Výkonové výstupy vestavných systémů

Výkonové výstupy vestavných systémů Materiál je určen jako pomocný materiál pouze pro studenty zapsané v předmětu: A4M38AVS A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 1

Ovládání výkonových výstupů vestavným systémem Vestavný systém ovládání výkonových výstupů žárovky, topení, motorky, stykače, solenoidové ventily (elektricky ovládaný ventil pro kapaliny pračka, myčka), pomocí relé Solenoidový ventil z hlediska obvodu ovládání podobně jako ovládání cívky stykače viz dále. A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 2

Ovládání akustických výstupů vestavným systémem Akustické výstupy elektromagnetický akustický měnič - reproduktor - signalizační (různé formy pípání ), alarmové Signalizace - forma miniaturního reproduktoru, Obdélníkový signál, generace programově pinem procesoru, případně forma PWM (čítačová jednotka) PWM přímá generace signálu frekvence PWM = frekvence akustického signálu Nepřímé generování signálu pomocí PWM- PWM s vyšší frekvencí, změna střídy PWM v čase generace akustického signálu Např. změna střídy v čase podle sinusového nebo jiného průběhu ( podstata akustických zesilovačů třídy D) - Buzení miniaturního elektromagnetického akustického měniče (reproduktorku) obvykle s pomocí tranzistoru ( pin procesoru nepostačuje) Velikost odporu cívky R R měniče nízká, velký proud a hlasitý signál, použití předřadného rezistoru R O R R R b T 1 GND + U cc A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 3

Ovládání akustických výstupů vestavným systémem Generace akustického signálu pomocí převodníku DAC Interní převodník DAC na čipu up, Případně použití externího převodníku DAC sigma delta, audio CODEC (kodér- dekodér) Audio kodec- obvykle sériové rozhraní I2S ( obsaženo na čipu STM32F207) použití integrovaného obvodu zesilovače signálu. (použití- CD přehrávač, MP3 přehrávače, mobilní telefony, dig. televize) Audio kodek- součástí každého PC boardu, notebooku akustický výstup (také digitalizace signálu) Audiokodek -rozlišení- typicky 16 ( 18) bitů, stereo - 2x audio výstup, 2 x audio vstup A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 4

_Relé, ovládání výkonových výstupů pomocí relé Relé - elektromechanický blok elektromagnet Rele - angl. Relay Proud cívkou relé, magnetický tok, přitažení kotvy, Přenos pohybu kotvy na pérové kontakty sepnutí (příp. rozepnutí) izolovaných mechanicky ovládaných kontaktů Proud (resp. napětí na cívce) relé pro přitažení kotvy je větší, než je potřeba pro držení ( přídržný proud ). Jedná se o formu hystereze k odpadnutí kotvy relé dojde při nižším napětí (proudu cívkou), než bylo potřeba k sepnutí. Výhodná vlastnost - pro držení relé. ( pokud relé přitáhne, pak již drží ). Vysvětlení rozepnuté relé - vzduchová mezera mezi jádrem a kotvou. Přitažení kotvy zmenšení vzduchové mezery, snížení mag. odporu, zvýšení mag. toku kladná zp. vazba. Kotva relé je v sepnutém stavu přitahována větší silou, než byla počáteční síla vyvozovaná el.magnetem na počátku procesu spínání relé. A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 5

Relé, typy kontaktů Spínací kontakt (v klidu rozepnutý) NO normaly open (make contact) - základní typ Rozpínací kontakt (v klidu sepnutý) NC normally closed (brake contact) Přepínací kontakt ( s přerušením při přepnutí ) BBM (Break Before Make) contacts (Non-shorting contacts) nezkratují se obvody a b mezi nimiž se pohyblivý kontakt přepíná Přepínací kontakt ( bez přerušení při přepnutí ) MBB (Make Before Break) contacts (Shorting contacts) Kontakty při spínání odskoky (podobně viz. výklad odskoky tlačítka) A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 6

