Proste układy wykonawcze- sterowanie przekaźnikami, tyrystorami i małymi silnikami elektrycznymi

Ryszard J. Barczyński, 2018Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała StałegoMateriały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

Cyfrowe porty wyjściowepoziomy sygnałów

Poziomy wyjściowe portów równoległych to zwykle któraś z wersji standardów cyfrowych. W celu sterowania rzeczywistych

obiektów trzeba zwykle uzupełniać je o:

● Wzmacniacze napięć i prądów ● Przekaźniki● Separację galwaniczną● Układy sterujące z tyrystorami● ...

Porty wyjściowe(wzmacniacze)

● Najprostsze wzmacniacze to układy● ... z pojedynczym tranzystorem● Również do sterowania przekaźników● ... często stosujemy pojedyncze tranzystory

Przekaźniki

Porty wyjściowe(wzmacniacze)

● Gdy potrzebny jest większy prąd● ... stosujemy układy Darlingtona

Porty wyjściowe(wzmacniacze)

● Mniejszy przekaźnik można wykorzystać do włączenie większego (stycznika)

Porty wyjściowe(wzmacniacze)

● Rysunek przedstawia wzmacniacz● ... bardziej złożony● ... zarówno dostarczający znacznego prądu● ... jak i pozwalający na jego wpływanie do wyjścia układu

Porty wyjściowe(wzmacniacze)

● Również i ten rysunek przedstawia wzmacniacz● ... bardziej złożony● ... zarówno dostarczający znacznego prądu● ... jak i pozwalający na jego wpływanie do wyjścia układu● ... jest to w zasadzie połowa mostka H...

Silnikiprądu stałego.

Większe możliwości sterowania silnikiem daje nam układ mostkowy (tak zwany H-bridge).

Porty wyjściowe(wzmacniacze scalone)

Często nie ma potrzeby budowy wzmacniacza sterującego z elementówdyskretnych, ale udaje się dobrać odpowiednie układy scalone.

Mamy do dyspozycji na przykład:● Zestawy tranzystorów Darlingtona● ... do pracy zarówno od strony dodatniego jak i ujemnego napięcia● ... bywa, że u układami zabezpieczeń● Gotowe mostki H● ... niekiedy wraz ze sterowaniem PWM● ... oraz układami zabezpieczeń

Zintegrowanewzmacniacze wyjściowe(przykłady)

Osiem wzmacniaczyw układzie tranzystorów Darlingtona

(od strony dodatniego bieguna zasilania)

Zintegrowanewzmacniacze wyjściowe(przykłady - LM18245)

Kompletny mostek H- doskonałe parametry- regulacja PWM ... sterowana cyfrowo ... lub analogowo- zabezpieczenie termiczne- zabezpieczenie przed nadmiernym prądem

Zintegrowanewzmacniacze wyjściowe(przykłady)

Podwójny mostek Hz rozbudowanymiukładami sterującymi

Zintegrowanewzmacniacze wyjściowe(przykłady)

Poczwórny wzmacniacz(od strony masy)z rozbudowanymi

układami zabezpieczającymi

Porty wyjściowe(separacja optyczna)

● Gdy potrzebna jest separacja obwodów● ... sterowanego i sterującego● ... możemy zastosować separację optyczną● Specjalnie przeznaczone do tego elementy● ... składające się z diody LED i fototranzystora (fotodiody, fototyrystora)● ... nazywamy transoptorami● Zastanówmy się jak można je wykorzystać...

Porty wyjściowe(separacja optyczna)

● Zastanówmy się jak można je wykorzystać...

Porty wyjściowe(sterowanie tyrystorami)

● “Przypomnijmy” sobie na czym polega● ... sterowanie fazowe● ... oraz sterowanie grupowe● Do sterowania prądami dużej mocy często stosujemy tyrystory i triaki

Porty wyjściowe(sterowanie tyrystorami)

● “Przypomnijmy” sobie na czym polega● ... sterowanie fazowe● ... oraz sterowanie grupowe

Porty wyjściowe(sterowanie fazowe)

● Sterowanie fazowe polega na● ... włączeniu prądu na część okresu● Mikrokontroler zatem musi● ... odmierzyć zadany czas od początku każdego półokresu sieci ● ... a następnie wygenerować impuls włączający tyrystor

Porty wyjściowe(sterowanie grupowe)

● Sterowanie grupowe ● ... polega na włączeniu prądu na pewną liczbę okresów sieci● ... odbywa się przy przejściu przez zero napięcia zasilającego● Mikrokontroler zatem musi● ... generować impuls włączający tyrystor przy przejściu przez zero.

