Elektronika analogowa

Witajcie w drugiej części kursu. W poprzednim odcinku dowiedzieliśmy się czym jest prąd elektryczny, jakimi parametrami go opisujemy oraz wiemy już jakimi podstawowymi prawami rządzi się elektronika. Dziś kontynuujemy podstawowe zagadnienia dotyczące prądu elektrycznego. Poznamy elementy elektroniczne, które będziemy wykorzystywać w trakcie kursu oraz źródła energii elektrycznej, zarówno te przenośne jak i stacjonarne. Ze względu na obszerność tego artykułu, część zagadnień została przeniesiona do FAQ. Na koniec zapraszam do przeczytania części praktycznej, w której opisuję jak stworzyć ciekawe i funkcjonalne urządzenie. Zapraszam do lektury.

Elementy elektroniczne na potrzeby całego kursu programowania mikro-kontrolerów dostarcza Farnell element14. Farnell element14 to światowej renomy dystrybutor części elektronicznych, elektrycznych i przemysłowych oraz produktów z zakresu konserwacji, napraw i przeglądów. Firma oferuje szybki i łatwy dostęp do blisko 900 tys. produktów, DARMOWĄ pomoc techniczną dla wszystkich klientów 24h od poniedziałku do piątku oraz BEZPŁATNĄ dostawę przy zamówieniach online powyżej 199 zł. Więcej informacji na stronie: http://pl.farnell.com/

Sygnały elektryczne

Sygnały w elektronice możemy podzielić na dwa podstawowe rodzaje: sygnały analogowe oraz cyfrowe. Do tej pory skupiam się na zagadnieniach z elektroniki analogowej. Elektroniką cyfrową zajmiemy się dokładniej w kolejnej części poradnika.

Czym jest sygnał analogowy?

Dla zrozumienia czym w praktyce jest sygnał analogowy weźmy za przykład rezystancyjny czujnik wilgotności SYH-2R, którego rezystancja zależna jest od wilgotności. W przypadku tego czujnika wraz ze wzrostem wilgotności, maleje opór. Zależność ta przedstawiona jest na wykresie w nocie katalogowej producenta:

Jeżeli podłączymy układ tak jak na rysunku poniżej to otrzymamy wartość spadku napięcia na tym czujniku:

Spadek tego napięcia jest właśnie przykładem sygnału analogowego. Dlaczego? Załóżmy, że będziemy zapisywać wartość spadku napięcia co sekundę. Stworzymy w ten sposób wykres, który opisuje nam pewną zmienność napięcia w czasie.

Funkcja jest ciągła, bo w każdej chwili czasu jesteśmy w stanie odczytać wartość tego sygnału. Taką podstawową właściwość posiada sygnał analogowy.

Poniżej przedstawiam przebiegi, które najczęściej występują w elektronice. Dla skupienia uwagi oś Y oznaczyłem jako wartość napięcia. To jednak nie musi być napięcie, może to być także inna wielkość fizyczna, np. prąd.

Do tych powyższych przebiegów warto także dodać jeszcze trzy często pojawiające się przebiegi:

Generalnie w sygnałach analogowych możemy wyróżnić przede wszystkim sygnały okresowe. Posiadają one pewne właściwości, które należy znać, ponieważ ich znajomość często się przydaje. Szczególnie przy projektach związanych z prądem przemiennym, dlatego właśnie na przykładzie przebiegu napięcia przemiennego pokażę podstawowe parametry, którymi opisuje się sygnał sinusoidalnie zmienny.

Upp – jest to napięcie międzyszczytowe.

Umax – jest to napięcie maksymalne.

Usk – jest to napięcie skuteczne i obliczane jest ze wzoru:

T – okres

Na podstawie okresu możemy wyliczyć częstotliwość f wyrażoną w Hertzach: 

 

Źródła energii elektrycznej

Poznaliśmy już podstawowe przebiegi napięć. W takim razie wato wspomnieć gdzie one występują.

a) Napięcia przemiennego

Najbardziej popularnym miejscem, gdzie znajdziemy źródło napięcia sinusoidalnie zmiennego jest to domowe gniazdko elektryczne. Posiada ono jedną fazę, czyli jeden przewód, na którym znajduje się właśnie interesujące nas napięcie oraz drugi przewód neutralny. Trzeci przewód, który znajdziemy po zdemontowaniu gniazdka jest związany z wymogami bezpieczeństwa i nazywa się przewodem ochronnym PE. Przyjęło się, że przewód ochronny PE oznaczony jest żółto – zielonym kolorem izolacji, zaś przewód neutralny N kolorem niebieskim. Przewód fazowy może przyjąć barwę jakiegokolwiek innego koloru. Ja spotkałem się głównie z przewodem w kolorze brązowym.

Gdzie jeszcze może wystąpić napięcie przemienne?

Na pewno warto wiedzieć, że urządzenie takie jak transformator także pracuje na napięciu przemiennym. W wielkim skrócie transformator służy do zamiany wartości napięcia przemiennego na większą lub mniejszą. Co się stanie jeżeli podłączymy napięcie stałe ? W najlepszym przypadku nic się nie stanie, bo prąd stały nie wygeneruje zmiennego pola magnetycznego, które wymagane jest właśnie do poprawnej pracy transformatora. W tym gorszym przypadku jeżeli przez uzwojenie popłynie zbyt duży prąd to może dojść do uszkodzenia transformatora. Więcej o transformatorze przeczytacie w dalszej części artykułu.

Kolejnym miejscem, gdzie występuje napięcie przemienne jest to autotransformator. Działa on na podobnej zasadzie co transformator z tą różnicą, że napięcie na jego wyjściu jest regulowane.

b) Napięcia stałego

Napięcie stałe możemy spotkać w wielu otaczających nas urządzeniach. Jednym z nich jest zasilacz. Jest to urządzenie, które zamienia napięcie sinusoidalnie zmienne na napięcie stałe. Często stosuje się je w elektronice do zasilania układów elektronicznych.

Kolejnym źródłem prądu stałego są panele fotowoltaiczne, dzięki którym energia słoneczna zamieniana jest na energię elektryczną.

Ostatnim i chyba jednym z najpopularniejszych źródeł napięcia stałego są baterie. W dobie rozwoju elektrycznego przemysłu motoryzacyjnego coraz częściej słyszymy o pojemniejszych bateriach. Aktualnie największą gęstość energii mają baterie litowo – jonowe. Jednakże bez prawidłowego zabezpieczenia przez nadmiernym naładowaniem, przegrzaniem i rozładowaniem możemy się narazić na pożar lub wybuch takiego ogniwa.

c) Przebiegi funkcyjne – prostokątne, trójkątne, piłokształtne i inne

Przebiegi takich napięć są dostępne najczęściej w specjalnych generatorach funkcyjnych. Stosuje się je najczęściej na laboratoriach lub w zakładach przemysłowych. Takie generatory umożliwiają ustawienie wartości napięcia maksymalnego lub międzyszczytowego oraz ustawienie częstotliwości danego przebiegu.

Najczęściej spotykanym przebiegiem poza generatorami funkcyjnymi jest przebieg prostokątny. Większość mikrokontrolerów posiada możliwość generowania takich napięć. Często mikroprocesory takie umożliwiają generowanie takich przebiegów o zmiennym współczynniku wypełnienia – PWM. Więcej o modulacji szerokości impulsu przeczytacie w kolejnych artykułach poświęconym mikrokontrolerom.

 

Podstawowe elementy bierne (pasywne)

Element bierny (pasywny) jest to element, który wyłącznie pobiera energię elektryczną. Ma możliwość jedynie gromadzić energię elektryczną – cewka i kondensator.

a) Rezystancja (opór) 

– definicja

Wielkość fizyczna która dla płynącego prądu stanowi swoisty ogranicznik – opór jak sama nazwa wskazuje. Charakteryzuje je prawo Ohma czyli stosunek prądu płynącego przez opór i przyłożone napięcie. Wtedy możemy powiedzieć, że rezystancja to iloraz napięcia U i prądu. Jednostką rezystancji w układzie SI jest om Ω.

