LABORATORNÍ IMPULZNÍ ZDROJ ŘÍZENÝ PROCESOREM

´ UCEN ˇ ´I TECHNICKE ´ V BRNE ˇ VYSOKE BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

ˇ ´ICH TECHNOLOGI´I FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKACN ´ USTAV RADIOELEKTRONIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF RADIO ELECTRONICS

ˇ´IZENY ´ PROCESOREM LABORATORN´I IMPULZN´I ZDROJ R

´ RSK ˇ A ´ PRACE ´ BAKALA BACHELOR’S THESIS

´ AUTOR PRACE AUTHOR

ˇ´I CHYTIL JIR

´ UCEN ˇ ´I TECHNICKE ´ V BRNE ˇ VYSOKE BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

ˇ ´ICH FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKACN ´ TECHNOLOGII ´ USTAV RADIOELEKTRONIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF RADIO ELECTRONICS

ˇ´IZENY ´ PROCESOREM LABORATORN´I IMPULZN´I ZDROJ R LABORATORY PULSE POWER SUPPLY CONTROLED BY MICROCONTROLER

´ RSK ˇ A ´ PRACE ´ BAKALA BACHELOR’S THESIS

´ AUTOR PRACE

ˇ´I CHYTIL JIR

AUTHOR

´ VEDOUC´I PRACE SUPERVISOR

BRNO 2011

ˇ´I SEBESTA, ˇ doc. Ing. JIR PhD.

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav radioelektroniky

Bakalářská práce bakalářský studijní obor Elektronika a sdělovací technika Student: Ročník:

Jiří Chytil 3

ID: 120598 Akademický rok: 2010/2011

NÁZEV TÉMATU:

Laboratorní impulsní zdroj řízený procesorem POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: Proveďte systémový rozbor řešení dvojhladinového impulsního laboratorního zdroje s řízením napětí a proudového omezení pro rozsah 0-20 V/ 0-1 A. Pro řízení využijte mikrokontrolér řady PIC18 s aplikací USB rozhraní pro komunikaci s PC. Navrhněte kompletní zapojení zdroje. Navrhněte desky plošných spojů zdroje, osaďte je a proveďte test základní funkčnosti systému. Sestavte řídící program mikrokontroléru zdroje a odlaďte jeho funkčnost. Sestavte aplikaci pro PC pro dálkové ovládání napájecího zdroje. Proveďte komplexní měření parametrů navrženého a realizovaného zdroje. DOPORUČENÁ LITERATURA: [1] MATOUŠEK, D. USB prakticky. BEN - technická literatura, Praha, 2003. [2] KREJČIŘÍK, A. Napájecí zdroje I. -III. BEN - technická literatura, Praha, 1997. Termín zadání:

7.2.2011

Termín odevzdání:

Vedoucí práce:

doc. Ing. Jiří Šebesta, Ph.D.

27.5.2011

prof. Dr. Ing. Zbyněk Raida Předseda oborové rady

UPOZORNĚNÍ: Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.

ABSTRAKT Tato pr´ace se zab´yv´a n´avrhem impulzn´ıho laboratorn´ıho zdroje ˇr´ızen´eho mikroprocesorem. Je sloˇzena ze tˇrech modul˚ u: ˇr´ıd´ıc´ı jednotky a dvojice stejn´ych v´ykonov´ych modul˚ u. Kaˇzd´y z modul˚ u je ˇr´ızen mikrokontrol´erem PIC ˇrady 18. Zaˇr´ızen´ı m´a b´yt schopno pracovat jak samostatnˇe tak ve spojen´ı s PC pˇres rozhran´ı USB. V´ystupn´ı parametry 0 – 20 V, 0 – 1 A. Pˇri n´avrhu byl kladen d˚ uraz na n´ızkou spotˇrebu zaˇr´ızen´ı.

ˇ ´ SLOVA KL´ICOV A Sp´ınan´y zdroj, obvody TOPSwitch, impulzn´ı transform´ator, rekuperaˇcn´ı obvod, zpˇetn´a vazba, line´arn´ı regulace, DAC, ADC, SPI, I2C, reˇzim konstantn´ıho napˇet´ı, reˇzim konstantn´ıho proudu, display s ˇradiˇcem HD44780, rozhran´ı USB, s´ıt’ov´e filtry, ESD ochrana, optick´e oddˇelen´ı, bistabiln´ı rel´e, ICSP

ABSTRACT This project deals with design of switching laboratory supply controled by PIC microcontroler. It consist of three modules: control unit and couple of power modules. Each of the modul is controled by PIC18 microcontroler. Device should work autonomicaly or it can be connected with PC via USB. Output paremeters 0 – 20 V, 0 – 1 A. The device has been designed with regard to minimal power consumption.

