Vysoké učení technické v Brně Fakulta strojního inženýrství Ústav automatizace a informatiky
Aplikovaná elektronika Studijní opora pro magisterské studium Obor Automatizace a výpočetní technika, specializace automatizace
Autor: Ing. Zdeněk Němec, CSc.
Rok vydání: 2004
1
Obsah
Strana
Úvodní poznámka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1 1.1 1.2 1.3 1.4
Pasivní elektronické prvky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Odpory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kondenzátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Indukčnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Displeje z tekutých krystalů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 3 4 6 6
2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8
Polovodičové součástky diskrétní . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zenerovy diody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diody LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tyristory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Triaky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diaky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tranzistory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fototranzistory a optrony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 7 7 8 8 9 10 10 12
3 3.1 3.2 3.3 3.4
Operační zesilovače . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vlastnosti operačních zesilovačů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Otevřený obvod, korekce frekvenční charakteristiky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Přenos operačního zesilovače se zpětnou vazbou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Obvyklá zapojení operačních zesilovačů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13 13 13 14 14
4
Mikroprocesory (přehled) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
5 5.1 5.2 5.3
Mikropočítače . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jednočipové mikropočítače . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mikrořadič I 8051 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mikrořadiče PIC 16Cxx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17 17 17 18
6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5
Zdroje stejnosměrného napětí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zdroj s jednocestným usměrňovačem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zdroj s dvoucestným usměrňovačem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stabilizátory napětí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Impulzní zdroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrochemické zdroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19 20 20 20 21 21
7 Elektronické obvody pro automatizaci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 7.1 Filtry typu dolní propust (DP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 7.2 Krystalové oscilátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 8 8.1 8.2 8.3 8.4
Laboratorní cvičení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prostředí pro simulaci elektronických obvodů –cvičení č.1 Dvoupolohový a impulzní regulátor – cvičení č.2 Návrh a analýza síťového zdroje ss napětí – cvičení č.3 PID regulátor s operačními zesilovači – cvičení č.4
2
25 25 26 27 28
Úvodní poznámka Předložená studijní opora je shrnutím obsahu výuky předmětu „Aplikovaná elektronika“ pro posluchače 5. ročníku VUT v Brně, FSI, oboru automatizace. Látka je vybrána tak, aby doplňovala předchozí obecné znalosti studentů o ty části, které jsou potřebné a specifické pro práci v oboru automatizace. Nejde tedy o ucelený výklad elektroniky, ale o zkrácený výčet doplňujících poznatků, převážně ve formě heslovitých sdělení bez komentářů (vysvětlující komentáře jsou součástí přednášek).
1 Pasivní elektronické prvky - pasivní => jsou spotřebiči energie - většinou dvoupóly => mají 2 svorky 1.1 Odpory (resistory) - značka:
event. v USA:
- hlavní parametry: odpor [Ω] zatížitelnost [W] - vyráběné hodnoty odporů jsou v řadách E6 - E12 - E24 -E96, nejčastěji v řadě E12 číslo značí počet hodnot v jedné dekádě např. pro E12: 10-12-15-18-22-27-33-39-47-56-68-82 a jejich dekadické násobky - příklady značení odporů: 2j2 = 2,7 Ω 3k3 = 3 300 Ω 1M8 = 1 800 000 Ω
M15 = 150 000 Ω
-zatížitelnost: 0,125 – 0,25 – 0,5 – 1 – 2 – 4 – 6 – 10 - …. [W] miniaturní odpory
- vrstvový odpor:
keramické tělísko
přívod
odporová vrstva (spirála)
odporová vrstva je uhlíková (běžné odpory) nebo metalizovaná (kvalitnější odpory) spirála je vytvořena vybroušením z původně celistvé odporové vrstvy - drátový odpor: odporová dráha je ze speciálního drátu (konstantan,…), navinutého na keramický váleček je vhodný pro větší zatížení - destičkový odpor: je velmi přesný, stabilní, malá teplotní závislost
- měnitelné odpory: potenciometr
trimr
(nastavení knoflíkem)
(nastavení šroubovákem)
3
- náhradní schéma pro vysokofrekvenční signály: R
L
L= parazitní indukčnost spirály + přívodů
- další parametry (vlastnosti) odporů: • úchylka odporu od jmenovité hodnoty (+-10 %, +-5 %, +-2 %, +-1 %, ….) • teplotní závislost odporu; běžné 0.1 %/oC, kvalitní < 0.01 %/oC • časová stabilita odporu; běžné 2 %/rok, kvalitní < 0,2 %/rok • intenzita poruch; běžné > 1.10-6/hod., kvalitní < 1.10-8/hod. • klimatická odolnost (Tmin, Tmax, vlhkost,…).
1.2 Kondenzátory (kapacitory) C
- značka:
normální
C
+
elektrolytický
- hlavní parametry: kapacita [pF, nF, µF] dovolené napětí [V] - příklady značení kapacity kondenzátorů: 100 = 100 pF 3n3 = 3,3 nF (též 3K3 = 3,3.103 .10-12 = 3,3 nF) 5 M = 5 µF 2 G = 2000 µF ( 2.109.10-12 = 2 mF = 2 000 µF) - dovolené napětí = maximum součtu stejnosměrného napětí a střídavé složky U
Pozn.: u papírových C je omezení střídavé složky na 20 % z dovoleného napětí.
