutowniczych pod podzespoły 

o małych rozmiarach i/lub gdy są małe odległości 

pomiędzy wyprowadzeniami może prowadzić do powstawania 

zwarć. Taką sytuację zanotowano dla podzespołu 

BGA676T1.0 o matrycy 26x26 mm i rastrze wyprowadzeń 

1 mm, dla którego projekt obwodu drukowanego wymagał 

przeprowadzenia pomiędzy polami lutowniczymi mozaiki 

ścieżek zamykających obwód elektryczny podzespołu 

i mozaiki płytki drukowanej. Powodowało to ograniczenie 

do niezbędnego minimum wielkości pół lutowniczych 

i utrudniało stosowanie większej ilości pasty lutowniczej. 

Zastosowano szablon z oknami o średnicy równej średnicy 

pól lutowniczych. 

Ponieważ przyczyną występowania wady zimnych połączeń 

podzespołów BGA może być zbyt mała ilość pasty naniesionej 

na pola lutownicze pod ten podzespół wykonano 

szablon ze zwiększonymi oknami dla pól lutowniczych podze- 

Rys. 7. Przykłady prawidłowych połączeń lutowanych podzespołu 

BGA676T1.0 

Fig. 7. The samples of cross section of BGA767 component with 

correct solder joints 

społu BGA676T1.0. Nowo zaprojektowany szablon miał okna 

o średnicy większej od średnicy pól lutowniczych (∅ 450 µm) 

o 100 µm. Lutowanie wykonano przy użyciu profilu nr 5 i pasty 

z topnikiem ROL1. 

Prześwietlenie rentgenowskie i obserwacje na zgładach 

metalograficznych wykazały prawidłową jakość połączeń 

wszystkich montowanych podzespołów BGA i CSP. Połączenia 

spełniały wymagania normy IPCA610. Przykładowe 

zdjęcia połączeń podzespołu BGA676T1.0 przedstawione 

są na rys. 7. 

W przypadku badanego podzespołu BGA zwiększenie 

ilości pasty lutowniczej pozwoliło na zniwelowanie pozostałych 

niekorzystnych czynników występujących w procesie 

lutowania i eliminację wady zimnych połączeń lutownych. 

Podsumowanie 

Analiza przyczyn występowania wady zimnych połączeń lutowanych 

pod podzespołem BGA676T1.0 montowanego na płytce 

zawierającej podzespoły o różnych rozmiarach obudów i rastrze 

wyprowadzeń wykazała, że odkształcenia nośnika kontaktów 

sferycznych było głównym czynnikiem powstania tej wady. 

W zależności od zastosowanego profilu lutowania stwierdzono 

bardzo duże zróżnicowanie rozkładu temperatury pod 

podzespołem BGA676T1.0. Różnica temperatury w 6 punktach 

pomiarowych wynosiła 3,5…16,5ºC. 

W mniejszym stopniu czynnikami przyczyniającymi się 

do powstawania wady HiP były: niejednorodność składu lutu 

wyprowadzeń, zwiększona zawartość miedzi w niektórych 

wyprowadzeniach (nawet 1,4%), niska aktywność topnika 

w paście oraz rodzaj lutownej powłoki na polach lutowniczych 

płytki drukowanej. 

Zastosowanie projektu szablonu, niż który zapewnił naniesienie 

większej ilości pasty lutowniczej pozwolił na eliminacje 

wady zimnego połączenia lutowanego podzespołu 

BGA676T1.0. 

Opracowanie wykonane w ramach prac badawczych Instytutu Telei 

Radiotechnicznego finansowanych ze środków na naukę w latach 

2007–2009. Projekt badawczo rozwojowy Nr R02 0004 04. 

Literatura 

[1] Seeling, K.: HOP Defects in BGAs. Circuits Assembly, Vol. 16, 

No. 12 (2008), pp. 28–32 2008. 

[2] Scalzo, M.: Addressing the Challenge of Head-in-Pillow Defects 

in Electronics Assembly. Indium Corporation Technical Library, 

2009. 

[3] Bath J., Garcia R.: Investigation and development of tin-lead and 

lead- free solder pastes to reduce the head-in-pillow component 

soldering defect. Global SMT & Packaging, Vol. 9, No. 12, pp. 

10–16, 2009. 

[4] Scalzo, M.: High first-pass yields in a lead- free environment. 

Onboard Technology, October, 2008. 

[5] Ryan C., Rodgers B., Punch J.: SnAgCu micro-Ball Grid Array 

(BGA) Solder Joint Evaluation. Proceedings of Conference on 

Thermal Phenomena, pp 121–130. 11. Plumbridge, 2004. 

42 


Kompozyty polimerowe z nanododatkami 

do zastosowań w elektronice drukowanej 

mgr inż. KAMIL JANECZEK 1) , dr GRAŻYNA KOZIOŁ 1) , 

prof. nzw. dr hab. MAŁGORZATA JAKUBOWSKA 2,3) , mgr inż. ANETA ARAŹNA 1) , 

mgr ANNA MŁOŻNIAK 3) , dr inż. JANUSZ BORECKI 1) , mgr inż. KRZYSZTOF LIPIEC 1) 

1) 


2) 

Politechnika Warszawska, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, Warszawa 

3) 

Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, Warszawa 

Elektronika drukowana należy do jednej z najbardziej dynamicznie 

rozwijających się technologii elektronicznych. Bazuje 

na nowych materiałach i wielkoseryjnych, nisko kosztowym 

procesie produkcji. To stwarza szerokie możliwości jej zastosowania 

m.in. w ogniwach fotowoltaicznych, pamięciach, bateriach 

oraz czujnikach [1]. 

Prowadzone są intensywne badania nad materiałami organicznymi 

i nieorganicznymi przeznaczonymi do zastosowania 

w elektronice drukowanej. Pierwsze z nich bazują na polimerach 

przewodzących, takich jak PEDOT:PSS [2, 3] lub polianilina 

(PANI) [4, 5], natomiast drugie najczęściej zawierają 

cząstki srebra [6] lub złota [7]. 

W badaniach nad pastami do zastosowania w elektronice 

drukowanej wykorzystuje się również nanocząstki metali oraz 

nanorurki (CNT) i nanowłókna (GPN) węglowe. CNT mogą 

być wykorzystane w wytwarzania materiałów o bardzo wysokiej 

odporności mechanicznej [8]. Ich wytrzymałość wynika 

z unikalnych właściwości warstw grafenowych, z których są 

zbudowane. Pojedyncza nanorurka węglowa charakteryzuje 

się modułem Younga w zakresie 0,64…1 TPa oraz wytrzymałością 

na rozciąganie 150…180 GPa. Poza tym, cechuje się 

gęstością 1,4–1,6 g/cm 3 [9]. 

Wymienione materiały organiczne i nieorganiczne w postaci 

past są nanoszone na elastyczne i tanie podłoża (folia, 

papier) przy użyciu różnorodnych technik drukarskich. Wśród 

nich można wyróżnić: druk fleksograficzny, offsetowy, strumieniowy 

oraz sitodruk. Każdy z tych procesów charakteryzuje 

się określoną, na ogół wysoką rozdzielczością druku i dokładnością, 

które odgrywają znaczącą rolę, szczególnie, gdy jest 

wymagane precyzyjne odwzorowanie kształtu [10, 11]. 

W artykule opisano opracowane pasty zawierające nanoproszek 

srebra (nanoAg) lub polimer przewodzący PEDOT: 

PSS z nanowłóknami węglowymi (nanoC), które są przeznaczone 

do techniki sitodruku. Jako materiał podłożowy zastosowano 

folię poliimidową Kapton HN500 o grubości 125 µm. 

Po procesie nadruku wytworzone warstwy badano pod kątem 

ich jakości i struktury powierzchni. Wykonano również pomiary 

ich parametrów elektrycznych oraz poddano je testom pod 

kątem ich zastosowania do wytwarzania połączeń elektronicznych 

i anten. 

Materiały 

Opracowane kompozyty polimerowe z nanodatkami wykonywano 

poprzez dodanie wypełniacza (nanowłókna węglowe 

lub nanoproszek srebra) do żywicy polimerowej rozcieńczonej 

w octanie karbitolu butylu. Składniki te mieszano w moździerzu, 

a następnie pastę poddano obróbce na trójwalcarce 

celem rozbicia aglomeratów. 

Pasta z nanoproszkiem srebra (nanoAg) zawierała jako 

osnowę kopolimer polimetaktylanu metylu z metakrylanem 

butylu (PMMA-PBMA) rozcieńczony w octanie karbitolu butylu. 

Wielkość ziaren proszku określona na podstawie analizy 

elektronowym mikroskopem skaningowym (SEM) wynosiła 

6,5 nm. Stężenie żywicy polimerowej było równe 8% wag. 

Druga opracowana pasta (nanoC) bazowała na polimerze 

przewodzącym PEDOT:PSS. Jako wypełniacz zastosowano 

w niej nanowłókna węglowe (2% wag.) o właściwościach 

przedstawionych w tab. 1. 

Tab. 1. Właściwości zastosowanych nanowłókien węglowych [12] 

Tabl. 1. Properties of used graphite nanofibres [12] 

Czystość > 99% 

Średnica 

Długość 

50…250 nm (średnio 100 nm) 

0,5…5 µm (średnio 2,5 µm) 

Pole powierzchni ~ 80 m 2 /g 

Temperatura topnienia 

3652…3697°C 

Do nanoszenia badanych materiałów z nanododatkami 

na podłoża elastyczne wykorzystano sitodrukarkę półautomatyczną 

z sitami poliestrowymi o gęstości 68T. Po nadruku 

warstwy poddano utwardzaniu w warunkach zestawionych 

w tabeli 2. Pasta nanoAg bezpośrednio po naniesieniu na folię 

była dodatkowo, wstępnie suszona w 120°C przez 15 minut, 

a następnie wygrzewana. 

Tab. 2. Warunki utwardzania opracowanych past 

Tabl. 2. Curing conditions of elaborated pastel 

Pasta Temperatura [°C] Czas [min] 

nanoAg 300 60 

nanoC 120 15 

Ocena jakości i struktury powierzchni 

nadruku 

Jakość nadruku oceniano na podstawie kształtu krawędzi 

ścieżek, które powinny być jak najmniejszym stopniu pofalowane. 

Do obserwacji nadruku stosowano mikroskop metalograficznego. 

Na rysunku 1 i 2 przedstawiono kształt ścieżek 

wykonanych przy użyciu opracowanych past. 

Wielkość zafalowań krawędzi ścieżki nadrukowanej pastą 

nanoC była mniejsza niż 1 µm, natomiast dla pasty nano- 

Ag nie przekraczała 10 µm. Podobnie średnia chropowatości 

powierzchni była mniejsza dla warstwy nadrukowanej pastą 

nanoC. Chropowatości powierzchni mierzono przy użyciu 

profilometru stykowego Hommel Tester T2000, który umożliwił 

jednocześnie pomiar grubości nadrukowanych warstw 

(tab. 3). 


Rys. 1. Kształty krawędzi ścieżek nadrukowanych pastą nanoC 

– powiększenie 200× 

Fig. 1. Shape of track’s edges printed with the nanoC paste – 

magnification 200× 

Rys. 3. Struktura powierzchni ścieżki nadrukowanej pastą nanoC 

– powiększenie: a) 50×, b) 200× 

Fig. 3. Surface profile of a conductor printed with the nanoC paste 

– magnification: a) 50×, b) 200× 

Rys. 2. Kształt linii nadrukowanych pastą nanoAg – powiększenie 

200× 

Fig. 2. Shape of track’s edges printed with the nanoAg paste 

– magnification 200× 

Rys. 4. Struktura powierzchni linii nadrukowanej pastą nanoAg 

– powiększenie a) 50×, b) 200× 

Fig. 4. Surface profile of a conductor printed with the nanoAg 

paste – magnification: a) 50×, b) 200× 

Tab. 3. Grubość i chropowatość nadrukowanych warstw 

Tabl. 3. Thickness and roughness of printed layers 

Pasta Grubość [µm] R a 

[µm] R t 

[µm] 

nanoAg 1 ± 0,2 0,4 ± 0,15 6,1 

nanoC 1,5 ± 0,5 0,1 ± 0,03 1,8 

Stwierdzono, że powierzchnie nadrukowanych warstw dla 

obydwu past są niejednorodne i występują różnice w strukturze 

warstw nadrukowanych opracowanymi pastami. Dla 

warstw nanoAg obserwowano odwzorowanie oczek szablonu 

oraz wahania grubości nadrukowanej warstwy, które objawiały 

się występowaniem jasnych i ciemnych pól na obrazie 

mikroskopowym. Na powierzchni warstw pasty nanoC 

obserwowano zdecydowanie większe obszary o jednorodnej 

strukturze (ciemne pola na obrazie mikroskopowym) z pojedynczymi 

obszarami jasnych pól o większej powierzchni niż 

dla pasty nanoAg. Różnice struktury powierzchni przedstawiono 

na zdjęciach mikroskopowych, które zostały wykonane 

mikroskopem metalograficznym (rys. 3 i 4). 

Przyczyną niejednorodność obu nadrukowanych powierzchni 

mogły być też niezoptymalizowane parametry druku 

sitodrukowego, takie jak rodzaj stosowanej siatki, typ rakli, 

siła nacisku oraz szybkość przesuwu rakli. Obserwowane 

nierówności warstw nanoC mogły być także spowodowane 

nierównomierną dyspersją nanowłókien węglowych w paście 

wynikająca z ich tendencji do tworzenia aglomeratów. 

Celem poprawy jednorodności warstw (zmniejszenia chropowatości) 

wykonano nadruku drugiej warstwy (rys. 5 – warstwa 

nanoAg). 

Nadruk drugiej warstwy pasty nanoAg spowodował obniżenie 

różnicy między wysokością najwyższego wzniesienia profilu 

i głębokości najniższego wgłębienia profilu (R t 

) warstwy z 6,1 

do 5,5 μm. Wzrost grubości nadrukowanej pasty pozwolił na 

poprawę jednorodności powierzchni. W przypadku pasty z nanowłóknami 

węglowymi zaobserwowano odwrotną zależność. 

Nadruk drugiej warstwy spowodował zwiększenie R t 

z 1,8 do 

2,8 μm. W tym przypadku zwiększenie grubości nadrukowanej 

44 

Rys. 5. Struktura powierzchni dla nadruku pastą nanoAg: 

a) 1- i b) 2-warstwowego 

Fig. 5. Surface profile for: a) one-, b) two-layers printing 

warstwy z 1 do 2 μm spowodowało pogorszenie struktury, co 

wskazuje na zdecydowany wpływ nierównomiernej dyspersji 

nanowłókien węglowych w paście na strukturę nadruku. 

Mikrostruktura nadrukowanych warstw 

Mikrostrukturę nadrukowanych warstw badano przy użyciu 

skaningowego mikroskopu skaningowego (SEM). Umożliwiło 

to określenie struktury wewnętrznej nadruku, jak również 

sprawdzenie, czy nie nastąpiły uszkodzenia, spowodowane 

niewłaściwymi warunkami jego utwardzania. 

Przykładowe zdjęcia SEM warstw nadrukowanych pastą 

nanoC przedstawiono na rys. 6. Widoczne są aglomeraty 

utworzone przez nanowłókna węglowe. 

Na zdjęciach SEM widoczna jest nierównomierna dyspersja 

nanowłókien węglowych. Celem uzyskania poprawy 

jednorodności past, a więc i nadrukowanych warstw należy 

przed wykonaniem pasty poddać nanowłókna działaniu 

środków chemicznych lub pola elektrycznego, podobnie jak 

w przypadku nanorurek węglowych [13, 14]. 

Inną mikrostrukturę uzyskano dla warstwy naniesionej 

pastą nanoAg (rys. 7). Nanoczastki srebra są równomiernie 

rozmieszczone i wzajemnie połączone, nie zaobserwowano 

ich uszkodzeń. Wskazuje to, że zastosowano odpowiednią 

temperaturę wygrzewania nadruku. 


Rys. 6. Zdjęcia SEM warstw nadrukowanych pastą nanoC – powiększenie: 

a) 5000×, b) 25000× 

Fig. 6. SEM images of layers printed with the nanoC paste – 

magnification: a) 5000×, b) 25000× 

Rys. 8. Porównanie rezystancji powierzchniowej warstw nadrukowanych 

pastami z różną zawartością nanowłókien węglowych 

Fig. 8. Comparison of sheet resitance of layers printed with 

the elaborated pastes containing different amount of carbon 

nanofibres 

Rys. 7. Zdjęcia SEM warstw nadrukowanych pastą nanoAg – powiększenie: 

a) 5000×, b) 25000× 

Fig. 7. SEM images of layers printed with the nanoAg paste – 

magnification: a) 5000×, b) 25000× 

Rezystancja nadrukowanych warstw 

Pomiar rezystancji warstw po utwardzaniu wykonano metodą 

czteropunktową przy użyciu multimetru cyfrowego Agilent 

HP34403. W tabeli 4 przedstawiono uzyskane wyniki dla nadruku 

jedno- i dwuwarstwowego. 

Tab. 4. Rezystancja powierzchniowa warstw nadrukowanych opracowanymi 

pastami 

Tabl. 4. Surface resistance of layers printed with the elaborated pastes 

Pasta 

R sq 

[Ω/□] 

1 warstwa 2 warstwy 

nanoAg 0,021 ± 0,002 0,008 ± 0,0006 

nanoC 796 ± 29,6 374 ± 8,8 

zmierzonej po nadrukowaniu drugiej warstwy. Zaobserwowano, 

że 5-krotny wzrost zawartości nanowłókien węglowych 

spowodował 1,5-krotne zmniejszenie rezystancji powierzchniowej 

warstwy po utwardzeniu. 

