VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

VYSOÉ UČENÍ TECHNICÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAULTA ELETROTECHNIY A OMUNIAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF POWER ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING GALVANICY ODDĚLENÉ ČIDLO NAPĚTÍ BAALÁŘSÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR Zdeněk Růžička BRNO 00

VYSOÉ UČENÍ TECHNICÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAULTA ELETROTECHNIY A OMUNIAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF POWER ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING GALVANICY ODDĚLENÉ ČIDLO NAPĚTÍ VOLTAGE SENSOR WITH A GALVANIC SEPARATION BAALÁŘSÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR Zdeněk Růžička VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Ing. Petr Huták, Ph.D. BRNO, 00

VYSOÉ UČENÍ TECHNICÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav výkonové elektrotechniky a elektroniky Bakalářská ráce bakalářský studijní obor Silnoroudá elektrotechnika a výkonová elektronika Student: Zdeněk Růžička Ročník: ID: 06755 Akademický rok: 009/00 NÁZEV TÉMATU: Galvanicky oddělené čidlo naětí POYNY PRO VYPRACOVÁNÍ:. Zvolte vhodné rinciiální řešení uniolárního i biolárního čidla stejnosměrného naětí galvanické oddělení otické, transformátorem.. Navrhněte vhodné obvodové řešení tohoto čidla.. Navržené čidlo realizujte a ověřte jeho arametry DOPORUČENÁ LITERATURA: Termín zadání:.0.009 Termín odevzdání: 7.5.00 Vedoucí rojektu: Ing. Petr Huták, Ph.D. doc. Ing. Čestmír Ondrůšek, CSc. ředseda oborové rady UPOZORNĚNÍ: Autor semestrální ráce nesmí ři vytváření semestrální ráce orušit autorská ráva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným zůsobem do cizích autorských ráv osobnostních a musí si být lně vědom následků orušení ustanovení a následujících autorského zákona č. /000 Sb., včetně možných trestněrávních důsledků vylývajících z ustanovení 5 trestního zákona č. 40/96 Sb.

Abstrakt Tato ráce řeší volbu vhodného rinciiálního řešení galvanicky odděleného naěťového čidla a vychází ze Semestrálního rojektu. Navrhuje vhodné obvodového řešení s ohledem na arametry jednotlivých částí čidla i měřeného obvodu. Do obvodového řešení jsou zahrnuty výočty ro nastavení obvodových rvků čidla. V další části je osán návrh obvodového zaojení a následná realizace na desku kontaktního ole. Ověření funkce a arametrů čidla je rovedena v závěrečné části. Abstract This thesis finds suitable rinciled solving voltage sensor with a galvanic searation. Thesis designs circuit solving sensor in reference to arameters in singles arts sensor and arameters gauged circuit. Circuit design includes calculations for setting u circuit comonents. Next art describes design circuit wiring and realization on the desk of contacts field. Last art describes verify arameters and function checking member.

líčová slova Čidlo naětí; galvanické oddělení; měření stejnosměrného naětí; fázově zavěšená smyčka eywords Voltage sensor; galvanic searation; measurement DC voltage; hase lock loo

Bibliografická citace RŮŽIČA, Z. Galvanicky oddělené čidlo naětí. Brno:, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 00. s.

Prohlášení Prohlašuji, že svou bakalářskou ráci na téma Galvanicky oddělené čidlo naětí jsem vyracoval samostatně od vedením vedoucího bakalářské ráce a s oužitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v ráci a uvedeny v seznamu literatury na konci ráce. Jako autor uvedené bakalářské ráce dále rohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této semestrální ráce jsem neorušil autorská ráva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným zůsobem do cizích autorských ráv osobnostních a jsem si lně vědom následků orušení ustanovení a následujících autorského zákona č. /000 Sb., včetně možných trestněrávních důsledků vylývajících z ustanovení 5 trestního zákona č. 40/96 Sb. V Brně dne Podis autora.. Poděkování Děkuji vedoucímu bakalářské ráce Ing. Petru Hutákovi za účinnou metodickou, edagogickou a odbornou omoc a další cenné rady ři zracování mé bakalářské ráce. V Brně dne Podis autora..

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY 8 OBSAH ÚVOD... VOLBA VHODNÉHO PRINCIPIÁLNÍHO ŘEŠENÍ ČIDLA.... Vymezení ožadavků na čidlo naětí.... Možnosti rovedení naěťového čidla..... Naěťová čidla s izolačním zesilovačem.... Vhodné obvodové rvky...4.4 Fázový závěs - funkce...4.4. Základní rinci smyčky PLL Phase Lock Loo...4 NÁVRH VHODNÉHO OBVODOVÉHO ŘEŠENÍ ČIDLA...5. Určení arametrů a návrh PLL...5. Návrh obvodového zaojení měřícího obvodu.... Návrh obvodového zaojení oddělovacího obvodu....4 Návrh obvodového zaojení obvodů zracovávajících signál...5.5 Návrh obvodového zaojení čidla...5 4 REALIZACE NAPĚŤOVÉHO ČIDLA...6 5 OVĚŘENÍ PARAMETRŮ ČIDLA...7 6 ZÁVĚR... LITERATURA...