Umax t
- náhradní schéma: C
pro stejnosměrný a nízkofrekvenční signál,
RP
C
ztrátový činitel tgδ =
I značí proud, U napětí, X reaktanci
RS
pro vysokofrekvenční signál, ztrátový činitel tgδ =
Výpočtové vztahy
[
]
S F ; −, F ⋅ m −1 , m 2 , m] d kde εr = relativní permitivita dielektrika dielektrika
- kapacita C = εr ⋅ εo ⋅
IRP XC = IC RP
4
URS RS = UC XC
εo = permitivita vakua S = plocha elektrod d = vzdálenost elektrod (tloušťka dielektrika) - obecně proud kondenzátorem
iC (t ) = C ⋅
duC (t ) dt
- harmonický signál: proud předbíhá napětí o 90o,
XC ( jω ) =
1 j ⋅ω ⋅ C
- náboj v kondenzátoru: q (t ) = C ⋅ u (t ) - energie v kondenzátoru: w(t ) =
1 ⋅ C ⋅ u 2 (t ) 2
A) Elektrolytické kondenzátory - jen pro napětí jedné polarity!(při záměně poškození) - velké kapacity, protože dielektrikum (oxid hliníku nebo oxid tantalu) má malou tlouštku - používají se jako filtrační kondenzátory ve zdrojích, jako vazební, … - kvalita je horší: ztrátový činitel tgδ ≈ 0.2 - jen větší hodnoty kapacity, např. 1-2-5-10- …..10 000 µF - velké odchylky kapacity, běžně – 20 % až + 50 % B) Papírové kondenzátory - chlorovaný papír, impregnant, … - nejčastěji používán metalizovaný papír: levný, málo kvalitní (tgδ ≈ 0.015) - malá váha a rozměry, regenerační schopnost (použitelnost i po průrazu přepětím) C) Slídové kondenzátory - malé kapacity (do 10 000 pF) - postříbřené destičky, mezi nimi slída - velmi kvalitní (tgδ ≈ 0.001), stabilní, nízká teplotní závislost D) Polystyrénové a polyesterové kondenzátory - dobré střední vlastnosti, levné - velmi rozšířené E) Keramické kondenzátory - velmi příznivý poměr kapacita/objem - horší stabilita (časová stálost kapacity), značná teplotní závislost F) Speciální kondenzátory - otočné: mění kapacitu dle vzájemného natočení segmentů (ladění radiopřijímačů) - dolaďovací : - hrníčkové - skleněné pístkové - rozběhové, elektrolytické : pro krátkodobé připojení pomocné fáze motorku na 50 Hz.
5
1.3 Indukčnosti (idnduktory) L
- značka:
- hlavní parametry : indukčnost [H, mH, µH] dovolený proud [A] - materiál jádra: - železné plechy; pro tlumivky, pro 50 Hz - ferit; válcová jádra, hrníčky,.., pro vysokofrekvenční signály - bez jádra, tj. vzduchové; pro velmi vysoké frekvence (>100 MHz) - náhradní schéma:
L
RS RS = parazitní odpor vinutí
- relativně malá kvalita, protože RS je podstatný Výpočtové vztahy - obecně napětí na indukčnosti: uL(t ) = L ⋅
diL (t ) dt
- harmonický signál: proud je zpožděn vůči napětí o 90o, XL( jω ) = j ⋅ ω ⋅ L - energie magnetického pole v indukčnosti: w(t ) = 1 ⋅ L ⋅ iL2 (t ) 2
[J ; H , A]]
1.4 Displeje z tekutých (kapalných) krystalů - zkratka LCD ( Liquid Crystals Displey) - základní látkou jsou organické sloučeniny s protáhlými molekulami, které se chovají jako elektrické dipóly - elektrickým (event. magnetickým) polem se mění uspořádání molekul => změna optických vlastností, tj. průchod či odrazivost světla - princip: Uřídicí elektrody ve tvaru zobrazovaných informací
dopadající světlo
molekuly při el. napětí orientovány jedním směrem
- LCD řídí : - odrazivost (reflexní typ LCD) => vyžadují osvětlení - průchod světla (transparentní typ) - velmi perspektivní; jsou i barevné (mají řízený elektrooptický jev) - zásadní výhoda: téměř nulová spotřeba energie (ovládání jen napětím, téměř nulový proud) - využití: displeje měřicích přístrojů, zobrazovacích zařízení, hodinek, kalkulaček, … - další druhy displejů: bodové nebo sedmisegmentové s LED prvky; plazmové, elektroluminiscenční; katodové (digitrony), … 6
2 Polovodičové součástky diskrétní - polovodičový materiál: křemík (Si), dříve germánium - atomy Si mají 4 volné elektrony (je čtyřmocný) - polovodič typu N: do čistého Si se záměrně přidá malé množství pětimocného hliníku (Al), tím se dosáhne vodivost volnými elektrony - polovodič typu P: do čistého Si se přidá třímocné indium (In), tím se dosáhne „děrová“ vodivost, tj. mění se místo s chybějícím elektronem 2.1 Diody (usměrňovací, detekční) anoda
katoda (označení barvou)
- značka: + -
+
při této polaritě vede při této polaritě nevede
- využívají přechodu (styku) mezi polovodičen typu N a polovodičem P:
P
N propustný směr nepropustný směr
- hlavní parametry: dovolený proud [A] (trvalý, efektivní hodnota ) dovolené závěrné napětí [V] - voltampérová charakteristika (příklad): IPROP [A]
2
dovolený proud
1
UZÁV [V] 100
200
1 dovolené napětí
1 Up ~ 0.6V
vodivost v propustném směru je až 1000x větší než v závěrném
UPROP [V]
2
IZÁV [µA]
- další parametry: - úbytek napětí v propustném směru (většinou pro jmenovitý proud) - proud v závěrném směru (většinou pro dovolené závěrné napětí) - velikost impulzu proudu (až 50 x větší než jmenovitý) - dynamické parametry, např. doba zotavení (např. trr ~ 0.5 µs)
2.2 Zenerovy diody - značka:
A
K -
+ při této polaritě stabilizuje
7
- závěrná část charakteristiky záměrně upravena tak, aby napětí zlomu bylo definováno a aby zlom byl strmý IPROP