Badania odporności nadrukowanych 

warstw na narażenia mechaniczne 

Opracowane materiały zastosowane do wytwarzania połączeń 

elektronicznych oraz anten na podłożach elastycznych 

powinny charakteryzować się odpornością na narażenia mechaniczne. 

Dlatego wykonano pomiary odporności nadrukowanych 

warstw na zginanie. 

Badanie prowadzono z wykorzystaniem sterowanego 

komputerowo stanowiska pomiarowego MultiTest 1-i firmy 

MECMESIN. Ustawiono następujące parametry testu: 

● droga zginania – 10 mm, 

● prędkość przesuwu głowicy – 200 mm/min. 

Na rysunku 9 przedstawiono zmiany rezystancji powierzchniowej 

warstw nadrukowanych na folii przy użyciu opracowanych 

materiałów. 

Rezystancja powierzchniowa warstwy wykonanej pastą 

nanoC wzrosła po 1000 cyklach o 23,83%. Ponad 8-krotnie 

mniejszy wzrost rezystancji zaobserwowano dla warstw nadrukowanych 

pastą nanoAg, których odporność jest porównywalna 

z materiałami z dodatkiem nanorurek węglowych. 

Rezystancja powierzchniowa warstwy nadrukowanej pastą 

z nanoproszkiem srebra jest znacząco (ponad 37000 

razy) mniejsza w stosunku do drugiego opracowanego materiału. 

Różnica ta zwiększa się dla nadruku dwuwarstwowego 

(ponad 46000 razy). W celu zmniejszenia rezystancji 

warstwy drukowanej przy użyciu pasty nanoC należy uzyskać 

uporządkowaną strukturę wewnętrzną pasty poprzez orientację 

nanowłókien węglowych w jednym kierunku. W ten sposób 

prawdopodobieństwo utworzenia przewodzącej ścieżki 

w warstwie będzie większe. W konsekwencji nastąpi spadek 

rezystancji warstwy. 

Innym sposobem obniżenia rezystancji warstwy nadrukowanej 

pastą nanoC jest zwiększenie w niej zawartości nanowłókien 

węglowych podobnie jak obserwuje się to w przypadku 

nanorurek węglowych [15]. Dla sprawdzienia prawdziwość 

tego twierdzenia badaniom poddano pastę z 10% wag. zawartością 

nanowłókien węglowych. Wykonano ją w analogiczny 

sposób, jak dwie poprzednie pasty. Rezystancja powierzchniowa 

dla nadruku jednowarstwowego wynosiła 507 

Ω/ i była ponad 2-krotnie większa w porównaniu do rezystancji 

ΔR [%] 

25 

20 

15 

10 

5 

0 

nanoC 

nanoAg 

0 200 400 600 800 1000 

Liczba cykli 

Rys. 9. Zmiany rezystancji powierzchniowej warstw nadrukowanych 

opracowanymi materiałami w funkcji liczby zginania 

Fig. 9. Changes in sheet resistance of layers printed with the 

elaborated pastes depending on a number of bending cycles 


Testy funkcjonalne materiałów 

Opracowane pasty poddano badaniom aplikacyjnym pod kątem 

ich zastosowania do wytwarzania połączeń elektronicznych 

oraz anten na podłożach elastycznych. W tym celu wykonano 

przy użyciu obu past nadruk wzoru anteny na folii poliimidowej 

i zmierzono ich współczynnik odbicia S 11 

(rys. 10) przy użyciu 

płytki stykowej dołączonej do analizatora obwodów. 

Zmierzona charakterystyka S 11 

dla anteny nadrukowanej 

pastą nanoAg posiadała minimum -12,53 dB dla częstotliwości 

859 MHz. Natomiast antena wykonaną pastą nanoC 

nie wykazała poprawnej pracy (brak wyraźnego minimum 

współczynnika S 11 

). Wynika to prawdopodobnie z jej rezystancji 

powierzchniowej, która jest ponad 37000 razy większa 

niż dla pasty nanoAg. 

|S11| [dB] 

0 

-1 

-2 

-3 

-4 

-5 

-6 

-7 

-8 

-9 

-10 

-11 

-12 

-13 

-14 

-15 

nanoAg 

nanoC 

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 

f [GHz] 

Rys. 10. Charakterystyka 

współczynnika odbicia S 11 

dla anten nadrukowanych 

na folii poliimidowej przy 

użyciu badanych past 

Fig. 10. Reflection coefficient 

S 11 

of antennas printed 

on polyimide foil with 

the elaborated pastel 

Podsumowanie 

Badania opracowanych past z nanodatkami (nanoproszkiem 

srebra i nanowłóknami węglowymi) pod kątem ich zastosowania 

w elektronice drukowanej wykazały, że warstwy nadrukowane 

metodą sitodruku przy ich użyciu różnią się zdecydowanie 

zarówno strukturą powierzchni, rezystancją, jak 

i odpornością na narażenia mechaniczne. 

Przy jednokrotnym nadruku na folii poliamidowej pasta z nanowłóknami 

węglowymi pozwoliła uzyskać warstwy o średniej 

chropowatości 0,1 ±,03 µm i pofalowaniach krawędzi ścieżek 

wynoszącym ok. 1µm. Wartości chropowatość warstw i nierówności 

krawędzi ścieżek dla pasty nanoAg były zdecydowanie 

większe i wynosiły odpowiednio 0,4 ± 0,15 i 10 µm. 

Obserwacje mikroskopowe wykazały, że w przypadku past 

nanoAg poprawę struktury warstwy można uzyskać poprzez dwukrotny 

nadruk. Natomiast przyczyną obserwowanych nierówności 

warstw nanoC prawdopodobnie była nierównomierna dyspersja 

nanowłókien węglowych w paście wynikająca z ich tendencji do 

tworzenia aglomeratów. Z tego powodu dwukrotny nadruk warstwy 

tej pasty spowodował zwiększenie jej chropowatości. 

Pomiary rezystancji warstw po nadruku wykazały znaczącą 

różnice pomiędzy wynikami uzyskanymi dla badanych 

materiałów. Pasta nanoAg charakteryzowała się rezystancją 

powierzchniową 0,021 ± 0,002 Ω/□. Rezystancja pasta nanoC 

była większa o ponad kilkadziesiąt tysięcy razy. Nadruk 

drugiej warstwy pasty nanoC pozwolił na obniżenie wartości 

rezystancji do wartości 374 ± 8,8 Ω/□ (ponad 2-krotnie). 

Wykonane badania funkcjonalne opracowanych materiałów 

wykazały, że opracowaną pastę nanoAg można zastosować do 

wytwarzania anten i połączeń elektronicznych. Pasta nanoC charakteryzowała 

się znacznie większą rezystancją powierzchniową 

w stosunku do nanoAg, co eliminuję ją (w obecnym składzie) 

jako materiał do druku anten. Z uwagi na wysoką wytrzymałość 

mechaniczną nadrukowanych nią warstw w kolejnych badaniach 

zostaną podjęte próby optymalizacji składu pasty nanoC. Planowane 

jest wykonanie badań ujednolicenia orientacji nanowłókien 

węglowych w polu elektrycznym. Zostaną zastosowane inne 

typy osnowy polimerowej, do której zostaną dodane nanowłókna 

w różnym stosunku wagowym celem uzyskania warstw o mniejszej 

rezystancji powierzchniowej niż dla pasty nanoC. 

46 

Literatura 

[1] White Paper: OE-A Roadmap for Organic and Printed Electronics. 

Organic Electronic Association 2009. 

[2] Kirsch N.J., et al.: Optically transparent conductive polymer RFID 

meandering dipole antenna. RFID, 2009 IEEE International Conference, 

27–28.04.2009, pp. 278–282. 

[3] Srichan C., et al.: Inkjet Printing PEDOT:PSS using Desktop 

Inkjet Printer. Electrical Engineering/Electronics, Computer, 

Telecommu-nications and Information Technology, 2009. ECTI- 

CON 2009. 6th International Conference, no 1, 6–9.05.2009, 

pp. 465–468. 

[4] Xu L., Zhu Y., Yang X., Li C.: Amperometric biosensor based on 

carbon nanotubes coated with polyaniline/dendrimer-encapsulated 

Pt nanoparti-cles for glucose detection. Materials Science 

and Engineering C, no 29/4, pp. 1306–1310, 2009. 

[5] Sainz R., et al.: Soluble Self-Aligned Carbon Nanotube/Polyaniline 

Composites. Advanced Materials, no 17/3, pp. 278–281, 

2005. 

[6] Gao B., Yuen M. M. F.: Optimization of Silver Paste Printed passive 

UHF RFID Tags. Electronic Packaging Technology & High 

Density Packaging, 2009. ICEPT-HDP ‘09. International Conference, 

10–13.08.2009, pp. 512–515. 

[7] Redinger D., et al.: An ink-jet-deposited passive component process 

for RFID. Electron Devices, IEEE Transactions, no 51/12, 

pp. 1978–1983, 2004. 

[8] Collins P. G., Avouris P.: Nanotubes for Electronics. Scientific 

American December 2000. 

[9] Green M. J., Behabtu N., Pasquali M., Adams W. W.: Nanotubes 

as polymers. Polymer, no 50, pp. 4979–4997, 2009. 

[10] Blayo A., Pineaux B.: Printing Processes and their Potential for 

RFID Printing. Joint sOc-EUSAI conference, Grenoble, 2005. 

[11] Futera K., Sitek J., Słoma M., Jakubowska M.: Organiczna Elektronika 

– ekonomiczna alternatywa dla elektroniki. Elektronika, 

nr 12/2009, ss. 95–99. 

[12] http://www.sigmaaldrich.com/catalog/ProductDetail.do?lang=en& 

N4=698830|ALDRI CH&N5=SEARCH_CONCAT_PNO|BRAND_ 

KEY&F=SPECi 

[13] Xu-Ming X. i in.: Polymer assisted dispersion and alignment of 

carbon nanotubes. Nanotechnology, 2009. IEEE-NANO 2009. 

9th IEEE Conference, pp. 123–125, 2009. 

[14] Zhu Y.-F. i in.: Alignment of multiwalled carbon nanotubes in bulk 

epoxy composites via electric field. Journal of Applied Physics, 

no 105/5, 2009. 

[15] Heimann M., Wirts-Ruetters M., Boehme B., Wolter K. J.: Investigations 

of Carbon Nanotubes Epoxy Composites for Electronics 

Packaging. Electronic Components and Technology Conference, 

27–30.05.2008, pp. 1731–1736. 


Cyfrowa regulacja amplitudy sygnału wyjściowego 

z układu cyfrowej syntezy częstotliwości 

mgr inż. RADOSŁAW PRZYBYSZ 


Rozwój techniki cyfrowej, szybkości pracy struktur cyfrowych 

oraz szybkości przetwarzania przetworników cyfrowo-analogowych 

(ang. Digital to Analog Converter) zmienił podejście do 

sposobu generacji sygnałów we współczesnych generatorach 

sygnałowych. Wprowadzenie techniki cyfrowej wpłynęło znacząco 

na poprawę parametrów, dając równocześnie zysk w postaci 

uproszczenia złożoności układu. Cyfrowa obróbka danych wprowadzana 

przez struktury cyfrowe umożliwiła równocześnie manipulację 

charakterem generowanego przebiegu w dowolny sposób 

(ang. Arbitrary Waveform Generation). O ile regulacja charakteru 

przebiegu w cyfrowej syntezie częstotliwości (ang. Direct Digital 

Synthesis) nie stwarza problemu, tak cyfrowa regulacja amplitudy 

generowanego sygnału stawia nadal przed projektantem nie lada 

wyzwanie. Szeroki zakres częstotliwości od ułamków herca do 

setek megaherców wymaga stosowania wyrachowanych metod 

i rozwiązań technicznych, nierzadko drogich w implementacji. Poniższy 

artykuł przedstawia kilka podstawowych sposobów regulacji 

amplitudy sygnału z DDS z głównym naciskiem na scalone 

układy cyfrowej syntezy częstotliwości firmy Analog Devices. 

Rys. 1a. Typowy schemat regulacji amplitudy 

Fig. 1a. Circuit diagram of amplitude control 

Typowy układ regulacji 

Na rysunku 1a przedstawiono typowe rozwiązanie regulacji amplitudy 

stosowane powszechnie w generatorach sygnałowych. 

Efekt regulacji uzyskuje się przez zmianę współczynnika tłumienia 

bądź wzmocnienia toru „generator DDS – wzmacniacz 

mocy”. Takie podejście do zagadnienia regulacji wymaga zastosowania 

tłumika o szerokim paśmie częstotliwości. Praktyczna 

implementacja szerokopasmowego tłumika nie jest możliwa, 

więc układ z rys. 1a przekształca się do postaci z rys. 1b. Takie 

rozwiązanie dzieli układ tłumika na dwa bądź większą liczbę 

podukładów, każdy dla adekwatnego zakresu częstotliwości. 

Rys. 1b. Zmodyfikowana metoda regulacji amplitudy 

Fig. 1b. Modified method of amplitude control 

Niskoczęstotliwościowy regulator 

amplitudy 

Na rysunkach 2a i 2b przedstawiono dwa rozwiązania niskoczęstotliwościowych 

regulatorów amplitudy. Układ przedstawiony 

na rys. 2a wykorzystuje jako element tłumika potencjometr 

Rys. 2a. Potencjometryczna metoda 

regulacji amplitudy 

Fig. 2a. Potentiometer method of amplitude 

control 


Rys. 2b. Przetwornikowa metoda regulacji amplitudy 

Fig. 2b. DAC method of amplitude control 

Rys. 3a. Referencyjne wzmocnienie w funkcji częstotliwości dla 

potencjometru cyfrowego 

Fig. 3a. Reference gain vs. frequency for digital potentiometer 

Rys. 3b. Referencyjne wzmocnienie w funkcji częstotliwości dla 

przetwornika DAC 

Fig. 3b. Reference gain vs. frequency of multiplying 

cyfrowy, natomiast układ z rys. 2b przetwornik cyfrowo- 

-analogowy typu mnożącego (ang. Multiplying DAC). Zastosowanie 

przetwornika DAC jako dzielnika jest najdokładniejszym 

rozwiązaniem tłumika lub wzmacniacza o regulowanym 

wzmocnieniu [3]. Zaletą układu jest również wysoka rozdzielczość 

regulacji wahająca się od 8 do 16 bitów, przy czym 

standardem jest dzielnik wykorzystujący przetwornik o rozdzielczości 

12 bitów. W przypadku metody potencjometrycznej 

rozdzielczość regulacji waha się w granicach od 6 do 10 

bitów, przy czym standardem jest 7 bitów. 

Przy wyborze jednego z powyższych rozwiązań należy 

również wziąć pod uwagę zależności częstotliwościowe 

obydwu układów. Rozwiązanie wykorzystujące przetwornik 

DAC jako tłumik charakteryzuje się lepszymi właściwościami 

przenoszenia sygnału w dziedzinie częstotliwości niż układ 

potencjometryczny. Zestawienie charakterystyk częstotliwościowych 

obydwu układów przedstawiono na rys. 3a i 3b. 

Należy jednak zaznaczyć, że pasmo przenoszenia potencjometru 

cyfrowego jest ściśle związane z rezystancją samego 

potencjometru i przy wyborze układu, należy się kierować minimalizacją 

jej wartości. Charakterystyka częstotliwościowa 

układu tłumika potencjometrycznego nie jest również stała 

48 

w funkcji współczynnika podziału. Wady tej nie posiada rozwiązanie 

bazujące na przetworniku DAC w zakresie regulacji 

0, -30 dB, a to pozwala zbudować tłumik z zakresu 0, -20 dB, 

a dalszy stopień podziału uzyskać stosując tłumik przełączany 

0, -20 dB itd. 

W obydwu przypadkach równanie podziału napięcia wejściowego 

wyraża się wzorem: 

⎛ x ⎞ 

U 

(1) 

⎜ 

⎟ 

out 

= U 

input 

× 

⎝ fullscale −1⎠ 

gdzie: U input 

– sygnał wejściowy, U out 

– sygnał wyjściowy po 

podziale, x – bieżąca pozycja suwaka potencjometru/bieżąca 

wartość przetwornika DAC, fullscal – maksymalna pozycja suwaka 

potencjometru/maksymalna wartość przetwornika DAC. 

Szerokopasmowy regulator amplitudy 

Zastosowanie techniki cyfrowej i przetwornika cyfrowo-analogowego 

daje również inną możliwość wpłynięcia na sygnał 

generowany, bez konieczności wpływania bezpośrednio na 

tor sygnałowy. Cyfrowe syntezy częstotliwości wyposażone 


są standardowo w przetworniki cyfrowo-analogowe typu prądowego 

(ang. Current DAC). Przetworniki cyfrowo-analogowe 

typu prądowego charakteryzuje prądowy sygnał referencji [1], 

a co za tym idzie możliwość zmian wartości prądu odniesienia 

w szerokim zakresie od 10% do 150% bez utraty liniowości 

samego przetwornika. Schemat blokowy referencyjnej metody 

podziału amplitudy przedstawiono na rys. 4. Efekt regulacji 

uzyskuje się przez zmianę wartości prądu referencyjnego 

wejścia Iref cyfrowej syntezy DDS [2]. Zmiana wartości prądu 

odniesienia przekładaj się bezpośrednio na wartość generowanej 

amplitudy napięcia konwertera I → U. W takim rozwiązaniu 

charakterystyka częstotliwościowa toru sygnałowego 

zależy jedynie od parametrów filtru dolnoprzepustowego 

i wzmacniacza mocy, a nie od elementu tłumika. 

Przykładowe rozwiązanie implementacyjne powyższej metody 

przedstawiono na rys. 5. Układ składa się z cyfrowej syntezy 

DDS typu AD9834 i cyfrowo regulowanego źródła prądu. 