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY 9 SEZNAM OBRÁZŮ Obrázek Blokové schéma čidla dle vymezených ožadavků....... Obrázek Princi fázového závěsu. 5 Obrázek Smyčka fázového závěsu...6 Obrázek 4 Dolní rousť. 6 Obrázek 5 Přechodová charakteristika smyčky PLL...8 Obrázek 6 Frekvenční a fázová charakteristika dolní rousti... Obrázek 7 Zaojení naěťově řízeného oscilátoru a blokové schéma HCT4046... Obrázek 8 Derivační člen Obrázek 9 Přechodová charakteristika CR článku..4 Obrázek 0 Zaojení otického členu čidla a blokové zaojení 6N7.4 Obrázek Obvodové zaojení fázově zavěšené smyčky PLL....5 Obrázek Zaojení naěťového čidla...6 Obrázek Orientace IO a vyvedení inů..6 Obrázek 4 Vstuně-výstuní charakteristika čidla....7 Obrázek 5 Závislost výstuního naětí čidla na UCC...8 Obrázek 6 Závislost měřeného naětí na frekvenci oscilátoru......8 Obrázek 7 Závislost výstuního naětí na frekvenci oscilátoru 9 Obrázek 8 Přenos čidla s f = khz sinusového růběhu...0 Obrázek 9 Přenos čidla s f = 5kHz sinusového růběhu...0 Obrázek 0 Přenos čidla s f = 0kHz sinusového růběhu. Obrázek Přechodová charakteristika..

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY 0 SEZNAM TABULE

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY ÚVOD Tato ráce řeší volbu vhodného rinciiálního řešení galvanicky odděleného naěťového čidla a vychází ze Semestrálního rojektu. Navrhuje vhodné obvodové řešení s ohledem na elektrické arametry jednotlivých částí čidla i měřeného obvodu. Obvodové řešení zahrnuje i výočty ro nastavení obvodových rvků čidla. Další část tvoří realizace, tedy zaojení obvodu na kontaktní ole a oživení. Ověření funkce a arametrů je rovedeno v závěrečné fázi ráce. Naěťová čidla se často využívají v různých odvětvích výkonové elektroniky, kde je třeba kontrolovat naětí resektive roud v silnoroudém obvodu. Ulatňují se naříklad v tranzistorových měničích, kde řisívají k chodu celého měniče jako zětná vazba. Existuje řada druhů čidel s různými funkcemi nař. oddělovače, řevodníky jako izolační zesilovače signálu, rogramovatelná čidlaro PLC automaty atd. Naěťové čidlo je obecně řevodník stejnosměrného naětí na jiný signál, který je komatibilní s ožadovaným signálem řídících obvodů. Přičemž řevodní charakteristika čidla musí zůstat lineární. [] VOLBA VHODNÉHO PRINCIPIÁLNÍHO ŘEŠENÍ ČIDLA. Vymezení ožadavků na čidlo naětí Navrhované naěťové čidlo se bude řídit určitými ožadavky jako je omezení jeho ůsobnosti ouze na rvní kvadrant, tedy kladné naětí i roud v měřeném obvodu. Měřicí obvod naěťového čidla je naájen z měřeného obvodu. Jako oddělovače měřicího obvodu a obvodů zracovávajících signál je oužito otického členu. V obvodech zracujících signál OZS nebude oužit rogramovatelný rocesor. Obr. Blokové schéma čidla dle vymezených ožadavků de Um měřené naětí ssu..stabilizované ss naětí MO měřicí obvod ODD oddělovací OPTO člen OZS.obvody zracující signál Uh naájecí naětí ro OZS Ua, Ia.výstuní signál čidla

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY důležitým ožadavkům určitě atří i řenosová frekvenční charakteristika čidla. Zde se ředokládá, že čidlo je schoné řenést sínané stejnosměrné naětí z měniče o frekvenci jednotek až desítek khz.. Možnosti rovedení naěťového čidla Již v semestrálním rojektu byla vyloučena možnost rovedení čidla zůsobem, který v sobě zahrnuje oužití Hallovy sondy z důvodu ovahy měřené veličiny. Dále se tedy ráce zaměří na rovedení čidla s izolačním zesilovačem resektive otickým členem. Povaha izolačního zesilovače je dána rinciiálním řešením jednotlivých druhů... Naěťová čidla s izolačním zesilovačem Izolační zesilovače jsou zařízení, které slouží k řenosu naměřeného signálu ze silových obvodů do řídících obvodů, řičemž obě soustavy jsou galvanicky odděleny. Je možné oužít všude tam, kde je otřebné řetransformovat unifikovaný naěťový nebo roudový signál na unifikovaný roudový res. naěťový signál. V říadě měření roudu je otřebné ředřadit bočník, v říadě měření naětí - dělič naětí. [] Takto ojaté naěťové čidlo je většinou složeno z elektronického obvodu, jenž řevádí stejnosměrný signál na střídavý. Převedený signál se řenese řes oddělovač a zětně se z něj vyrobí stejnosměrný signál. Elektronický obvod se nazývá modulátor, rotože řivedením stejnosměrného signálu na jeho vstu se ovlivňuje moduluje frekvence střídavého naětí. Pro zětné řevedení střídavého signálu na stejnosměrný signál se užívá demodulátor. Izolační zesilovače mohou být oužity i bez střídavého signálu, tedy stejnosměrnou cestou řes oddělovač. Takový oddělovač je složen z otoelektronického rvku s odlišnými vlastnostmi než klasický OPTRON.... Naěťové čidlo s generátorem střídavého signálu Princiem čidla s generátorem střídavého signálu je ovlivňování generátoru měřeným obvodem. Naětí měřeného obvodu ovlivňuje frekvenci generovaného naětí, které se řenese omocí oddělovacího členu do obvodů zracovávajících signál. Měřicí obvod obsahuje naětím řízený generátor střídavého naětí. Oddělovací člen je v tomto říadě otoelektronický rvek. Obvody zracovávající signál jsou tvořeny demodulačním obvodem jako nař. usměrňovač a dále ro úravu signálu ro další oužití nař. zesilovačem. []