W prądzie przemiennym możemy spotkać z takim określeniem jak część rzeczywista impedancji i z oznaczeniem Re(Im). Jak potem zobaczymy przy opisie indukcyjności i pojemności w prądzie przemiennym występują także dodatkowe wielkości jak reaktancja. Jednakże przy analizowaniu obwodów z niską częstotliwością rezystor nie wprowadza dodatkowych wielkości do obwodu. Przy bardzo dużych częstotliwościach nawet ścieżki na płytce PCB potrafią generować dodatkowe pojemności, ale jeżeli będziemy musieli w kolejnych artykułach uwzględniać takie dodatkowe wielkości to wtedy dokładniej się tym zajmę.

Wartość rezystancji jak już wcześniej wspominałem nie zależy od wartości przepływającego przez niego prądu elektrycznego czy napięcia. Zależy jedynie od materiału z jakiego został wykonany ρ, od jego długości l oraz pola przekroju poprzecznego danego rezystora S. Wyrażony jest wzorem:

Wzór ten często wykorzystuje się w energetyce do obliczania spadku napięcia i strat na linii przesyłowej.

– pomiar rezystancji

Rezystancję jesteśmy w stanie zmierzyć przy pomocy omomierza. Dostępny jest on w pawie każdym współczesnym multimetrze.

Znając także prawo Ohma  jesteśmy w stanie na podstawie przepływającego prądu elektrycznego, a także przyłożonego napięcia wyliczyć wartość rezystancji danego opornika.

– rezystor (opornik)

Podstawowy element elektroniczny, który charakteryzuje się głównie oporem.

Na schematach elektrycznych możemy spotkać się z dwoma oznaczeniami rezystora – europejskim i amerykańskim. Dobrze to widać w programie do projektowania obwodów elektrycznych i płytek PCB – Eagle. Tam każdy element bierny rezystor, cewka czy kondensator ma po dwa katalogi EU i US. Jednakże w rzeczywistości jedynie symbol rezystora różni się znacząco.

Jako ciekawostkę dodam, że Amerykanie poza odmiennym symbolem rezystancji posiadają także nieco inny system energetyczny, a mianowicie w gniazdkach nie mają napięcia skutecznego wynoszącego i częstotliwość , tam mają napięcie skuteczne równe  i częstotliwość. Jeżeli chcielibyście przeczytać o korzyściach i wadach wynikających z takiego zasilania dajcie znać w komentarzach pod artykułem.

Wracając do rezystora. Tak jak wyżej opisałem w prądzie przemiennym zachodzą dodatkowe zjawiska, przez co ich analiza musi uwzględniać dodatkowe wielkości, na przykład pojemności doprowadzeń. Jednakże dla rezystora taka potrzeba zachodzi jedynie przy wysokich częstotliwościach. Przy analizie niskoczęstotliwościowej rezystor wyrażony jest jedynie jako rezystancja.

– zastosowanie rezystora

Rezystor jako podstawowy element reprezentujący opór elektryczny posiada wiele zastosowań w elektronice. Kilka już poznaliśmy. Poniżej zamieszczam kilka podstawowych zastosowań.

Rezystor wymuszający prąd i ograniczający prąd

Wiele elementów elektronicznych jest wrażliwych na płynięcie zbyt dużych prądów, które mogą zniszczyć ich strukturę wewnętrzną. Przykładem są elementy półprzewodnikowe, takie jak tranzystory, o których dowiemy się więcej w dalszej części artykułu. W technice cyfrowej, którą głównie będziemy się zajmować w dalszych częściach poradnika tranzystor wykorzystuje się jako przełącznik. W skrócie tranzystor posiada trzy wyprowadzenia. Do dwóch z nich podłączamy zasilanie oraz element, który chcemy zasilić. Trzecia końcówka służy jako sterowanie. Sygnał jest to płynie prąd, sygnału nie ma to prąd przez tranzystor nie płynie.

Rezystor w przypadku tranzystorów posiada dwie funkcje: ogranicznik prądu i wymuszenie sygnału sterującego bramką tranzystora:

1. Tak jak wcześniej wspomniałem, struktura wewnętrzna tranzystora jest wrażliwa na przekroczenie znamionowej wartości prądu. Zatem, aby uchronić element przed uszkodzeniem stosuje się rezystory, żeby prąd płynący ze źródła nie przekroczył dozwolonej wartości. Przykład znajdziecie także na końcu artykułu.
2. O wymuszeniu sygnału na bramkę tranzystora bipolarnego opowiem przy jego omawianiu.

Dzielnik napięciowy

Często wykorzystuje się dzielniki napięciowe, aby w prosty sposób zmniejszyć napięcie stałe do określonej wartości. Robi się to poprzez wykorzystanie dwóch rezystorów w układzie przedstawionym poniżej.

Wzór do obliczenia napięcia wyjściowego dzielnika:

Warto po prostu zapamiętać, że napięcie na wyjściu dzielnika napięciowego jest to podzielenie rezystora dolnego do sumy tych rezystorów i na koniec należy pomnożyć otrzymaną wartość przez napięcie wejściowe.

Takie rezystory często stosuje się w połączeniu z komparatorami, czyli elementami porównującymi dwie wartości napięć.

 

b) Indukcyjność

Indukcyjność jest to zdolność obwodu do wytworzenia strumienia pola magnetycznego. Jednostką indukcyjności jest henr – H.

Niektórzy wykładowcy nie zgodziliby się z taką terminologią, ponieważ zdolność nie jest wielkością fizyczną. Jednakże rozważania teoretyczne odnośnie indukcyjności w tym artykule są zbędne. Nawet jako ciekawostka zainteresowałyby tylko nieliczne osoby. Także jeżeli chcecie dowiedzieć się więcej i jesteście na etapie wyboru studiów to warto rozważyć kierunki związane z wydziałami elektrycznymi – elektrotechnika, energetyka lub elektronika. Tam dawka wiedzy teoretycznej na ten i inne tematy będzie solidniejsza. Ja przedstawiam zdawkowe informacje na każdy z tych tematów.

Warto wiedzieć, że wokół przewodnika, przez który płynie prąd wytwarza się pole magnetyczne, które jest ściśle uzależnione od prądu płynącego przez ten przewodnik. Jeżeli prąd będzie sinusoidalnie zmienny to powiemy, że wytworzone pole magnetyczne jest zmienne. Zmienność pola magnetycznego generuje SEM – siłę elektromotoryczną. Na takiej zasadzie działają transformatory, które poprzez pole magnetyczne zamieniają wartość napięcia na wyższe lub niższe – zależnie od ilości uzwojeń nawiniętych cewek.

Elementem charakteryzujący się indukcyjnością jest cewka. Czyli zwykły drut – najczęściej miedziany. Nawinięty jak na obrazku poniżej.

Cewką nazywamy element, który ma zdolność gromadzenia energii elektrycznej w polu magnetycznym.

Zainteresowanych pogłębianiem wiedzy na temat właściwości cewek odsyłam do literatury, ja zaś postaram skupić się na wiadomościach praktycznych.

Rozważmy kilka przypadków zasilania cewek:

1. Cewka zasilana prądem stałym w stanie ustalonym posiada jedną z najważniejszych cech – jest zwarciem, kawałkiem przewodu i jedyny parametr jaki go opisuje to rezystancja uzwojeń tej cewki. Możemy traktować ją jako rezystor o niewielkiej rezystancji.
2. Cewka zasilana prądem stałym w stanie nieustalonym czyli przy włączaniu, wyłączaniu przełączaniu (ogólnie, gdy tylko zachodzi jakaś zmiana w obwodzie) zachowuje się w dość specyficzny sposób. W skrócie napiszę, że ma wtedy zastosowanie jedno prawo. Prawo ciągłości prądu płynącego przez cewkę. Inaczej nazywane też pierwszym prawem komutacji i mówi ono o tym, że:
   • „Prąd w obwodzie z indukcyjnością nie może zmienić się skokowo i w chwili tuż przed komutacją (t = 0-) i w chwili tuż po komutacji (t = 0+) ma taką samą wartość.” – jest to bardzo ważna właściwość cewek i przydaje się przy analizowaniu działania różnego rodzaju urządzeń czy też silników.
   • Zatem prąd na cewce nie może zmieniać się skokowo ale za to napięcie na cewce może zmieniać się skokowo. To właśnie załączanie obwodu z dużą indukcyjnością często jest powodem „wyrzucania bezpieczników” w tablicy rozdzielczej. Tę właściwość wykorzystuje się w świetlówkach, gdzie do załączenia świetlówki wymagany jest impuls napięciowy o dużej skokowej wartości napięcia – nawet 1 kV.
3. Cewka w prądzie przemiennym jest już o wiele bardziej skomplikowana. Warto wspomnieć, że wprowadza ona przesunięcie fazowe między prądem a napięciem. Można to zaobserwować na oscyloskopie. Prawo komutacji także ma zastosowanie w obwodach prądu przemiennego.