Źródło prądu zbudowane jest w oparciu o typową aplikację 

układu LM334 (ang. 3-Terminal Adjustable Current Source) 

z dodatkową stabilizacją termiczną prądu. Cyfrową regulacje 

wartości prądu odniesienia syntezy zapewnia układ LT8043, 

12-bitowy przetwornik DAC typu mnożącego. Analitycznie 

wartość prądu wejścia Iref syntezy DDS można wyrazić za 

pomocą równania (2): 

⎛ D ⎞ ⎞ 

⎜ 

⎛ R3 

I ⎜ 

⎟ × + 

ref 

= I × 

1 ⎟ 

(2) 


⎝ R4 

⎠ 

gdzie: I – wartość prądu źródła, I ref 

– wartość prądu po podziale, 

wzmocnieniu, D – bieżąca wartość przetwornika DAC, 

fullscale – maksymalna wartość przetwornika DAC. 

Analitycznie zakres regulacji generowanej amplitudy 

sygnału można wyrazić za pomocą równania (3) [4]. 

Uwzględniając równanie (2) wartość amplitudy sygnału 

wyjściowego, zakres regulacji można wyrazić za pomocą 

równania (4). Warto tu zaznaczyć, że równanie (4) jest liniowo 

zależne od parametru podziału D: 

⎛ R18 

⎞ 

U I D R 

Atten (3) 

out = 18 × 

ref 

( ) × 

conv × ⎜1 

+ ⎟× 

⎝ R20 

⎠ 

gdzie: I ref 

(D) – wartość referencyjna prądu, zależna od współczynnika 

podziału, R conv 

– rezystancja konwertera I → U, R10 

|| R11 = 215 Ω,Atten – wartość podziału tłumika wyjściowego, 

0,1 V/V lub 1 V/V. 

⎛ D ⎞ 

(4) 

U out 

= k × 

⎜ 

⎟ × Atten 


Rys. 4. Nowa metoda regulacji amplitudy 

Fig. 4. New method of amplitude regulation 

⎛ R18 

⎞ ⎛ R3 

⎞ 

k = 18 × ⎜1 

+ ⎟ × ⎜1 

+ ⎟× I × R (5) 

conv 

⎝ R20 

⎠ ⎝ R4 

⎠ 

Rys. 5. Implementacja sprzętowa nowej metody regulacji 

Fig. 5. Hardware implementation of new regulation method 


Weryfikacja metody regulacji w oparciu 

o układ modelowy 

Na rysunku 6 przedstawiono model układu regulatora amplitudy 

zbudowany zgodnie ze schematem z rys. 5. Na rysunku zaznaczono 

dodatkowo miejsce ulokowania elementów syntezy DDS 

i regulatora amplitudy oraz dodatkowo porównano powierzchnie 

zajmowaną przez układ syntezy i regulatora na druku PCB. 

Na rysunku 7 przedstawiono zestawienie 5 oscylogramów 

czasowych wraz z ich rozkładem widmowym z układu modelowego. 

Wykresy przedstawiają sygnał wyjściowy generatora dla 

różnych wartości amplitud od 50 mVpp do 1 Vpp oraz dla dwóch 

typów sygnału: sinus i trójkąt. Analizując otrzymane wyniki 

można wyciągnąć wnioski, że prezentowana metoda regulacji 

umożliwia budowę generatora sygnałowego o liniowo regulowanej 

amplitudzie sygnału i poziomie szumów -60… -80 dBV. 

Rys. 6. Model układu regulatora amplitudy 

Fig. 6. Model of the control amplitude 

Rys. 7. Sygnał wyjściowy generatora dla amplitud od 50 mV 

do 1 Vpp 

Fig. 7. Output signal for amplitude 50 mVpp to 1 Vpp 

50 


Podsumowanie 

W artykule przedstawiono trzy metody regulacji amplitudy 

sygnału z układu cyfrowej syntezy częstotliwości DDS. Przedstawiono 

wady oraz ograniczenia dwóch klasycznych metod 

regulacji amplitudy: potencjometrycznej oraz wykorzystującej 

układ przetwornika cyfrowo-analogowego typu mnożącego. 

W artykule omówiono również nową metodę regulacji amplitudy 

sygnału wykorzystującą zmianę wartości prądu odniesienia 

przetwornika cyfrowo-analogowego scalonej syntezy 

DDS. Nowe podejście do regulacji zaprezentowane w artykule 

eliminuje konieczność stosowania elementów regulacyjnych 

w torze sygnałowym syntezy co adekwatnie wpływa na 

maksymalizację charakterystyki częstotliwościowej toru, która 

zależy teraz od właściwości częstotliwościowych wzmacniacza 

wyjściowego i filtru. W artykule przedstawiono również 

wyniki badań układu modelowego. 

Literatura 

[1] Kester Walt. The Data Conversion Handbook. 2005. 

[2] Analog Devices. Fundamentals of Direct Digital Synthesis 

(DDS). 

[3] Estibaliz Sanz. AC Signal Offset and Amplitude Control Using 

a Dual Channel Multiplying DAC and a Single I/V Converter. 

[4] Nota katalogowa układu AD9834. 

Struktura oprogramowania interfejsu graficznego 

w systemach wbudowanych 

mgr inż. KAROL MAKOWIECKI 

Instytut Tele- i Radiotechniczny, Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych, Warszawa 

Struktura sprzętowa interfejsu i jego 

funkcje 

W skład interfejsu urządzenia Mupasz 101 wchodzi wyświetlacz 

graficzny LCD 320×240 16-bitowy kolor, 9 przycisków 

klawiszowych, w tym: 3 klawisze kontekstowe, góra, dół, OK, 

ESC, dwa przyciski rozkazu otwarcia i zamknięcia wyłącznika. 

Całość obsługiwana jest przez mikrokontroler z rodziny 

STM32. 

Rys. 1. Widok płyty czołowej urządzenia Mupasz 101 

Fig. 1. Front panel of Mupasz 101 device 

Najogólniej interfejs w tego typu urządzeniu udostępnia 3 

funkcje: wyświetlanie informacji o stanie urządzenia, wykonywanie 

poleceń oraz modyfikacje ustawień urządzenia. Wśród 

funkcjonalności interfejsu urządzenia Mupasz 101 wyróżnić 

możemy: wyświetlanie dziennika zdarzeń, wyświetlanie aktualnych 

pomiarów, wyświetlanie stanów wejść i wyjść urządzenia, 

wykonywanie rozkazów kasowania sygnalizacji, blokad 

i alarmów, edycję nastaw algorytmów, konfigurację urządzenia, 

wyświetlanie informacji identyfikacyjnych, wyświetlanie 

widoku obsługiwanego pola, zarządzanie użytkownikami. 

Ogólny zarys struktury oprogramowania 

interfejsu 

Oprogramowanie dla potrzeb tego interfejsu stworzone zostało 

w języku C. Centralnym punktem systemu jest funkcja zarządzająca 

wyświetlaniem menu (rys. 2). To ona interpretuje 

wciśnięte klawisze i wywołuje funkcje odpowiedzialne za ich 

obsługę w zależności od trybu wyświetlania w jakim znajduje 

się menu. Podstawą opisu drzewa menu są tablice struktur 

menu: 

1st SDefMenu ui_menu_Menu[]={ 

2nd {t_TXT_ELOG, UI_PRINT_ENABLE, UI_MenuELog}, 

3rd {t_TXT_MEASUREMENTS, UI_PRINT_ENABLE, 

UI_MenuMeas}, 

4th {t_TXT_STATES, UI_PRINT_ENABLE, UI_Menu- 

State}, 

5th {t_TXT_COMMANDS, UI_PRINT_ENABLE, UI_Menu- 

Commands}, 

6th {t_TXT_ALG_SETTINGS, UI_PRINT_ENABLE, UI_MenuGroup}, 

7th {t_TXT_CONFIGURATION, UI_PRINT_ENABLE, U I _ 

MenuConfiguration}, 

8th {t_TXT_IDENTIFICATION, UI_PRINT_ENABLE, UI_MenuIde}, 

9th {t_TXT_USERS, UI_PRINT_ENABLE, UI_MenuLogin}, 

10th {t_TXT_BAY_STATE, UI_PRINT_ENABLE|UI_LEVEL_ 

UP, UI_MenuBayState},//F3 

11th {t_TXT_ELOG, UI_PRINT_ENABLE|UI_LEVEL_UP, 

UI_MenuELog}, //F2 

12th {t_TXT_USERS, UI_PRINT_ENABLE|UI_LEVEL_UP, 

UI_MenuLogin}, //F1 

13th {t_TXT_MENU, UI_PRINT_HIDE, UI_MenuMenu},}; 

Struktura SDefMenu zdefiniowana jest następująco: 

typedef struct 

14th {U16 NrTxt;//indeks do tekstu – nazwa danej pozycji menu 

15th U16 St;//opcje – wyświetl, ukryj itp. 

16th void (*Fresh)(void);//wskaźnik do funkcji inicjującej dane 

menu 

17th }SDefMenu; 

Funkcja zarządzająca na podstawie takiej tablicy struktur 

wyświetla aktualny widok menu. W tym celu wywoływana jest 

funkcja wyświetlająca teksty, która na podstawie indeksu do 

tekstu pobiera z tablicy zdefiniowanych tekstów odpowiedni 

ciąg znaków i wywołuje funkcję wyświetlającą kolejne litery. 


Rys. 2. Schemat struktury oprogramowania interfejsu graficznego 

Fig. 2. The software structure scheme of graphical interface 

Funkcja ta korzystając z tablicy czcionek generuje w tablicy 

obrazu układ pikseli odpowiadający wyświetlanej literze. Gdy 

zakończy się proces odtwarzania menu w tablicy obrazu, zostaje 

ona przepisana do kontrolera wyświetlacza LCD. 

Kwestia poruszania się po menu przy pomocy klawiatury 

zorganizowana została w ten sposób, że gdy funkcja 

odczytująca klawiaturę zgłosi wciśnięcie klawisza, funkcja 

zarządzająca wywołuje w zależności od trybu pracy menu 

odpowiednią funkcję wykonującą polecenie związane z klawiszem 

np. w przypadku wciśnięcia klawisza OK wywoływana 

jest funkcja na którą wskazuje wskaźnik Fresh dla 

pozycji w tablicy ui_menu_Menu na której znajduje się aktualnie 

kursor. Powoduje to wykonanie funkcji inicjującej np. 

UI_MenuMeas, przestawienie się funkcji zarządzającej na 

wyświetlanie kolejnej tablicy struktur i wejście w głąb menu 

do okna wyświetlającego pomiary. Powrót odbywa się w ten 

sposób, że na ostatniej pozycji w tablicy menu (linia 13) 

definiuje się funkcję inicjującą do której ma skoczyć menu 

w przypadku wciśnięcia klawisza ESC. Pozycje z linii 10, 

11, 12 zarezerwowane są dla klawiszy funkcyjnych, dzięki 

którym w każdym oknie menu zdefiniować można różne 

funkcje dla klawiszy kontekstowych. 

Tryby pracy interfejsu 

Tryby pracy służą do zróżnicowania funkcji wprowadzających 

i wyświetlających dane oraz zróżnicowania sposobu oddziaływania 

klawiszy na interfejs. W urządzeniu Mupasz 101 istnieje 

osiem trybów: 

a. tryb menu – tryb podstawowy wyświetlania menu, klawiszami 

strzałek przesuwamy się w górę i w dół, klawiszem 

OK wchodzimy w menu na którym stoi kursor, klawiszem 

ESC wychodzimy z menu w którym się znajdujemy. 

c. tryb widoku – wyświetlanie jedynie tekstów zdefiniowanych 

w funkcji wyświetlania dodatkowych informacji. 

b. tryb rozkazu – wykonywanie polecenia, wskaźnik Fresh 

w tym trybie nie wskazuje na funkcje inicjalizującą kolejne 

menu, lecz na funkcję wykonującą polecenie, np. modyfikującą 

wartość w rejestrze przechowującym wartość jasności 

wyświetlacza po wciśnięciu przycisku funkcyjnego < 

lub >. 

52 


d. tryb edycji liczby – wprowadzanie wartości liczbowej przez 

użytkownika, np. wartości nastawy algorytmu. Klawiszami 

wybiera się liczbę, a klawiszami , wybiera się wartość 

liczby. Klawisz OK zatwierdza edycję, ESC anuluje 

edycję. 

o wysokości 16 pikseli, a poszczególne litery w tekście kodowane 

są ośmiobajtowym standardem ISO/IEC 8859-2. 

Tablica tekstów zawierająca zdefiniowane teksty ma postać 

tablicy struktur, każda struktura odpowiada jednemu 

tekstowi i zawiera trzydziestoelementową tablicę typu char, 

oraz szesnastobitowy atrybut tekstu. Przechowuje on sumę 

kontrolną i flagi decydujące o tym czy dany tekst może być 

odczytywany, modyfikowany itp. Przy obsłudze wyświetlania 

tekstu pobierane są kody kolejnych liter, stanowią one 

indeks w tablicy czcionek. Czcionka każdej litery zapisana 

jest w postaci: 

0x1008,0x0000, 0x0000, 0x0000, 0x3C00, 0x6600, 0x6600, 

0x6600, 0x7E00, 0x6600, 0x6600, 0x6600, 0x6600, 0x0000, 

0x0000, 0x0000, 0x0000, /* 0x41 A */ 

e. tryb edycji listy – służy do wybierania wartości dla nastaw 

typu lista. Klawiszem Wybierz zaznacza się pozycję, OK 

zatwierdza, ESC anuluje edycję. 

Pierwsza liczba informuje o wysokości i szerokości litery 

w pikselach, pozostałe liczby kodują obraz litery. Każda z tych 

liczb jest reprezentacją jednej linii obrazu litery, a każdy bit 

liczby reprezentuje jeden piksel obrazu. Na podstawie takiego 

wpisu funkcja wyświetlająca literę odwzorowuje ją w tablicy 

obrazu, kolorując piksele dwoma kolorami, zależnie od wartości 

bitu przypisanego pikselowi. 

Po stworzeniu w ten sposób całego widoku menu, tablica 

z jego obrazem jest przepisywana do kontrolera wyświetlacza 

LCD. 

f. tryb dziennika – tryb zbliżony do trybu widoku, posiada 

rozbudowaną strukturę pobierania zdarzeń z pamięci nieulotnej 

i ich przetwarzania i wyświetlania. 

Podsumowanie 

Rys. 3. Odwzorowanie czcionki w tablicy 

obrazu 

Fig. 3. Font mapping in the image array 

Prezentowana struktura oprogramowania została stworzona 

dla potrzeb urządzenia typu EAZ Mupasz 101, lecz może być 

ona punktem wyjścia dla różnorodnych urządzeń wyposażonych 

w wyświetlacz graficzny. Największymi zaletami tego 

typu interfejsu, nie funkcjonującego w obrębie systemu operacyjnego, 

są: 

● dowolność kreowania jego funkcjonalności i wyglądu. 

● bezpośredni dostęp i kontrola nad zasobami sprzętowymi 

mikroprocesora np. systemem przerwań. 

● minimalne zużycie zasobów sprzętowych np. pamięci, 

mocy obliczeniowej, co wiąże się z niższą ceną mikroprocesora, 

a zatem i niższym kosztem wytworzenia urządzenia. 

Wyświetlanie tekstów na wyświetlaczu LCD 

Podstawową każdego interfejsu opartego o wyświetlacz 

graficzny jest możliwość wyświetlania tekstów. W urządzeniu 

Mupasz 101 wykorzystywana jest jedna czcionka 

Literatura 

[1] Kołodziejczyk Z.; Wlazło P.: Edycja nastaw w nowoczesnych 

sterownikach polowych dla energetyki. Elektronika – konstrukcje, 

technologie, zastosowania, Wydawnictwo SIGMA-NOT, 

Warszawa, 2010, vol. 51, nr 7, ss. 67–71. 


Opracowanie i realizacja modułów programowych 

w urządzeniach EAZ na bazie dedykowanych 

bibliotek w języku XML 

mgr inż. ROBERT SUCHECKI, Instytut Tele- i Radiotechniczny, Warszawa 

Przedmiotem pracy jest opis modułów programowych do 

urządzenia zabezpieczeniowego Mupasz 101. Innowacyjność 

urządzenia o nazwie Mupasz 101 przejawia się tym, że 

jest pierwszym z rodziny urządzeń Mupasz 10.XX, zrealizowanych 

na platformie programowej Ride7 i procesorze COR- 

TEX-M3. Nowością jest także wykorzystanie języka XML do 

tworzenia dedykowanych bibliotek bloków funkcyjnych, używanych 

następnie przez oprogramowanie ELF. Środowisko 

ELF jest oprogramowaniem autorstwa pracowników zakładu, 

służącym do tworzenia schematów algorytmów i schematu 

głównego projektu. Pliki wynikowe algorytmów w języku C, 

wygenerowane przez środowisko ELF, wykorzystywane są 

w projekcie zrealizowanym na platformie Ride7. 

Podstawowe cechy urządzenia 

Mikroprocesorowe urządzenie zabezpieczeniowe Mupasz 101 

przeznaczone jest do pracy w polach rozdzielczych SN: zasilających, 

odpływowych, łącznika szyn oraz dedykowane jest do 

ochrony linii kablowych i napowietrznych. Do podstawowych 

cech urządzenia mikroprocesorowego należy integracja funkcji 

pomiarów, zabezpieczeń, sterowania i rejestracji zdarzeń. 

Zgodnie z założeniami, realizowany jest pomiar wartości 

skutecznej prądów fazowych, pomiar wartości skutecznej 

składowej zerowej prądu oraz wartości skuteczne pierwszej 

i drugiej harmonicznej prądów fazowych. Mupasz 101 obsługuje 

do 8 wejść dwustanowych oraz 6 wyjść stykowych. 