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY... Naěťové čidlo s oscilátorem Ve své odstatě racuje čidlo stejně jako v ředchozím říadě, ale ro řenos informace o měřeném naětí se užívá střídavého harmonického signálu tedy sinusového růběhu. Modulátor tvoří zdroj frekvence střídavého signálu, který je ovládán měřeným naětím. [] Pro frekvenční rinciy je možno oužít zůsobu známého jako PLL Phase Lock Loo... Naěťové čidlo bez střídavého signálu Naěťové čidlo oužívá ro řenos informace o stejnosměrném signálu v měřeném obvodě stejnosměrný signál. Signál získaný z měřeného obvodu se ouze sníží na ožadovanou úroveň ro řenos signálu řes otočlen a dále se uraví ro otřeby řídících obvodů. Otočlen v tomto říadě musí být citlivý na změny naěťové hladiny měřeného obvodu a musí mít lineární řevodní charakteristiku. [] Z výše osaných rinciů se nabízí jako nejefektivnější varianta vytvoření naěťového čidla bez zdroje modulátoru střídavého naětí. Tento zůsob ale naráží na několik řekážek. První řekážkou je úrava signálu v měřicím obvodu, kde je nutnost oužití vhodného zesilovacího rvku s nízkou vlastní sotřebou ro buzení LED diody v otočlenu. Zde není možno uvažovat o biolárním rovedení části, která uravuje signál otřebný ro otočlen z důvodu nárůstu sotřeby měřicího obvodu čidla. Sotřeba biolárních rvků ohybujících se na našem trhu neklesá od 00mA. Při oužití vyššího naětí nad kv v měniči by zde vznikl odběr a nežádoucí výkon. Tedy ztrátový výkon v naájecí části biolárních rvků. Proto je nutné se v tomto říadě zaměřit na olem řízenou technologii, tedy uniolární rovedení. Jako nejvhodnější se ro tento účel nabízí tranzistory MOSMIS-FET s trvalým kanálem N nebo oužít oeračního zesilovače. Při oužití OZ se strukturou CMOS je také nutno oužít symetrické naájení kladné i záorné naětí. Další řekážkou je nutnost lineární řevodní charakteristiky otočlenu ro minimální zkreslení měřeného signálu. Tady nastává nutnost oužití otočlenu s lineární řevodní charakteristikou nebo v říadě nelineárního otočlenu zaojení zracovávajících obvodů tak, aby se výsledný signál co nejvíce řiblížil k růběhu měřeného naětí. Dále se také musí brát ohled na sotřebu vysílací LED => snížením naájecího roudu dochází také k zhoršení řenosových vlastností resektive otočlen utlumuje. V ásmu frekvencí se kterými měniče racují, tedy v řádu x00hz - x0khz se ale tento útlum nerojeví. V říadě využití rinciu frekvenčního řenosu informace o měřeném naětí je třeba se zaměřit na obvody, které jsou vhodné svojí sotřebou a řenosovými vlastnostmi. Pro vytvoření střídavého signálu je nutné navrhnout oscilátor nebo generátor, jehož frekvence výstuního naětí se bude měnit odle měřeného naětí. Jelikož se tyto obvody většinou skládají z více diskrétních olovodičových a asivních rvků, v rámci odběru roudu celého obvodu se tímto zvyšuje sotřeba čidla. Proto je třeba najít jiné řešení a to v odobě integrovaných obvodů. Zde se nabízí oužití integrovaného obvodu 4046 - fázového závěsu. Jeho naájení je jednodušší než v říadě diskrétních rvků.