Relé, ovládání výkonových výstupů pomocí relé Jednopólové relé ( single pole ) jeden spínací kontakt Dvoupólové relé - dva kontakty (dva póly,spínací kontakt v klidu rozepnut, působením proudu - sepnutí) obvyklé Relé přepínací dvoupólové přepínací relé RE RE Relé izolace řídicího obvodu relé a spínaného obvodu, galvanické oddělení obvodů, pro bezpečnost, izolační pevnost jaké U může být mezi kontakty, příp. cívkou a kontakty Relé pro ovládání stykače ( např. 3x400 V/50 Hz, cívka 230 V stř.) potřeba kontakty na 230 V, buzení relé např. i jen 5 V RE Signálová relé přepínání cesty signálu v měřicích přístrojích např. relé pro videosignál, vysokofrekvenční signál,.. Výhoda relé -velmi malý R ON, velmi vysoký R OFF, vysoký izolační odpor Nevýhoda relativně pomalá reakce, omezený počet sepnutí, degradace kontaktů obzvláště při spínání indukční zátěže (opalování kontaktů jiskření) A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 7

Relé, ovládání relé ve vest. systému Vestavný systém procesor obvykle není schopen přímo ovládat relé potřeba výkonového obvodu se spínacím tranzistorem nebo specializovaným integrovaným obvodem (Low side switch) ovládání výkonových výstupů žárovky, motorky, Výpočet odbodu s bipolárním tranzistorem viz minulé přednášky Relé cívka indukčnost potřeba ochranné diody význam při rozepínání, (dioda - D zpomalení odpadu kotvy) bez diody nebo jiných ochr. obvodů ale napěťová špička) Ovládání bipolárním tranzistorem - NPN), N kanál MOSFET tranzistorem MOSFET důležité - prahové napětí viz přednášky - dříve RE + U RE Ucc D D 1 R B T T A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 8

Relé - obvykle užívaná ve vest. systémech Relé, obvykle používaná v aplikacích vest. systémů: spínací, (v klidu rozepnuté), jednopólové, (příp. dvoupólové) hesla v katalogu - single pole, single stable, NO normaly open (aktivací proudu do cívky se sepne kontakt relé) Ovládání takového relé stejnosměrným proudem, nezáleží na polaritě přiloženého napětí (pokud není v relé zabudována ochranná rekuperační dioda) Je možno využít i relé s přepínacími kontakty, kde se využije pouze spínací kontakt (spínání 1 3) A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 9

Relé - další vlastnosti kontaktů Kontakty při spínání výkon. zátěže odskoky (zohlednit v případě monitorování stavu relé pomocným kontaktem a vstupem up) Dimenzování relé proud tekoucí kontakty pro odporovou zátěž základní max. velikost proudu uvedená v katalogu relé Ovládání induktivní zátěže - vypínání jiskření, opalování kontaktů, nutné dimenzování na větší proud Ovládání proudu do cívky stykače nutné dimenzování ve větší proud Řídicí systém PLC ( programmable logic controller) reléové výstupy uváděn proud kontaktem pro odporovou zátěž, pozor ovládání technologie stykače (příklad porucha technol. linky vyfukování plastů nesprávné dimenzování reléových výstupů PLC pro ovládání sytkyčů ) Zohlednění prostředí při volbě relé působení na kontakty korozivní prostředí, vlhkost, plyny,.. degradace kontaktů A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 10

Integrované obvody pro ovládání relé Použití výkonových budičů TPIC6C595 (TI, ST), (pos. reg.+ NMOS tranzistory) 100 ma / výstup, příp. TPIC6595 až 250 ma / výstup Zabudovaná ochrana proti vzniku napěťových špiček při vypínání proudu indukční zátěží (relé) Vznik napětí většího než 33V, otevření ZD, napětí na gate, zpomalení zavírání tranzistoru A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 11

Relé - příklady Relé katalog napájecí napětí, proud např. 5V, 100mA,.. různé velikosti relé, napájecí napětí 3,5 V, 5 V,.. 12 V, 18 V, 24 V, různé proudy podle velikosti relé a jeho konstrukce Příklady relé. viz. Relé fir. Takamisava, Omron, Nais Panasonic (Matsushita) Hesla pro orientaci při výběru relé PCB Relay- relé pro zapájení do PCB desky plošných spojů (PCB printed circuit board deska tištěných spojů, deska plošných spojů ) POWER relay (výkonové) relé pro spínání realtivně vyšších proudů Signal relay relé pro spínání signálů - obvykle požadavek na velkou šířku pásma, signál o frekvencích MHz, nebo nízkonapěťové signály - ze senzorů teploty, relé pro přepínání útlumových členů v cestě signálu,. DIL relé - miniaturní relé s rozměry pouzdra DIL integrovaného obvodu. Typicky signálová relé, relé pro spínání malých napětí a proudů A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 12