- charakteristika: UZ
UZÁV pracovní oblast
UPROP
IZmax IZÁV
Pmax
- nejčastěji je používána jako stabilizátor napětí: R
+
UVST US
US
UVST
t
0
2.3 Diody LED LED = Light Emitting Diode - světlo emitující dioda, dle čs. normy správně „svítivka“ A
- značka:
K tenká vrstva
světlo
A(+)
- fyzikální podstata: přechod P-N, zapojení v propustném směru, minoritní nosiče způsobují vyzařování fotonů
P
N K(-)
- světlo téměř monochromatické - barva je závislá na materiálu: GaP => červená, GaAsP => zelená, atd. - použití: indikace dvouhodnotových informací (místo dřívějších žárovek) zdroj záření pro optické spoje sedmisegmentové zobrazovače, jsou sestaveny z LED (každý segment = řada LED) mozaikové zobrazovače; 1 znak = pole bodů s LED diodami + dekodér znaků
2.4 Tyristory - čtyřvrstvý polovodičový spínací prvek - funkce: řízená usměrňovací dioda => jen pro 1 polaritu spínaného proudu - značka:
A
K G
8
- voltampérová charakteristika: IPROP
- řídicí elektrodou G ovládáme napětí, při kterém tyristor sepne IG>0
- řídicí elektrodou sepneme, ale nemůžeme rozepnout
IG=0
UZÁV
UPROP
- rozepnutí nastane až při poklesu proudu na téměř 0
- příklad použití: zátěž
UNAP
I
0
A
např. žárovka
UNAP
K
t
IG IG G
Řídicí obvod
0
t
I 0
t
2.5 Triaky
- funkce je stajná jako u 2 antiparalelních tyristorů A1
-značka:
A2 G
- pro řízené spínání v obou polaritách - voltampérová charakteristika: I - spíná symetricky obě polarity proudu IG>0
IG=0
U
0 0 IG=0
IG>0
9
- příklad použití: zátěž
UNAP
I
0
A1
zde odporová
UNAP
A2
φ
t
IG IG G
Řídicí obvod
0
t
I 0
t
- pro síťové napětí jde o tzv. fázové řízení, pak φ je úhel pro sepnutí, φ = 0 až 180o - např. ve výstupech programovatelných automatů se používá jako alternativa vůči relé k bezkontaktnímu spínání střídavých silových obvodů
2.6 Diaky
- jako triak, ale bez řídicí elektrody -značka: - použití: pro oscilátory (V-A charakteristika obsahuje zápornou oblast) ochrany proti přepětí (spíná v okolí 30 V)
2.7 Tranzistory
- vynález r. 1947: Barden, Brittein, Shockley - dnes jsou hlavními součástkami v integrovaných obvodech (počet tranzistorů <=>složitost) - samostatný tranzistor se používá omezeně: jako výkonový tranzistor, jako spínací prvek,.. A) Bipolární tranzistor typu NPN C
- značka:
B E
- fyzikální podstata:
E
P
N
emitor
C
N
B báze
(+)
kolektor (+)
- obvyklé zapojení jako zesilovače (zapojení se společným emitorem): +
∆ U 2 = ∆ IC ⋅ R C
Unapáj
∆IC = β ⋅ ∆IB ∆IB = ∆U 1 / RB
RC
+
proto ∆U 2 = RC ⋅ β ⋅ ∆IB =
RB U2
zesílení A =
U1
10
∆U 2 RC =β⋅ RB ∆U 1
RC ⋅ β ⋅ ∆U 1 RB
- parametr β = ∆IC/∆IB je proudový zesilovací činitel, někdy též značený jako h21E - běžně β = 50 až 500 - charakteristiky tranzistoru: IC
Převodní charakteristika
Výstupní charakteristika IB4
IB
IC UCE
IB3 ∆IC
IB2 β <=
∆IB
IB1
UCE
IB 0
B) Bipolární tranzistor typu PNP C
- značka:
B E
E
- fyzikální podstata:
emitor
P
N
C
P
B báze
(-)
kolektor (-)
C) Unipolární tranzistor MOS (FET jsou obdobné) C
- značka:
G E
- fyzikální podstata: ( s kanálem typu N)
UCE
E
C
N
emitor
G mřížka
UGE
(+)
kolektor (-)
- záporný potenciál G zužuje efektivní plochu mezi C-E, proto IC = f(UGE) charakteristiky: IC
Výstupní charakteristika UGE4
Převodní charakteristika UGE3 UGE2 UGE1
UGE
UCE 0
- výhoda: vstup (G) je impedančně oddělen, => řízení polem, => velmi velký vstupní odpor
11
2.8 Fototranzistory a optrony
A) Fototranzistory - světlo dopadá na bázi, uvolňuje nosiče nábojů => nahrazuje působení IB +
IC
ovětl. 1
Unapáj R
R
ovětl. 2 ovětl. 3
Uvýst
UCE
0
Unapáj
- použití: u čidel pro převod světlo → el. signál, atd. - poznámka: pro spínání se též používá fototyristor B) Optrony - optoelektronická součástka, zahrnující - zdroj záření - optickou vazbu (může být i světlovod) - čidlo záření - většinou LED + fototranzistor v 1 pouzdře: I2 I1
C
I2 I1
E 0
- event. obsahují i zesilovač - pro logické zpracování signálů: U2 U1
U2 0
U1
- používají se pro galvanické oddělení obvodů, např. pro vstupy programovatelných automatů - parametry : - izolační napětí (2500 až 4000 V) - přenosový poměr (∆Ivýst/∆Ivst) - izolační odpor (1000 až10 000 MΩ) - doba náběhu, doba doběhu (10 až 100 µs)
12
3 Operační zesilovače (OZ) OZ = základní aktivní součástka analogových obvodů neinvertující vstup
- značka (symbol ve schématech):
invertující vstup
+
výstup
-
- použití v automatizaci: - zesílené signálů na normovanou velikost - ke zpracování informací => regulátory s přenosy I,D,.. - provedení: monolitický integrovaný obvod; vstupy - bipolární - unipolární (MOS nebo FET) 3.1 Vlastnosti OZ (žádané vlastnosti)
- velké napěťové zesílení (bez zpětné vazby); běžně > 50 000 - velký vstupní odpor; stovky kΩ - malý výstupní odpor; desítky Ω - potlačení souhlasného napětí - malý vstupní klidový proud; < 0.5 µA - malá napěťová nesymetrie vstupů, tj. vstupní zbytkové napětí; > 1mV u bipolárních OZ, > 10 mV u unipolárních OZ - malý teplotní drift (drift napěťové nesymetrie vstupů); jednotky µV/oC, přepočet na vstup! - malá citlivost na změny napájecího napětí (Ù diferenční zapojení obvodů uvnitř OZ) - velká mezní frekvence; fT = tranzitní kmitočet, při něm poklesne zesílení na 1 - velká mezní rychlost přeběhu výstupního napětí; jednotka až desítky V/µs