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY 4 Oddělovací otočlen nemusí mít lineární řevodní charakteristiku, rotože není nutné ři frekvenčním řenosu řesně sledovat hladinu modulovaného naětí. Je tedy nutné řenést kmity nebo ulzy signálu. U otočlenu je třeba dodržet ožadavek řenosu vyššího kmitočtu bez útlumu. Proto lze oužít otočlen s hradlem na výstuní straně, které zaručuje sínání i ři vyšších kmitočtech s trvale nastavenou hladinou naětí bez kolísání a tedy bez zesílení na straně zracovávajících obvodů. I řes efektivnost rvního řešení bez modulátoru bude čidlo řešeno s oužitím frekvenčního řenosu informace a to ro svoji jednodušší stavbu, minimální oužití diskrétních a asivních rvků vzhledem k řešení bez modulace.. Vhodné obvodové rvky Jak bylo již řečeno, návrh naěťového čidla se bude zabývat frekvenčním řenosem. Tedy frekvenční řenos bude realizován naěťově řízeným oscilátorem res. generátorem jako modulačním rvkem. Pro oddělení měřícího obvodu a obvodů zracovávajících signál bude oužit otočlen s výstuním hradlem. Pro získání výsledného měřeného signálu bude oužito zůsobu známého jako PLLhase locked loo fázově zavěšená smyčka. Obvod známý jako PLL je na trhu realizován několika integrovanými obvody jako jsou nař. 4046, 74HC4046, 74HCT4046, LM 565 nebo již nedostuný NE565. Pro oužití ve větším frekvenčním rozsahu a zachováním nízkého naájecího naětí je třeba oužít řady HCHigh seed - vyšší rychlost-frekvence. Jelikož v sobě zahrnuje naětím řízený oscilátor VCO, může být oužit ro tuto funkci do měřicího obvodu. Stejně tak bude oužit do obvodů zracovávajících signál jako PLL demodulátor..4 Fázový závěs - funkce Obvod se obvykle skládá ze tří hlavních blokových částí - naětím řízeného oscilátoru VCO, fázového detektoru FD nebo komarátoru. Pro srávnou funkci je vždy řiojen obvod, který ředstavuje dolní roust DP není součástí IO. Součástí dolní rousti může také být oerační zesilovač..4. Základní rinci smyčky PLL Phase Lock Loo Naětím řízený oscilátor VCO Voltage Controlled Oscillator vytváří signál, který fázový detektor orovnává se vstuním signálem. Výstu FD je zesilován zesilovačem odchylky Z, filtrován dolní roustí DP a takto získaným naětím je řízen kmitočet VCO. Touto zětnou vazbou se zajišťuje dolaďování VCO na kmitočet vstuního signálu. Naětí na výstuu dolní rousti je úměrné kmitočtu vstuního signálu. Tak můžeme demodulovat kmitočtově modulovaný signál viz Obr. a.

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY 5 Fázový detektor tvaruje vstuní sinusové signály tvarovačem T na obdélníky, které otom derivační obvod D derivuje na úzké imulsy. Ty určují okamžiky růchodu signálu nulou. Dále následuje řízený sínač ŘS, který k integračnímu článku řiojuje a odojuje zdroj naětí. Čím je rozdíl fází obou signálů větší, tím déle je integrační článek řiojen ke zdroji naětí. Rozdíl fází obou signálu tak řevedeme na šířku imulsů. Tu otom řevedeme integrací růměrováním na naětí viz Obr.b. Obr. Princi fázového závěsu a PLL smyčka b fázový detektor [] NÁVRH VHODNÉHO OBVODOVÉHO ŘEŠENÍ ČIDLA. Určení arametrů a návrh PLL Pro návrh smyčky je třeba určit několik arametrů integrovaného obvodu a to jak měřením, tak z údajů datasheet od výrobce. Návrhem smyčky jsou určeny arametry samostatných rvků dolní rousti R, R 4, C. Velmi důležitý údaj ro následné navržení smyčky je vlastní sotřeba čidla tedy měřicího obvodu. Jedná se o sotřebu naěťově řízeného oscilátoru tzn. růst sotřeby se změnou měřeného naětí a tedy i výstuní frekvence. Sotřeba se ohybuje cca. 4-6 ma ři frekvenci f 0 =,5MHz. Snížením frekvence na cca. f 0 = 0,5MHz se odběr ohybuje do cca. 4 ma, ale ři konst. naětí řiváděném na vstu VCO. Pro obvody s naětím od kv je roudová sotřeba čidla oměrně velká. Frekvence f 0 je obvykle nazývána jako středová, rotože ro její dosažení je třeba nastavit měřené naětí na ½ naájecího naětí. Snížením odběru je tedy docílena nižší sotřeba, ale logicky dojde ke zhoršení řenosových vlastností snížením středové frekvence a tím i zmenšení řenosového ásma. Nastavení středové frekvence je rovedeno omocí dvou asivních rvků a to odoru R a kondenzátoru C, které určují časovou konstantu oscilátoru. Pro středovou frekvenci f 0 = 0,5 MHz a naájecí naětí U CC = 5V latí: R = 50kvybrán a změřen 78,9k C = 56nF Časová konstanta oscilátoru R C 5 78,9 0 56 0 0 s 0s

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY 6 Určení časové konstanty je rovedeno z grafu výrobce PHILIPS integrovaného obvodu HCT4046 PLL f 0 = fc ři arametrech R a U CC viz.řílohy na CD - datasheet 4046PHILIPS str.8, 0. Z časové konstanty je dále určeno frekvenční ásmo f L = f, které je definováno výrobcem jako ásmo ve kterém je smyčka fázového závěsu synchronizována s modulovaným signálem. Pro frekvenci f L latí: f L = 700kHz Výrobce také uvádí frekvenční ásmo f C definované jako ásmo smyčky, která je zavěšena či zachycena. Obr. Smyčka fázového závěsu z hlediska řenosu Ve výočtu smyčky fázového závěsu je očítáno s řenosy jednotlivých částí. Některé jsou určeny v údajích od výrobce HCT4046 PHILIPS jako řenos fázového detektoru, v řenos naětím řízeného oscilátoru. Přenos dolní rousti je následně odvozen. Přenos určený výrobcem: FD fázový detektor P UCC 4 VCO naětím řízený oscilátor V fl 0,9 U 0,9 CC Obr. 4 DP dolní rousť odvození oerátorového řenosu