KEYWORDS Switching Power Supply, TOPSwitch circuits, pulse transformator, clamp circuit, feedback, linear regulation, DAC, ADC, SPI, I2C, constatn voltage mode, constant current mode, display with controller HD44780, interface USB, AC filters, ESD protection, optical communication, bistable relay, ICSP

CHYTIL, Jiˇr´ı Laboratorn´ı impulzn´ı zdroj ˇr´ızen´y procesorem: bakal´aˇrsk´a pr´ace. BRNO: Vysok´e ´ uˇcen´ı technick´e v Brnˇe, Fakulta elektrotechniky a komunikaˇcn´ıch technologi´ı, Ustav radioelekˇ troniky, 2011. 117 s. Vedouc´ı pr´ace byl doc. Ing. Jiˇr´ı Sebesta, PhD.

´ SEN ˇ ´I PROHLA Prohlaˇsuji, ˇze svou bakal´aˇrskou pr´aci na t´ema Laboratorn´ı impulzn´ı zdroj ˇr´ızen´y proce” sorem“ jsem vypracoval samostatnˇe pod veden´ım vedouc´ıho bakal´aˇrsk´e pr´ace a s pouˇzit´ım odborn´e literatury a dalˇs´ıch informaˇcn´ıch zdroj˚ u, kter´e jsou vˇsechny citov´any v pr´aci a uvedeny v seznamu literatury na konci pr´ace. Jako autor uveden´e bakal´aˇrsk´e pr´ace d´ale prohlaˇsuji, ˇze v souvislosti s vytvoˇren´ım t´eto bakal´aˇrsk´e pr´ace jsem neporuˇsil autorsk´a pr´ava tˇret´ıch osob, zejm´ena jsem nezas´ahl nedovolen´ym zp˚ usobem do ciz´ıch autorsk´ych pr´av osobnostn´ıch a jsem si plnˇe vˇedom n´asledk˚ u poruˇsen´ı ustanoven´ı § 11 a n´asleduj´ıc´ıch autorsk´eho z´akona ˇc. 121/2000 Sb., vˇcetnˇe moˇzn´ych trestnˇepr´avn´ıch d˚ usledk˚ u vypl´yvaj´ıc´ıch z ustanoven´ı § 152 trestn´ıho z´akona ˇc. 140/1961 Sb.

BRNO

...............

.................................. (podpis autora)

OBSAH ´ Uvod

13

1 Stanoven´ı poˇ zadavk˚ u a z´ akladn´ı koncepce 1.1 Stanoven´ı poˇzadavk˚ u na zdroj jako na celek . . . . 1.2 Poˇzadavky na nap´ ajec´ı zdroj pro ˇr´ıd´ıc´ı modul . . . 1.3 Poˇzadavky na nap´ ajec´ı zdroj pro v´ ykonov´ y modul 1.4 Poˇzadavky na ˇr´ıd´ıc´ı modul . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Poˇzadavky na v´ ykonov´e moduly . . . . . . . . . . 1.6 Poˇzadavky na modul ovl´adac´ıho panelu . . . . . . 1.7 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.8 Z´ akladn´ı koncepce . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

14 14 14 14 15 15 15 15 16

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17 17 18 18 20 20 21 22 22 23 24 25 26 27 28 28 30 31 32 33 35 37 38 39 40