3.2 Otevřený obvod, korekce frekvenční charakteristiky
- otevřený obvod = obvod s OZ bez zpětné vazby (ZV) z výstupu na vstup - aby byl OZ se ZV stabilní, je nutná korekce frekvenční charakteristiky OZ; (viz souvislost s teorií automatického řízení)
- u nových OZ je korekce již uvnitř OZ, ale jen pro standardní ZV s odpory, což pro je některé aplikace nevýhodné (nestabilní, nebo naopak zbytečně zatlumené) -příklady korekcí:
⏐A⏐dB = zesílení 100
bez korekce -20dB/dek
+
s korekcí
-
0
-
ϕ [o] 0
+
f
+
f
-
-90 -180
13
3.3 Přenos OZ se ZV (obecně)
- požadované vlastnosti celého obvodu jsou dány zpětnovazebními prvky ! - ZV je nutné připojit na (–) vstup; zapojení ZV na (+) vstup vede k nestabilitě A) Řešení obvodové Z0
I0
odvození:
Z1
A → −∞ ⇒ Uvst → 0 Ivst → 0 ⇒ I 1 + I 0 = 0
U1
Uvst
I1
- obecně:
+
U0
− Z 0( s ) U1 U 0 + = 0 ⇒ U 0( s ) = U 1( s ) ⋅ Z1 Z 0 Z 1( s )
U 0( s ) = U 1( s ) ⋅ G ( s ), kde prenos G ( s ) = − Z 0( s ) / Z 1( s )
- impedance Z1(s), Z0(s) mohou být obvody s odpory, kondenzátory, indukčnostmi, atd. B) Řešení z analogie k regulačnímu obvodu přenos uzavřené smyčky: − A U 0( s ) = G(s) = , ale A ⋅ β >> 1, U 1( s ) 1 − [− A ⋅ β ]
β +
U1
U0
-⏐A⏐
proto G ( s ) =
− A A ⋅β
=
−1
β
− Z 0( s ) Z 1( s ) - potvrzení: přenos je závislý jen na zpětné vazbě
jelikož β = Z1/Z0, pak přenos G ( s ) =
3.4 Obvyklá zapojení s OZ
A) Invertující zesilovač napětí R0
U 0 = −U 1 ⋅
R1 U1
R0 R1
nejčastěji používané zapojení
+
U0
B) Neinvertující zesilovač napětí R0
R0 ⎞ ⎛ U 0 = U 1 ⋅ ⎜1 + ⎟ R1 ⎠ ⎝
R1 U1
+
výhodou je velký vstupní odpor
U0
14
c) Převodník napětí → proud I0
-
I0 =
Zátěž +
R
U1
U1 R
nevýhodou je, že zátěž nemá uzemněný vývod
D) Převodník proud → napětí R
U 0 = −R ⋅ I1
-
I1
+
U0
E) Proudový zesilovač (převodník I → I) I0
R2
-
I0
R2 ⎞ ⎛ I 0 = − I 1 ⋅ ⎜1 + ⎟ R1 ⎠ ⎝
Zátěž +
R1
F) Napěťový sledovač U 0 = U1 využití pro impedanční přizpůsobení
+
U0
U1
(vstupní odpor vysoký, výstupní odpor téměř nulový)
G) Diodový omezovač R
U0
R
U0
U1
U0´
0,6V
U1
-0,6V
U0´
chová se jako ideální dioda: - přenos 0 pro záporný vstup - přenos –1 pro kladný vstup
U0=-U1
H) Multivibrátor event. šířková modulace
R0
C
R1
UU+
R2
U0
- jde o kombinaci záporné a kladné vazby - šíroké použití, hlavně pro šířkovou modulaci impulzních signálů (mění se střída úměrně vstupnímu signálu)
15
- činnost je patrná z časových průběhů na vedlejším obrázku
U-
τ=Ro.C
t
h
0 U+
t
h
0
h=U0M.R1/R2
U0
U0 0
t
4 Mikroprocesory (přehled) Definice mikroprocesoru: Je to integrovaný obvod vysoké složitosti, realizující hlavní funkce procesorové jednotky (CPU), tj. čte jednotlivé instrukce programu a provede podle nich předepsané operace. - hlavní bloky: aritmeticko-logická jednotka (ALU), registry, vyrovnávací paměti, řadič - program je obsažen v externích pamětech (ROM, RAM, EPROM,..) - odlišnost od integrovaných obvodů (IO): univerzální struktura, požadovaná funkce zajištěna programem, => možnost masové výroby A) 4 - bitové - r. 1971, typ I 4004, počátek mikroprocesorové éry - vznikl jako náhrada za sadu IO do kalkulačky (byl to redukovaný procesor z počítače PDP-8) - potřeba mnoha vnějších IO pro podporu B) 8 – bitové - r. 1972, typ I 8008 - r. 1973, typ I 8080 - r. 1974, typ I 8080A; standard, velmi rozšířený, obsahoval 5000 tranzistorů - r. 1976, typ I 8085; 2x výkonější, vrchol 8 bit. mikroprocesorů též fy Zilog: Z-80, též fy Motorola: MC 6800 C) 16 - bitové - r. 1978, typ I 8086 - r. 1979, typ I 8088; uvnitř 16 bitový, vně zapojen jako 8 bitový => úspora spojů, součástek,.. koprocesor I8087: pro aritmetické operace => zrychlení numerických výpočtů též fy Zilog: Z-8000, též fy Motorola: MC 68 000 - r. 1982, typ I 80286; zvětšený adresový rozsah, vyšší rychlost I 80287: koprocesor - pro průmyslové aplikace: I 80186, I80188 D) 32 - bitové - r. 1984, typ I 80386; hodinový kmitočet 16 až 33 MHz I 80386 SX; vně 16 bitů - „ - DX; vně 32 bitů I 80387: koprocesor - r. 1989, typ I 80486 SX; vnitřně i vně 32 bitů, bez koprocesoru - „ - DX; -“s koprocesorem - „ - DX2/50; vnitřní hodinový kmitočet 50 MHz, vnější 25 MHz 16
E) 64 – bitové ( stav k r. 1993) - řada Pentium, fy Intel kompatibilita instrukcí s I 80486, technologie CMOS 0.8 µm, uvnitř 3 miliony tranzistorů, příkon 13 W, superskalární struktura => až 3 instrukce současně (2 v ALU + 1 v FPU), zrychlení 8x vůči I 80486 - řada Power PC typy MPC 601 až MPC 620, sdružení firem Motorola + IBM + Apple, architektura superskalární, RISC (redukovaný instrukční soubor) - řada Alpha fy DEC, architektura superskalární, RISC, hod. kmitočet 200 MHz, plán zvýšit výkon 1000x (10x kmitočtem, 10x paralelní strukturou,…)