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY 7 Pro dolní rousť na Obr. 4 latí: 4 4 4 4 C R C R j C R j C j R R C j R t U t U f Pro oerátorový řenos DP latí: j, R C, 4 R C, f 6 de frekvenční charakteristika je j j j j j F f 7 Pro řenos udávaný v decibellech: log log 0 B d F f j 8 A ro fázovou charakteristiku arctg arctg j 9 Přenos otevřené smyčky je: G H V F P Charakteristická rovnice: 0 G H 0 V F P 0 0 V P V P 0 V P V P

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY 8 P V P V 0 Z charakteristické rovnice vylývá, že řenos otevřené smyčky odovídá kmitavému členu a tedy latí: 0 Přirozená úhlová frekvence smyčky n je definována: n P V Hodnota tlumení vychází z druhého členu rovnice a je definována: P V n Překmitem a časem ustálení smyčky fázového závěsu vyjádřeným v rocentech je možné určit úhlovou frekvenci n. Pro návrh smyčky bude tlumení slňovat hodnotu = 0,707 určenou výrobcem v grafu na Obr. 5. Z grafu řechodového děje je atrno, že ři uvedeném tlumení je řekmit do 5% a ustálení od 5% ři n t = 5. Požadovaný čas ustálení určuje rychlost změny měřeného signálu, kterou je schono čidlo řenést. Je jím určena tzv. řeladitelnost oscilátoru ve smyčce. 4 Obr. 5 Přechodová charakteristika s arametrem daná výrobcem Výrobcem určené hodnoty ustálení jsou navrženy ro čas t =ms, což znamená, že smyčka je schona reagovat na změnu o frekvenci do khz. Pro docílení zadané hodnoty je třeba určit čas t, tedy vyočítat úhlovou frekvenci smyčky ři daném n t. Pro otřeby čidla je navržený čas nižší

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY 9 o jeden řád, tedy jde o čas v řádu s. Smyčka bude schona reagovat na změny o frekvenci v řádu jednotek khz, maximálně však do 5 0kHz. Pro úhlovou frekvenci smyčky ři návrhu latí: t nt n 5 Z definičního vztahu úhlové frekvence smyčky lze vyjádřit součet obou časových konstant a : n P V 6 Ze vztahu ro hodnotu tlumení 4 je nutné vyjádřit odor R 4 a dále odor R : V P n n V P n n V P n n V P n dyž za časovou konstantu dosadíme a uravíme, dostaneme odor R 4 4 C R V P n 7 Odor R dostaneme ze vztahu ro součet časových konstant a kde latí: R C, 4 R C 4 R C C R 4 R C R 8

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY 0 Vlastní výočet s určenými arametry tlumení = 0,707, času t = 66,9 s a n t 5 nt n t 66,9 0 5 75, 55rad s 6 Číselné vyjádření řenosů jednotlivých částí smyčky s naájecím naětím 5 frekvenčním ásmem synchronizace smyčky f L 7 0 khz : U CC 5V a P V UCC 5 0,9789V rad 4 4 0,9 U 5 fl 7 0 6 CC,744 0 V rad s 0,9 5 0,9 0,9 Vyjádření celkové časové konstanty smyčky ze vztahu 6, kde latí : 6 P V 0,9789,7440 5 9,647 0 s 96, 4s 75,55 n Vyjádření odorů R 4 a R, kde C = nf R 4 5 n 9,647 0 75,55 0,707 5 50 5 9 C 0,9789,744 0 0 P V 9 5 C R 0 5,690 s 6, 9s 4 R C R4 9,647 0 9 0 5 5 408,6 400 9 5 C R 0 408,6 6,54 0 s 79,5 0s Součtem obou časových konstant je ověřena srávnost návrhu 6,90 6 79,5 0 6 96,4 0 6 s

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY Z těchto arametrů je možno navrhnout dolní rousť otevřené smyčky fázového závěsu omocí frekvenční a fázové charakteristiky, kde vycházíme z rovnic 7, 8, 9 oisujících dolní rousť: f F f j db 0 log log j arctg arctg Pro samotný výočet je oužito rostředí Matlabu omocí říkazů: t 79,5 0e 6 t 6,9e 6 t t t f = tf [t,], [t,] bode f grid Obr. 6 Frekvenční a fázová charakteristika dolní rousti