Zastosowanie cewek w elektronice:

• Transformator

Najczęstszym zastosowaniem cewek jest niewątpliwie transformator. Posiada on dwie cewki, które nazywamy uzwojeniami . Uzwojeniem pierwotnym i uzwojeniem wtórnym. Oba uzwojenia nawinięte są na rdzeń ferromagnetyczny, który tworzy obwód dla strumienia magnetycznego. To właśnie strumień magnetyczny wytworzony przez zasiloną prądem przemiennym cewkę pierwotną generuje siłę elektromotoryczną SEM (napięcie) na drugiej cewce wtórnej. Wartość napięcia na cewce wtórnej uzależniona jest od ilości zwojów nawiniętych na obu cewkach.

• Przekaźnik

W elektronice często stosuje się przekaźniki, aby jak sama nazwa wskazuje – przekierować energię elektryczną do innego obwodu, innej gałęzi czy po prostu włączyć lub wyłączyć urządzenie z sieci. Przekaźnik w środku posiada elektromagnes oraz element, który przełącza obwód z jednego na drugi styk. Wszystko to dzieje się w momencie, kiedy przyłożymy odpowiednie napięcie. Wówczas wytwarza się pole magnetyczne, które przyciąga stalową zworkę otwierając lub zwierając odpowiedni styk lub zestaw styków.

c) Pojemność

Pojemność jest to zdolność do magazynowania energii elektrycznej w polu elektrycznym. Pojemność C możemy zdefiniować jako iloraz ładunku Q zebranego na jednej okładce do napięcia U między okładkami.

Jednostką pojemności jest Farad – F.

Element charakteryzujący się głównie pojemnością jest to kondensator. Zbudowany jest z dwóch okładek oddzielonych od siebie dielektrykiem – materiałem nieprzewodzącym prądu elektrycznego. Na jednej okładce zbierają się ładunki dodatnie na drugiej zaś ładunki ujemne.

Kondensatory o pojemnościach rzędu 1 F i większym są duże i wykorzystuje się je w specjalnym przeznaczeniu takim jak energetyka do kompensacji mocy biernej o charakterze indukcyjnym.

Typowe kondensatory stosowane w elektronice są rzędu mili faradów (1mF = 10^-3 F), mikro faradów (1µF = 10^-6 F), nano faradów (1nF = 10^-9 F) czy też piko faradów (1pF = 10^-12 F).

Rozważmy kilka przykładów zasilania cewek:

1. Kondensator zasilony prądem stałym w stanie ustalonym jest przerwą dla obwodu. To znaczy, że po naładowaniu, jeżeli tuż za źródłem napięcia będzie szeregowo włączony kondensator to po naładowaniu prąd przez niego nie popłynie i będzie stanowił przerwę dla obwodu.
2. Kondensator zasilony prądem stałym w stanie nieustalonym do momentu naładowania płynie przez niego prąd. Tutaj także ma zastosowanie prawo ciągłości ładunku na kondensatorze lub inaczej mówiąc drugie prawo komutacji, które mówi o tym, że:

„Napięcie na kondensatorze nie może zmieniać się skokowo i w chwili tuż przed komutacją (U^–) jest takie jak w chwili tuż po komutacji (U⁺)”

3. Kondensator w prądzie przemiennym tak jak cewka jest o wiele bardziej skomplikowana. Wprowadza przesunie fazowe między prądem, a napięciem. Posiada także reaktancję, dlatego nazywamy kondensator i cewkę elementem reaktancyjnym. Ważną informacją dla nas jest fakt, że w prądzie przemiennym prąd płynie przez kondensator – nie jest już przerwą.

– zastosowanie kondensatorów

Elementy te mają zastosowanie w wielu dziedzinach elektroniki nie tylko analogowej, ale także cyfrowej. Stosuje się je między innymi jako:

• Źródło chwilowego zapotrzebowania na energię elektryczną

Napięcie na kondensatorze nie może zmieniać się skokowo, jednakże prąd już może. Tę właściwość wykorzystują układy scalone w elektronice cyfrowej. Niektóre z nich potrzebują chwilowego zapotrzebowania energii elektrycznej rzędu 2A. Dla te też często montuje się kondensatory blisko układów scalonych.

• Filtr pojemnościowy w zasilaczu

Kondensator znalazł także zastosowanie w budowie filtra pojemnościowego do zasilacza. Jak wiemy zasilacz zamienia energię elektryczną z napięcia przemiennego na napięcie stałe. Zasilacz zbudowany jest w taki sposób, ze napięcie przemienne najpierw jest obniżane po przez transformator, a następnie przy pomocy diod prostowniczych zamieniane na napięcie wyprostowane dwupołówkowe. Kondensator ma za zadanie wygładzić te napięcie dwupołówkowe tak, aby kształtem przypominało napięcie stałe. Działa on w ten sposób, że gdy wartość napięcia rośnie to kondensator się ładuje, zaś gdy napięcie zaczyna spadać to kondensator się powoli rozładowuje, aż do momentu gdy napięcie sygnału przewyższy napięcie na kondensatorze. Cykl ten się powtarza. Jaki możemy wysnuć wniosek? Im wyższa pojemność tym tętnienia (napięcie między najwyższym punktem sygnału, a najniższym – za kondensatorem) mają mniejszą wartość. Nie zawsze jednak możemy pozwolić sobie na zastosowanie większego kondensatora. Szczególnie w zasilaczach – im większa pojemność kondensatora tym większy jest jego rozmiar.

 

Łączenie ze sobą elementów biernych

Elektronika składa się z wielu elementów połączonych ze sobą w jeden lub kilka obwodów współpracujących ze sobą lub oddziałujących na sobie. Na obwód elektroniczny składają się elementy połączone w trzy podstawowe rodzaje połączeń:

1. Połączenie szeregowe

Koniec jednego elementu jest początkiem drugiego elementu. Między nimi nie ma żadnych innych połączeń czy węzła. Takie połączenie składa się tylko z jednej gałęzi, a na obu jego końcach dołączone jest zasilanie.

W połączeniu szeregowym prąd płynący przez wszystkie elementy w gałęzi jest taki sam, zaś napięcie jest różne na każdym z elementów. Występuje tak zwany spadek napięcia, o którym była już mowa w poprzednim artykule i zgodnie z drugim prawem Kirchhoffa suma wszystkich napięć w oczku jest równa zero.

2. Połączenie równoległe

Początki i końce elementów połączone są ze sobą i zaciski te dołączone są do zasilania. Dzięki takiemu połączeniu każdy element znajduje się na odrębnej gałęzi.

W połączeniu równoległym prąd główny pobierany z zasilania rozpływa się na wszystkie gałęzie zgodnie z pierwszym prawem Kirchhoffa, które mówi o tym, że w każdej chwili czasu suma prądów wpływających do węzła i wypływających z węzła jest równa 0.

3. Połączenie mieszane

Warto wspomnieć jeszcze o dwóch rodzajach połączeń.

– połączenie w trójkąt i gwiazdę

Nie będę opisywał tych typów połączeń. Mają one główne zastosowanie przy rozpatrywaniu obwodów trójfazowych, energetyce czy też w napędach elektrycznych. Poniżej znajdziecie schematy tych połączeń i wzory umożliwiające obliczenie zastępczej wartości elementów.