Mupasz 101 realizuje zabezpieczenia nadprądowe (zależne 

i niezależne), ziemnozwarciowe (zależne i niezależne) 

oraz algorytm detekcji udarowego prądu magnesowania. 

Na płycie czołowej urządzenia znajdują się: wyświetlacz 

graficzny, klawiatura manipulacyjna urządzenia, zestaw diod 

sygnalizacyjnych LED. Konfiguracja urządzenia jest możliwa 

poprzez oprogramowanie narzędziowe DELFiN (system autorstwa 

pracowników zakładu) oraz serwisowy port USB. 

Zdarzenia przesyłane są do oprogramowania narzędziowego 

DELFiN. Dziennik zdarzeń mieści 1000 wpisów. 

Dokładny opis funkcjonalny urządzenia Mupasz 101 znajduje 

się w instrukcji użytkowania [3]. 

Platforma sprzętowo-programowa 

Platforma sprzętowo-programowa jest skonstruowana w oparciu 

o nowoczesny mikroprocesor CORTEX-M3. Środowiskiem 

programistycznym wykorzystanym do realizacji projektu jest 

Ride7 firmy Raisonance. W pracy nad oprogramowaniem wykorzystano 

doświadczenia nabyte przy dotychczasowej pracy 

nad urządzeniami zabezpieczeniowymi. Zrealizowane, w języku 

C oprogramowanie ma charakter modułowy. Poszczególne 

moduły programu odpowiedzialne są za: 

– procesy systemowe, 

– pomiary, 

– archiwizację danych, 

– transmisję danych, 

– obsługę i implementację algorytmów. 

54 

Procesy systemowe (system operacyjny) służą do zarządzania 

sprzętem i innymi modułami programowymi. Do 

podstawowych zadań tej części oprogramowania należy: 

kontrolowanie i przypisywanie pamięci, podział czasu procesora 

pomiędzy poszczególne zadania, obsługa sprzętu (np. 

obsługa przetworników A/C), ładowanie programu z pamięci 

nieulotnej (FLASH) do pamięci operacyjnej (RAM). Moduł ten 

umożliwia także wymianę wersji programu urządzenia (przeprogramowywanie 

urządzenia). 

Moduł pomiarowy zawiera algorytmy umożliwiające wyliczenie 

wartości fizycznych kontrolowanych przebiegów 

z danych dyskretnych pochodzących z przetworników A/C. 

Wyniki przedstawiane są w jednostkach mianowanych bądź 

względnych, w zależności od typu danego pomiaru. Moduł ten 

zapewnia także przeliczenia pomiędzy wartościami średnimi, 

skutecznymi, maksymalnymi itp. 

Moduł archiwizacji danych odpowiada za prawidłowe ulokowanie 

(przydział pamięci nieulotnej), zapisanie i odtworzenie 

wartości, które muszą być zapamiętywane w przypadku 

zaniku napięcia zasilania. Wartościami, które wymagają archiwizacji 

są przykładowo wartości nastaw parametrów zabezpieczeń. 

Moduł transmisji danych odpowiada za wymianę danych 

z innymi urządzeniami np. komputerem PC z zainstalowanym 

programem narzędziowym DELFiN. Podstawowe funkcje 

tego modułu mają za zadanie kompletowanie i segregowanie 

danych oraz prowadzenie komunikacji zgodnie z zasadami 

wynikającymi z przyjętego protokołu komunikacyjnego (MOD- 

BUS/TCP, MODBUS RTU). 

Moduł obsługi i implementacji algorytmów pozwala na 

ładowanie do pamięci urządzenia algorytmów funkcjonalnych 

urządzenia utworzonych w przyjętym formacie i skompilowanych 

przez wyspecjalizowany program ELF. Moduł 

ten stwierdza także, czy załadowany plik spełnia określone 

wymagania i czy może być wykonywany zgodnie z przyjętymi 

zasadami. Steruje także pracą algorytmów, które wykonywane 

są według ściśle określonej kolejności. Moduł ten 

zapewnia ponadto prawidłowe przechowywanie stanów wewnętrznych 

algorytmów oraz właściwe łączenie parametrów 

znajdujących się w bloku nastaw z wykorzystywanymi przez 

dany algorytm. Implementacja algorytmów może być realizowana 

zarówno przez producenta urządzenia, jak i operatora 

urządzenia, który jest odpowiednio przeszkolony i uzyskał 

uprawnienia od producenta. 

Moduł obsługi i implementacji algorytmów 

Zbiór wszystkich układów (w tym algorytmów) i połączeń 

między nimi tworzy tzw. schemat główny, który odpowiada 

za funkcjonowanie urządzenia w danym typie pola. Przykładowy 

algorytm I2f> detekcji udarowego prądu magnesowania 

(rys. 1. A_TID1) reaguje na stosunek drugiej harmonicznej 

prądu fazowego do pierwszej harmonicznej prądu 

fazowego wyrażony procentowo, czyli zależność I2f/I1f [%]. 

Pobudzenie algorytmu, którego wynikiem jest sygnał blokujący, 

następuje w przypadku, gdy włączona jest opcja Ak- 


Rys. 1. Schemat algorytmu I2f> (A_TID1). Fig. 1. Scheme of the I2f> algorithm (A_TID1) 

tywność i zawartość drugiej harmonicznej odniesionej do 

pierwszej w mierzonych prądach fazowych przekracza nastawiony 

próg „I2f/I1f”. Wystawiony sygnał blokujący może 

być wykorzystany do blokowania zabezpieczeń nadprądowych 

I>, I>>. 

Algorytmy tworzone są z programowych bloków funkcyjnych. 

Programowy blok funkcyjny jest funkcją logiczną, obliczeniową 

lub pośrednicząca w przekazywaniu informacji między 

warstwą logiczną a fizyczną urządzenia. Bloki funkcyjne 

zebrane są w postaci biblioteki zrealizowanej w języku XML. 

Podstawowe cechy programowych bloków funkcyjnych: 

– nadany niepowtarzalny kod, 

– może posiadać wejścia i wyjścia analogowo-cyfrowe, 

– może przechowywać chwilowe wartości obliczeniowe, 

– może posiadać nastawy, 

– posiada przypisany element graficzny reprezentujący blok 

funkcyjny, znajdujący się w bibliotece zrealizowanej w języku 

XML. 

Programowe bloki funkcyjne realizowane są w dwóch różnych 

formatach. Format pierwszy, przystosowany do modyfikowania 

algorytmów na schemacie głównym przez uprawnionego 

użytkownika oraz format drugi przystosowany do 

zapisania algorytmów na stałe w urządzeniu, bez możliwości 

modyfikowania przez użytkownika. 

Przykładowy algorytm I2f> (rys. 1. A_TID1) zawiera następujące 

bloki funkcyjne: 

– LMULTI16_1 – lista parametrów, która w przypadku tego 

algorytmu aktywuje lub dezaktywująca uruchomienie działania 

całego algorytmu, 

– CMP_G3_1 – komparator porównujący nastawy operatora 

z wartościami pomiarowymi, 

– EVENT3_1, EVENT3_2 – bloki obsługujące zdarzenia, 

– RALG_1 – rejestr obsługujący wewnętrzne stany algorytmu 

oraz wyjścia cyfrowe, 

– NOT_1 – bramka wykonująca negację logiczną, 

– B_PORTIN – wejście cyfrowe, 

– B_PORTOUT – wyjście cyfrowe. 

Schemat zamieszczony na rys 1. utworzony został 

w środowisku ELF. Środowisko ELF jest oprogramowaniem 

autorstwa pracowników zakładu, służącym do tworzenia 

schematów algorytmów i schematu głównego projektu. ELF 

korzysta z bibliotek bloków funkcyjnych zrealizowanych 

w języku XML. 

Graficzny moduł obsługi i implementacji 

algorytmów 

Do graficznego tworzenia algorytmów wykorzystywane 

jest środowisko ELF. Algorytmy w programie ELF, tworzone 

są z programowych bloków funkcyjnych. Programowy 

blok funkcyjny jest funkcją logiczną, obliczeniową lub pośrednicząca 

w przekazywaniu informacji między warstwą 

logiczną a fizyczną urządzenia. Bloki funkcyjne dla programu 

ELF zebrane są w postaci biblioteki zrealizowanej 

w języku XML. 

Pliki wynikowe programu ELF, powstałe w wyniku kompilacji 

algorytmów oraz schematu głównego wykorzystywane są 

w projekcie zrealizowanym na platformie Ride7. 

Programowe biblioteki w języku XML 

Struktura języka XML 

Język XML (ang. eXtensible Markup Language, czyli Rozszerzalny 

Język Znaczników) został wyspecyfikowany przez 

organizację WWW Consortium. XML to uniwersalny język 

formalny przeznaczony do reprezentowania różnych danych 

w strukturalizowany sposób. XML jest niezależny od platformy, 

co umożliwia łatwą wymianę dokumentów pomiędzy różnymi 

systemami i znacząco przyczynia się do popularności 


tego języka. Dokument XML to dokument tekstowy, który jest 

poprawny składniowo (ang. Well-formed), jeżeli jest zgodny 

z regułami składni XML. Reguły te obejmują m.in. konieczność 

wykorzystania znaczników początkowych i końcowych 

przy definiowaniu elementów (podstawowy składnik będący 

tekstem). Dokument niepoprawny składniowo nie może być 

przetworzony przez parser XML. Dokument XML jest poprawny 

strukturalnie (ang. Valid), jeżeli jest zgodny z definicją 

dokumentu, tzn. dodatkowymi regułami określonymi przez 

użytkownika. 

Dokładny opis języka XML oraz praktyczne przykłady zastosowania 

znajdują się w publikacji książkowej [4]. 

Biblioteki XML dedykowane dla programu ELF 

Plik biblioteczny zawiera deklarację XML, która powinna być 

umieszczona na samym początku pliku (nie może być poprzedzona 

np. komentarzem) oraz powinna posiadać atrybut version 

(stosowana wersja to 1.0) i encoding (deklaruje zestaw 

znaków używanych w dokumencie, w tym przypadku jest to 

UTF-8): 

 

 

Plik biblioteczny zawiera dokładnie jeden element główny: 

 

Każdy element może zawierać atrybuty, które definiuje się 

w znaczniku początku elementu np. dla wyrażenia , atrybutem elementu library_info 

jest atrybut o nazwie library_name oraz wartości BIBL1. Wartości 

atrybutów podaje się w cudzysłowach albo apostrofach 

(pojedynczych cudzysłowach). 

Specyfikacja XML zezwala na wstawianie instrukcji przetwarzania, 

które są wykorzystywane do przeniesienia informacji 

do aplikacji. Instrukcje przetwarzania rozpoczynają się 

znakami: . Przykładem takiej instrukcji może 

być odniesienie do arkusza stylów, który jest powiązany 

z dokumentem XML: 

 

Element description określa ogólne właściwości pliku. Występuje 

on we wszystkich typach plików bibliotecznych XML. Jego 

podstawowa struktura jest w każdym z plików identyczna. 

Każdy plik może dodatkowo posiadać specyficzny dla swojego 

typu element podrzędny. Istnieje możliwość zagnieżdżania 

jednych elementów pliku w drugich. Każdy element znajdujący 

się wewnątrz innego elementu jest nazywany „dzieckiem” 

tego elementu, a element wewnątrz którego znajdują się 

inne elementy zwany jest „rodzicem” tych elementów. Relacje 

pomiędzy elementami nazywane są hierarchią elementów. 

Element description jest rodzicem elementu library_info, 

element library_info jest dzieckiem elementu description. Nie 

można stosować konstrukcji takiego typu: 

, ponieważ element 

library_info nie jest prawidłowo zagnieżdżony w elemencie 

description: 

 

 

 

 

 

 

 

Przykładowa realizacja bloku funkcyjnego, bramka logiczna 

AND (element AND) w formacie przystosowanym dla schematu 

głównego. Element AND zawiera atrybut o nazwie type 

oraz wartości PIN (określa wejścia i wyjścia cyfrowe) oraz 

atrybut name o wartości będącej nazwą wejścia lub wyjścia 

cyfrowego. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Podsumowanie 

W wyniku prac powstały moduły programowe do urządzenia 

zabezpieczeniowego Mupasz 101. Innowacyjność urządzenia 

o nazwie Mupasz 101 przejawia się tym, że jest pierwszym 

z rodziny urządzeń Mupasz 10.XX, zrealizowanych na platformie 

programowej Ride7 i procesorze CORTEX-M3. Nowością 

jest także wykorzystanie języka XML do tworzenia dedykowanych 

bibliotek bloków funkcyjnych, używanych następnie 

przez oprogramowanie ELF. W środowisko ELF, który jest 

oprogramowaniem autorstwa pracowników zakładu, powstały 

schematy algorytmów oraz schematy głównego projektu. Pliki 

wynikowe algorytmów w języku C, wygenerowane przez środowisko 

ELF, wykorzystywane są w projekcie zrealizowanym 

na platformie Ride7. 

Literatura 

[1] Winkler W., Wiszniewski A.: Automatyka zabezpieczeniowa 

w systemach elektroenergetycznych. WNT 2008. 

[2] Żydanowicz J., Namiotkiewicz M.: Automatyka zabezpieczeniowa 

w elektroenergetyce. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, 

Warszawa 1983. 

[3] Mikroprocesorowe Urządzenie do Pomiarów, Automatyki, Sterowania 

i Zabezpieczeń Seria Mupasz 101. Instrukcja użytkowania, 

Warszawa 2011. 

[4] Kazienko P., Gwiazda K.: XML na poważnie. Helion 2002. 

56 


Wpływ wielokrotnego stosowania roztworu 

do immersyjnego cynowania na przebieg procesu 

i lutowność osadzanych warstw cyny 

mgr inż. ANETA ARAŹNA 1) , prof. JERZY BIELIŃSKI 2) , dr GRAŻYNA KOZIOŁ 1) , 

mgr inż. KAMIL JANECZEK 1) , mgr inż. KRZYSZTOF LIPIEC 1) 

1) 

Instytut Tele- i Radiotechniczny, Warszawa, 2) Politechnika Warszawska, Wydział Chemiczny 

Immersyjne warstwy cyny do zastosowań w elektronice osadzane 

są najczęściej z roztworów kwaśnych tiomocznikowych. 

Tiomocznik jest bardzo dobrym czynnikiem kompleksującym, 

który utrzymuje stężenie jonów miedzi w roztworze na bardzo 

niskim poziomie (10 -14 mol/l [1]), dzięki czemu zachodzi reakcja 

wymiany: 

Sn 2+ + 2Cu + 8SC(NH 2 

) 2 

→ Sn 0 + 2[Cu(SC(NH 2 

) 2 

) 4 

] + (1) 

Pierwsze funkcjonalne roztwory do cynowania miały prosty 

skład i zawierały tanie składniki: chlorek cyny(II), jako źródło 

jonów cyny(II), tiomocznik pełniący rolę czynnika kompleksujacego 

i kwas solny zapewniający silnie kwaśne środowisko 

i dodatkowo przeciwdziałający pasywacji miedzi. Ze względu 

na prostotę wykonania, dostępność składników i niską cenę, 

były one przez długi czas chętnie stosowane w produkcji płytek 

obwodów drukowanych. W ostatnich latach chlorkowe 

roztwory do cynowania miedzi coraz częściej są zastępowane 

roztworami opartymi na kwasie metanosulfonowym (MSA). 

Bardzo dużą zaletą tego typu roztworów jest ich wysoka stabilność 

podczas eksploatacji w warunkach atmosferycznych. 

Dodatkowo kwas MSA jest mało toksyczny i biodegradowalny. 

Jest on również nielotny, co istotnie zmniejsza korozyjne zagrożenie 

dla otoczenia i dalszego użytkowania płytek, jakie 

miało miejsce w przypadku zastosowania roztworów chlorkowych. 

Według danych literaturowych roztwory metanosulfonianowe 

są coraz szerzej wprowadzane w technologiach 

osadzania powłok cynowych [2 – 5]. Tanie roztwory chlorkowe 

mogą jednak nadal służyć do badań złożonych procesów 

immersyjnego cynowania. 

W warunkach technologicznych w tiomocznikowych roztworach 

do immersyjnego cynowania poza głównymi reakcjami 

redukcji cyny, utleniania miedzi i kompleksowania jej jonów 

zachodzi szereg innych reakcji ubocznych, które prowadzą do 

zmian w roztworze, a w konsekwencji do zahamowania reakcji 

cynowania i pogorszenia właściwości osadzanych warstw 

Sn. Większość roztworów do immersyjnego cynowania pracuje 

w nieodtlenionych warunkach. Sprzyja to utlenianiu się 

jonów cyny(II) do cyny(IV) jak również utlenianiu Cu przez tlen 

zawarty w roztworze do jonów miedzi. Roztwory mogą, więc 

być mało stabilne. Otrzymane powłoki są porowate, o gruboziarnistej 

strukturze, co sprawia, że są mniej odporne na korozję 

oraz na postawanie związków międzymetalicznych (IMC) 

i kryształów nitkowych na ich powierzchni. W dostępnych 

publikacjach brak jest jednak danych dotyczących osadzania 

warstw cyny z roztworów wykorzystywanych przez długi czas, 

zawierających zwiększone stężenie produktów utleniania tlenem 

z powietrza. 

W pracy badano wpływ nagromadzenia się jonów cyny(IV), 

miedzi(I) i wielokrotnego wykorzystania roztworu chlorkowego 

na szybkość procesu immersyjnego cynowania i wybrane 

właściwości warstw cyny. 

Zakres badań 

Wykonano osadzanie warstw cyny na odcinkach drutu miedzianego 

pokrytych warstwą miedzi elektrolitycznej z roztworów 

chlorkowych zawierających dodatek jonów miedzi(I) lub cyny(IV) 

oraz prowadzono wielokrotne osadzanie warstw Sn z tego samego 

roztworu. Grubość warstw określano z wykorzystaniem metody 

kulometrycznej w 0,1 M roztworze kwasu solnego (zgodnie 

z procedurą opisaną w pracy [6]). Na podstawie analizy wyników 

kolejnych serii osadzania Sn określano wpływ nagromadzenia 

się jonów miedzi(I) i cyny(IV) oraz wielokrotnego wykorzystania 

roztworu na grubość osadzanych warstw cyny. 