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY. Návrh obvodového zaojení měřícího obvodu Protože naěťové čidlo nemá určení do konkrétní alikaceměniče, nebude dále uvažován návrh naájení z měřeného obvodu omocí děliče nebo jiným zůsobem. Tento je uvažován ouze v rovině odběru měřícího obvodu. Zaojení měřícího obvodu vychází z velké části z výrobcem udaného zaojení ro integrovaný obvod s naěťově řízeným oscilátorem VCOvoltage control oscillator kde jak již bylo uvedeno jsou navrženy hodnoty rvků R, C určující kmitočet f 0 oscilátoru ři naájecím naětí U CC. Obr. 7 Zaojení naěťově řízeného oscilátoru a blokové schéma HCT4046 Naěťově řízený oscilátor má odle Obr. 7 řivedeno vstuní měřené naětí U m na in č.9 IO, tímto je řízen oscilátor. Výstuní naětí o dané frekvenci je vyvedeno z inu č.4 na otočlen. Naájecí naětí je řivedeno na iny 6+ a 8-, které jsou uvedeny na Obr.. Naájecí naětí integrovaného obvodu je U CC = 5V.. Návrh obvodového zaojení oddělovacího obvodu Vysílací strana otočlenu složená z LED diody může mít odběr roudu několik jednotek až desítek ma, které odebírá rávě z oscilátoru VCO. Zde je nutná snaha i v říadě alikační neurčitosti čidla snížit odběr LED na minimum, otřebné ro svoji funkci. Proto se mezi výstu VCO a LED otočlenu řidá derivační člen s diodou jako zátěží. Derivační člen sníží střední hodnotu naětí U m a tím roudový odběr. Volba arametrů rvků derivačního členu vychází z nejvyšší řenášené frekvence mezi VCO a PLL. Perioda nejvyšší řenášené frekvence musí být větší než je časová konstanta derivačního článku tzn. aby byl článek schoen řenést tuto frekvenci, ale zároveň musí být schoen vyvolat omocí ožadovaného minimálního roudu světelný řenos v otickém členu.

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY Obr. 8 Derivační člen Přenos a řechodová charakteristika derivačního článku je odvozena: D U t R5 U t R jc j, CR5 D D D D 5 R5 jr5c jc jr5c j R C Přechodovou charakteristiku lze vyjádřit omocí inverzní Lalaceovy transformace. h t L D L D L D 5 D D e Perioda nejvyššího řenášeného kmitočtu ři f 0 =500kHz, f L = 700kHz. Předoklad nejvyššího kmitočtu: f f f L 500 0 50 0 850kHz max 0 t D T max f 6,76 0 max 850 0,8s Časová konstanta ři výběru rvků R 5 =,k, C = 0F 7 R C, 0 0 0 7,6 0 s 0, 76s D 5 Časová konstanta derivačního článku je menší než erioda nejvyšší frekvence VCO signálu a tedy vyhovuje jak z hlediska řenosu, tak z hlediska snižování roudového odběru LED a VCO. Situace časové konstanty D a eriody T max je naznačena na Obr. 9. Při snížení řenášeného kmitočtusnížení měřeného naětí se erioda osune vravo od stávajícího umístění.

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY 4 Obr. 9 Přechodová charakteristika CR článku Pro odrušení naájecího naětí otického členu je oužit kondenzátor C 4, jehož velikost je daná výrobcem. Obr. 0 Zaojení otického členu čidla a blokové zaojení 6N7 Maximální racovní izolační schonost oddělovače se ohybuje do 44V maximálního naětíamlitudy res. kv efektivní hodnoty. Oddělovač může být zatížen krátkodobě i vyššími hodnotami naětído 8-0kV, ale časové hodnoty ro elektrickou odolnost vyššího naětí se ohybují v řádech x x0 vteřin. Jednotlivé solečné otenciály GND na straně vstuu nesmí být sojeny s výstuními, jinak by čidlo ztratilo schonost izolace.

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY 5.4 Návrh obvodového zaojení obvodů zracovávajících signál Obvody zracovávající signál jsou složeny ze smyčky PLL, tedy vhodně zaojeného integrovaného obvodu 4046. Na toto zaojení se nevztahuje nutnost zmenšení roudového odběru na minimum, neboť je zde ředoklad naájení z obvodů řídícíchměnič bez omezení. Obvodové zaojení smyčky je naznačeno na Obr.. Modulované naětí U f je řivedeno z kolektoru otočlenu výstu 6 na jeden ze vstuů fázového detektoru. Na další vstu fázového detektoru in je vyveden výstu z oscilátoru ro orovnání obou frekvencí. Výstu detektoru in tvoří dolní rousť s rvky R, R 4, C. Obr. Obvodové zaojení fázově zavěšené smyčky PLL Demodulované měřené naětí není odebíráno římo ze vstuu VCO za dolní roustí, ale odebírá se ze zdrojového sledovače SOURCE FOLLOWER in č. 0 roto, aby nebylo ovlivněno výstuním odběrem vstuní naětí oscilátoru. Tento sledovač je znázorněn v blokovém schématu obvodu HCT4046 na Obr. 7. Oscilátor ve smyčce má stejné arametry rvků R, C jako oscilátor v měřicím obvodě z důvodu stejného frekvenčního rozsahu obou oscilátorů. Pro jeho srávnou funkci musí být sojen se solečným otenciálem in č.5 INHIBIT. Naájecí naětí není zobrazeno, ale je stejným zůsobem zaojeno jako u měřícího obvodu..5 Návrh obvodového zaojení čidla Z výše řešených návrhů jednotlivých částí lyne celkové zaojení frekvenčně řešeného naěťového čidla. Tento návrh obsahuje větší důraz na řešení signálové cesty. Zmenšené naětí U m je řivedeno na vstu naěťově řízeného oscilátoru, kde na jeho výstuu je odebíráno ulzní naětí, jehož hlavní arametrem je frekvence. Toto naětí je řivedeno řes derivační článek do LED vysílací diody v otickém členu. Pulzní signál se galvanicky oddělí a z hradla na výstuu je vyveden do jednoho ze vstuů fázového detektoru. Dále se demoduluje omocí fázově zavěšené smyčky. Z výstuu zdrojového sledovače je vyvedeno galvanicky oddělené měřené naětí.

