tester_optotriaku_a_snimac_proudu Soubor

Úvod
V úvodu této prezentace Vás chci seznámit, milí studenti, s cílem těchto
digitálně učebních materiálů. Naše škola je dobře hodnocena ve vzdělávání
studentů všech oborů. Studenti se zúčastňují SOČ a dosahují dobrých výsledků
v teoretických i praktických znalostech. Technické vybavení je na dobré úrovni a
dále se postupně dovybavují počítačové učebny pro možnosti moderního
způsobu výuky.
V souladu s RVP a ŠVP je zpracován tento výukový materiál nejen
teoreticky, ale jsou i vyrobeny pomůcky pro výuku studentů, a na těchto
výrobcích je vidět nejen funkčnost, ale i postup při řešení zadaného úkolu, jako
je v návrhu TESTERU pro testování optotriaků a návrhu výroby snímače proudu
s galvanickým oddělením výstupu (dále jen snímač proudu). Je to dobrá
spolupráce pedagogů a studentů při využívání teoretických znalostí a
praktických dovedností. Studenti tímto rozvíjí své vlohy a zájmy ve svém oboru
a stávají se prestižními ve výběru zaměstnání a ti nejlepší pokračují úspěšně i
na vysokých školách.
Přeji Vám výuce mnoho úspěchů a zároveň děkuji vedení školy za
vytváření dobrého vybavení učeben, které napomáhají modernizaci výuky.
Autor: Ing. Emil Istenák
Pohony v automatizaci
Pohony jako takové dělíme v automatizaci do třech základních skupin a to jsou:
Elektrické
Pneumatické
Hydraulické
Podstatou všech zmíněných pohonů je elektřina. U elektrických je to nějaký
motor nebo elektromagnet. V pneumatických pohonech je hlavním médiem
plyn, který ovšem musíme odněkud „nasávat“ a to se provádí pomocí
plynových čerpadel. Potom už jen záleží na konstrukčním provedení, jestli je
třeba plyn nasávat nebo vytlačovat. Poslední zmíněné pohony jsou hydraulické.
Tyto pohony využívají pro svou činnost kapalné médium (různé druhy olejů).
Samozřejmě i tyto pohonné jednotky musí něco zásobovat kapalinou a jsou to
opět kapalinové čerpadla napájené elektřinou nebo naftovým motorem (v
případě hydraulických pohonů u stavebních strojů).
Jak už jsem se zmínil, zaměříme se na pohony čistě elektrické. Mezi které
patří různé jednofázové motory, třífázové motory, stejnosměrné motory,
krokové motory, servomotory. Ovládání všech těchto prvků se provádí buď to
analogově, digitálně, nebo kombinací obou variant. Analogové ovládání se
většinou používá u jednodušších zařízení, které nevyžadují příliš náročnou
regulaci. Mohou jimi být například tlačítka, vypínače, přepínače, stykače, relé.
Na obrázku č. 1názorný příklad využití analogových ovládačů pohonů.
Stykačová reverzace (obr. č. 1)
U digitálních ovládání elektropohonů je mnoho způsobů využití elektroniky a
elektromechaniky. Pokud se jedná o jednofázové a třífázové motory, lze je
elektronikou ovládat nejčastěji pomocí frekvenčních měničů, kde se pomocí
frekvence reguluje rychlost otáčení rotoru. Dále potom lze využít polovodičové
součástky jako spínací a vyhodnocovací prvky. Pro spínání střídavého proudu a
napětí se nejčastěji využívá triak a tyristor. Pro vyhodnocování potom různé
tranzistory, operační zesilovače, bočníky a jiné integrované obvody, které
následně ovládají již zmíněné výkonové prvky.
Na obrázku č. 2 je zapojení třífázového asynchronního motoru, jehož
otáčky jsou plynule regulovatelné pomocí frekvenčního měniče. V obvodu je
zároveň signalizována porucha (přehřátí). Celý obvod je napájen síťovým
napětím 230V, přes pojistku FU1, spínač S1 a tlumivku Z1, která slouží
k odrušení pro kmitočtový měnič. Výstupní napětí měniče dosahuje hodnoty
3x230V / 0-480Hz.
Na obrázku č. 3 jednoduché schéma zapojení frekvenčního měniče pro
DC motory. Jeho funkce spočívá v tom, že integrovaný obvod NE555 vyrábí
impulzy o různé šířce a spíná tranzistor, který následně umožňuje průtok
proudu do motoru. Čím širší impulzy, tím vyšší otáčky.
Existuje celá řada obvodů pro řízení a regulaci stejnosměrných motorů. Na
obrázku č. 4 je schéma zapojení obvodu pro reverzaci DC motoru pomocí
polovodičových prvků.
Celý obvod pracuje na principu můstkového spínání. V případě rotace motoru
doleva je obvod uzavřen přes tranzistor VT1, motor a tranzistor VT4.
V opačném případě je tomu obráceně. Obvod se tedy uzavírá přes tranzistor
VT2, motor a tranzistor VT3. Rezistor RB slouží jako bočník, jehož odpor je velmi
malý, řádově mΩ. Na něm se vytváří úbytek napětí, který je přiveden na vstup
„sense“ řídící logiky.
Dalším z řízených motorů, mohou být motory krokové. Tyto motory se
používají v jemných mechanikách, kde není potřeba velké síly pro pohyb
s případným břemenem. Obdobně jako u DC a asynchronních motorů, lze tyto
točivé stroje ovládat frekvenčně. S tím rozdílem, že proud do motoru
nepouštíme pomocí šířky pulzu, ale počtem pulzu.
Vnitřní zapojení krokového motoru je vyobrazeno na obr. č. 5. Na statoru je
permanentní magnet, který se postupně otáčí za cívkami buzenými postupně za
sebou. Pootočení od jedné cívky k druhé se nazývá 1 krok. Na dalším obrázku je
potom složitější zapojení.