5 Mikropočítače Definice : Mikropočítač je programovatelný sekvenční automat, sestavený z integrovaných obvodů vysoké integrace. - skládá se z: - mikroprocesoru - paměti pro záznam a čtení dat (RWM, RAM) - paměti pro program (ROM, PROM, EPROM, EEPROM) - obvody pro vstup a výstup dat - pozor: - mikroprocesor je součástka (≡ motor) - mikropočítač je zařízení s ucelenou funkcí (≡ automobil) - v automatizaci nejčastěji ve formě stavebnice (jednotka CPU + jedn. vstupů/výstupů + …) - stejný HW pro mnoho aplikací, odlišnost funkce dána jen programem => univerzálnost => => nízké ceny
5.1 Jednočipové mikropočítače
- též název mikrořadiče, nesprávně mikrokontroléry - do 1 čipu integrováno: - ALU (aritmeticko logická jednotka) - hlavní paměť omezeného rozsahu (RAM, ev. EPROM pro program) - časovač / čitač - vstupní / výstupní obvody omezeného rozsahu - event. A/Č převodník, sériová komunikace - vhodné pro „malé“ aplikace s malým počtem vstupů a výstupů - např. měřicí přístroje, el. spotřebiče, tiskárny, pračky,.. - výhody: velmi levné; vše v 1 pouzdře IO - nevýhody: programování na úrovni assembleru - první typy: I 8048 (1KB - ROM), I 8748 (1KB - EPROM), RAM 64B, 27 linek vst/výst 5.2 Mikrořadiče I 8051
- standard, nyní výkonnější kompatibilní náhrady (Atmel, ..) - I 8051: 4 KB programu v ROM I 8031: program musí být na vnější paměti I 8751: 4 KB programu v EPROM - paměť RAM je 128 B, adresový prostor programu 64 KB
17
2 časovače / čitače 16 bitů - duplexní sériový port - možnost přerušení (2 úrovně, 5 zdrojů) - 32 linek vstupů / výstupů - instrukce násobení a dělení Blokové schéma I 8051
oscilátor
paměťprogramu ROM/ EPROM
paměťdat 128 B RAM
čitače 16 bitů 2x
řízení sběrnice ROM/ EPROM
programovatelné vstupy/výstupy
sériový port
CPU (ALU)
přerušení
P0
řídicí vodiče pro P0 až P3
P1 P2
4 x 8 bitů
P3 sér. sér. výstup. vstup.
5.3 Mikrořadiče PIC 16Cxx
- výrobcem fy Microchip (USA), cena 100 až 600 Kč - společné vlastnosti: osmibitová data, architektura RISC, technologie CMOS - je mnoho typů, zde uvedeme jen 3 hlavní skupiny dle složitosti (viz A, B, C) - každá typová řada má modifikace:- dle typu programové paměti (ROM, PROM, EEPROM) (provedení OTP => program je jen jednou nahrán) - dle kapacity paměti programu a dat - dle oscilátoru a hodinového kmitočtu (od 4 do 20 MHz) - dle typu pouzdra - dle rozmezí napájecího napětí a teplot A) Řada PIC 16C5x Typ PIC 16C54 55 56 57
Paměť programu 512 x 12 512 x 12 1 K x 12 2 K x 12
Paměť dat (RAM) 32 x 8 32 x 8 32 x 8 80 x 8
- mají 33 jednoslovních instrukcí, 1 instr. = 12 bitů - doba trvání instrukce při oscilátoru 20 MHz je většinou 0,2 µs - pouze 1 úroveň podprogramu - nemají přerušení - 1 čitač nebo časovač - registry (8bitové): 8 speciálních, 16 až 24 univerzálních (datových) - hlídání Watch Dog: při překročení doby nečinnosti se resetuje - možný režim Slep, tj. „spaní“ => malá spotřeba 18
Počet vst/výst 12 + 1 cit./čas. 20 + 1 cit./čas 12 + 1 cit./čas. 20 + 1 cit./čas
B) Řada PIC 16C7x - hlavní typ je PIC 16C71 (viz dále), odvozené typy PIC 16C710, …711, …72, …73, …74, bez A/D převodníku: PIC 16C83, …84 (EPROM, použitý ve cvičeních) - obsahuje 4 analogové vstupy + 8 bitový aproximační A/D převodník (doba převodu < 20 µs) - má systém přerušení: 4 zdroje přerušení (přerušení od exter. vstupu, od časovače, od konce A/D převodu, od změny na 4 vstupech) - 13 vstupů / výstupů (z toho 4 analogové) - 35 instrukcí, 1 instrukce = 14 bitů - paměť programu 1K x 14 bitů, paměť dat 36 byte B) Řada PIC 17C4x - hlavní typ je PIC 17C44 (viz další popis), odvozené typy PIC 17C43 (menší paměť programu), PIC 17C42 (bez HW násobičky, menší paměť programu) - má HW pro násobení 8x8 bitů za 0,16 µs - 2 šířkově modulované výstupy ( možno použít jako náhradu analogových výstupů) - systém přerušení: 11 zdrojů - 33 vstupů / výstupů - 58 instrukcí, 1 instrukce = 16 bitů - paměť programu 8K x 16 bitů, paměť dat 454 byte - sériový port - 3 čitače po 16 bitech
6 Zdroje stejnosměrného napětí Zdroje stejnosměrného (ss) napětí pro přístroje automatizace: - síťový klasický, tj. transformátor + usměrňovač + filtr + event. stabilizátor - síťový impulsní, tj. usměrňovač + meziobvod + šířkově modulovaný měnič + usměrňovač - akumulátorový; většinou jako záložní zdroj - bateriový; pro přenosné a mobilní prostředky Pro automatizaci převažují zdroje 24 Vss (uvnitř přístrojů se z něho odvozují 5 V, +- 15V ); dříve též 220 Vss, ale to dnes jen pro elektromagnety ventilů, … Zajištění nepřetržitého napájení: a) Zdrojem střídavého napětí jsou UPS (uninterrupt Power Suply). Obsahují akumulátory, které jsou zdrojem po výpadku el. sítě. Překlenou ¼ hod. až několik hodin. b) Zálohování výhybkou na ss straně: 230 V~ el. síť
klasický síťový zdroj AKU
U1
UN UN
U2
0
U1
U2 t výpadek síťového napájení
19
6.1 Zdroj s jednocestným usměrňovačem IN
∆U 20 ms
C
230 V~