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY 6 Obr. Zaojení naěťového čidla Solečný otenciál GND měřícího obvodu je řiojen ke solečnému otenciálu v měřeném obvodu. Podobně je tomu u GND, kde je tento řiojen ke solečnému otenciálu svorkovnice řídících obvodů. Naájecí naětí na výstuní straně je řivedeno ze svorkovnice řídících obvodů měniče. V říadě oužití do konkrétního měniče s daným měřeným naětím by se měřený signál řiváděl na vstu oscilátoru řes odorový dělič. Zde nastává nutnost dělič navrhnout tak, aby ři maximálním měřeném naětí na něm bylo naětí rovno naájecímu naětí U CC = 5V oscilátoru. Také je nutné resektovat určité ásmo necitlivosti naěťově řízeného oscilátoru, které se rojevuje funkcí oscilátoru až od určité úrovně měřeného naětí. 4 REALIZACE NAPĚŤOVÉHO ČIDLA Realizace galvanicky odděleného čidla naětí je rovedena na desku kontaktního ole ro ověření arametrů čidla a ro zjištění některých nezmíněných vlastností omocí měření. Je rovedena odle výše uvedeného celkového obvodového návrhu z Obr.. Pro dolnění je na Obr. uvedeno rozložení inů integrovaných obvodů 4046 a 6N7. Obr. Orientace IO a vyvedení inů

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY 7 5 OVĚŘENÍ PARAMETRŮ ČIDLA ověření základních arametrů čidla je zaotřebí změření několika závislostí čidla a to zejména měření vstuně-výstuní charakteristiky, vstuně-výstuní frekvenční závislosti čidla a závislost naájecího naětí na výstuním naětí. Dále je nutné zjistit funkci řenosu stejnosměrného ulzního nebo sinusového naětí sueronovaného na ss signál resektive největší řenášenou frekvenci měřeného signálu a řechodovou charakteristiku. Největší možná řenášená frekvence je taková, ři které čidlo dokáže zachovat alesoň střední hodnotu měřeného signálu s minimální odchylkou i ři zkresleném růběhu výstuního naětí. Vstuně-výstuní charakteristika čidla lze definovat jako závislost měřeného naětí v obvodu na výstuním odděleném naětí. Lze jí vyjádřit zkreslení nebo linearitu naěťového čidla. Vstuně-výstuní závislost galvanicky odděleného čidla naětí 6 5 4 Uvýst [V] 0 0 4 5 6 U měř [V] Obr. 4 Vstuně-výstuní charakteristika čidla Z charakteristiky je atrné, že čidlo reaguje na měřené naětí až řibližně od V. Naěťově řízený oscilátor není schoen racovat s nižším naětím, tedy v ásmu necitlivosti. Vstuněvýstuní charakteristiky naěťového čidla je téměř lineární, tzn. zkreslení čidla je relativně malé a ohybuje se do,5%. Odchylky výstuního naětí od měřeného se ohybují v řádech setin voltů. Trvalou odchylku mezi výstuním a měřeným naětím může zůsobit také nedokonalé nastavení naájecího naětí integrovaných obvodů, které je možné vidět z charakteristiky na Obr. 5.

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY 8 Obr. 5 Závislost výstuního naětí čidla na UCC Naájecí naětí bylo ři ověřování arametrů čidla na měřící straně totožné s naájecím naětím na výstuní straně. Ze závislosti na Obr. 5 je atrné, že výstuní naětí je totožné s konstantním měřícím naětím ři naájecím naětí U CC = cca. 5,V. Pro srávnou a řesnou funkci čidla je tak zaotřebí stabilizovaného a ve všech částech stejného naájecího naětí. Pro stabilizování naájecího naětí získaného z měřeného obvodu je nutné oužít stabilizátor, který tak může zvyšovat sotřebu čidla roudovým odběrem ro svoji funkci. Závislost měřeného naětí na frekvenci 900 800 700 600 f [khz] 500 400 00 00 00 0,5,5,5 4 4,5 5 U MĚŘ [V] Obr. 6 Závislost měřeného naětí na frekvenci oscilátoru