Příklady relé pro vestavné systémy PCB relé relé o desky plošného spoje Omron G5LE Single- pole 10 A PCB Power Relay (10 A, 250 VAC - až pro 250 VAC - ef. hodnota stříd. napětí na kontaktech) Jeden spínací kontakt, ovládací vinutí varianty např. : 5 V / 80mA, 12 V/ 33 ma, 24 V /17 ma Omron G5NB (A Miniature Relay with 1-pole 3A/5A, 250 VAC) ovládání varianty: 5 V/ 40 ma, 12V /17 ma 18 V / 11 ma, 42 V / 8 ma A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 13

Příklady relé pro vest. systémy ALD105 NO, 1 kontakt NO, 3A, 277 V AC (NAIS - Panasonic) Ovládání 5V, cívka 125 Ohmů ( 40 ma, ztrátový příkon vinutí 0, 2 W) varianta 12 V 720 Ohmů, ( 17 ma, shodný ztrátový příkon vinutí 0, 2 W) (relé stejné typové řady lišící se pouze napětím obvykle mají stejný ztrátový příkon cívky) Relé A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 14

Relé pro automobilní techniku - Automotive relay Atomotive Relay- relé pro automobilní techniku Ovládací cívka napájení typicky 12 nebo 24 V DC (stejnosměrné) Typicky spínání palubní sítě 12 nebo 24 V, relativně velké proudy) Palubní vestavný systém (v automobilu) pro ovládání výkonových akčních členů a automobilu (motorky, vyhřívání, ) A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 15

Ovládání výkonových členů pomocí stykače Stykač funkčně obdoba relé, angl. Contactor, robusní mech. konstrukce, montáž k silovým obvodům přímo do rozvaděče Pro ovládání výkonové zátěže motory, topení, Velmi často cívka na 230 V / 50 Hz, příp. 24 V/ 50Hz (typicky AC ovládání) Třífázové stykače ( 3 X 16 A, 3 x 25 A,. a více, ovládání asynchronních třífázových motorů, topení,..) Ovládání světel, topení, motorů Řízení osvětlení budov podle programu, stavu denního světla, výstupu infra čidla pohybu PIR,ovládání ventilátorů podle teploty, topení podle programu a teploty Relé je součástí desky vest. systému, stykač montování je v rozvaděči Vestavný systém svým relé ovládá stykač, který je umístěn v rozvaděči čas, denní světlo, PIR čidlo, vest. syst. RE N R 230 V stříd. A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 16

Příklady stykačů Třífázové stykače: vstup fází L1, L2, L3 kontakty na T1, T2, T3 (v klidu rozepnuto) Pomocný kontakt: NC Normaly closed rozpínací kontakt, NO Normaly Open spínací kontakt Siemens Sirius 3RT1015-1AP02 (7A řízení 230V NC, pro motor až 3kW/ 400 V) Proudové dimenzování podle typu zátěže, odporová - induktivní zátěž (induk. zátěž dimenzování kontaktů na vyšší proud - potřeba robustnějšího kont.) A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 17

Polovodičové relé typu SSR Blok SSR - označený polovodičové relé Solid State Relay - elektronická náhrada relé, řídicí obvod je galvanicky oddělen od výkonových polovodičových prvků realizujících funkci spínače Různé varianty podle účelu použití, požadovaného proudu Nejednodušší pro aplikace spínání signálů kombinace IRED ( infračerveně zářící dioda fotodiody pracující jako zdroj napětí pro ovládání řídicí elektrody MOS tranzistoru. ( viz. firma CP Clare) Výkonové SSR - pro spínání v obvodu např. 230 V/ 50 Hz galvanické oddělení řídicích a výkonových obvodů ( ideové uspořádání příklad SSR) A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 18