UZ
IZ UZ
t
0 TV ~ 17 ms
IN
t
0
- orientační výpočet zvlnění ∆U při daném kondenzátoru C (nebo obráceně) vychází z rovnosti nabíjení a vybíjení nábojů v C: IZ.TV = ∆U.C - usměrňovací diodu nutno dimenzovat na proud větší než je střední hodnota zatěžovacího proudu IZ (přesněji dle efektivní hodnoty pulzů IN)
6.2 Zdroj s dvoucestným usměrňovačem
A) Pro transformátor s 1 sekundárním vinutím: UZ C
230 V~
UZ
10 ms 0
t
Gretzův můstek (dnes jako 1 součástka - „diodový můstek“)
- výhodou je jednodušší transformátor - nevýhodou je nutnost větší filtrace zvlnění výstupu B) Pro transformátor s 2 sekcemi sekundárního vinutí: C
UZ
UZ
230 V~
10 ms 0
t
- nevýhoda: složitější transformátor
6.3 Stabilizátory napětí
A) Se Zenenerovou diodou R napětí z UF filtru
UR
IZ
UF
ID
US
US 0
20
UR
t
- návrh pracovního odporu R: vycházíme z UFmin, kdy musí být ID ≥ 0, pak platí: UFmin – US ≥ R.IZmax => R ≤ (UFmin – US) / IZmax - kontrola zatížení Zenerovy diody: nejnepříznivější případ je při odpojené zátěži, kdy ID = (UFstř – US) / R, ztrátový výkon P = ID.US B) Integrované stabilizátory - vyrábějí se jako IO s pevnou hodnotou výstupního napětí (typicky 5V, 9V, 12V, 15V, 24V) - většinou tříbodové zapojení:
Stabilizátor nestabilizované napětí
Uvst
stabilizované napětí
Uvýst
- nutná podmínka: (Uvst – Uvýst) ≥ 2 až 3 V - stabilizátory mají zabudovanou ochranu proudu (proti zkratu výstupu) a ochranu teplotní (při přehřátí vypne) - příklady typů: MA 7805 (pro 5V) až MA7824 (pro 24V)
6.4 Impulzní zdroje
- podstatou je to usměrňovač s navazujícím pulzním měničem:
U1=
~
usměrňovač
U2=
pulzní měnič
- blokové schéma: šířkově modulovaný signál, f = 70 kHz usměrňovač
filtr
střídač
transformátor s feritovým jádrem
usměrňovač + filtr
0
230 V~
0
výstup ss nap.
300 V
stejnosměrný meziobvod
řízení šířkovou modulací
regulátor regulátor napětí napětí
galvanické oddělení
- výhody: - vyšší účinnost (energie není mařena jako u předchozích stabilizátorů) - menší rozměry a váha (<= vysoký kmitočet, malé filtrační C) - nevýhody: - složitější => vyšší poruchovost - je zdrojem rušení
6.5 Elektrochemické zdroje
Nutno rozlišovat akumulátory (po vybití možno opět nabít) od baterií (jednorázové využití)! A) Akumulátory větších kapacit - jako stacionární zdroje , tj. záložní zdroje 21
- většinou olověné (2.0 V/článek) - eventuálně nikl – kadmiové (1.2 V/článek) nebo nikl – ocelové (1.2 V/článek) - záložní zdroje pro: - automatiku; nutný trvalý provoz bez přerušení - nouzové osvětlení - nutné trvalé dobíjení ze sítě, většinou umístění v samostatné místnosti (uvolňování plynů) B) Akumulátory přístrojové - malé kapacity, do přenosných přístrojů (hlavně měřicích přístrojů) α) Nikl –kadmiové (NiCd) klasické; Inabíj = Ivybíj ≤ (kapacita [Ah]) / 10 hod. β) Nikl –kadmiové (NiCd) se sintrovanými elektrodami; Inabíj, Ivybíj jsou větší než u α) - výhody α), β) : lze je přebíjet bez poškození - nevýhody α), β) : „paměťový efekt“ => je-li nabíjen nevybitý článek, je jeho kapacita menší γ) Nikl – metal hybridové (NiMH); všeobecně lepší než NiCd, mají menší paměťový efekt, .., ale větší samovybíjení (4%/den vůči 1%/den u NiCd)) - společné doporučení pro α), β), γ) : používat cykly nabíjení až po úplném vybití článků δ) Lithium – iontové (Li-ion); výhodné pro intenzivní používání, nemají paměťový efekt, např. pro mobilní telefony ε) Stříbro zinkové; poměrně nákladné, pro speciální použití (např. závodní motocykly) C) Baterie (přesněji primární galvanické články) - použitím je znehodnocena aktivní hmota => nelze nabíjet! - do přenosných přístrojů α) Klasický burelový článek (Leclanchéův) + elektroda je burel (= kysličník manganičitý) - elektroda je zinek (Zn) elektrolytem je roztok chloridu amonného - napětí 1,5 V (ale vybíjením dosti klesá) - normované rozměry (tužkový tvar, monočlánek,…) β) Alkalický článek burelový - obdoba předchozího, ale elektrolytem je roztok KOH - vyšší kapacita 2 až 5x - delší skladovatelnost (2 roky) - dobrá funkce i pod 0oC - ale vyšší cena 2 až 3x γ) Rtuťové alkalické články - jmenovité napětí 1,35 V, během vybíjení se téměř nemění - kapacita větší (1.5 až 2x) než alkalické burelové - vyšší cena - rozměry knoflíkové - do měřicích přístrojů, hodinek, fotopřístrojů,… δ) Lithiové články - cca 3 V/ článek - pro malé vybíjecí proudy - dlouhá životnost (až 10 let) - velká měrná kapacita (300 Wh/kg) - vysoká cena
22
7 Elektronické obvody pro automatizaci (výběr) 7.1 Filtry typu dolní propust (DP)
- účel a použití: filtrace signálů od rušení a od nadbytečně rychlých změn veličin příčinou rušení je používání dlouhých vedení, nízké úrovně signálů od čidel,.. rychlé změny jsou nežádoucí zejména při následném číslicovém zpracování signálů A) Jednoduchý filtr DP, pasivní - jde o přenos statického členu se setrvačností 1. řádu (též „setrvačný článek“ nebo „RC člen) Zapojení: Přenos: R Rvýst
G(s) = C
U1
U1
Uo( s) 1 = , U 1( s ) 1 + s ⋅ τ