Badano lutowność warstw cyny osadzanych z roztworu 

wykorzystywanego wielokrotnie z zastosowaniem metody meniskograficznej 

(meniskograf MENISCO ST60) zgodnie z procedurą 

opisaną w pracy [7]. 

Wykonano badania woltamperometrycznego określenia 

zmian składu roztworów przy ich długotrwałym wykorzystaniu. 

W tym celu wykonano analizy woltamperometrii cyklicznej 

(CVA) dla elektrody miedzianej w chlorkowych roztworach do 

immersyjnego cynownia z dodatkiem jonów miedzi(I) oraz jonów 

cyny(IV). Jako elektrodę miedzianą stosowano drut miedziany 

o powierzchni 1 cm 2 . Charakterystyki CVA w przypadku 

roztworów z dodatkiem jonów miedzi(I) wykonywano w roztworach 

o stężeniu kwasu solnego 0,3 M, stężeniu tiomocznika 

0,03 M i zmiennym stężeniu jonów miedzi(I) 1 i 2 mM w zakresie 

potencjałów od -400 mV do +200 mV/SCE. Natomiast 

w przypadku roztworów z dodatkiem jonów cyny(IV) analizy 

wykonywane były w roztworach o stężeniu kwasu solnego 

0,3 M, stężeniu chlorku cyny(II) 0,05 M i zmiennym stężeniu 

jonów cyny(IV) z zakresu 1…50 mM w zakresie potencjałów 

(-600) mV do (+700) mV/SCE. Badania wykonywano przy 

szybkości skanowania 50 mV/s. 

Nagromadzenie się jonów miedzi(I) 

w roztworze 

Obecność jonów miedzi(I) w roztworach do cynowania w przeważającej 

mierze jest wynikiem utlenienia podłoża miedzianego 

w reakcji wymiany (reakcja 1). Obok reakcji wymiany 

w roztworach zawierających tlen zachodzi reakcja utleniania 

miedzi do soli miedzi. W wyniku tej reakcji wzrasta ilość jonów 

miedzi obecnych w roztworze [8]. Dodatkowo w podwyższonej 

temperaturze prowadzenia reakcji cynowania tiomocznik 

może ulegać rozkładowi [9], co może prowadzić do znacznego 

zmniejszenia jego stężenia w roztworach do cynowania. 

Nie kompleksuje, więc on odpowiednio jonów miedzi, co również 

może przyczyniać się do nagromadzenia się w roztworze 

zbyt dużej ilości nieskompleksowanych jonów miedzi. 

Nagromadzenie się jonów miedzi w roztworze do bezprądowego 

cynowania powoduje zahamowanie reakcji osadzania 

warstw cyny. W roztworze technologicznym stężenie jonów miedzi 

nie powinno przekraczać 6…8 g/dm 3 . Zawarta w roztworze 


I [mA] 

0,5 

0,4 

0,3 

0,2 

0,1 

0 

-0,1 

-0,2 

-0,3 

-0,4 

-0,5 

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 

E [mV] 

d [μm] 

0,20 

0,18 

0,16 

0,14 

0,12 

0,10 

0,08 

0,06 

0,04 

0,02 

0,00 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 

Kolejne osadzania 

bez Cu(I) 1 mM Cu(I) 2 mM Cu(I) 

Rys. 1. Woltamperometria cykliczna Cu w roztworach zawierających 

0,3 M HCl i 0,03 M tiomocznika z dodatkiem jonów miedzi(I) 

w ilości: linia niebieska – bez dodatku jonów Cu(I), linia czerwona 

– dodatek 1 mM Cu(I), linia zielona – 2 mM Cu(I). Szybkość 

skanowania 50 mV/s. Zakres potencjałów skanowania -400 mV 

do +200 mV/SCE 

Fig. 1. Cyclic voltammetry of Cu in solutions contain: 0,3 M HCl 

i 0,03 M thiourea with addition of copper(I) ions: blue line – without 

Cu(I) ions, red line – with 1 mM Cu(I), green line -2 mM Cu(I). 

Scan rate 50 mV/s. Potential region -400 mV ÷ +200 mV/SCE 

miedź osadza się jednocześnie z cyną co prowadzi do powstawania 

ciemnej powłoki o pogorszonej lutowności [1, 8, 10]. 

Określając wpływ dodatku jonów miedzi(I) na zachowanie 

się elektrody miedzianej w roztworach do immersyjnego cynownia 

stwierdzono, że dodatek jonów miedzi(I) do roztworu 

zawierających stałe stężenie kwasu solnego i tiomocznika powoduje 

zwiększenie wartości prądu anodowego i katodowego 

dla reakcji roztwarzania (pik przy potencjale + 80 mV/SEC 

otrzymany podczas skanowania w kierunku dodatnich potencjałów) 

i redukcji (pik przy potencjale – 270 mV/SEC otrzymany 

podczas skanowania w kierunku ujemnych potencjałów) 

elektrody miedzianej zanurzonej w tym roztworze – rys. 1. 

Przy niezmiennym stężeniu tiomocznika w roztworze będzie 

to prowadziło do nagromadzenia się jonów miedzi w roztworze, 

które nie będą w dostatecznym stopniu kompleksowane 

przez tiomocznik. W tej sytuacji potencjał półogniwa Cu(I)/Cu 

zbliża się do wartości potencjału półogniwa Sn(II)/Sn co powoduje, 

że proces cynowania zostaje zahamowany. 

Badania wpływu obecności jonów miedzi w roztworze 

chlorkowym do osadzania warstw cyny przeprowadzono 

w dwóch partiach w temperaturze 70°C w czasie 30 min. 

W pierwszej partii wykonano dziesięć kolejnych osadzeń 

z roztworu składzie: 0,1 M SnCl 2 

, 0,3 M HCl, 0,6 M TM, który 

zawierał dodatek jonów miedzi w ilości 0,05 M jonów Cu(I). 

W drugiej partii pierwsze dwa osadzania warstw Sn wykonano 

z roztworu nie zawierającego jonów miedzi(I). Roztwór miał 

skład: 0,1 M SnCl 2 

, 0,3 M HCl, 0,6 M TM. Do trzeciego osadzania 

z tego roztworu dodano jonów miedzi(I) w takiej ilości, 

aby ich stężenie w roztworze wynosiło 0,05 M. Wyniki analiz 

przedstawione są poniżej. 

Warstwy cyny otrzymane z roztworu zawierającego dodatek 

jonów miedzi(I) w ilości 0,05 M miały bardzo małą grubość 

(poniżej 0,16 μm), a w kolejnych osadzeniach ich grubość dodatkowo 

zmniejsza się (7…12%). Przyczyną tego jest zwiększanie 

się stężenia jonów miedzi w roztworze w wyniku reakcji 

wymiany i utleniania podłoża Cu. Można przypuszczać, że 

jony miedzi(I) obecne już w roztworze aktywują proces utleniania 

podłoża miedzianego [8], co sprawia że w kolejnych 

osadzeniach przybywa ich znacznie więcej, niż wynika to ze 

stechiometrii reakcji wymiany. 

Rys. 2. Średnie grubości warstw cyny osadzanych z roztworów 

zawierających dodatek jonów miedzi(I) 

Fig. 2. The average thicknesses of tin layers deposited from solutions 

containing addition of copper(I) ions 

Warstwy cyny osadzone z drugiej partii w dwóch pierwszych 

osadzeniach (z roztworu nie zawierającego jonów miedzi) 

miały odpowiednio grubość 1,16 i 1,32 μm. Natomiast po 

dodaniu to roztworu jonów miedzi(I) w ilości 0,05 M, otrzymana 

warstwa Sn była koloru szarego i łuszczyła się. Uniemożliwiło 

to zmierzenie jej grubości metodą kulometryczną. 

Nagromadzenie się jonów cyny(IV) 

w roztworze 

Jony cyny(II) łatwo ulegają utlenianiu do cyny(IV) tlenem z powietrza 

lub za przyczyną innych utleniaczy zawartych w roztworze 

[11, 12]. Nagromadzenie się jonów cyny(IV) w roztworze 

do cynowania prowadzi do zmniejszenia szybkości reakcji 

cynowania. Dodatkowo może być przyczyną pojawiania się 

w roztworze osadu, ponieważ jony cyny(IV) hydrolizują tworząc 

fazę stałą dwutlenku cyny. Powoduje to zmętnienie roztworu 

i zmniejszenie jego stabilności [8, 11, 12]. 

Analizując wyniki pomiarów CVA dla elektrody miedzianej 

w roztworach do cynowania zawierających dodatek jonów 

cyny(IV) zaobserwowano, że wartości prądu dla pików odpowiadających 

reakcji roztwarzania się elektrody miedzianej (pik 

przy potencjale +80 mV/SEC otrzymany podczas skanowania 

w kierunku dodatnich potencjałów) były zbliżone niezależnie od 

stężenia jonów cyny(IV) w roztworze. Dopiero przy stężeniu jonów 

cyny(IV) 50 mM stwierdzono niewielki wzrost wartości prądu 

(o 0,06 mA) dla tej reakcji. Oznacza to, że stężenia jonów cyny(IV) 

1 mM i 5 mM w roztworze do cynowania nie wpływają istotnie na 

reakcje zachodzące na elektrodzie miedzianej (rys. 3). 

W dalszej części badań wykonano osadzanie warstw cyny 

z trzech roztworów chlorkowych zawierających 0,3 M kwasu 

solnego i 0,6 M tiomocznika oraz zmienne stężeniach jonów 

cyny(II) i cyny(IV). Pierwszy roztwór zawierał tylko jony cyny(II) 

w ilości 0,1 M. Drugi roztwór zawierał 0,05 M jonów cyny(II) 

i 0,05 M jonów cyny(IV), natomiast trzeci roztwór zawierał 

0,025 M jonów cyny(II) i 0,075 M jonów cyny(IV). Osadzanie 

warstw Sn prowadzono w temperaturze 70°C w czasie 30 min. 

Wykonano po osiem kolejnych osadzeń z każdego roztworu. 

Porównanie wyników analizy grubości warstw cyny otrzymanych 

z trzech roztworów przedstawione jest na rys. 4. 

Stwierdzono, że warstwy Sn osadzane z roztworu z dodatkiem 

0,05 M jonów Sn(IV) mały o około 15…30% mniejszą 

grubość w porównaniu z warstwami Sn osadzanymi z roztworu 

bez dodatku jonów Sn(IV). Natomiast warstwy Sn osadzane 

z roztworu, w którym stężenie jonów Sn(IV) wynosiło 0,075 M 

miały grubość poniżej 0,15 µm oraz ciemno szarą barwę i były 

matowe. Nagromadzenie się jonów cyny(IV) w roztworze do 

cynowania w widoczny sposób hamowało szybkość procesu 

cynowania oraz wpływało na jakość osadzanych warstw Sn. 

58 


1 

0,8 

0,6 

0,4 

0,2 

0 

I [mA] 

-0,2 

-0,4 

-0,6 

-0,8 

-1 

-1,2 

-1,4 

-1,6 

-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 

Rys. 3. Woltamperometria cykliczna Cu w roztworach zawierających 

0,3 M HCl i 0,05 M chlorku cyny(II) oraz dodatek jonów 

cyny(IV) w ilości: linia czarna – bez dodatku jonów Sn(IV), linia 

czerwona – dodatek 1 mM M Sn(IV), linia zielona – 5 mM Sn(IV) 

oraz linia niebieska – 50 mM jonów Sn(IV). Szybkość skanowania 

50 mV/s. Zakres potencjałów skanowania -600 mV ÷ +700 mV/SCE 

Fig. 3. Cyclic voltammetry of Cu in solutions contain: 0,3 M HCl 

and 0,05 M stannous chloride as well as addition of tin(IV) ions: 

black line – without Sn(IV) ions; red line – addition of 1 mM Sn(IV), 

green line – 5 mM Sn(IV) and blue line – 50 mM Sn(IV) ions. Scan 

rate 50 mV/s. Potential region -600 mV ÷ +700 mV/SCE 

d [μm] 

1,80 

1,60 

1,40 

1,20 

1,00 

0,80 

0,60 

0,40 

0,20 

0,00 

E [mV] 

bez Sn(IV) 0,001 M Sn(IV) 0,005 M Sn(IV) 0,05 M Sn(IV) 

1 2 3 4 5 6 7 8 

0,1M Sn(II) 0,05M Sn(II)+ Kolejne 0,05M Sn(IV) osadzania 0,025M Sn(II)+ 0,075M Sn(IV) 

Rys. 4. Średnie grubości warstwy cyny otrzymanych z roztworów 

zawierających dodatek jonów cyny(IV) 

Fig. 4. The average thicknesses of tin layers deposited from solutions 

containing addition of tin(IV) ions 

Porównywano też wyniki wielokrotnego osadzania z roztworów 

bez dodatku i z dodatkiem soli Sn(II). Nie obserwowano 

znaczącego zmniejszenia się grubości warstw Sn w kolejnych 

próbach dla roztworów zawierających dodatek jonów 

cyny(IV). Natomiast podczas osadzania z roztworu bez dodatku 

jonów Sn(IV) obserwowano spadek grubości warstwy cyny 

w kolejnych osadzeniach – do 6%. Można więc przypuszczać, 

że zmniejszenie stabilności roztworu spowodowane obecnością 

w nim znacznej ilość jonów cyny(IV) jest główną przyczyną 

zmniejszenia szybkości cynowania w roztworach wykorzystywanych 

wielokrotnie. 

Wielokrotne osadzanie z tego samego 

roztworu 

Roztwory do immersyjnego cynowania stosowane w praktyce 

przemysłowej pracują najczęściej wiele godzin na dobę. Jak 

już opisano wcześniej, w takich warunkach w podwyższonej 

temperaturze pracy dochodzi do zmian w roztworze, które 

mogą negatywnie wpływają na proces cynowania i jakość 

otrzymywanych warstw [1]. 

Rys. 5. Średnie grubości warstw cyny osadzane w 22 kolejnych 

seriach osadzeń. „bez HCh”- roztwór bez dodatku hydrochinonu; 

„z HCh”- roztwór zawierający dodatek 0,1 mol/dm 3 hydrochinonu 

Fig. 5. The average thicknesses of tin layers deposited in 22 consecutive 

plating processes. „bez HCh- solution without hydroquinone; 

„z HCh” – solution with hydroquinone 

W celu określenia wpływu wielokrotnego wykorzystania 

roztworu do cynowania na szybkość reakcji cynowania i jakość 

otrzymanych warstw cyny wykonano osadzania warstw Sn 

z wykorzystaniem roztworów chlorkowych. Zastosowano dwa 

roztwory. Oba zawierały: 0,1 M SnCl 2 

, 0,3 M HCl i 0,6 M TM. 

Drugi roztwór zawierał dodatek hydrochinonu w ilości 0,1 M. 

Hydrochinon jest antyutleniaczem zapobiegającym utlenieniu 

się jonów cyny(II) [8, 12]. Jest to związek organiczny posiadający 

dwie grupy hydroksylowe powiązane z pierścieniem 

benzenowym w pozycjach para. Łatwo ulega on utlenieniu do 

chinonu, a elektrony uwalniane podczas tego procesu są zdolne 

do redukowania tlenu rozpuszczonego w roztworze. Utrzymuje 

to stężenie rozpuszczonego tlenu na niskim poziomie 

i zapobiega utlenianiu się jonów cyny(II) [5, 12]. Wykonywano 

22 osadzania warstw Sn w ciągu jednego dnia w temperaturze 

70ºC, w czasie 30 min. Łączna powierzchnia cynowanej 

w jednym osadzaniu miedzi wynosiła 36 cm 2 (na 50 cm 3 

roztworu). Wyniki analizy grubości otrzymanych warstw cyny 


Stwierdzono, że grubość osadzonej warstwy cyny zmniejsza 

się z każdym kolejnym osadzaniem dla obu roztworów. 

Hydrochinon hamujący proces utleniania się jonów cyny(II) 

hamuje również spadek szybkości cynowania. Warstwy Sn 

otrzymane z dziesiątego osadzania z roztworu z dodatkiem 

hydrochinonu są o 0,2 µm grubsze od warstw otrzymanych 

z roztworu bez dodatków. Natomiast warstwy Sn otrzymane 

w 11 osadzaniu (z roztworu z i bez dodatku hydrochinonu) 

mają średnią grubość poniżej 0,2 µm. Taka grubość warstw 

cyny utrzymuje się w kolejnych osadzeniach niezależnie od 

roztworu. Oznacza to, że nagromadzona w roztworze miedź 

hamuje proces osadzania prawie całkowicie. 

Po zmierzeniu grubości warstw Sn wykonano badania 

lutowności warstw osadzanych w pierwszych dziesięciu 

próbach dla roztworu nie zawierającego hydrochinonu. 