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

2 N´ avrh zdroje 2.1 Zdroj ˇr´ıdic´ıho modulu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Obvody zpˇetn´e vazby . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Obvody prim´ arn´ı strany zdroje . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Obvody na sekund´arn´ı strany zdroje . . . . . . . . . . . . . 2.1.4 S´ıt’ov´ y filtr pro sp´ınan´ y zdroj . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Nap´ ajen´ı v´ ykonov´ ych modul˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 N´ avrh Obvod˚ u zpˇetn´e vazby . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 N´ avrh obvodu na prim´arn´ı stranˇe zdroje . . . . . . . . . . . 2.2.3 N´ avrh obvodu na sekund´arn´ı stranˇe stranˇe zdroje . . . . . . 2.2.4 N´ avrh filtr˚ u pro sp´ınan´ y zdroj . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ ıdic´ı modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 R´ 2.3.1 Obvody nap´ ajen´ı a obvody zajiˇst’uj´ıc´ı funkci MCU . . . . . 2.3.2 Obvody pro USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Obvody opticky oddˇelen´eho USARTu . . . . . . . . . . . . 2.3.4 Obvody ovl´ ad´ an´ı rel´e a sp´ın´an´ı zdroj˚ u v´ ykonov´ ych jednotek 2.4 V´ ykonov´ y modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Obvody nap´ ajen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Obvody zajiˇst’uj´ıc´ı funkci MCU . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3 Obvody v´ ykonov´e ˇc´asti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.4 Obvody ovl´ ad´ an´ı rel´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.5 Mˇeˇric´ı obvody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.6 Chyby v n´ avrhu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.7 Nov´ y obvodov´ y n´avrh regulaˇcn´ı ˇc´asti . . . . . . . . . . . . . 2.5 Ovl´ adac´ı modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 Firmware 42 3.1 Firmware ˇr´ıd´ıc´ıho modulu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.2 Firmware v´ ykonov´eho modulu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4 Komunikace mezi moduly

47

5 Software 48 5.1 Testovac´ı software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 ˇ ıd´ıc´ı software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.2 R´ 6 Mˇ eˇ ren´ı 6.1 Mˇeˇren´ı na zdroji pro ˇr´ıd´ıc´ı modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1 Mˇeˇren´ı v´ ystupn´ıch parametr˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2 Mˇeˇren´ı vyzaˇrov´ an´ı ruˇsen´ı do s´ıtˇe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.3 Mˇeˇren´ı reakce na rychl´e odpojen´ı a pˇripojen´ı z´atˇeˇze. . . . . . . . 6.2 Mˇeˇren´ı na zdroji pro v´ ykonov´ y modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Mˇeˇren´ı v´ ystupn´ıch parametr˚ u - extr´emy zat´ıˇzen´ı . . . . . . . . . 6.2.2 Mˇeˇren´ı reakce na rychl´e odpojen´ı a pˇripojen´ı z´atˇeˇze. . . . . . . . 6.3 Mˇeˇren´ı na v´ ykonov´em modulu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1 Chov´ an´ı line´ arn´ı ˇc´asti v z´avislosti na pˇripojen´e z´atˇeˇzi . . . . . . 6.3.2 Mˇeˇren´ı reakce proudov´e pojistky v z´avislosti na pˇripojen´ı z´atˇeˇze 6.3.3 Mˇeˇren´ı reakce v´ ystupu na pˇripojen´ı a odpojen´ı nap´ajen´ı . . . . . 6.3.4 Mˇeˇren´ı ruˇsiv´eho napˇet´ı na v´ ystupu . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

52 52 52 54 63 65 65 65 68 68 72 73 75

7 Z´ avˇ er

76

Literatura

77

Seznam symbol˚ u, veliˇ cin a zkratek

80

Seznam pˇ r´ıloh

82

A Seznamy souˇ c´ astek A.1 Seznam souˇc´ astek A.2 Seznam souˇc´ astek A.3 Seznam souˇc´ astek A.4 Seznam souˇc´ astek A.5 Seznam souˇc´ astek

84 84 85 87 89 90

pro nap´ajec´ı zdroj ˇr´ıd´ıc´ıho modulu . . pro nap´ajec´ı zdroj v´ ykonov´eho modulu pro ˇr´ıd´ıc´ı modul . . . . . . . . . . . . . pro ovl´adac´ı a zobrazovac´ı panel . . . pro v´ ykonov´ y modul . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

B Obvodov´ a sch´ emata blok˚ u 94 B.1 Zdroj ˇr´ıd´ıc´ıho modulu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 B.2 Zdroj v´ ykonov´eho modulu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 ˇ B.3 R´ıd´ıc´ıho modulu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

