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 T1,4,5 KF 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 hrníčkové jádro H22 R12 150R DPS fotocuprextit R13,14 12k Zdířky pro banánky 5x R15,16 56k R17 C1 C2 4k7 100p 1p5 C3,4 68p C5 100n
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