Ovládání stejnosměrného motorku Komutátorový motorek s permanentním magnetem, viz vibrační vyzvánění mobil, vysouvání DVD mechaniky, motorky v automobilu, použití též v různých akčních členech s stejnosměrným napájením SS motorek v pohybu- jako tachodynamo - napětí na svorkách Motorek běžící naprázdno. obě funkce najednou motorek a tachodynamo. ve vinutí v rotačním pohybu se indukuje napětí stejné polarity, jako je napětí, které rotaci v daném směru vyvolalo, viz fyzika -napětí indukované ve vodiči U = B L v (indukce, délka vodiče, rychlost) Indukované napětí U ind působí proti vnějšímu napětí, zpětnovazební princip mech. zatížení motoru, snížení U ind zvýšení proudu, udržení rychlosti - síla působící na vodič F = B I L (indukce, délka vodiče, proud vodičem) Moment - úměrný proudu ( resp. i obráceně podle zátěže mění se proudový odběr motorku) ( vysvětlení proč se spálí zabržděný motorek) Mot. U induk Mot. S 1 S 1 A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 19

Ovládání stejnosměrného motorku určení momentu Využití informace o brzdném momentu pasivních odporech podle proudového odběru ss motorku Bezpečnost zavíraní oken vestavných systém v autě. překážka - ruka zabrzdění, změna proudového odběru, procesor vyhodnotí změnu proudu měření napětí na snímacím rezistoru (pozn. funkci lze jednoduše demonstrovat i jen s ss motorkem a mechanikou CD vysouvání, ve spolupráci s STM321xxx + převodník A/D) U induk Mot. S 1 R sen U sen A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 20

Ovládání stejnosměrného motorku Komutátorový motorek přerušování proudu jiskření rušení vestavného systému nutné odrušení ( L, C) Vinutí motorku indukční charakter,.. viz problémy s relé, potřeba D 1 Řízení ss motorku vestavným systémem ON, OFF, PWM střídou změna střední hodnoty napětí - řízení rychlosti ss motorek otáčky úměrné napětí moment - úměrný proudu ( resp. i obráceně podle zátěže mění se proudový odběr) Mot. S 1 D 1 Mot. D 1 R B S 1 T 1 A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 21

Ovládání stejnosměrného motorku Vinutí motorku indukčnost, potřebná dioda D (pozn. pro seznámení s ss motorkem možno využít ss motorky z CD, DVD mechaniky použity pro vysouvání nosiče DVD media) Hledání v katalogu -Stejnosměrný motorek DC motor, motorek s komutátorem Brushed DC motor Mot. Mot. D 1 Mot. R B S 1 S 1 T 1 A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 22

H můstek pro ss motorky Pro změnu směru otáčení ss motorku H můstek změna směru proudu ( doleva, doprava), Brždění el. motorek jako generátor do zkratu vyrábí el. energii, která se převádí na teplo (ověření otáčet rotorem motorku naprázdno a pak zkratovat vinutí) S 2 M S 4 S 1 S 3 M S 4 M S 4 M S 4 S 3 S 3 S 3 A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 23

Krokový motorek Krokové motorky permanentní magnet, cívky Krokový motorek- při stálých napětích proudech vinutími je v klidu (netočí se), Otáčení postupnou změnou magnetického pole, příměr pes se točí za buřtem, Krok. motorek unipolární - 4 + 1(2) společný vývod střed vinutí,z hlediska uživatele 4 vinutí Krokový motorek bipolární dvě nezávislá vinutí L A, L B A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 24

Ovládání krokových motorků Krokový motorek bipolární dvě vinutí L A, L B bipolární proud může téci v obou směrech Zapojení do obvodu - pomocí dvou H- můstků Krok. motorek unipolární 4 + 1 společný vývod z hlediska uživatele 4 vinutí jednodušší ovládání postačují 4 výkonové low side switch ( např. TPIC 6C595 ) příklad. krok. motorek floppy disk. mechaniky Menší krokové motorky- unipolární nebo bipolární Větší krokové motorky obvykle bipolární S 2 L S 4 A S 1 S 3 S 2 L B S 4 S 1 S 3 A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 25

Způsoby řízení bipolárního krokového motorku Full step vinutím teče proud vždy jedním nebo druhým směrem 4 kroky na periodu Half step vinutím proud teče jedním, nebo druhým směrem, případně neteče 8 kroků na periodu A4M38AVS, 2014, J. Fischer, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha 26