Lutowność badano w stanie dostawy i po zastosowaniu 

przyśpieszonego starzenia warstw Sn (symulującego roczne 

składowanie płytek z powłoką cyny – 4 h w 155ºC [13]) 

i określano analizując otrzymane krzywe zwilżania na podstawie 

wartości czasu zwilżania τ z 

[sec], kąta zwilżania po 

trzech sekundach θ 3 

[°] oraz siły zwilżania F 2 

[mN]. Przyjęto 

kryteria oceny oraz klasyfikację lutowności warstw Sn zawarte 

w normach IEC-68-2-69 [14] i NF A 89400 P [15]: ι z 

Wyniki pomiarów lutowności warstw Sn. The date of solderability tests of tin layers 

Seria Stan warstwy Sn 

Grubość warstwy 

Sn 

τ z 

[s] 

F 2 

[mN] 

2/3 F max teoretyczne 

[mN] 

θ 3 

[°] 

Lutowność 

1 SD 1,12 0,52 1,13 ± 0,04 

0 ± 0 b. dobra 

155°C/4h 0,48 0,94 0,4 ± 0,13 55 ± 8 zła 

2 SD 0,94 0,61 1,13 ± 0,03 0 ± 0 b. dobra 

155°C/4h 0,35 1,53 0,13 ± 0,01 69 ± 1 zła 

3 SD 0,83 0,63 1,16 ± 0,02 0 ± 0 b. dobra 

155°C/4h 0,34 > 10 < 0 108±11 b. zła 

4 SD 0,75 0,67 1,14 ± 0,01 0 ± 0 b. dobra 

155°C/4h 0,29 > 10 < 0 129±25 b. zła 

5 SD 0,68 0,66 1,14 ± 0,06 0 ± 0 b. dobra 

155°C/4h 0,21 > 10 < 0 143 ± 9 b. zła 

0,58 

6 SD 0,62 0,79 1,07 ± 0,02 0 ± 0 b. dobra 

155°C/4h 0,12 > 10 < 0 179 ± 1 b. zła 

7 SD 0,57 0,87 0,97 ± 0,1 0 ± 0 b. dobra 

155°C/4h 0,13 > 10 < 0 138±31 b. zła 

8 SD 0,60 0,75 1,02 ± 0,09 15 ± 11 b. dobra 

155°C/4h 0,10 > 10 < 0 154±20 b. zła 

9 SD 0,50 0,83 0,92 ± 0,03 27 ± 4 b. dobra 

155°C/4h 0,11 > 10 < 0 180 ± 0 b. zła 

10 SD 0,39 1,04 0,72 ± 0,18 30 ± 10 dobra 

155°C/4h 0,06 > 10 < 0 180 ± 0 b. zła 

Stosując przyjęte kryteria oceny lutowności dla powłok 

w stanie dostawy stwierdzono, że pomimo spadku grubości 

warstw cyny w próbkach z kolejnych doświadczeń w tym samym 

roztworze, wszystkie badane warstwy mają bardzo dobrą 

lub dobrą lutowość. W trakcie starzenia warstw następuje 

spadek ich grubości (o wartość 0,33…0,64 μm) i wszystkie 

badane powłoki mają grubość poniżej 0,5 μm. Po starzeniu 

wszystkie powłoki mają złą lub bardzo złą lutowność. 

Podsumowanie 

W pracy badano wpływ nagromadzenia się jonów cyny(IV), 

miedzi(I) i wielokrotnego wykorzystania roztworu na szybkość 

procesu immersyjnego cynowania i wybrane właściwości warstw 

cyny. Z analizy woltamperometrycznej dla elektrody miedzianej 

w roztworach chlorkowych zawierających dodatek jonów 

miedzi(I) lub cyny(IV) wynika, że dodatek jonów miedzi(I) powoduje 

przyśpieszenie, natomiast dodatek jonów cyny(IV) nie wpływa 

na szybkość roztwarzania się elektrody miedzianej w roztworach 

chlorkowych. Natomiast obecność jonów miedzi(I) i cyny 

(IV) w roztworze do immersyjnego cynowania powoduje znaczne 

zahamowanie procesu immersyjnego cynowania, a tym samym 

zmniejszenie grubości otrzymanych warstw cyny. Dodatek hydrochinonu 

do roztworu, jako związku zapobiegającego utlenianiu się 

jonów cyny(II), hamuje proces zmniejszenia szybkości osadzania 

warstw cyny w niewielkim stopniu. Warstwy osadzane z roztworu 

z dodatkiem hydrochinonu są tylko o 0,2 µm grubsze od warstw 

otrzymanych z roztworu bez dodatków. Wszystkie badane warstwy 

cyny w doświadczeniu z wielokrotnym osadzaniem z jednego 

roztworu miały bardzo dobrą lub dobrą lutowność niezależnie 

od grubości. Starzenie warstw spowodowało zmniejszenie ich 

grubości (o wartość 0,33…0,64 μm) i utratę ich lutowności. 

Spadek szybkości cynowania w miarę wykorzystania roztworu 

jest powodowany takimi czynnikami jak utlenianie jonów 

cyny(II) czy nagromadzenie się jonów miedzi(I) w roztworze. 

60 

Opracowanie wykonane w ramach prac badawczych Instytutu 

Tele- i Radiotechnicznego oraz prac statutowych Politechniki 

Warszawskiej. 

Literatura 

[1] Meeh P.: Immersion tin: a proven final finish for printed circuit boards 

providing reliable solderability and marginal formation of tin- whiskers. 

Circuit World, 31 (1), 28 (2004). 

[2] Bieliński J., Araźna A., Kozioł G., Bielińska A.: Cynowe, lutowne powłoki 

ochronne w technologii płytek drukowanych, Elektronika, 49 (7–8),78 (2008). 

[3] Gernon M. D., Wu M., Buszta T., Janney P.: Environmental benefits of 

methanesulfonic acid: comparative properties and advantages. Green 

Chemistry, 6, 127 (1999). 

[4] Yau Y. H.: A comparative study of halogen & methanesulfonic acid electrotinning 

processes. Plating & Surface Finishing 86(8), 48 (1999). 

[5] Martyak N. M., Seefeldt R.: Additive-effects during plating in acid tin 

methanesulfonate electrolytes. Electrochimica Acta 49 (25), (2004) 

4303–4311. 

[6] Araźna A., Bieliński J.: Wpływ parametrów prowadzenia procesu cynowania 

na jakość otrzymanej powłoki cyny immersyjnej. Elektronika, 

47 (8), 7–10 (2006). 

[7] Araźna A.: Influence of parameters tinning and ageing processes on 

properties of printed circuit boards tin coatings. XI Międzynarodowe 

Warsztaty Doktoranckie OWD 2010, 25–26 October, 2010, Wisła. 

[8] Jordan M.: The electrodeposition of tin and its alloys, Eugen G.Leuze 

Publishers D-88348, Germany 1995. 

[9] Bolzan A.E., I.B. Wakenge, R.C.V. Piatti, R.C. Salvarezza, A.J. Arvia: 

The behaviour of copper anodes in aqueous thiourea-containing sulphuric 

acid solutions. Open circuit potencials and electrochemical kinetics. 

Journal of Electroanalytical Chemistry, 501 (1–2), 241 (2001). 

[10] Johal K., Schreier H.J.: Tin finishes drum up support. PC FAB, 8, 40 

(2000). 

[11] Danilov F. I., Butyrina T. E., Protsenko V. S., Vasil’eva E. A.: Oxidation of 

Sn(II) in Methanesulfonate Electrolytesin Presence of Antioxidants. Russian 

Journal of Applied Chemistry, 2010, Vol. 83, No. 4, pp. 752−754. 

[12] Low C.T.J., Walsh F.C.: The stability of an acidic tin methanesulfonate 

electrolyte in the presence of a hydroquinone antioxidant. Electrochimica 

Acta 53 (2008) 5280–5286 

[13] IEC 60068-2-2, Environmental testing- Part 2-2: Tests- Test B: Dray heat, 2007. 

[14] IEC-68-2-69 Ed.2, Solderability testing of electronic components for 

surface mount technology by the wetting balance metod. COMMITTEE 

DRAFT FOR VOTE 91/562/CDV, 2006-02-24. 

[15] NF A 89400 P – Brasage tendre, Mesure de brasabilité au méniscographe. 

November 1991. 


Influence of substrate type on structure 

of C-Pd thin films 

(Wpływ rodzaju podłoża na strukturę cienkich warstw C-Pd) 

dr EWA KOWALSKA 1) , prof. nzw. dr hab. ELŻBIETA CZERWOSZ 1) , 

dr inż. MIROSŁAW KOZŁOWSKI 1) , dr inż. PIOTR FIREK 2) , mgr JOANNA RYMARCZYK 1) , 

inż. JOANNA RADOMSKA 1) 

1) 

Tele & Radio Research Institute, Warsaw 

2) 

Warsaw University of Technology, Institute of Microelectronics and Optoelectronics, Warsaw 

Films based on palladium nanocrystals and nanoporous carbon 

structure are promising materials for hydrogen gas sensing 

applications [1–4]. C-Pd nanoobjects, due to their small 

size, density of their distribution and ability to form fine structures, 

allow to create miniaturized hydrogen sensors then it 

allows to reduce the cost of their production. 

Palladium is one of the elements which adsorbs/absorbs 

hydrogen forming palladium hydride – PdH x 

[5]. It is known that 

hydrogen under the influence of Pd catalytic properties dissociates 

into H atoms which are located in the interstitial octahedral 

sites of the palladium fcc lattice [6, 7]. It was found that 

hydrogen carried a negative charge in palladium hydride [8] 

and similarly for hydrogen adsorbed on palladium [9]. Therefore 

differences in electrical properties (e.g. resistance) between 

pure palladium and palladium hydride were observed and it 

was the basis for development of hydrogen sensors [10]. 

Nanostructured carbon materials such as carbon nanofibers 

(CFs), multi- and singlewalled carbon nanotubes 

(MWCNs, SWCNs), carbon foam and nanofoam with various 

pores sizes and shapes are also attractive for high hydrogen 

storage capacities [11–12]. However hydrogenation mechanism 

of these two materials (palladium and carbon) is different: 

hydrogen chemisorbs strongly on palladium nanocrystals 

forming the hydride compound whereas on carbon materials 

physisorption process proceeds [13]. 

In this work we present nanostructural C-Pd films composed 

of Pd nanograins and nanoporous carbon matrix. These 

films could have better hydrogen adsorption/absorption properties 

than each of components taken separately. In order 

to prepare carbonaceous-palladium films with a high specific 

surface area (SSA) we applied a different type of substrates. 

The development of SSA of the sensor’s active elements is 

required because it influences on the increase of sensitivity 

and velocity of the adsorption/desorption reaction. It is obvious 

that the substrate’s surface affects on nucleation and next 

coalescence effects of film’s grains formed during technological 

process. We applied substrates with a flat as well as welldeveloped 

surface. 

Experimental 

C-Pd films were obtained by the two steps’ method elaborated 

in Tele- and Radio Research Institute [14]. In the first 

step, nanocomposite films were deposited on different substrates 

by PVD (Physical Vapour Deposition) process under 

a dynamic vacuum of 10 -5 mbar. PVD films were composed 

of carbonaceous matrix and palladium nanograins embedded 

into this matrix. The average Pd grain size was 5…10 nm. As 

precursors of these films fullerene C 60 

and palladium acetate 

Pd(C 2 

H 3 

O 2 

) 2 

were used and they were evaporated from two 

separated sources [15]. In order to eliminate the influence of 

technological parameters on formation of C-Pd structures the 

parameters such as: substrates’ temperature (~65°C), deposition 

time (8 minutes) and distance between substrates and 

sources (69 mm) were the same for all PVD processes. Only 

a type of substrate was changed. 

Si wafers (Si) and Si wafers covered with DLC (Diamondlike 

Carbon) layer (DLC/Si) were used as substrates with 

a smooth surface whereas Al 2 

O 3 

ceramic plates and AAO 

membranes (Anodic Aluminium Oxide -anodisc 25 with an average 

pore size and a thickness of around 200 nm and 60 mm, 

respectively, from Whatman Inc) were applied as substrates 

with welldeveloped specific surface. 

The growth process of DLC layer on Si with thickness of 

114 nm was performed by Radio Frequency Plasma Assisted 

Chemical Vapor Deposition (RF PACVD) process in time of 

5 minutes with 210 V self-bias voltage and with methane flow 

rate of 20 ml/min and at 5x10 -4 bar pressure. 

During the second step, films from PVD were modified in 

CVD (Chemical Vapor Deposition) method. The pyrolysis of 

xylene (C 8 

H 10 

) proceeded in this process. CVD modification 

was performed in a quartz reactor in argon atmosphere and 

in the temperature of 650°C. The total modification time was 

30 minutes. The argon flow rate was maintained at 40 l/h 

while xylene flow rate was 0,1 ml/min. In order to eliminate 

the xylene residue after stopping of its supply into the quartz 

reactor, films were annealed in Ar for one hour. In all CVD 

modifications of PVD films technological parameters were 

the same. 

The morphology and structure of C-Pd films was studied 

by Scanning Electron Microscopy (SEM) – JEOL-JSM 

7600F with SE (Secondary Electron) detector and with LABE 

(Low Angle Backscattered Electron) detector. LABE detector 

shows a contrast composition of analyzed material (the 

difference in contrast of carbon and palladium is observed). 

The microscope was operated at 1keV and 5 keV incident 

energy. The topography of obtained films was investigated 

by Atomic Force Microscopy (AFM), model EXPLORER 

2000 (Thermomicroscopes) in contact mode with the standard 

Si 3 

N 4 

cantilever. 

Atomic absorption spectroscopy (AAS) measurement was 

used to obtain a chemical composition of C-Pd samples. 

Results and discussion 

SEM images of PVD films deposited on smooth substrates: Si 

and DLC/Si are presented in Fig. 1a and b respectively. The 

topography of these films is different. 


Fig. 1. SEM images of PVD films deposited on: a) Si wafer (sample 

1) and b) DLC/Si substrate (sample 2) 

Rys. 1. Obrazy SEM warstw PVD osadzonych na a) płytce Si 

(próbka 1) i b) płytce DLC/Si (próbka 2) 

Fig. 3. AFM image of the sample 1 deposited by PVD on Si wafer 

Rys. 3. Obraz AFM próbki 1 osadzonej w procesie PVD na płytce Si 

Fig. 2. SEM images of PVD films deposited on: a) Al 2 

O 3 

plate 

(sample 3) and b) AAO membrane (sample 4) 

Rys. 2. Obrazy SEM warstw PVD osadzonych na a) płytce Al 2 

O 3 

(próbka 3) i b) membranie AAO (próbka 4) 

We observe that PVD film obtained on Si wafer (sample 1) 

is composed of grains with the mean size of about 50 nm and 

their shape is hill-like. The film deposited on DLC/Si (sample 2) 

is also composed of grains but they form clusters and islands 

with various shapes. In the sample 2 there are visible empty 

areas between islands what suggests that this film does not 

cover the substrate completely. This effect can be caused by 

the stress of DLC layer undergoing during the PVD process. 

Additionally, the samples have different chemical composition. 

Content of Pd in the sample 1 was about 24% wt., whereas 

in the sample 2 only 6% wt. palladium was found. The differences 

observed in PVD film composition could result from 

a variation of the thermal conductivity of both substrates (Si 

and DLC/Si). Conditions of vapor condensation in PVD chamber 

for both substrates were different and this could cause 

a change in palladium percentage. 

In Fig. 2a and b SEM images of PVD films formed on substrates 

with a rough surface: ceramic plate (the sample 3) and 

AAO membrane (the sample 4) are shown, respectively. The 

sample 3 uniformly covers the Al 2 

O 3 

substrate and it is built of 

grains with the size of 100–200 nm. AAS measurement shows 

that palladium in the sample 3 is on the level of ~7% wt. 

Surface of the sample 4 seems to be smooth between the 

inter – pore region but within the pore the film probably has 

also a granular structure. 

AFM studies of PVD films confirm the results from SEM 

investigations. In Fig. 3, 4 and 5 AFM images of samples 1, 2 

and 4 are presented, respectively. Unfortunately, we were not 

able to do AFM measurement for the sample 3 (Al 2 

O 3 

plate) 

because we could not separate effects originating from the 

substrate and film structure. 

Roughness of the sample 1 (Si) and the sample 2 (DLC/Si) 

determined from AFM is about 1,87…4,5 nm and 4,38…4,65 

nm respectively, whereas for the film deposited on AAO template 

(sample 4) it is higher (20…24,5 nm). The roughness 

of the sample 4 could be much higher but it can not be determined 

precisely from our AFM measurements due to a tip 

size. The difference between the roughness of samples de- 

62 

Fig. 4. AFM image of the sample 2 deposited by PVD on DLC/Si 

wafer 

Rys. 4. Obraz AFM próbki 2 osadzonej w procesie PVD na płytce 

Si pokrytej warstwą DLC 

Fig. 5. AFM image of the sample 4 deposited by PVD on AAO 

membrane 

Rys. 5. Obraz AFM próbki 4 osadzonej w procesie PVD na membranie 

AAO 


Fig. 6. SEM images of the film deposited on Si wafer after the 

CVD modification: a) a surface; b) cross section details (the 

sample 5) 

Rys. 6. Obrazy SEM warstwy osadzonej na płytce Si po modyfikacji 

CVD: a) powierzchnia, b) przekrój poprzeczny (próbka 5) 

Fig. 8. SEM images of the film deposited on Al 2 

O 3 

after the CVD 

modification: a) a surface; b) cross section details (sample 7) 

Rys. 8. Obrazy SEM warstwy osadzonej na podłożu Al 2 

O 3 

po 

modyfikacji CVD: a) powierzchnia, b) przekrój poprzeczny 

(próbka 7) 

Fig. 7. SEM images of the film deposited on DLC/Si after the CVD 

modification: a) a surface; b) cross section details (sample 6) 

Rys. 7. Obrazy SEM warstwy osadzonej na podłożu DLC/Si 

po modyfikacji CVD: a) powierzchnia, b) przekrój poprzeczny 

(próbka 6) 

posited on Si and AAO is caused by high specific surface of 

AAO membrane. The PVD film is formed not only on the template 

surface but also inside nanochannels (200 nm) of AAO. 

We can conclude that the size of AAO porosity enforces the 

growth of nanograins with suitable diameters. 

The PVD films undergo changes during CVD modification. 