Zamiana trójkąta w gwiazdę:

Zamiana gwiazdy w trójkąt:

Każdy obwód złożony z elementów biernych jednego rodzaju, np. połączenie mieszane rezystorów jesteśmy w stanie złożyć w jeden element zastępczy łączący w sobie wartości tych wszystkich elementów. Właściwość ta jest przydatna podczas obliczania prądów i napięć w obwodzie elektrycznym.

Połączenie rezystorów – rezystancja zastępcza

a) Szeregowe

W połączeniu szeregowym rezystancja zastępcza liczona jest w bardzo prosty sposób. Jest to nic innego jak suma rezystancji R_Z = R₁ + R₂ + R₃

b) Równoległe

W połączeniu równoległym rezystancja zastępcza liczona jest ze wzoru:

W przypadku, gdy połączone są ze sobą tylko i wyłącznie 2 rezystory, możemy zastosować łatwiejszy wzór wynikający z przekształceń powyższego wzoru.

Połączenie cewek – indukcyjność zastępcza

Obliczanie wartości indukcyjności zastępczej jest takie samo jak w przypadku połączenia rezystorów.

• Szeregowe: L_Z = L₁ + L₂ + L₃
• Równoległe:

Połączenie kondensatorów – pojemność zastępcza

Akurat w przypadku połączenia kondensatorów sprawa wygląda odwrotnie. Wato zapamiętać tę informację, ponieważ zdarza się wykorzystać tę właściwość. Szczególnie podczas projektowania zasilaczy,  czy też filtracji zasilania.

• Szeregowe:
  
• Równoległe: C_Z = C₁ + C₂ + C₃

W obwodach prądu przemiennego występują reaktancje, dzięki czemu jesteśmy w tanie obliczyć także impedancję zastępczą dla tego typu połączeń. My jednak nie będziemy zajmować się prądem przemiennym, ponieważ w dalszej części kursu zmierzamy do poznania techniki mikroprocesorowej, a tam prąd przemienny nie ma zastosowania. Chyba, że jako zasilanie urządzeń, którymi sterujemy, ale w razie potrzeby będę uzupełniał brakujące informacje.

 

Podstawowe elementy czynne (aktywne)

Elementy czynne (aktywne) są to elementy, które maja możliwość przekształcać energię elektryczną.

Element półprzewodnikowy to element o zmiennej konduktywności (zdolności elementu do przewodzenia prądu)  zależnej od czynników działających na ten element np. przyłożone napięcie, padającego światła lub ogrzewania.

a) Tranzystor Bipolarny

Element półprzewodnikowy mający zdolność wzmacniania sygnału. Ma możliwość pracować także jako sterowany przełącznik i tą konfiguracją się głównie zajmiemy. Tranzystor jako wzmacniacz napięcia, prądu lub mocy także jest wykorzystywany bardzo często w elektronice, jednakże charakter naszego kursu nie przewiduje zastosowania tranzystora jako wzmacniacza. Jeżeli jednak będzie nam potrzebny, to na pewno omówimy jego budowę i zasadę działania.

Na pewno częściej niż wzmacniacz, będziemy wykorzystywać tranzystory jako sterowane przełączniki. Oznacza to, że przy pomocy tranzystora jesteśmy w stanie sterować prędkością obrotową silnika, mamy możliwość włączyć listwę LED lub po prostu wyłączyć zasilanie dla danego obwodu. Wszystko to z poziomu programu – jedynie co będziemy musieli zrobić rozkazać mikrokontrolerowi, aby przełączył się z jednego stanu na drugi. Czyli na przykład zmienił stan z zera ( potencjał masy GND ) na jedynkę ( potencjał napięcia zasilania procesora – najczęściej 5 V lub 3,3 V ).

– budowa tranzystora bipolarnego

Tranzystor bipolarny jak każdy element elektroniczny posiada wiele obudów. W większości z nich posiada trzy wyprowadzenia, które wymagają podłączenia. Elektrody (wyprowadzenia) te nazywają się: baza (B), kolektor (C), emiter (E).

Tranzystor bipolarny zbudowany jest z 3 warstw półprzewodnika o różnym typie przewodnictwa  p –positive i n – negative . Ze względu na budowę wyróżniamy dwa typy tranzystorów: pnp i npn. Jak widzimy na poniższym obrazku oba tranzystory jesteśmy w stanie odróżnić od siebie poprzez strzałkę, która wskazuje od p do n.

– konfiguracje tranzystorów bipolarnych

Tranzystor może także pracować w kilku stanach pracy i konfiguracjach. Wyróżniamy następujące stany pracy:

• Aktywny – stan, w którym tranzystor pracuje w konfiguracji wzmacniacza,
• Inwersyjny – stan który nie jest powszechnie stosowany ze względu na słabe parametry,
• Nasycenia i zaporowy – stan, w którym tranzystor pracuje jako przełącznik (klucz).

Wyróżniamy także następujące konfiguracje:

• WE (OE) – wspólny emiter,
• WB (OB) – wspólna baza,
• WC (OC) – wspólny kolektor.

 

b) Tranzystor Unipolarny

Zasadniczo ze strony obsługi użytkownika tranzystor unipolarny niewiele różni się od tranzystora bipolarnego. Najważniejsza różnica jest w sterowaniu. Tranzystor polowy do poprawnego wysterowania nie wymaga przepływu prądu. W tranzystorze tym do spolaryzowania złącz stosuje się jedynie napięcie. Wynika to z wysokiej impedancji wejścia bramki.

Tranzystor polowy także umożliwia wzmacnianie sygnałów, a także można wykorzystać go do pracy w układzie klucza tranzystorowego. Tak jak w poprzednim tranzystorze opiszę więc pracę tego tranzystora jedynie jako przełącznik, bo głównie do tego będziemy wykorzystywać ten tranzystor.

– budowa tranzystora unipolarnego

Tranzystory unipolarne także produkowane są w wielu obudowach. Montowanych w technologii powierzchniowej SMD, przewlekanej THT oraz z możliwością przykręcenia radiatora – pasywnego chłodzenia. Większość z tych obudów udostępnia trzy wyprowadzenia, które służą do poprawnej obsługi tranzystora. Elektrody te nazywają się (kolejno jak w przypadku tranzystora bipolarnego):  bramka (G), dren (D), źródło (S).

Tranzystory te nie są już tak proste w budowie jak tranzystory bipolarne. Poniżej przedstawiony jest podział tranzystorów unipolarnych:

– zastosowanie tranzystorów unipolarnych

Najczęściej stosuje się tranzystor unipolarny do sterowania napędem. Tranzystory typu MOSFET z kanałem typu N umożliwiają pracę w układzie klucza tranzystorowego dzięki podłączeniu go w następujący sposób.

Zasadniczo schemat niewiele  różni się od tranzystora bipolarnego. Na bramkę G układu należy podać na takie napięcie, aby tranzystor przeszedł w stan nasycenia dzięki czemu rezystancja kanału N – materiału przez który płynie prąd będzie na tyle mała, że unikniemy grzania się tranzystora i wchodzenia w stan aktywny. Analogicznie do tranzystora bipolarnego z tą różnicą, że tam sterowaliśmy przy pomocy prądu rezystorem bazy R_B. Jeżeli przyłożymy odpowiednio wysokie napięcie w stosunku do prądu, który chcemy przepuścić przez złącze DS to kanał typu N otworzy się i pozwoli na płynięcie prądu od drenu do źródła.

Jeżeli chcemy przerwać przepływ prądu przez kanał to należy zewrzeć zacisk bramki G do potencjału masy GND. Dzięki takiemu zabiegowi spolaryzujemy tranzystor zaporowo co prowadzi złącze DS w stan wysokiej impedancji – prąd przez zbyt duży opór nie będzie wstanie się przedostać.

 

Pozostałe elementy elektroniczne

Dzisiejszy artykuł jest obszerny. W związku z tym omówienie pozostałych elementów elektronicznych będzie w części zatytułowanej FAQ. Trafiają tam wszystkie informacje, które warto zawsze mieć pod ręką.