Silniki elektryczne

Silniki elektryczne to maszyny zamieniające energię elektryczną na mechaniczną.Istnieje wiele ich rodzajów, sterowanie niektórymi z nich jest dosyć złożone.

My zainteresujemy się teraz dwoma ich rodzajami (w małych wersjach :-)● Silnikiem komutatorowym prądu stałego● Silnikiem krokowym

Silnikiprądu stałego.

Jeżeli zależy nam jedynie na włączaniu i wyłączaniu małego silnika prądu stałegoza pomocą sygnału logicznego możemy zastosować bardzo prosty wzmacniacz

oparty na tranzystorze MOS lub Darlingtona.(By regulować obroty możemy zastosować technikę

modulacji szerokości impulsu - PWM).

Silniki krokowe

Silniki krokowe to silniki elektryczne, w których impulsowe zasilanieprądem elektrycznym powoduje, że jego wirnik nie obraca się ruchem ciągłym,lecz wykonuje za każdym razem ruch obrotowy o ściśle ustalonym kącie.

Dzięki temu, kąt obrotu wirnika jest ściśle zależny od liczby dostarczonychimpulsów prądowych, a prędkość kątowa wirnika jest równaczęstotliwości impulsów pomnożonej przez wartość kąta obrotu wirnikaw jednym cyklu pracy silnika.

Kąt obrotu wirnika pod wpływem działania jednego impulsu może mieć różnąwartość, zależnie od budowy silnika – jest to zwykle wartość od ułamkado kilkudziesięciu stopni.

Silniki krokowe

Silniki krokowe są stosowane wszędzie tam, gdzie kluczowe znaczeniema możliwość precyzyjnego sterowania ruchem:● w automatyce – w mechanicznych urządzeniach regulacyjnych● w urządzeniach pomiarowych np. zegarach elektronicznych● w robotyce – do sterowania ruchem ramion robotów, kół, itp.● w komputerach – np. w twardych dyskach, drukarkach, skanerach● itp...

Silniki krokowe

Pod względem budowy możemy je podzielić na:● silnik z magnesem trwałym,● silnik o zmiennej reluktancji,● silnik hybrydowy.

Silniki krokoweunipolarne (z magnesem stałym i hybrydowe)

Silniki krokowebipolarne (z magnesem stałym i hybrydowe)

Silniki bipolarne wymagają sterowania przepływem prądu w uzwojeniachw obu kierunkach - implikuje to użycie mostka H na każde uzwojenie.

Sterowanie jest odrobinę bardziej skomplikowane niż silników unipolarnychi zależy od konstrukcji mostka - nie będziemy się nim zajmować.

Silniki krokoweo zmiennej reluktancji

Silnik krokowysilnik unipolarnysekwencje sterujące

Standardowa sekwencja sterującato kolejne włączanie poszczególnych uzwojeń:1 2 3 40 0 0 10 0 1 00 1 0 01 0 0 0

Silnik krokowysilnik unipolarnysekwencje sterujące

Sekwencja sterująca kolejne włączającapo dwa uzwojenia umożliwia uzyskaniewiększego momentu obrotowegokosztem poboru mocy:1 2 3 40 0 1 10 1 1 01 1 0 01 0 0 1

Silnik krokowysilnik unipolarnysekwencje sterujące

1 2 3 40 0 0 10 0 1 10 0 1 00 1 1 00 1 0 01 1 0 01 0 0 01 0 0 1Sekwencja sterująca kolejne włączająca kolejno jedno i po dwa uzwojeniaumożliwia uzyskanie skoku połówkowego, a zatem większą precyzjęsterowania.