Pd nanocrystallites are observed on the surface of CVD films 

and most of them are surrounded by carbon shells. Carbon 

matrix in CVD films becomes more porous in comparison with 

PVD films. Additionally on some CVD samples new structures 

were found. 

For example on the film deposited on Si (Fig. 6a – sample 

5) new structures like nanorods were observed as a result 

of CVD process. We can also see that carbonaceous matrix 

was converted into a nanoporous material (Fig. 6b). This type 

of carbon nanostructures should adsorb powerfully hydrogen 

or compounds with hydrogen due to their high specific surface 

area. 

SEM image presented in Fig. 6b (cross section details) 

shows the influence of Pd nanograins on destruction of Si 

substrate and the growth of nanorods. X-ray diffraction analysis 

identifies these nonorods to be Pd 2 

Si. It is known that polycrystalline 

palladium silicide phase is formed during annealing 

of Pd layers on silicon at the temperature of ~350°C [16]. But 

Pd 2 

Si growth in the form of nanowires or nanorods has been 

rare to mention in papers. Recently vertically aligned Pd 2 

Si 

nanowires with Pd on tips have been obtained in hydrogen 

atmosphere by microwave plasma enhanced chemical vapor 

deposition system (MPECVD) [17]. Nanowires of Pd-Si system 

are expected to be useful as interconnectors for nanoelectronic 

applications. The growth of Pd 2 

Si nanorods is adverse 

for using the C-Pd films in hydrogen detection. 

In Fig. 7 SEM images of the film obtained on DLC/Si wafer 

after CVD process (sample 6) is presented. It is easy to 

notice that carbon matrix in the sample 6 has also porous 

Fig. 9. SEM images of the film deposited on AAO membrane after 

CVD process: a) a surface; b) cross section details (sample 8). 

In the insert bottom of the sample 8 is shown 

Rys. 9. Obrazy SEM warstwy osadzonej na membranie AAO po 

modyfikacji CVD: a) powierzchnia, b) przekrój poprzeczny (próbka 

8). Rysunek wstawiony pokazuje spód warstwy z widocznymi 

porami membrany 

structure what is a favorable factor for gas sensing applications. 

Beside Pd nanoparticles, grains of a carbonaceous 

origin are also found. These C objects form a rectangular 

network with a length of its elements about 6…10 µm. It 

is clearly shown in cross section details (Fig. 7b) that carbonaceous 

grains appear in the regions where porous carbon 

matrix does not stick to thick DLC layer (thickness of 

DLC layer ~114 nm). We suppose that these effects could 

be caused by micro-damages in DLC layer appearing as 

a results of CVD temperature (~650°C). It is known that DLC 

layers annealed to 400°C change their physical/chemical 

properties due to a variation of a ratio of carbon hybridization 

sp 3 /sp 2 [18]. The formation of Pd 2 

Si nanorodes was not 

observed on DLC/Si wafer thus DLC layer can protect Si 

from being destroyed. 

In the case of ceramic substrates (Al 2 

O 3 

and AAO membrane) 

Pd nanograins are also found on the surface of 

CVD films. 

For example Pd nanocrystals with the size of 5…20 nm 

distributed densely on the surface of CVD film on Al 2 

O 3 

plate 

(Fig. 8, sample 7) are observed. Most of Pd grains are encapsulated 

with carbon shells [19]. It is shown in Fig. 8a as 

a difference in the contrast between Pd nanoparticles (bright 

objects) and carbon shells (dark area around Pd). The analysis 

of LABE mode images and our earlier transmission 

electron microscopy (TEM) measurements [20] confirmed 

the presence of graphitic shells. During CVD modification 

the sample 7 was cracked (Fig. 8a) but under the superficial 

layer, carbon like sponge structure was observed (Fig. 8b). 

Thus CVD process converted carbon matrix in the sample 3 

into a porous structure. 

The average size of Pd nanograins found on the CVD film 

obtained on AAO membrane is 15 nm (Fig. 9, sample 8) but in 


some regions bigger Pd crystals (400 nm) are also observed. 

In this case only these big palladium crystallites were surrounded 

by graphite shells. 

We expected that ceramic membranes with an ordered 

pore structure should have helped to transform the carbon 

matrix into a foam like structure. Unluckily in the sample 8 we 

did not observe such a transformation. In the insert in Fig. 9b) 

carbonaceous matrix with a monolithic form is presented. This 

matrix reflects the surface of AAO membrane. 

We summarize that PVD films underwent changes after 

CVD modification. On the films’ surface Pd nanograins were 

found. Carbon matrix was converted into porous materials 

as a result of decomposition of xylene and a high CVD temperature. 

In a case of Si wafer the growth of Pd 2 

Si nanorods 

occurred. On DLC/Si substrate Pd 2 

Si nanorods did not 

grow up because DLC layer inhibited the diffusion of Pd 

nanograins towards Si surface. Additionally, for this type of 

substrate the poor adhesion of CVD film was observed. This 

effect results from the high internal stress in DLC layer and 

from its low thermal stability. Therefore CVD film on DLC/Si 

cracked and tore off. The adhesion of CVD films was stronger 

to Al 2 

O 3 

plate and AAO membrane. Thus the interaction 

between substrates and deposited films plays an important 

role in forming of C-Pd structures. 

Conclusions 

The influence of a substrate type on structure of C-Pd films 

obtained in PVD/CVD method was studied. We found that the 

topography, morphology, structure and chemical composition 

of deposited films depended on substrate properties. Especially 

a thermal conductivity and development of the surface 

are important factors affecting growth of nanograins in our 

processes. 

We conclude that not all of the substrates can be applied 

to produce C-Pd films used as a working element in hydrogen 

sensor. For H 2 

active layers nanoporous structure with 

well –developed specific surface area and Pd nanocrystals 

are desired. A carbon porous structure and palladium nanocrystals 

were found only for Al 2 

O 3 

plate. Then, we suppose 

that this type of substrate is a suitable for hydrogen sensor 

applications. 

This project is co-founded by the European Regional Development 

Fund within the Innovative Economy Operational Programme 

2007-2013 (title of the project “Development of technology 

for a new generation of the hydrogen and hydrogen compounds 

sensor for applications in above normative conditions” No UDA- 

POIG.01.03.01-14-071/08-06) 

This project was partially founded by grant from COST action (No 

577/N-COST/20009/0) 

References 

[1] Luongo K., Sine A., Bhansali Sh.: Development of a Highly 

Sensitive Porous Si based Hydrogen Sensor using Pd Nano- 

Structures. Sensors and Actuators B 111-112, 2005, 125. 

[2] Lu Y., Partridge Ch., Meyyappan M., Li J.: A Carbon Nanotube 

Seneor Array for Sensitive Gas Discrimination Using Principal 

Component Analysis.,Journal of Electroanalitycal Chemistry 

593, 2006, 105. 

[3] Star A., Joshi V., Skarupo S., i in.: Gas Sensor Array Based on 

Metal-Decorated Carbon Nanotubes. J. Phys. Chem. B 110, 

2006, 21014. 

[4] Jewell L.L., Davis B.H.: Review of absorption and adsorption 

in the hydrogen–palladium system. Applied Catalysis A 310, 

2006, 1. 

[5] Sachs C., Pundt A., Kirchheim R., i in.: Solubility of hydrogen in 

single-sized palladium clusters. Phys Rev B 64, 2001, 075408. 

[6] Lewis F.A.: The Palladium – Hydrogen System. 1967, Academic 

Press, London. 

[7] Yuk F.: The Metal-Hydrogen System. 1993; 21, Springer Series 

in Material Science, Springer, Berlin. 

[8] Eastman D.E., Cashion J.K, Switendick C.A.: Photoemission 

studies of Energy Levels in the Palladium-Hydrogen system. 

Phys. Rev.Lett. 27, 1971, 35. 

[9] Conrad H., Ertl G., Latta E.E.: Adsorption of hydrogen on palladium 

single crystal surfaces. Surface Science 41, 1974, 435. 

[10] Christofides C., Mandelis A.J.: Solid-state sensors for trace hydrogen 

gas detection. J. Appl. Phys. 68 (6), 1990; R1. 

[11] Jorda´-Beneyto M., Sua´rez-Garcı´a F., Lozano-Castello 

D., i in.: Hydrogen storage on chemically activated carbons 

and carbon nanomaterials at high pressures. Carbon 45, 

2007, 293. 

[12] Cabria I., Lopez M.J, Alonso J.A.: The optimum average nanopore 

size for hydrogen storage in carbon nanoporous materials. 

Carbon 45, 2007, 2649. 

[13] Campesi R., Cuevas F., Gadiou R., i inn. Hydrogen storage 

properties of Pd nanoparticle/carbon template composite, Carbon 

46, 2008, 206 

[14] Czerwosz E., Kowalska E., Wronka H., Radomska J.: Patent 

notification 2008 nr P384 591. 

[15] Czerwosz E., Diduszko R., Dłużewski P., i in.: Properties 

of Pd nanocrystals prepared by PVD method. Vacuum 82, 

2008, 372. 

[16] Beshkov G., Dimitov D.B., i in.: Properties of palladium silicide 

thin films obtained by vacuum rapid thermal annealing 

of r.f.sputtered Pd films on Si. Vacuum 51, 1998, 177. 

[17] Joshi R.K., Yoshimura M., i in.: Synthesis of vertically aligned 

Pd 2 

Si nanowires in microwave plasma enhanced chemical vapor 

deposition system. J Phys Chem C 112, 2008, 13901. 

[18] Żelazko J.: Materiały Elektroniczne 32, 2004, 36. 

[19] Kozłowski M., Czerwosz E., Dłużewski P., i in.: Nanostructural 

C-Pd coatings obtained in 2-steps PVD/CVD technological process. 

JAMME 2, 2009, 37. 

[20] unpublished information. 

64 


Quasi wielokrotna wiązka elektronów do spawania 

z obróbką cieplną 

dr inż. KATARZYNA OLSZEWSKA, mgr inż. ANDRZEJ CZOPIK, 

mgr inż. SŁAWOMIR KRAWCZYK 


Najnowsze urządzenia do spawania wiązką elektronów 

(WE) wyposażone są w cyfrowe układy sterowania pozwalające 

precyzyjnie i powtarzalnie kształtować rozkład mocy 

WE w punkcie jej oddziaływania z materiałem. Można tego 

dokonać poprzez regulację prądu WE, położenia ogniska, 

a także odchylając WE według ściśle określonych schematów 

czasowo-przestrzennych. Ten ostatni sposób stwarza szerokie 

możliwości kształtowania zarówno geometrii, jak i właściwości 

spoiny. Pozwala między innymi na stosowanie quasi 

wielokrotnej WE tj. odchylania jej w ten sposób, że wykonuje 

kilka operacji technologicznych jednocześnie np. spawa w co 

najmniej dwóch miejscach lub wykonuje spoinę i jej obróbkę 

cieplną [1, 2]. 

Niektóre spawane materiały lub połączenia różnych materiałów 

wymagają specjalnej obróbki cieplnej. Można wyróżnić 

dwa rodzaje obróbki cieplnej: 

– zmieniającą właściwości mechaniczne materiału poprzez 

przemiany strukturalne bez naruszenia jego powierzchni; 

– zmieniającą strukturę samej spoiny poprzez dodatkowe jej 

wygrzanie z powierzchniowym topieniem włącznie. 

Obydwa rodzaje obróbki cieplnej mogą być wykonywane 

za pomocą WE. Przy czym w pierwszym przypadku wymagane 

jest nieznaczne wystygniecie obrabianego detalu, dlatego 

wykonuje się ją zazwyczaj po kilku minutach podczas 

dodatkowego przesuwu spoiny pod wiązką o obniżonej mocy 

wykonującą ruchy omiatające wygrzewany obszar według 

określonego schematu czasowo-przestrzennego. Natomiast 

w drugim przypadku pożądane efekty w postaci eliminacji wad 

spoiny można uzyskać przy natychmiastowej – po przejściu 

WE spawającej – obróbce cieplnej usuwającej pęcherzyki 

gazu z obszaru spoiny poprzez powtórne przetopienie jej powierzchni. 

Przeprowadzenie takiej operacji tuż przed wykonaniem 

spoiny pozwala na usuniecie zanieczyszczeń z warstwy 

przypowierzchniowej, co również może poprawić jakość 

spoiny. Procesy takie można przeprowadzić za pomocą quasi 

wielokrotnej WE. 

Opracowanie figur do obróbki cieplnej 

Zastosowanie quasi wielokrotnej WE do spawania z obróbką 

cieplną polega na podziale WE w ten sposób, że przez większą 

część czasu WE wykonuje normalny proces spawania, 

a w krótkich przerwach jest odchylana w kierunku wykonanej 

spoiny i omiata ją przetapiając powierzchniowo lub w kierunku 

przed spoiną wstępnie topiąc powierzchnię materiału (rys. 1). 

Odpowiednie proporcje czasowe uzyskuje się poprzez zastosowanie 

zestawu figur składających się z punktu spawania 

i kształtu kreślonego przez WE przy wygrzewaniu, gdzie 

każdy z elementów jest figurą złożoną z wielu punktów. Ilość 

punktów figur składowych jest proporcjonalna do czasu wykonywania 

poszczególnych operacji dodatkowo regulowanego 

częstotliwością powtarzania figury. 

W Instytucie Tele- i Radiotechnicznym został opracowany 

program komputerowy będący specjalizowanym edytorem 

grafiki wektorowej o nazwie RysKolo do projektowania figur 

stanowiących schematy odchylania WE. Są one wykorzystywane 

w różnych procesach technologicznych wykonywanych 

w urządzeniach do spawania i obróbki termicznej metali za 

pomocą WE. 

Program umożliwia projektowanie figur o ściśle określonej 

liczbie punktów: 16 ≤ 2 n ≥ 32768. Figura może być rysowana 

na siatce XY o rozmiarach ±99 umownych jednostek w obu 

osiach. Opracowane figury mogą być zapisywane pojedynczo 

lub w formie bibliotek. Projektowanie figury rozpoczyna się od 

wyboru jednego z podstawowych kształtów tj. okręgu, elipsy, 

wielokąta, odcinka lub punktu. W kolejnych etapach figura 

może być przekształcana przez obrót lub przesunięcie całej 

figury albo pojedynczych punktów. Możliwe jest również zwielokrotnienie 

koncentryczne utworzonego kształtu z rozkładem 

liniowym lub parabolicznym według zadanych parametrów 

– rysunki 2–4 przedstawiają etapy otrzymywania tego typu figury. 

Wreszcie można dodawać kolejne kształty podstawowe 

i umieszczać je dowolnie w obszarze dostępnej sitki. Za każdym 

razem, gdy wybierany jest lub dodawany kształt podstawowy 

określany jest jej rozmiar i liczba punktów, z których się 

składa. Są to dwa najważniejsze parametry figury. 

W momencie zastosowania figury w procesie technologicznym 

całkowity jej rozmiar – rozpiętość na siatce XY jest 

korygowany przez odpowiedni dobór wzmocnienia w układzie 

odchylania WE. W przypadku, gdy figura składa się z pojedynczego 

kształtu podstawowego położonego centralnie 

w układzie współrzędnych jej rozmiar powinien być tak dobrany, 

aby uzyskać pożądaną wielkość odchylenia WE mając 

na względzie, że układ wzmocnienia ma ograniczenia od 

góry wynikające z maksymalnego dopuszczalnego prądu, 

ale może stłumić sygnał do zera. Natomiast w sytuacji, gdy 

4 

1 

Rys. 1. Spawanie z obróbką cieplną za pomocą quasi wielokrotnej 

WE: 1 – WE, 2 – spawanie, 3 – obróbka cieplna po spawaniu, 

4 – obróbka cieplna przed spawaniem 

Fig. 1. EB welding with thermal processing by quasi multiple EB: 

1 – EB, 2 – welding, 3 – post heating, 4 – pre heating 

3 

2 


Rys. 2. Jeden z podstawowych kształtów – pierwszy krok projektowania 

figury 

Fig. 2. One of the basic shapes – first step of pattern designing 

figura składa się z kilku kształtów podstawowych położonych 

niecentralnie, oprócz całkowitego rozmiaru figury istotne są 

proporcje między wielkością poszczególnych elementów a ich 

wzajemną odległością. 

Liczba punktów kształtu podstawowego jest niezwykle 

istotna z dwóch powodów. Całkowita liczba punktów, z których 

składa się figura musi wynosić 2 n w przedziale podanym 

wyżej. Wynika to ze sposobu przechowywania figur w pamięci 

układu sterującego odchylaniem WE i odczytywania ich 

podczas pracy tego układu. Ograniczenia takie pozwalają 

na przechowywanie w pamięci bibliotek figur o jednakowych 

rozmiarach. W tej sytuacji projektowanie figury składającej 

się z kilku kształtów wymaga wstępnego zaplanowania ilości 

punktów dla każdego z nich tak, aby uzyskać założoną sumę 

punktów dla całości. 

Układ odchylania WE sterowany jest cyfrowo. W związku 

z tym kreślenie figury przez WE polega na skokowej zmianie 

położenia WE między punktami i zatrzymywaniem się w tych 

punktach na pewien czas. Długość postoju wynika z całkowitej 

liczby punktów figury oraz częstotliwości powtarzania jej 

kreślenia. Częstotliwość obok wzmocnienia jest podstawowym 

parametrem figury określanym przy projektowaniu procesu 

technologicznego. Przez dobór liczby punktów można 

sterować dokładnością odwzorowania kształtu oraz, w pewnym 

zakresie, czasem wykonywania figury. Ma to szczególne 

znaczenie dla figur składających się z kilku kształtów podstawowych, 

gdyż poprzez liczbę punktów w poszczególnych 

elementach określa się proporcje czasowe ich wykonywania. 

W przypadku figur złożonych ważna jest również kolejność 

dokładania poszczególnych elementów ponieważ decyduje 

ona o sposobie kreślenia figury, a więc także odstępach czasowych 

pomiędzy jej fragmentami. 