C Podklady pro v´ yrobu DPS C.1 Podklady pro v´ yrobu zdroje ˇr´ıd´ıc´ıho modulu (+5 V) . . C.1.1 Pˇredloha pro DPS (BOTTOM) . . . . . . . . . C.1.2 Osazovac´ı pl´ an (TOP) . . . . . . . . . . . . . . C.1.3 Osazovac´ı pl´ an (BOTTOM) . . . . . . . . . . . C.2 Podklady pro v´ yrobu zdroje v´ ykonov´eho modulu (+5 V) C.2.1 Pˇredloha pro DPS (BOTTOM) . . . . . . . . . C.2.2 Osazovac´ı pl´ an (TOP) . . . . . . . . . . . . . . C.2.3 Osazovac´ı pl´ an (BOTTOM) . . . . . . . . . . . ˇ ıd´ıc´ı jednotky . . . . . . . . . . C.3 Podklady pro v´ yrobu R´ C.3.1 Pˇredloha pro DPS (BOTTOM) . . . . . . . . . C.3.2 Osazovac´ı pl´ an (TOP) . . . . . . . . . . . . . . C.3.3 Osazovac´ı pl´ an (BOTTOM) . . . . . . . . . . . C.4 Podklady pro v´ yrobu v´ ykonov´eho modulu . . . . . . . . C.4.1 Pˇredloha pro DPS (TOP) . . . . . . . . . . . . . C.4.2 Pˇredloha pro DPS (BOTTOM) . . . . . . . . . C.4.3 Osazovac´ı pl´ an (TOP) . . . . . . . . . . . . . . C.4.4 Osazovac´ı pl´ an (BOTTOM) . . . . . . . . . . . C.5 Podklady pro v´ yrobu mˇeˇr´ıc´ı desky v´ ykonov´eho modulu C.5.1 Pˇredloha pro DPS (TOP) . . . . . . . . . . . . . C.5.2 Pˇredloha pro DPS (BOTTOM) . . . . . . . . . C.5.3 Osazovac´ı pl´ an (TOP) . . . . . . . . . . . . . . C.5.4 Osazovac´ı pl´ an (BOTTOM) . . . . . . . . . . . C.6 Podklady pro v´ yrobu ovl´adac´ıho a zobrazovac´ıho panelu C.6.1 Pˇredloha pro DPS (BOTTOM) . . . . . . . . . C.6.2 Osazovac´ı pl´ an (TOP) . . . . . . . . . . . . . . C.6.3 Osazovac´ı pl´ an (BOTTOM) . . . . . . . . . . . D Pouzdra mikorkontroler˚ u D.1 Pouzdro mikrokontroleru PIC18F47J13 D.2 Pouzdro mikrokontroleru PIC18F46J50

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

97 97 97 97 97 98 98 99 99 100 100 101 101 102 102 102 103 103 104 104 104 105 105 106 106 107 107

108 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

E Zapojen´ı v´ yvod˚ u mikrokontroler˚ u E.1 Zapojen´ı v´ yvod˚ u mikrokontroleru PIC18F47J13 ve v´ ykonov´em modulu E.2 Zapojen´ı v´ yvod˚ u mikrokontroleru PIC18F46J50 ve v´ ykonov´em modulu

110 . . 110 . . 112

F Blokov´ a sch´ emata integrovan´ ych obvod˚ u 114 F.1 TOP242 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 F.2 TOP244 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

G Mechanick´ e parametry souˇ c´ astek 116 G.1 Transform´ ator pro impulzn´ı zdroje 74001 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 G.2 Transform´ ator pro impulzn´ı zdroje 74030 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