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY 9 Závislost výstuního naětí na frekvenci 900 800 700 600 f [khz] 500 400 00 00 00 0,5,5,5 4 4,5 5 U VÝST [V] Obr. 7 Závislost výstuního naětí na frekvenci oscilátoru Ze vstuně-výstuních frekvenčních závislostí na Obr. 6 a Obr. 7 je atrné, že mají obě téměř totožný lineární růběh. Linearita VCO udávaná výrobcemviz. CD Přílohy-výočty je na rozsahu 0,5V okolo středu naájecího naětí, kde se ohybuje do %. Závislost měřeného naětí na frekvenci se vztahuje k naěťově řízenému oscilátoru v měřeném obvodu a závislost výstuního naětí na frekvenci se vztahuje k oscilátoru ve smyčce PLL. Ze závislostí lyne, že středová frekvence je osunuta níže, než navržená frekvence f 0 = 500kHz => to může být zůsobeno výběrem odlišných rvků z řady ro nastavení oscilátoru než udává výrobce. Frekvenční rozsah je tedy menší, než navržený asi o cca. 50kHz. Podstatnou část u čidla tvoří frekvenční řenos, kterým lze určit jak rychlou změnu měřeného signálu může čidlo řenést aniž by výrazně zkreslilo měřený signál nebo udrželo jeho střední hodnotu. V řenosu čidla má také význam řechodová charakteristika, která určuje jakým zůsobem reaguje čidlo na jednotkový skok. Z této reakce vylývá také zkreslení signálu čidlem, které takto ovlivní frekvenční řenos. Pro změření řenosu a řechodové charakteristiky je zaotřebí dvoukanálového osciloskou. Při řenášení změny s frekvencí f = khz sueronované na stejnosměrný signál se sinusová změna výrazně neliší od ůvodního zdrojového signálu. Měření je naznačeno na Obr. 8. Sinusový signál nemá žádný fázový osuv. Střední kvadratické hodnoty obou signálů se liší asi o cca. 0mV. Při změně s frekvencí f = 5kHz je výstuní signál viditelně zkreslený, ale svoji efektivní hodnotou se liší asi cca. 55mV. Zde dochází také k malému fázovému osuvu mezi měřeným a výstuním naětím.

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY 0 Obr. 8 Přenos čidla s f = khz sinusového růběhu Obr. 9 Přenos čidla s f = 5kHz sinusového růběhu

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY Obr. 0 Přenos čidla s f = 0kHz sinusového růběhu Při změně s frekvencí f = 0kHz se výstuní signál již značně liší od vstuního. Průběh výstuního signálu se blíží ilovému růběhu. Odchylka efektivní hodnoty se ohybuje v desetinách voltů, což řekračuje zkreslení větší jak 5%. Mezi oběma signály dochází také ke značnému fázovému osuvu. Obr. Přechodová charakteristika

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY 6 ZÁVĚR Hlavním cílem této ráce je zvolení vhodného řešení galvanicky odděleného čidla naětí a jeho následný návrh, realizace a ověření arametrů. Jedno z hlavních kritérií ředokládá naájení měřícího obvodu čidla z měřeného obvodu. Z ohledem na toto kritérium byl vybrán zůsob s řevodem měřeného naětí na naětí s roměnou frekvencí. Při návrhu obvodového řešení byla snaha co nejvíce snížit sotřebu měřícího obvodu. Měřením frekvenčních rozsahů oscilátoru v závislosti na naájení bylo zjištěno, čím více se zvyšuje frekvence výstuního naětí, tím větší má oscilátor roudový odběr a to i bez zatížení LED a měření ulzního naětí. Proto se návrh snažil snížit frekvenční rozsah měřícího oscilátoru VCO na nejmenší možný. Tato snaha vedla ke zhoršení řenosových vlastností čidla hlavně reakce na rychlost změny měřeného naětí. I řes zhoršení řenosových vlastností je čidlo schono řenést měřený signál bez výrazného ovlivnění růběhu do frekvence -khz. S výraznějším ovlivněním růběhu čidlo racuje ři frekvenci měřeného signálu do 5kHz, kde se efektivní hodnota výstuního signálu liší o cca. 0,05V % oroti vstunímu měřenému. Měření ss signálu do sínací frekvence f = 5kHz je relativně řesné. Při dalším zvyšování frekvence měřeného signálu už čidlo výrazně zkresluje signál a odchylka výstuního naětí od vstuního řesahuje 5% z celkového rozsahu, což může neříznivě ovlivňovat chod zařízení ve kterém by čidlo mohlo racovat. Proudový odběr se snížením frekvenčního rozsahu ovedlo snížit, ale ne do té míry, kdy by se čidlo mohlo využít ro alikace s vyšším naětím od. kv. Při takovém naětí by docházelo k větším ztrátám a to zejména v naájecí části měřícího obvodu. Tímto by čidlo zatěžovalo měřený obvod. Pro další snižování roudového odběru je třeba zlešovat arametry naěťově řízeného oscilátoru a derivačního členu v měřícím obvodě, říadně otického členu. Tento zůsob měření stejnosměrného naětí je tedy možno oužít ro měření naětí, které nebude svojí velikostí vytvářet v naájecích obvodech velké ztráty. Realizace obvodu byla rovedena na kontaktní ole odle výše uvedeného obvodového návrhu. de byly následně měřením ověřeny arametry a celková funkčnost čidla.

ÚSTAV VÝONOVÉ ELETROTECHNIY A ELETRONIY LITERATURA [] RŮŽIČA, Z. Návrh galvanicky odděleného čidla naětí. Brno: Vysoké učení technické v Brně,, 00 [] webové stránky fy. TZBINFO-digitální učebnice, fázový závěs [online] [cit 00-0-0] dostuný na WWW: <htt://www.tzb-info.cz/t.y?t=4&i=0> [] webové stránky fy. GM Electronic, datasheet HCT4046PHILIPS, 6N7 [online] [cit 00-0-0] dostuný na WWW: <htt://www.gme.cz/cz/index.h> [] webové katalog. seznam el. součástek, datasheet HCT4046Texas Instruments, [online] [cit 00-0-0] dostuný na WWW: <htt://www.datasheetcatalog.com/>