Ve schématu lze opět vidět řídící logiku (ovládací část) a výkonovou část,
kterou tvoří tranzistory spolu s bočníky vyhodnocující proud emitorem
VT1,VT2 a VT3,VT4
Příklad využití snímače proudu u servopohonů
Servo pohony jsou v průmyslu velmi využívané pro ovládání různých klapek,
podávačů, ohýbačů, jistících prvků atd. Rozdíl mezi servo pohony a standardním
motorem (AC/DC) je takový, že servo motor má převodovku se sledováním
polohy natočení. Jeho vyhodnocení polohy může být buď to jednorázové
(přepnu přepínač a servo se natočí do určité polohy a zůstane stát), nebo
proměnlivé, kdy podle nastavených požadavků mikroprocesorová jednotka
natáčí osu.
Jedním z mnoha využití stejnosměrných motorů je například servopohon pro
regulaci průtoku plynu do průmyslových pecí.
Na obrázku č. 7 je blokové schéma, které představuje pohonnou
jednotku pro ovládání plynového ventilu v potrubí. Napájení serva je
uskutečněno přes usměrňovač s filtrem. Dalším blokem je koncový stupeň,
který se skládá z řídící logiky a výkonové části. Jeho náplní je na základě
získaných informací vyhodnotit situaci a případně upravit polohu motoru. Data
do koncového stupně se získávají z bloku zvaného „regulace polohy“, který je
všem ostatním obvodům nadřazen a kde snímač natočení sleduje polohu škrtící
klapky. Následuje část obvodu sledující otáčky motoru. Toto je prováděno
například pomocí Hallové sondy. Výsledná data směřují následně do části
obvodu, kde se provádí regulace proudu. Tento děj se odehrává za pomocí
bočníku, to znamená, že pokud bočníkem prochází proud, vytváří se na něm
úbytek napětí, který je dále zpracováván. Platí tady přímá úměra (se zvyšujícím
se proudem roste napětí). Po vyhodnocení proudových hodnot z bloku
„regulace proudu“ směřují povely do řídící jednotky, která všechny přijaté data
vyhodnotí a zpracuje.
Navržení a sestavení snímače stejnosměrného proudu s galvanicky
odděleným výstupem
Zadání úkolu:
1. Vypočtěte požadované parametry snímače proudu.
2. Navrhněte blokové a funkční schéma
3. Navrhněte konstrukční řešení
4. Popište měření funkčního vzorku snímače proudu (podle celkového
schématu)
5. Změřte na snímači proudu statickou a přenosovou charakteristiku.
6. Změřte přechodovou charakteristiku snímače proudu.
7. Proveďte snímky impulsů měření na osciloskopu u jednotlivých
charakteristik.
8. Požadované parametry daného snímače proudu jsou:
- Vstupní napětí 0-60mV při proudu bočníku 0-1.2A
- Výstupní napětí 10V/2mA - ±1.5mV
- Relativní zvlnění výstupního napětí Ø<1% při I2 = 2mA
- Časová konstanta náběžné hrany Ƭn = 0.13 ms
- Časová konstanta odběžné hrany Ƭo = 0.5ms
- Napěťové zesílení snímače proudu K = 168
Blokové schéma snímače stejnosměrného proudu s galvanicky odděleným
výstupem
Funkční schéma snímače stejnosměrného proudu s galvanicky odděleným
výstupem
Konstrukční provedení snímače proudu.
Návrh desky plošných spojů. Pohled ze strany spojů.
Návrh desky plošných spojů. Pohled ze strany součástek
Seznam součástek
R1, 2
1k
T1,4,5KF 508
R2
68k
T2,3 KC507
R2
100k
OZ1 MAA501
R4
1k5
P1
1M
R5
47R
P2
250R
R6,7
22k
D1
KA207
R8,11 1k2
D2-4 1N4148
R9,10 15k
Tr1
R12
DPS fotocuprextit
150R
R13,14 12k
R15,16 56k
R17
4k7
C1
100p
C2
1p5
C3,4
68p
C5
100n
hrníčkové jádro H22
Zdířky pro banánky
5x
Popis funkce snímače stejnosměrného proudu s galvanicky
odděleným výstupem.
Snímač se skládá z několika částí. Nejprve je to rezistorový bočník, který
snímá protékající proud zátěží a vytváří se na něm úbytek napětí který je
základem celé podstaty. Signál získaný z bočníku je nutno zesílit, aby jej
bylo možné dále použít. K tomu nám poslouží operační zesilovač
MAA501, který je napájen zdrojem souměrného napětí. Je nutné klást
důraz na umístění odrušovacího členu C1 a R4. Jejich vzdálenost od pinů
operačního zesilovače by měla být co nejmenší. Je dobré využít místo
v prostoru patice a umístit je tam. Nutno podotknout, že v takovém případě
je nutné použít tyto dvě součástky v provedení SMD. Zesílení OZ určuje
zpětná vazba skládající se z rezistorů R21 a R22. V našem případě je to
168kΩ. Výstup z OZ je přiveden na bázi tranzistoru T1, který reguluje
proud cívkou oddělovacího transformátoru. Ve schématu následuje
multivibrátor, jehož funkcí je vstupní zesílený signál rozkmitat, aby jej bylo
možné převést přes transformátor. Za multivibrátorem se rozkmitaný signál
přenese přes spínací tranzistory T4,T5 a poté do primárního vinutí trafa.
Střídavý signál sekundárního vinutí je usměrněn můstkovým
usměrňovačem a vyfiltrován kondenzátorem C5 spolu s rezistorem R17.
Popis měření
Tabulka naměřených hodnot