´ ˚ SEZNAM OBRAZK U 1.1 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

Blokov´e sch´ema zdroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zapojen´ı impulzn´ıho zdroje (pˇrevzato z [9] - americk´e normy) . . . . . . . . Sch´ema zapojen´ı s´ıt’ov´eho filtru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Blokov´e sch´ema ˇr´ıdic´ı jednotky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Obvody zajiˇst’uj´ıc´ı ˇcinnost MCU a nap´ajec´ı obvody . . . . . . . . . . . . . . Zapojen´ı obvod˚ u USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zapojen´ı optick´eho oddˇelen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Blokov´e sch´ema v´ ykonov´e jednotky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nap´ ajen´ı desky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Procesor, obvody zajiˇst’uj´ıc´ı jeho ˇcinnost a pˇripojen´ı jeho v´ yvod˚ u . . . . . . V´ ykonov´ a (analogov´ a ˇc´ ast) zdroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V´ ykonov´ a (Blokov´ an´ı nap´ajen´ı v´ ykonov´e ˇc´asti) . . . . . . . . . . . . . . . . V´ ykonov´ a ˇc´ ast(Dˇeliˇce) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mˇeˇr´ıc´ı vstupy (pˇrep´ın´ an´ı rozsah˚ u, stejnosmˇern´ y posuv, ochrany) . . . . . . Mˇeˇr´ıc´ı vstupy (pˇrep´ın´ an´ı rozsah˚ u, stejnosmˇern´ y posuv, ochrany) . . . . . . V´ ykonov´ a (analogov´ a ˇc´ ast) zdroje - nov´ y n´avrh . . . . . . . . . . . . . . . . Konektor pro pˇripojen´ı k ˇr´ıd´ıc´ı desce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sign´ aly pro display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zapojen´ı tlaˇc´ıtek a konektor pro pˇripojen´ı rotaˇcn´ıho n-kod´eru a tlaˇc´ıtka Fine Struˇcn´ y v´ yvojov´ y diagram: Inicializace, Autodiagnostika, Zobrazen´ı hlavn´ı nab´ıdky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Struˇcn´ y v´ yvojov´ y diagram: Inicializace, Autodiagnostika (detail) . . . . . . Struˇcn´ y v´ yvojov´ y diagram: Nab´ıdka nastaven´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . Struˇcn´ y v´ yvojov´ y diagram: Nab´ıdka kan´alu . . . . . . . . . . . . . . . . . . Struˇcn´ y v´ yvojov´ y diagram: Pˇreruˇsen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Struˇcn´ y v´ yvojov´ y diagram: Nab´ıdka kan´alu . . . . . . . . . . . . . . . . . . Struˇcn´ y v´ yvojov´ y diagram: Hlavn´ı program . . . . . . . . . . . . . . . . . . Struˇcn´ y v´ yvojov´ y diagram: Pˇreruˇsen´ı od USARTu . . . . . . . . . . . . . . Formul´ aˇr simulaˇcn´ıho softwaru pro komunikaci . . . . . . . . . . . . . . . . M´ od smˇeru surov´ ych dat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M´ od zobrazen´ı dat do graf˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M´ od zobrazen´ı dat do graf˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nov´ a verze Softwaru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zapojen´ı mˇeˇr´ıc´ıho pracoviˇstˇe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Z´ avislost velikosti stˇredn´ı hodnoty v´ ystupn´ıho napˇet´ı na vstupn´ım napˇet´ı . Z´ avislost velikosti rozkmitu v´ ystupn´ıho napˇet´ı na vstupn´ım napˇet´ı . . . . . Z´ avislost velikosti rozkmitu v´ ystupn´ıho napˇet´ı na vstupn´ım napˇet´ı (maximum) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zapojen´ı mˇeˇr´ıc´ıho pracoviˇstˇe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16 19 24 25 26 27 28 30 31 32 33 34 35 36 37 39 40 41 41 42 43 43 44 45 45 46 46 48 49 50 50 51 52 53 53 54 55

6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15 6.16 6.17 6.18 6.19 6.20 6.21 6.22 6.23 6.24 6.25 6.26 6.27 6.28 6.29 6.30

Zdroj s filtrem: kondenz´ ator X C=100 nF . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zdroj s filtrem: varistor, proudovˇe kompenzovan´a tlumivka, kondenz´atorem X C=100 nF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zdroj s filtrem: varistor, proudovˇe kompenzovan´a tlumivka, 2x kondenz´ator X C=100 nF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zdroj s filtrem: varistor, proudovˇe kompenzovan´a tlumivka, 2x kondenz´ator X C=100 nF, uzemnˇen´ y z´aporn´ y v´ ystup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zdroj s filtrem: varistor, proudovˇe kompenzovan´a tlumivka, 2x kondenz´ator X C=100 nF, 2x kondenz´ator Y C= 3,3 nF . . . . . . . . . . . . . . . . . Zdroj s filtrem: varistor, proudovˇe kompenzovan´a tlumivka, 2x kondenz´ator X C=100 nF, 2x kondenz´ator Y C= 3,3 nF, uzemnˇen´ y z´aporn´ y v´ ystup . . Zdroj s filtrem: kondenz´ ator X C=100 nF . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zdroj s filtrem: varistor, proudovˇe kompenzovan´a tlumivka, kondenz´atorem X C=100 nF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zdroj s filtrem: varistor, proudovˇe kompenzovan´a tlumivka, 2x kondenz´ator X C=100 nF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zdroj s filtrem: varistor, proudovˇe kompenzovan´a tlumivka, 2x kondenz´ator X C=100 nF, 2x kondenz´ator Y C= 3,3 nF . . . . . . . . . . . . . . . . . Zdroj s filtrem: varistor, proudovˇe kompenzovan´a tlumivka, 2x kondenz´ator X C=100 nF, 2x kondenz´ator Y C= 3,3 nF, uzemnˇen´ y z´aporn´ y v´ ystup . . Zdroj bez filtru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zdroj s filtrem: varistor, proudovˇe kompenzovan´a tlumivka, 2x kondenz´ator X C=100 nF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zdroj s filtrem: varistor, proudovˇe kompenzovan´a tlumivka, 2x kondenz´ator X C=100 nF, 2x kondenz´ator Y C= 3,3 nF, uzemnˇen´ y z´aporn´ y v´ ystup . . Zapojen´ı mˇeˇr´ıc´ıho pracoviˇstˇe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sn´ımek z osciloskopu pˇri rychl´em pˇripojen´ı z´atˇeˇze . . . . . . . . . . . . . . Sn´ımek z osciloskopu pˇri rychl´em odpojen´ı z´atˇeˇze . . . . . . . . . . . . . . Zapojen´ı mˇeˇr´ıc´ıho pracoviˇstˇe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V´ ystupn´ı napˇet´ı troj´ urovˇ nov´eho zdroje pˇri nesymetrick´em zat´ıˇzen´ı (regulace v 5-ti voltov´e vˇetvi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V´ ystupn´ı napˇet´ı troj´ urovˇ nov´eho zdroje pˇri nesymetrick´em zat´ıˇzen´ı (regulace v 12-ti voltov´e vˇetvi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V´ ystupn´ı napˇet´ı troj´ urovˇ nov´eho zdroje pˇri nesymetrick´em zat´ıˇzen´ı (regulace rovnomˇernˇe rozdˇelena do 12-ti a 5-ti voltov´e vˇetve) . . . . . . . . . . . . . Operaˇcn´ı oblast zdroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zapojen´ı mˇeˇr´ıc´ıho pracoviˇstˇe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pˇripojen´ı z´ atˇeˇz: Rz = 5 Ω, Uout0 = 5 V, Proudov´a pojistka: Vypnuta (Imax  1.2 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pˇripojen´ı z´ atˇeˇz: C = 2.2 mH, Uout0 = 24 V, Proudov´a pojistka: Vypnuta (Imax  1.2 A) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 55 . 56 . 56 . 57 . 57 . 58 . 58 . 59 . 59 . 60 . 60 . 61 . 61 . . . . .