1. Tyrystor
2. Optotriak
3. Dioda LED
4. Źródło Napięciowe
5. Źródło Prądowe
6. i wiele wiele innych…

Rodzaje mocy

 

a) Moc czynna P

Występuje w obwodach prądu stałego i przemiennego. Związana jest z wydzielaniem się ciepła na elementach rezystancyjnych. Wyrażona jest wzorem:

P_N = U × I

Jest to iloczyn napięcia i prądu. Jednostką mocy czynnej w układzie SI jest wat W. Pojęcie mocy najczęściej wykorzystujemy w napędach elektrycznych. Często słyszy się, że na przykład jakiś silnik prądu stałego czy też prądu przemiennego posiada moc znamionową równą P = 3 kW.

b) Moc bierna Q

Moc bierna występuje w obwodach prądu przemiennego. Związana jest z występowaniem elementów reaktancyjnych takich jak cewka lub kondensator. Występowanie mocy biernej w nadmiernych ilościach wymaga zwiększenia przekroju przewodów co wiąże się z dodatkowymi kosztami tworzenia instalacji elektrycznej na przykład w nowej hali produkcyjnej.

Na szczęście moc bierną jesteśmy w stanie kompensować. To znaczy jesteśmy w stanie zmniejszyć jej wartość. Najczęściej występującą mocą bierną w obwodach elektrycznych jest moc bierna o charakterze indukcyjnym. Związana jest z pracą silnika elektrycznego, który ją tworzy.

Aby zmniejszyć moc bierną indukcyjną włącza się do obwodu pojemności (kondensatory), które tę moc kompensują.

Zwiększenie przekroju poprzecznego przewodu to nie jedyny minus i koszt braku kompensacji energii biernej w układzie. Kolejnym kosztem jest kara nakładana przez zakład energetyczny na przedsiębiorcę, który przekroczy dopuszczalny pobór mocy biernej z sieci. Jako ciekawostkę dodam, że moc bierna o charakterze pojemnościowym jest około 4 razy droższa niż moc bierna o charakterze indukcyjnym. Dlatego też warto odpowiednio dobrać zestaw kompensatorów.

c) Moc pozorna S

Moc pozorna występuje w obwodach prądu przemiennego i jest sumą mocy czynnej i biernej obwodu. Tak jak na zdjęciu z piwem.

 

Przykład wykorzystania poznanej wiedzy na temat techniki analogowej – projekt sterownika wentylatora na podstawie temperatury

Poniżej przedstawiam Wam w jaki sposób możemy zrealizować obsługę analogowego czujnika temperatury. Dowiecie się z niego czym w praktyce jest sygnał analogowy i w jaki sposób możemy przetwarzać sygnał analogowy, aby w końcowym wyniku sterować jakimś urządzeniem.

Wyobraźmy sobie, że chcemy mierzyć temperaturę silnika. Informację o temperaturze możemy wykorzystać na przykład do tego, aby w zależności od tej temperatury sterować wentylatorem chłodzącym silnik. Chcielibyśmy zatem w jakiś sposób pozyskiwać informację z tego czujnika.

W elektronice występuje taki element jak termistor. Możemy go wykorzystać jako analogowy czujnik temperatury. Działa on na zasadzie zmiany wartości rezystancji (oporu)  w zależności o temperatury. Wyróżniamy trzy podstawowe typy termistorów:

• Typu PTC – wraz ze wzrostem temperatury rezystancja rośnie.
• Typu NTC – wraz ze wzrostem temperatury rezystancja maleje.
• Typu CTR – jeżeli temperatura wzrośnie powyżej określonej granicy to rezystancja gwałtownie wzrośnie lub zmaleje.

Zastanówmy się zatem w jaki sposób zmierzy wartość rezystancji?

Skoro zmienia się rezystancja to zmiany możemy mierzyć omomierzem. Poznaliśmy w poprzednim artykule urządzenie takie jak multimetr to właśnie te urządzenie scala w sobie funkcjonalność wielu urządzeń pomiarowych, w tym także omomierza. Problem jednakże jest taki, że nie zrealizujemy żadnych funkcji sterujących poprzez zwykły omomierz. On ma nam jedynie za zadanie wyświetlać mierzoną wartość. Jako dygresja: wartość mierzona nazywa się także mezurandem. Zatem omomierz odpada.

W związku z tym, że chcielibyśmy przetwarzać otrzymaną wartość rezystancji do późniejszych celów musimy w jakiś sposób przetworzyć ten sygnał. W tym przykładzie wykorzystamy elementy bazujące na technice analogowej. Poniżej znajduje się uproszczony schemat ideowy automatycznego włącznika wentylatora silnika.

Jak widzimy na schemacie nie posiadamy żadnego przyrządu pomiarowego takiego jak woltomierz, amperomierz czy omomierz. Zatem kiedy będziemy wiedzieć, że wzrosła temperatura i musimy włączyć wentylator?

Zanim to wyjaśnię, najpierw omówimy poszczególne bloki funkcyjne schematu.

Zasilacz

Źródło napięcia przemiennego U_sieć = 230 VAC

Jest to nic innego jak zasilanie z dostępnej w naszych domach sieci energetycznej.

Pamiętacie jak na początku tego artykułu omawialiśmy parametry napięcia przemiennego? Pojawiło się tam pojęcie napięcia skutecznego U_sk . Mierniki wskazują właśnie napięcie skuteczne. Jest one wyliczane ze wzoru:

zatem łatwo obliczyć, że wartość maksymalna napięcia sieciowego to U_max = 325 V. Na co dzień używa się właśnie napięcia skutecznego.

Transformator obniżający napięcie

Transformator jest to urządzenie, które wykorzystuje się do zwiększenia lub zmniejszenia napięcia na jego wejściu. Należy pamiętać, że transformatorem możemy regulować jedynie wartość napięcia. Częstotliwość zostaje bez zmian. Jako ciekawostkę dodam, że do zmiany częstotliwości wykorzystuje się falowniki.

W naszym zastosowaniu transformator musi obniżyć nam napięcie, żebyśmy mogli w prosty sposób zamienić napięcie przemienne na napięcie stałe. Do zacisków pierwotnych podłączamy napięcie sieciowe U_sieć = 230 V o częstotliwości f_sieć = 50 Hz, zaś na zaciskach uzwojenia pierwotnego pojawi się nam napięcie o wartości U₁ = 7 V.

Dlaczego właśnie 7 V?

Wartość napięcia za transformatorem nie może być przypadkowa. Od niego będzie zależeć napięcie po wyprostowaniu. Napięcie te ważne jest także z trzech innych powodów:

1. Do zamiany napięcia przemiennego na napięcie stałe wykorzystujemy układ czterech diod od D1 do D4, które znajdują się za transformatorem. Dokładną zasadę działania opiszę w kolejnym punkcie. Na ten moment musimy wiedzieć, że taki mostek w pracuje jednocześnie na obu diodach. Raz D1 i D4, a raz D2 i D3. Budowa diod prostowniczych jakie wykorzystujemy sprawia, że w stanie przewodzenia spadek napięcia na nich wynosi ok. 0,7 V. Zatem pracujące dwie diody to 1,4 V spadku napięcia. Docelowo chcemy uzyskać konkretne napięcie, dlatego musimy uwzględnić spadek tego napięcia.
2. Pomimo filtracji kondensatorem C₁ występuje zjawisko tętnień, na które mamy wpływ po przez odpowiedni dobór wartości pojemności filtra. My zakładamy, że tętnienia te mogą mieć wartość maksymalnie 1 V i tę wartość także należy uwzględnić. Dzięki temu spełnimy warunek z punktu 2.
3. Za kondensatorem C₂ pojawia się nam element z trzema wyprowadzeniami – jest to trój końcówkowy stabilizator napięcia LM7805. Końcówka 05 oznacza, że na wyjściu będzie U_zas = 5 V. Na tym etapie musimy wiedzieć, że do poprawnej pracy wymaga on na wejściu minimum 2 wolty więcej niż na jego wyjściu, czyli przed stabilizatorem musi być 7 V – minimum.