Rys. 3. Efekt przekształcenia – przesunięcie wybranych punktów 

Fig. 3. Transformation effect – shift of selected points 

Rys. 5. Figura składająca się z 2048 punktów, z czego 128 jest 

w elipsach 

Fig. 5. Pattern consisted of 2048 points, but 128 in ellipses 

Rys. 4. Figura po zwielokrotnieniu liniowym 

Fig. 4. The pattern after linear multiplication 

Rys. 6. Figura składająca się z 2048 punktów, z czego 256 jest 

w odcinkach do wygrzewania 

Fig. 6. Pattern consisted of 2048 points, but 128 in heating lines 

66 


W celu realizacji obróbki cieplnej za pomocą quasi wielokrotnej 

WE opracowano za pomocą programu RysKolo kilka 

bibliotek figur stosując różne ilości punktów w figurze, kilka 

wariantów proporcji między czasem spawania i wygrzewania 

oraz różne kształty figur wygrzewających a także różne odległości 

między punktem spawania a figurą wygrzewającą. 

Kształty figur wygrzewających wybrano na podstawie długoletniego 

doświadczenia przy spawaniu WE, której nadawane są 

odpowiednie ruchy technologiczne. Natomiast liczbę punktów 

tworzących poszczególne elementy figury dobierano na podstawie 

przeprowadzonych badań wstępnych. Poniżej przedstawiono 

kilka przykładowych figur, które były wykorzystywane 

podczas prób technologicznych. 

Proporcje pomiędzy wielkością figur wygrzewających, 

a odległością od spawającej wiązki dobierano tak, aby przy 

dopasowaniu, za pomocą amplitudy wzmocnienia, rozmiaru 

figury do wielkości wygrzewanego obszaru uzyskać odległość 

od punktu spawania rzędu kilku do kilkunastu milimetrów. 

Optymalizacja parametrów figur do 

obróbki cieplnej 

Wybór optymalnych kształtów oraz pozostałych parametrów 

figury prowadzono dwutorowo. Za pomocą oscyloskopu podłączonego 

do wyjścia wzmacniacza układu odchylania WE sprawdzono 

proporcje uzyskanych figur oraz dobrano maksymalną 

częstotliwość kreślenia figur, przy której nie występują zniekształcenia. 

Dla operacji wygrzewania częstotliwość powinna być jak 

największa, aby zapewnić równomierny rozkład temperatury na 

omiatanym obszarze. Na podstawie obserwacji przebiegu procesu 

spawania wytypowano 4 zestawy figur do wygrzewania po 

spawaniu i 2 – do wygrzewania przed i po spawaniu, dla których 

spodziewano się uzyskać najlepsze wyniki. Obrazy z oscyloskopu 

dla tych figur przedstawiono na rys. 7–12. 

Rys. 9. Punkt + 2 okręgi zachodzące na siebie 

Fig. 9. Point + 2 overlapping circles 

Rys. 10. Punkt + 2 elipsy zachodzące na siebie 

Fig. 10. Point + 2 overlapping ellipses 

Rys. 7. Punkt + 4 okręgi współśrodkowe 

Fig. 7. Point + 4 concentric circles 

Rys. 11. Punkt +2 × 4 okręgi współśrodkowe do wygrzewania 

przed i po spawaniu 

Fig. 11. Point + 2 × 4 concentric circles for pre heating and post 

heating 

Rys. 8. Punkt + 4 elipsy współśrodkowe 

Fig. 8. Point +4 concentric ellipses 

Rys. 12. Punkt + 2 × 4 elipsy współśrod do wygrzewania przed 

i po spawaniu kowe do wygrzewania przed i po spawaniu 

Fig. 12. Point + 2 × 4 concentric ellipses for pre heating and post 

heating 


Rys. 13. Spoiny z zastosowaniem figur 2048 punktowych – od 

lewej: punkt + 4 elipsy po 64 punkty; punkt + 4 okręgi po 64 punkty; 

punkt + 2 elipsy po 64 punkty; punkt + 2 koła po 64 punkty 

Fig. 13. Welds with 2048 points patterns applied – from left: point 

+ 4 ellipsis each of 64 points; point + 4 circles each of 64 points; 

point + 2 ellipsis each of 64 points; point + 2 circles each of 64 

points 

Rys. 15. Spoiny z obróbką cieplną przed i po spawaniu z amplitudą 

wzmocnienia – od lewej: 0,66; 1; 0,5 

Fig. 15. Welds with pre heating and post heating with amplification 

– from left: 0.66; 1; 0.5 

Rys. 14. Spoiny z zastosowaniem figur 2048 punktowych (widok ogólny i pojedyncze 

spoiny) – od lewej: punkt + 4 elipsy po 32 punkty; punkt + 4 okręgi po 32 

punkty; punkt + 2 elipsy po 32 punkty; punkt + 2 koła po 32 punkty 

Fig. 14. Welds with 2048 points patterns applied (overall view and single welds) 

– from left: point + 4 ellipsis each of 32 points; point + 4 circles each of 32 points; 

point + 2 ellipsis each of 32 points; point + 2 circles each of 32 points 

Na podstawie przeprowadzonych prób stwierdzono, że 

aby zachować odpowiednie proporcje czasowe pomiędzy 

poszczególnymi operacjami (spawanie/obróbka cieplna) figury 

powinny składać się z co najmniej 2048 punktów. Dla 

wytypowanych figur wykonano spoiny z różną liczbą punktów 

w elemencie grzejącym. Uzyskane spoiny z obróbką cieplną 

po spawaniu wykonane w stali przedstawiają rys. 13 i 14. 

Spoiny wykonano prądem WE Ia = 21,5 mA przy napięciu 

przyspieszającym 80 kV i prędkości spawania 0,7 m/min. Najlepsze 

rezultaty uzyskano dla figur zawierających 4 elipsy lub 

4 okręgi, przy czym przy zastosowaniu elementów 32 punktowych 

otrzymuje się gładsze lico spoiny. 

Spoiny z obróbką cieplną przed i po spawaniu wykonano 

przy pomocy figur przedstawionych na rys. 11 i 12 uwzględniając 

wyniki optymalizacji parametrów spawania z obróbką 

cieplną tylko po spawaniu. Aby zapewnić 

ciągłość procesu spawania zaprojektowano 

następującą kolejność wykonywania 

poszczególnych elementów figury: grzanie 

przed spoiną – 4 okręgi (elipsy) po 32 

punkty; spawanie – 896 punktów; grzanie 

spoiny – 4 okręgi (elipsy) po 32 punkty; 

spawanie – 896 punktów. Na podstawie 

obserwacji przebiegu procesu oraz obejrzeniu 

spoiny stwierdzono, że wygrzewanie 

spoiny było na zbyt szerokim obszarze 

i przez to zbyt słabe. Wykonano jeszcze 

dwie spoiny przy użyciu tych samych figur, 

ale zmniejszając amplitudę wzmocnienia 

układu odchylającego do 0,66 i 0,5 wartości 

pierwotnej. Najlepszy wynik uzyskano 

w ostatnim przypadku. Wszystkie spoiny 

wykonano prądem WE Ia = 23 mA przy 

napięciu przyspieszającym 80 kV prędkości 

spawania 0,7 m/min. 

Podsumowanie 

Przedstawione zastosowanie quasi wielokrotnej 

WE jest tylko jedną z wielu możliwości. 

Za pomocą quasi wielokrotnej WE można 

spawać w kilku punktach równocześnie. Pozwala to z jednej strony 

na wykonywanie spoin w elementach łatwo odkształcających 

się pod wpływem temperatury, a z drugiej skrócić czas spawania 

(temat ten wymaga oddzielnej publikacji). Stosując zaawansowane 

technologicznie układy sterowania spawarką elektronową, 

a w szczególności parametrami WE, można poprawić jakość wykonywanych 

spoin oraz znacznie rozszerzyć obszar stosowania 

WE jako narzędzia do termicznej obróbki metali i ich stopów. 

Literatura 

[1 Olszewska K.: Narzędzia wspomagające proces spawania 

wiązką elektronów – nowe rozwiązania techniczne. Elektronika 

7/2010, ss. 243–245. 

[2] Czopik A.: Spawanie elektronowe – komputerowy system sterowania 

– nowe możliwości. Przegląd Spawalnictwa 11/2009, 

ss. 36–40. 

68 


Symulacja naprężeń cieplnych występujących 

podczas chłodzenia retort pomiarowych 

mgr inż. SEBASTIAN RYCIAK, mgr inż. RAFAŁ KIEŁCZEWSKI, 

mgr inż. ŁUKASZ GROTKOWSKI 


Zjawisko rozszerzalności temperaturowej pojawia się we 

wszystkich stalowych konstrukcjach. W przypadku pracy 

w bardzo wysokich temperaturach materiał ten wykazuje 

duże naprężenia cieplne, których wpływu nie można pominąć. 

W układach o małej tolerancji wymiarów modelowanie 

i symulacja powstających odkształceń ma więc bardzo duże 

znaczenie. 

W urządzeniu do karbonizacji węgla problem odkształceń 

pojawia się podczas chłodzenia retorty procesowej. Zastosowanie 

wentylatora wprowadza silne miejscowe chłodzenie retorty, 

co skutkuje nierównomiernymi naprężeniami cieplnymi 

a więc i niesymetrycznym odkształcaniem retorty. Ponieważ 

wymiary otworu wejściowego komory chłodzącej są dopasowane 

do retorty, a załadunek odbywa się w sposób automatyczny, 

wszelkie niezamierzone niedopasowania konstrukcji 

mogą spowodować kolizję. 

Założenia modelu 

Ciągły model przedstawia retortę procesową urządzenia do 

karbonizacji węgla. Jej korpus wykonano ze stali żaroodpornej 

EN 1.4841, kołnierz natomiast ze stali kwasoodpornej EN 

1.4541. Proces odbywa się przy swobodnym wylocie powietrza. 

Z tego względu pominięto wpływ powstających gazów. 

Ponadto podejście takie nie wprowadza do problemu nieistotnych 

sił oraz nadmiernej komplikacji modelu i pozwala skupić 

się na odkształceniach występujących w korpusie retorty wynikających 

z jej nagrzewania. 

Podczas procesu retorta ulega odkształceniu liniowemu 

wskutek wysokiej temperatury pracy. Symulacja ma za zadanie 

zaprezentować przebieg odkształcenia i naprężeń termicznych 

w trakcie chłodzenia retorty za pomocą wentylatora 

umieszczone po lewej stronie od punktu „Cool” przedstawionego 

na rys. 1. 

Złożoność procesu wymiany ciepła pomiędzy powierzchnią 

retorty a otaczającym powietrzem wymaga zastosowania 

kilku współczynników wymiany ciepła λ, w zależności od 

miejsca jej występowania. Korzystając z liczb podobieństwa 

według [1, 2, 3] obliczono współczynniki dla wymuszonej wymiany 

ciepła zachodzącej wewnątrz komory chłodzącej za 

pomocą wzoru Żukauskasa (1), natomiast dla wymiany swobodnej 

w otoczeniu – za pomocą wzoru Michiejewa (3). 

Wzór Żukauskasa (dla konwekcji wymuszonej, przy burzliwym 

opływie ciał): 

0, 

25 

0, 

6 0, 

35 ⎛ Pr m ⎞ 

Nu = 0 25⋅ 

⋅ ⋅⎜ 

⎟ ⋅ ε ψ 

(1) 

m , Rem 

Prm 

⎝ Pr w ⎠ 

gdzie: Re m 

– liczba Reynoldsa, Pr m 

– liczba Prandtla, odczytywana 

z tablic (1), ε ψ 

– współczynnik poprawkowy uwzględniający 

kąt opływu ciała. 

Liczba Reynoldsa wyraża się wzorem: 

w⋅ 

d 

Rem 

= 

(2) 

ν 

m 

gdzie: Re m 

– liczba Reynoldsa, w – prędkość, d – wymiar charakterystyczny, 

ν m 

– lepkość kinematyczna. 

Wzór Michiejewa (dla konwekcji swobodnej w przestrzeni nieograniczonej): 

( ) n 

Nu = C Gr ⋅ Pr 

(3) 

m 

gdzie: Nu m 

– liczba Nusselta, Gr m 

– liczba Grashofa, Pr m 

– 

liczba Prandtla, C,n – współczynniki zależne od charakteru 

przepływu. 

Liczba Grashofa: 

3 

g ⋅ d ⋅ β m 

Grm 

= ∆T 

(4) 

ν 

2 

m 

gdzie: Grm – liczba Grashofa, g – przyspieszenie ziemskie, 

d – wymiar charakterystyczny, β m 

– współczynnik rozszerzalności 

objętościowej ν m 

– lepkość kinematyczna, ΔT – różnica 

temperatur otoczenia i powierzchni. 

Liczby Nusselta (5) pozwala oszacować wartość współczynnika 

wymiany ciepła: 

α m ⋅ d 

Num 

= 

(5) 

λ m 

gdzie: Num – liczba Nusellta, α m 

– współczynnik wymiany ciepła, 

d – wymiar charakterystyczny, λ m 

– współczynnik przewodzenia 

ciepła. 

Wartości z indeksem m odnoszą się to temperatury średniej 

obliczanej według wzoru (6): 

Tf 

+ Tw 

T 

(6) 

m = 

2 

gdzie; T m 

– temperatura średnia, T f 

– temperatura otoczenia, 

T w 

– temperatura powierzchni. 

Wymiarem charakterystycznym d jest wysokość retorty lub 

wysokość strumienia chłodzącego. 

Prędkość opływającego powietrza w zmierzono doświadczalnie, 

co pozwoliło sporządzić przestrzenny rozkład prędkości 

względem otworu wylotowego wentylatora. 

Uzyskano dzięki temu dane wejściowe do analizy, przedstawione 

w tabeli 1. 

Tab. 1. Parametry procesu zastosowane w modelu 

Tabl. 1 Process parameters applied in model. 

Wielkość 

αm 

⎡ W ⎤ 

⎢ 2 ⎥ 

⎣m 

⋅ K ⎦ 

m 

m 

Wartość 

9 (swobodna) – 45 (wymuszona) 

⎡m 

⎤ 

w ⎢ ⎥ 

1–18 

⎣ s ⎦ 

[ K] 

T − (T ) 

600–1173; 500–973; 400–500 

m 

f 


Model MES naprężeń termicznych 

Ze względu na specyfikę metody elementów skończonych, 

środowisko Ansys udostępnia bibliotekę ponad 100 typów elementów 

służących do budowania siatki modelu dyskretnego [4, 

5]. Zasadniczymi cechami elementów są równania, według których 

odbywa się rozwiązywanie problemu, liczba stopni swobody 

(DOF) oraz geometria i związana i z nią liczba węzłów 

elementu. Właściwości te determinują obszary zastosowań, jak 

np. występująca w omawianym problemie analiza termiczna, 

z jednym stopniem swobody w węzłach układu dyskretnego 

– temperaturą, analiza strukturalna ze stopniem swobody – odkształceniem. 

Ponadto należy zastosować inne typy elementów 

dla analizy 2-D oraz 3-D. Tabela 2 przedstawia elementy 

wykorzystane do konstrukcji siatki modelu dyskretnego. 

Tab. 2. Wykorzystane elementy modelu dyskretnego 

Tabl. 2. Discrete elements used In model 

Metoda 

Geometria 

Łączona 

bezpośrednia 

(Direct Coupled) 

2-D Plane13 

3-D Solid98 

Łączona 

sekwencyjna 

(Sequetially Coupled) 

Thermal – Plane77 

Structural – Plane82 

Thermal – Solid70 

Structural –Solid185 

Rys. 2. Warunki początkowe analizy: a) rozkład pola temperatury 

[K]; b) odkształcenia [m]; c) naprężenia ekwiwalentne von Missesa 

[Pa] 

Fig. 2. Analysis starting conditions: a) temperature field distribution 

[K], b) displacement [m], c) von Misses equivalent stress [Pa] 

Rys. 1. Model dyskretny retorty: a) geometria 2-D; b) geometria 3-D 

Fig. 1 Discrete model of retort: a) 2-D model, b) 3-D model 

Analiza może być zrealizowana dwoma metodami: 

− metoda łączona sekwencyjna, 

− metoda łączona bezpośrednia. 

Wybór podejścia determinuje elementy układu dyskretnego 

ze względu na charakteryzujące je stopnie swobody. 

Rysunek 1 przedstawia dyskretny model 2-D oraz 3-D, 

z zastosowaniem elementów innego typu. 

Warunki początkowe analizy termicznej zadano według 

tabeli 1. Parametry mechaniczne dla stali, takie jak gęstość, 

współczynnik Poissona, moduł Young’a oraz współczynnik 

rozszerzalności liniowej zaczerpnięto z [6, 7]. 

Po umieszczeniu retorty w komorze chłodzącej kołnierz 

jest podtrzymywany i blokowany przez konstrukcję. Na ten obszar 

modelu nałożono więc warunek brzegowy dla przesunięcia 

równy 0. Skutkiem tego jest odkształcanie się tylko dolnej 

części retorty. 

Rysunek 2 przedstawia stan początkowy modelu, czyli retortę 

o temperaturze T w 

= 900°C w chwili wprowadzenia do 

komory chłodzącej (30 sekund po wprowadzeniu w przypadku 

2-D, 180 w przypadku 3-D). 

70 

Rys. 3a. Wyniki analizy 2-D i 3-D – pole temperatury [K] 

Fig. 3a. Results of 2-D and 3-D analysis – temperature field [K] 

Rys. 3b. Wyniki analizy 2-D i 3-D – odkształcenie [m] 

Fig. 3b. Results of 2-D and 3-D analysis – displacement

Elektronika 2011-07 I.pdf - Instytut SystemÃ³w Elektronicznych ...

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?