kde τ = R ⋅ C
Rvst
Přechodová charakteristika:
Logaritmická frekvenční charakteristika:
U1
20log|G|
ω
1/τ
0
t
τ
-20dB/dek
U2 filtrace
t
- filtrace je od zlomové frekvence fz: ωz = 2 ⋅ π ⋅ fz =
1
τ
⇒
fz =
1 2 ⋅ π ⋅τ
=
1 2 ⋅π ⋅ R ⋅ C
- výhody: - pasivní obvod => nevyžaduje napájení - lze realizovat improvizovaně, např. na svorkách přístroje - nevýhoda: nutno dodržet podmínky Rvýst << R << Rvst, jinak není přenos přesný (|G|<1) B) Jednoduchý filtr DP s OZ (setrvačný článek) R0
20log|G|
C0
R1
-20dB/dek
U1
Přenos:
G (s) =
+
Uo ( s ) −K = , U 1( s ) 1 + s ⋅ τ
0
U0
kde K =
ω 1/τ
Ro , τ = Ro ⋅ Co R1
- výhoda: přenos není závislý na impedanci zdroje a zátěže
23
filtrace
C) Dvojitý filtr DP s jedním OZ - statická soustava se setrvačnosti 2. řádu (též kmitající článek) - lze realizovat i kaskádním zapojením dle A) (ale obtížnější dodržení podmínek impedancí) nebo dle B) (ale potřeba dvou OZ) - volbou prvků lze dosáhnout různých charakteristik, tj. různého chování Zapojení:
Přenos:
R3
G (s) = C2
kde T = R 2 ⋅ R 3 ⋅ C 1 ⋅ C 2
U1
C1
R2 +
U0
Přechodová charakteristika:
Logaritmická frekvenční charakteristika:
U1
20log|G|
1/τ
t U0
Uo ( s ) K = , U 1( s ) 1 + 2 ⋅ ξ ⋅ s ⋅ T + s 2 ⋅ T 2
ξ = 0.3
ω
0
ξ=1
1/T
-40dB/dek
filtrace
t
- filtrace je intenzivnější, protože sklon charakteristiky je dvojnásobný, -40 dB/dekádu
7.2 Krystalové oscilátory
- jedná se o oscilátory s piezoelektrickými krystaly (též krystalovými jednotkami – KJ) - v analogových zařízeních generujeme harmonický signál; jako zesilovací prvek použijeme tranzistor, provozovaný v lineárním režimu - v číslicových zařízeních vyžadujeme naopak pravoúhlé průběhy kmitů; jako zesilovací prvek použijeme logický integrovaný obvod reaktance krystalové jednotky:
R
- nejčastější zapojení oscilátoru:
frekvence fo
& (R linearizuje charakteristiku hradla;) R1, C1, C2 částečně filtrují vyšší harmonické)
KJ C2
&
|X|KJ
R1 posouvá o – 180 o
C
L fo
C1
- velmi přesné!; stabilita frekvence 1.10-7/rok (dlouhodobě), až 1.10-9/den (krátkodobě) - proto je žádoucí převést jakékoliv měření veličin na měření prostřednictvím krystalu
24
f
8 Laboratorní cvičení Poznámka: v této kapitole jsou uvedeny texty zadání laboratorních úloh, které se uskutečňují v počítačové laboratoři.
8.1 Prostředí pro simulaci elektronických obvodů –cvičení č.1 Úkol : Seznámení s počítačovou podporou pro návrh, kreslení a analýzu elektronických obvodů Název prostředí : Electronics Workbench, v.5.0 (dále jen EWB) Zadání :
1. Spusťte EWB, nejlépe z nabídky programů. V roletě souborů otevřete ukázkový příklad “2m-oscil“ (později event. další doporučené ukázky „UA709“, „STEPDRV“). 2. Postupně si prohlédněte roletové nabídky a prolistujte Help. 3. Seznamte se s modely alespoň nejdůležitějších součástek. Doporučený postup : Z druhé horní lišty (skupinové knihovny) přemístěte součástky na pracovní plochu bez jejich propojování. Informace o dotyčných modelech součástek pak dostanete jejich označením (kliknutím) a stiskem klávesy F1. Dvojklikem vyvoláte nastavování parametrů označené součástky. 4. Podrobněji se seznamte s užíváním osciloskopu. Zkuste např. propojit osciloskop s funkčním generátorem sledujte základní časové průběhy. Odečtěte hodnoty časů a velikosti signálů pomocí posuvných ukazatelů. K dalšímu seznámení se s prostředím zapojte odbornou intuici (např. zapnutí pochodu = klik na přepínač O-I, propojování součástek,…). Němec–1/2000–Cv_ApEl1.doc
25
8.2 Dvoupolohový a impulzní regulátor – cvičení č.2
Obsah cvičení : Dvoupolohový a impulzní regulátor Pomůcky: PC s nainstalovaným prostředím Electronics Workbench v. 5.0 Zadání : 1. Sestavte dvoupolohový regulátor s operačním zesilovačem dle přiloženého schématu. Odzkoušejte jeho vlastnosti a zaznamenejte si jeho převodní charakteristiku (na vstup trojúhelníkový signál, na výstup osciloskop). Čím lze měnit hysterezi, event. vyjádřete obecný vztah (závisí na 3 veličinách). 2. Před regulátor předřaďte obvod pro realizaci regulační odchylky, nejlépe ve formě rozdílového zesilovače dle přiloženého shématu. 3. Připojte obvod pro nastavování žádané hodnoty. Použijte např. spojení bateriového zdroje 10 V a potenciometru, žádanou hodnotu odebírejte z jezdce. 4. Připojte regulovanou soustavu. Jako hlavní objekt volíme stejnosměrný motor. Budicí vinutí napájejte ze stejnosměrného zdroje proudem 3mA a výstupem regulátoru ovládejte přímo napětí kotvy. Vliv dynamiky výkonového členu a tachodynama nahraďte setrvačným článkem s časovou konstantou 0,2 s ve formě RC členu, zařazeného ve zpětné vazbě od otáček motoru (odpor volte 2 k). Změřte přechodovou charakteristiku motoru a stanovte jeho přenos (měříme v otevřené smyčce). 5. Experimentujte s celým (tj. uzavřeným) regulačním obvodem. Pozn.: Pokud je v důsledku uzavření regulačního obvodu hlášena chyba, zvětšete v nabídkách AnalysisGlobal parametr simulace „Relative error tolerance“ na 0,005.