Jak zatem wyliczyć napięcie na wyjściu transformatora znając trzy warunki ? To dosyć proste.

Zacznijmy liczyć od końca. Stabilizator na swoim wyjściu utrzymuje stabilne U_zas = 5 V. Do poprawnej pracy stabilizatora wymagane jest minimum 2 wolty większe napięcie. Zatem przed stabilizatorem wymagane jest już U_stab = 7 V Następnie należy uwzględnić napięcie tętnień za filtrem pojemnościowym. W naszym przypadku wynosi on U_tpp = 1 V. W tym momencie przed filtrem C₁ potrzebujemy już co najmniej U_C1 = 8 V. Kolejnym elementem wymagającym uwagi jest mostek prostowniczy. Charakteryzuje się on spadkiem napięcia na diodach równym U_d = 1,4 V. Zatem przed mostkiem musi być napięcie równe U_most = 9,4 V.

Zastanówmy się jednak jakie napięcia sumowaliśmy? Były to spadki napięć napięcia stałego, a przed mostkiem mamy jeszcze napięcie przemienne, a więc wynik U_most = 9,4 V to tak naprawdę napięcie maksymalne za mostkiem U_1max. Żeby zatem obliczyć napięcie skuteczne U₁ należy podzielić otrzymany wynik przez √2. W ten sposób otrzymamy skuteczną wartość napięcia U₁, a mianowicie:

Zatem musimy znaleźć transformator o przekładni 230 V / 7 V jest to jedna z podstawowych rzeczy jaką musimy wiedzieć przy wybieraniu transformatora. Druga informacja jaka będzie nam potrzebna to prąd znamionowy transformatora. To prąd, który transformator jest w stanie zapewnić układowi. Nie oznacza to, że podłączając obwód popłynie prąd znamionowy. Oznacza to jedynie, że jeżeli obciążenie wymusi na transformatorze prąd o jego wartości znamionowej, to nic mu się nie stanie. Jeżeli kupimy transformator, który ma większy prąd znamionowy niż potrzebujemy, to jeszcze lepiej, bo możliwa jest wtedy rozbudowa zasilacza jeżeli będziemy musieli zasilić coś jeszcze. My przyjmiemy, że nasz układ będzie pobierał maksymalnie I_max = 50 mA

Diody w układzie mostka prostowniczego (mostek Graetza)

Diody D₁, D_2, D_3, D₄ pracują w układzie dwupołówkowego mostka prostowniczego. Oznacza to nic innego jak fakt, że diody te potrafią nie dość, że przepuścić górną część sinusoidy, to potrafią też dolną część sinusoidy przenieść na górę. Dzięki czemu prąd popłynie w jednym kierunku. Uzyskuje przy tym także polaryzację „+” i „-”.

Jak one to robią ? Diody prostownicze potrafią przepuszczać prąd tylko w jednym kierunku. Na anodzie musi być większe napięcie niż na katodzie. Jeżeli warunek ten zostanie spełniony to dioda umożliwia przepływ prądu. Zatem jak dodatnia część sinusoidy pojawi się na górnym zacisku E_sieć to dioda  zaczną przewodzić prąd, bo będą w stanie przewodzenia. Zaś diody D₂ i D₃ będą spolaryzowane zaporowo i przez nie prąd nie będzie płyną. Przyjmujemy po prostu, że „+” jest teraz na górnym zacisku źródła napięcia. Sytuacja zmieni w momencie, gdy przyjdzie ujemna część sinusoidy. Wtedy przewodzić zaczną diody D3 i D₂. Wynika to z tego, że teraz przyjmujemy, że „+” jest na dolnym zacisku źródła napięcia. Wtedy dioda D₂ i D₃ spolaryzowana jest w stan przewodzenia, zaś  dioda D₁ i D₄ spolaryzowana jest zaporowo.

W ten sposób za mostkiem uzyskujemy dwa razy większą częstotliwość. A to dlaczego ? Bo jak popatrzymy na okres tego układu, to zmniejszył się nam dwukrotnie, a zatem częstotliwość jako odwrotność okresu zwiększyła się nam dwukrotnie. Wiedze o zwiększeniu częstotliwości dwukrotnie wykorzystamy przy obliczaniu kondensatora filtrującego, do którego właśnie przechodzimy.

Filtr pojemnościowy

Kondensator w tym układzie ma za zadanie wygładzić te napięcie. Aktualnie możemy powiedzieć, że jest to napięcie stałe, jednakże jest to napięcie stałe wyprostowane dwupołówkowo. Zatem, aby napięcie te przypominało chodź w części napięcie jakie mamy np. w bateriach czy zasilaczach do telefonu, musimy je wygładzić. Kondensator jak już wiemy może gromadzić energię elektryczną w polu elektrycznym. Oznacza to nic innego, że jak się naładuje to może oddać zmagazynowaną energię.

Właściwość przechowywania i oddawania energii wykorzystuje właśnie filtr w tym układzie. W momencie włączenia zasilacza do napięcia zakładamy, że kondensator nie jest naładowany i nie posiada energii elektrycznej. Co za tym idzie, gdy napięcie rośnie to kondensator się ładuje i magazynuje energię. W momencie kiedy miniemy napięcie maksymalne to nasz kondensator zacznie się rozładowywać, aż do momentu kiedy znowu zostanie naładowany. Dobrze dobrany kondensator zmniejsza tętnienia do pożądanej wartości dzięki czemu dalsza jego obróbka jest o wiele łatwiejsza.

Zatem jak dobrać odpowiedni kondensator? Będziemy potrzebować kilku informacji:

1. Jaki szacujemy pobór prądu tego zasilacza. Oczywiście na podstawie not katalogowych urządzeń, z których korzystamy można oszacować pobierany prąd. Ja natomiast założę, że potrzebujemy ok. I_max = 50 mA prądu, czyli naprawdę niedużo.
2. Kolejnym parametrem jest częstotliwość pracy. Jak wiemy ze względu na wykorzystanie dwupołówkowego mostka prostowniczego otrzymaliśmy na wyjściu przebieg o dwukrotnie większej częstotliwości niż w gniazdku elektrycznym. Zatem częstotliwość ta wynosi f = 100 Hz.
3. Maksymalna amplituda tętnień. Tętnienia są nieodzownym elementem filtracji. Ja dla lepszego liczenia przyjmę, że będzie to napięcie U_tpp = 1 V. I tak w dalszej części odetniemy sobie te tętnienia, ponieważ one będą nam oscylować między 7-8 V, zaś stabilizator ucina nam wszystko co jest powyżej 5 V i stabilizuje na tym poziomie napięcie.

Obliczmy zatem wartość napięcia według powyższych ustaleń:

Najbliższy wartości popularny i często wykorzystywany kondensator elektrolityczny ma pojemność 220 uF na 25 V. Dostępny jest w każdym sklepie elektronicznym. Jednakże kondensator ten nie odpowiada obliczonej przez nas wartości. Co w takim przypadku zrobić ? Powinniśmy pamiętać z dzisiejszego artykułu, że równoległe połączenie kondensatorów to suma ich wartości. Zatem należy dobrać kolejny rezystora tak, aby co po zsumowaniu wartości obu tych kondensatorów wyszło minimum 250 uF. Proponuję kondensator 47 uF na 25 V, który także jest ogólnodostępny. Daje nam to wartość C₁ = 267 uF.

Trójkońcówkowy stabilizator napięcia LM7805

Jest to układ scalony, który posiada trzy elektrody wymagające podłączenia:

U_in – napięcie wejściowe stabilizatora. Jak wcześniej wspomniałem stabilizator do swojej poprawnej pracy wymaga różnicy napięcia wyjściowego od napięcia wejściowego na poziomie minimum 2 V. Wtedy układ jest stabilny i działa poprawnie. Tak naprawdę układ ten działa nawet przy mniejszej różnicy i nie ma problemów z jego stabilnością, jednakże jeżeli mamy możliwość ustalić napięcie na wejściu stabilizatora to nie warto ryzykować.

GND – potencjał masy. Tutaj należy połączyć ze sobą masę napięcia.

U_out – napięcie wyjściowe stabilizatora. Napięcie te jest zależne od samego stabilizatora. W naszym przypadku napięcie wyjściowe stabilizatora to 5 V. Świadczy o tym oznaczenie stabilizatora, a dokładniej jego końcówka 05. Oznacza ona, że stabilizuje napięcie na poziomie 5 V. Jeżeli pojawiałyby się jakieś literki za końcówką 05, tj. CV, T. Oznaczają one różnice między stabilizatorami. Dla przykładu stabilizator LM7812T stabilizuje napięcie na poziomie 12 V jak widzimy po końcówce, zaś jego ostatnia litera oznacza, że jest w stanie przepuścić przez siebie prąd o wysokości 3 A, co daje nam naprawdę duże możliwości.

Warto także wiedzieć, ze nie tylko końcówka świadczy o parametrach stabilizatora. Na przykład oznaczenie LM7905 oznacza, że na wyjściu stabilizatora otrzymamy napięcie ujemne. Dzięki temu jesteśmy w stanie zbudować symetryczne źródło napięcia +5 V i – 5 V . Przydaje się przy zasilaniu komparatorów, o których będzie jeszcze mowa.

Ostatnią bardzo ważną rzeczą są kondensatory. Te które są oznaczone na schemacie jako C₂ i C₃. Zalecane są przez producenta układu jako element filtrujący i przeciwzakłóceniowy. Podane są nawet ich wartości. Dla stabilizatora LM7805 wartość kondensatora na wejściu, czyli kondensatora C₂ = 0,33 uF. oraz na wyjściu to C₃ = 0,1 uF.

Jako dygresje mam dla Was dwie rady związane z omawianymi stabilizatorami:

1. Uważajcie jak podłączacie kondensatory elektrolityczne. Mają one polaryzację to znaczy, że należy włączyć je odpowiednio do obwodu. Plusem do plusa, minusem do minusa. W przeciwnym razie grozi to wybuchem kondensatora.
2. Wszystkie informacje odnośnie oznaczeń znajdziecie w nocie katalogowej producenta elementu. Wystarczy wpisać nazwę elementu i dodać słowo datasheet np. LM7805 datasheet. Najczęściej na pierwszej pozycji wyświetla się nota katalogowa producenta.

Stabilizator jest ostatnim elementem, który tworzy nasz zasilacz. To on utrzymuje wartość na stałym poziomie dzięki czemu będziemy w stanie precyzyjnie zmierzyć temperaturę naszego czujnika. Dodam też, że stabilne napięcie zasilania układów cyfrowych, a w szczególności mikroprocesorów zapewnia ich niezawodną i stabilną pracę. Mikrokontrolery mają to do siebie, że wszelkie złe jakościowo źródła napięcia wywołują u nich nieprzewidywalne zachowania, takie jak zawieszanie się. Niby nic strasznego, ale jeśli jesteś na etapie uruchamiania i testowania nowego urządzenia, to nie wiesz czy zawieszanie jest wynikiem błędu w kodzie czy zasilania. Odpowiednią filtracją można zaoszczędzić sobie dużo czasu. Oczywiście będziemy jeszcze wracać do tego tematu przy omawianiu mikrokontrolera.

Logika układu

Komparator

Komparator w naszym układzie jest mózgiem i prawą ręką tej operacji. To on odpowiada za wykrycie kiedy doszło do przekroczenia temperatury i to on włącza lub wyłącza nasz wentylator. Zatem jak on to robi ?

Głównym zadaniem komparatora jest porównywanie napięć. Posiada dwa wejścia. Wejście nieodwracające oznaczone plusem „+” i wejście odwracające oznaczone minusem „-”. Oba te wejścia posiadają wysoką impedancję. Innymi słowy nie pobierają prądu.

Oprócz wejść „pomiarowych” komparator posiada także dwa wejścia zasilające. Zasilają one układ oraz zależnie od typu komparatora (bo mamy ich kilka) mogą na wyjściu sygnalizować właśnie tym napięciem wynik porównania. Ten typ komparatora nazywa się push-pull.

Co to dla nas oznacza ? Napięcia zasilające w naszym układzie zaznaczone są po bokach komparatora. U góry podłączony jest potencjał V = 5 V, zaś na dole podłączony jest potencjał masy GND. Zasada działania jest prosta. Jeżeli na wejściu nieodwracającym „+” napięcie będzie wyższe niż na wejściu odwracającym „-” to do wyjścia komparatora będzie podłączone napięcie 5 V, zaś jeśli będzie odwrotna sytuacja, czyli na wejściu odwracającym będzie napięcie wyższe niż na nieodwracającym to do wyjścia będzie podłączony potencjał masy. W naszym przypadku jest to bardzo istotne, ponieważ wyjście steruje naszym przełącznikiem, a dokładniej tranzystorem unipolarnym MOSFET z kanałem typu N. Do naszego obwodu mocy jeszcze wrócimy. Zajmijmy się teraz samą logiką, czyli dobraniem odpowiednich napięć, aby komparator odpowiednio reagował na przekroczenie temperatury.

Pierwszy dzielnik napięcia  (R₁ i R₂) – napięcie referencyjne

Jest to napięcie, które będzie utrzymywane na stałym poziomie. To ono będzie wyznaczać nam temperaturę graniczną. Przekroczenie temperatury wiązać się będzie z przekroczeniem granicy napięcia ustanowionej przez ten dzielnik napięcia.

Potrzebujemy odpowiedniego termistora. Zatem jako przykład poniżej wklejam link do elementu, na którym będę opierać swoje obliczenia:
http://pl.farnell.com/vishay/ntcle203e3472gb0/thermistor-ntc-4k7-2-radial/dp/1187035

Wklejam także link do noty katalogowej, abyście mogli razem ze mną sprawdzać wartości:
http://www.farnell.com/datasheets/2047278.pdf

Jest to termistor firmy Vishay model NTCLE203E3472GB0, to ważne żeby w nocie katalogowej znaleźć tabelę z dokładnie tym modelem. Znajduje się ona na 4 stronie noty katalogowej – druga kolumna.

Jak możecie zobaczyć na stronie Farnella w nazwie podstrony widnieje wartość 4,7 kΩ. Odnosi się ona do wartości w temperaturze pokojowej T_n = 25 °C. Zatem jak będziecie dobierać termistor do swoich potrzeb, zawsze miejcie to na uwadze.

Załóżmy, że chcemy aby wentylator włączał się powyżej temperatury T_max = 70 °C. W tabeli widzimy, że nasz termistor w temperaturze 70 °C będzie miał rezystancję równą R_Tmax = 823,9 Ω. Oznacza to dla nas nic innego jak wartość rezystancji, którą musimy użyć do pierwszego dzielnika napięcia. Obliczmy zatem wartość napięcia, jaka będzie na wyjściu tego dzielnika z użyciem tej wartości rezystora. Dla uproszczenia obliczeń wartość drugiego rezystora dobieramy sami. Mój będzie miał wartość R₁ = 1 kΩ.

W naszym przypadku oznacza to, że jeżeli temperatura wzrośnie powyżej T_max = 70 °C  to napięcie wzrośnie powyżej U_wy = 2,74 V. Zatem mamy już napięcie odniesienia i podłączamy je do wejścia odwracającego „-”. Drugi dzielnik z termistorem będzie dołączony do wejścia nieodwracającego „+”.

Drugi dzielnik napięcia (R i R_T) – jako pomiarowy dzielnik napięcia

Jak zatem jaką rezystancję  dobrać, aby układ nasz działał według założeń i sygnalizował przekroczenie temperatury  T_max = 70 °C? Nic prostszego. Rezystor R to tak naprawdę rezystor R₂. Oba dzielniki w temperaturze 70 °C będą miały tę samą rezystancję i tę samą wartość na pięcia na swoich wyjściach. Jak temperatura wzrośnie, rezystancja termistora spadnie, ale napięcie dzielnika wzrośnie. Zatem na wejściu nieodwracającym „+” będzie większe napięcie niż na wejściu odwracającym „-” co spowoduje dołączenie wyjścia do napięcia 5V.