Při jmenovitých otáčkách zjistěte kolísání otáček (špička-špička) a periodu kolísání. Čím lze snížit kolísání otáček, jaké nejmenší je dosažitelné a při jaké periodě? 6. Změňte regulátor na impulzní. Z předmětu PAŘ si pamatujeme, že regulátor je nutné rozšířit o pomocnou zpětnou vazbu ve formě setrvačného článku dle přiloženého schématu (součin kondenzátoru a odporu 1k přibližně určuje časovou konstantu, přes odpor 10k se realizuje odečítání zpětnovazebního signálu). 7. Experimentálně zjistěte přednosti impulzního regulátoru. Jak se změnila míra kolísání regulované veličiny? Čím lze kolísání otáček ještě více zmenšit? Němec-2/2000-Cv_ApEl2.doc
26
8.3 Návrh a analýza síťového zdroje ss napětí – cvičení č.3
Obsah cvičení : Návrh a analýza síťového zdroje ss napětí pro přístroj s napětím 9V, s odběrem do 0,3 A, zvlnění výst. napětí pod 1% Pomůcky: PC s nainstalovaným prostředím Electronics Workbench v. 5.0a Zadání : 1. Sestavte schema usměrňovače se síťovým transformátorem. - Síťový transformátor vyberte ze skupiny „powrvolt“ typ PP5-36. - Usměrnění navrhněte dvojcestné -Určete amplitudu napětí na sekundárním vinutí transformátoru a velikost napětí za usměrňovačem (obě hodnoty bez zatížení). Proč se částečně liší? K měření zde i v následujících bodech používejte osciloskopu a vestavěného multimetru s odečítáním pomocí kurzoru.
2. Doplňte usměrňovač o filtrační kondenzátor a určete hodnoty napětí dle tabulky pro nejmenší dovolené síťové napájecí napětí 207 V (jmenovité – 10%). Kondenzátor
Při zátěži 40 Ω (odběr cca 0,3 A) Maximum napětí Minimum napětí
Napětí bez zátěže
1000 µF 3300 µF Volíme kondenzátor 3300 µF. Proč? 3. Doplňte zdroj o stabilizátor. Ke stabilizaci použijte odpor a Zenerovu diodu. Doporučujeme diodu 1N5238B, která má jmenovité napětí 8,9 V. Vybereme ji z knihovny ve složce „motor 1n“.
Odpor vypočtěte (viz přednášky nebo intuice), event. nouzově určete experimentováním. 4. Stanovte parametry zdroje a) Výstupní napětí:- při nezatíženém zdroji Uo = ? - při jmenovitém odběru U30Ω = ? b) Vnitřní odpor zdroje Ri = ? c) Činitel stabilizace, tj. poměr zvlnění napětí před stabilizátorem ke zvlnění za stabilizátorem K= ? d) Zjistěte zvlnění výstupu (napětí špička- špička) pro následující provozní podmínky: Síťové napětí 50 % zátěže 100 % zátěže přetížení o 10 % Rz = 60 Ω Rz = 30 Ω Rz = 27 Ω ( 230 V (jmen.) 207 V (-10%) 195 V (-15%) 5. Zhodnoťte dosažené vlastnosti zdroje. Doplňující otázky (pro pokročilé): - co je nutné změnit aby zdroj správně fungoval i při sníženém síťovém napětí (při -10%) - co se zhorší, použijeme-li ve stabilizátoru diodu s napětím 9,1V (tj. 1N5239B) - určete tepelnou ztrátu na odporu stabilizátoru, jakou výkonovou zatížitelnost odporu zvolíte - vypočtěte výkonové zatížení (tepelnou ztrátu) na Zenerově diodě Němec – 2/2004 – Cv_ApEl_3b.doc - jaká je jiná varianta stabilizátoru.
27
8.4 PID regulátor s operačními zesilovači – cvičení č.4
Obsah cvičení : PID regulátor s operačními zesilovači Pomůcky: PC s nainstalovaným prostředím Electronics Workbench v. 5.0 Úkoly :
1. Sestavte schéma PID regulátoru s operačními zesilovači Nechť regulátor obsahuje neideální derivační složku a má tedy přenos TD * s ⎤ 1 ⎡ GR ( s ) = KP * ⎢1 + + ⎣ TI * s 1 + TDF * s ⎥⎦
kde
Kp = 2, TI = 1 s, TD = 0.2 s, TDF = 0.05 s
2. Před regulátor předřaďte obvod pro simulaci skokové změny regulační odchylky. Použijte např. zapojení dle přiloženého schématu, obsahující i návaznost na proporcionální člen regulátoru. Přepínání změn se realizuje stiskem klávesy mezery.
3. Připojte osciloskop. Na jednom kanálu sledujte celkový výstup regulátoru (akční veličinu), na druhém jen derivační složku. 4. Vyšetřete a zaznamenejte si přechodovou charakteristiku. 5. Jak se změní přechod. charakteristika pro téměř ideální derivační složku (zmenšete TDF např. na desetinu). Jak se změní pro TDF = TD/2. 6. Analyzujte vliv rušícího signálu na činnost regulátoru. Předpokládejme, že na signál od čidla regulované veličiny se nasuperponuje síťový brum o běžné velikosti 0.5 % (při jmenovitých rozsazích 10V to odpovídá amplitudě rušení 50mV). Tento vliv lze modelovat vřazením zdroje střídavého napětí 35 mVef/50Hz do série ze zdrojem 1V obvodu vstupního skoku. Poměr TD/TDF
bez derivace ≈ 0.005/0.05
2 0.2/0.1
4 0.2/0.05
10 0.2/0.02
ideál. der. ≈ 0.2/0.002
Poměrný brum na výstupu:
Abr [V] / 10[V] Vyhodnoťte poznatky ze simulace rušení. Doplňující úkoly a otázky: - nakreslete amplitudovu logaritmickou frekvenční charakteristiku daného regulátoru - jakým opatřením lze zmírnit vliv rušení o kmitočtu 50 Hz při parametrech přenosu dle bodu 1 - jaké spektra (kmitočty) rušení nelze potlačit (obecná úvaha) Němec – 2/2001 – Cv_ApEl4.doc
28