Zatem mamy już ustalone napięcia wejściowe komparatora. Mamy także zasilanie komparatora i zarazem napięcia jakie będą na wyjściu komparatora. Możemy zatem przejść do obwodu mocy.

Obwód mocy – klucz tranzystorowy

To właśnie tranzystor MOSFET z kanałem typu N będzie naszym obwodem mocy w dzisiejszym układzie. Do tego celu wybrałem tranzystor, który jest dość popularnym tranzystorem wykorzystywanym w technice mikroprocesorowej ze względu na napięcie kompatybilne z napięciem na wyjściu mikroprocesora. Podanie napięcia 5 V na bramkę tego tranzystora pozwala na całkowite jego nasycenie dzięki czemu nie będzie grzał się nawet przy większych prądach płynących przez niego.

Poniżej znajduje się link do niego. Jest to popularny tranzystor BUZ11:
http://pl.farnell.com/vishay/ntcle203e3472gb0/thermistor-ntc-4k7-2-radial/dp/1187035

i oczywiście nota katalogowa:
http://www.farnell.com/datasheets/2299990.pdf

Jak widzimy potrafi on sterować prądami rzędu 30 A i maksymalnym napięciu 50 V, więc jest to tranzystor o bardzo dobrych parametrach. Można sterować np. grzałką dużej mocy, lub syreną alarmową. Wiele rzeczy możemy podłączyć do zacisków tego tranzystora. Jedynym ograniczeniem jest nasze źródło.

Jeżeli źródło pozwoli to bez problemu nasz tranzystor udźwignie nawet 5 A przy zasilaniu bramki 5 V. Dlaczego zatem nie 30 A jak wcześniej wspomniałem? Jest to uzależnione od prądu jakim chcemy sterować. Im większy prąd tym większe napięcie potrzebne jest do jego pełnego nasycenia. Tę zależność opisuje charakterystyka FIGURE 6 na stronie 5 noty katalogowej.  Napięcie V_GS jest to napięcie podane na bramkę w odniesieniu do potencjału źródła S. U nas źródło S podłączone jest do potencjału masy GND, zatem napięcie V_GS określa napięcie jakie przyłożymy bezpośrednio do bramki tranzystora.

Należy jednak zabezpieczyć tranzystor przed zbyt dużym przepływem prądu. Na przykład na skutek uszkodzenia wentylatora. Może się uszkodzić w taki sposób, że będzie on stanowił zwarcie dla naszego układu. Dlatego też jak się pewnie domyślacie rezystor R_went ogranicza nam prąd w tej gałęzi.  Jest szeregowo włączony do obwodu z wentylatorem. Z prawa Ohma możemy obliczyć jaki rezystor potrzebujemy do tego celu. Jednakże, żeby obliczyć wartość tego rezystora musimy znać prąd jaki pobiera nasz wentylator. Zatem znalazłem odpowiedni wentylator. Poniżej zamieszczam do niego link:
http://pl.farnell.com/nmb-technologies/3108nl-05w-b30-p00/fan-80x80x20mm-24vdc/dp/1447967

Zasilanie to 24 V, zaś pobór prądu to 70 mA. Możemy zobaczyć to w nocie katalogowej dostępnej pod linkiem:
http://www.farnell.com/datasheets/2932.pdf

Należy wybrać oczywiście odpowiedni wentylator. Jego oznaczenie to: 3108NL-05W-B30.

Pobór prądu jest niewielki w stosunku do możliwości tranzystora, zatem w razie potrzeby możemy dołączyć do niego coś jeszcze.

Rezystor obliczymy w następujący sposób:

Zatem znamy już wartość tego rezystora. Musimy jeszcze dobrać jego moc. Parametr określający jaką moc jest oddać bez narażanie się na uszkodzenie.

Na szczęście obliczenie mocy wydzielanej na rezystorze jest proste:

P_Rwent = (I_went)² × R_went = (70 mA)² × 324,32 Ω = 1,59 W

Tak więc według powyższego wzoru obliczyliśmy moc wydzielaną na rezystorze. Moc ta jest ściśle związana z ciepłem jakie wydzieli się na rezystorze. Tak jak wspominałem wcześniej przy omawianiu mocy czynnej. Zatem najlepiej zaopatrzyć się w rezystor o mocy 2 W. Wtedy będziemy mieli naddatek mocy.

Mamy zatem układ, który pozwoli nam na sterowanie wentylatorem, ale w jaki sposób to wszystko zadziała? Poniżej wstawiam opis działania całego układu, krok po kroku – od zasilania po końcowe sterowanie.

Działanie układu

a) układ zasilania

Napięcie sieciowe o wartości skutecznej U_sk = 230 V i częstotliwości f = 50 Hz obniżone transformatorem jednofazowym na napięcie o wartości skutecznej U_sk = 7 V . Mostek prostowniczy stworzony z diod prostowniczych od D₁ do D₄ zamienia napięcie przemienne na napięcie stałe wyprostowane dwupołówkowo o dwa razy większej częstotliwości f = 100 Hz. Przebieg ten trafia następnie na kondensator C₁, który ładuje go  do maksymalnej wartości napięcia. Następnie, gdy napięcie na kondensatorze jest wyższe niż przebieg napięcia z mostka kondensator rozładowuje się prostując przebieg – filtrując go. Zatem za kondensatorem C₁ przebieg ma charakter tętniący. W naszym przypadku jest to U_tpp = 1 V. Wartość tych tętnień zależy od pojemności kondensatora. W celu wyeliminowania tętnień stosuje się stabilizator, który obniży nam napięcie wyjściowe, tym samym „ucinając” nam tętniący przebieg. Napięcie wyjściowe za stabilizatorem jest stabilną linią prostą na poziomie 5 V.

b) logika układu

Do wejścia odwracającego „-” komparatora dołączone jest napięcie z dzielnika napięcia R₁ i R₂. Napięcie te przez cały pracy układu ma taką samą wartość i nazywamy je napięciem referencyjnym. Napięcie te ma wartość 2,74 V , więc dzieli napięcie wejściowe prawie na pół. Jest ono ściśle związane z maksymalną temperaturą, przy której wentylator chłodzący musi zostać włączony.

Do wejścia nieodwracającego „+” komparatora dołączone jest napięcie z dzielnika napięcia R_T i R. Rezystancja  jest to termistor NTC. Wraz ze wzrostem temperatury maleje opór. W dzielniku napięcia, gdy opór R_T  maleje, rośnie napięcie wyjściowe dzielnika.

W związku z tą zależnością, gdy temperatura termistora wzrośnie powyżej T_max = 70 °C to napięcie na wejściu nieodwracającym przekroczy napięcie na wejściu odwracającym. Tym samym zwierając wyjście komparatora do napięcia +5 V. Gdy zaś temperatura znów będzie poniżej 70 °C  to wyjście komparatora znów zostanie zwarte do potencjału masy GND.

c) układ wykonawczy

Układem wykonawczym, inaczej mówiąc układem, który realizuje włączanie i wyłączanie wiatraka jest tranzystor MOSFET z kanałem typu N. W momencie, gdy na bramce tranzystora pojawi się napięcie dodatnie +5 V związane z podniesieniem temperatury termistora powyżej 70 °C to tranzystor wejdzie w stan nasycenia i zacznie przewodzić prąd od drenu D do źródła S. Zaś gdy na bramkę tranzystora zostanie podany potencjał masy GND to tranzystor wejdzie w stan zatkania i prąd przez kanał nie popłynie. W efekcie śmigło wentylatora przestanie się obracać.

Podsumowując

Dzisiejszy artykuł kończy temat artykułów związanych z elektroniką analogową. W kolejnej części dowiemy się co to jest sygnał cyfrowy, do czego możemy go wykorzystać i w jaki sposób możemy go przetwarzać. Z techniki cyfrowej będzie tylko jeden artykuł. Następne artykuły coraz bardziej będą nas przybliżać do poznania techniki mikroprocesorowej. Zatem dajcie znać w komentarzach co myślicie o takich praktycznych projektach i zapraszam na kolejną część artykułu.

Pozdrawiam, BG.