62 63 64 64 65

. 66 . 66 . 66 . 67 . 68 . 69 . 70

6.31 Pˇripojen´ı z´ atˇeˇz: Indukˇcnost L = 50 mH, Rs = 3.5 Ω + R = 20 Ω, Uout0 = 24 V, Proudov´ a pojistka: Vypnuta (Imax  1.2 A) . . . . . . . . . . . . . . 6.32 Motor U = 12 V, P = 3 W - sepnut´ı nezat´ıˇzen´eho motoru, Uout0 = 12 V, Proudov´ a pojistka: Vypnuta (Imax  1.2 A) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.33 Motor U = 12 V, P = 3 W - sepnut´ı i rozepnut´ı zabrzdˇen´eho motoru, Uout0 = 12 V, Proudov´ a pojistka: Vypnuta (Imax  1.2 A) . . . . . . . . . . . . . 6.34 Test proudov´e pojistky: Rz = 1 Ω - sepnut´ı i rozepnut´ı z´atˇeˇze Uout0 = 3 V, Proudov´ a pojistka: Imax = 500 mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.35 Test proudov´e pojistky: Rz = 1 Ω - sepnut´ı z´atˇeˇze (ˇcasov´ y detail) Uout0 = 5 V, Proudov´ a pojistka: Imax = 500 mA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.36 Reakce v´ ystupu na pˇripojen´ı nap´ajen´ı: Rz = ∞ Ω, Uout0 = 5 V, Proudov´a pojistka: Vypnuta (Imax  1.2 A) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.37 Reakce v´ ystupu na odpojen´ı nap´ajen´ı: Rz = 20 Ω, Uout0 = 5 V, Proudov´a pojistka: Vypnuta (Imax  1.2 A) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.38 Reakce v´ ystupu na odpojen´ı nap´ajen´ı - (ˇcasov´a detail 1): Rz = 20 Ω, Uout0 = 5 V, Proudov´ a pojistka: Vypnuta (Imax  1.2 A) . . . . . . . . . . . . . 6.39 Reakce v´ ystupu na odpojen´ı nap´ajen´ı - (ˇcasov´a detail 2): Rz = 20 Ω, Uout0 = 5 V, Proudov´ a pojistka: Vypnuta (Imax  1.2 A) . . . . . . . . . . . . . B.1 Zdroj ˇr´ıd´ıc´ıho modulu - obvodov´e sch´ema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.2 Zdroj v´ ykonov´eho modulu - obvodov´e sch´ema . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ ıd´ıc´ı modul - obvodov´e sch´ema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.3 R´ D.1 Pouzdro mikrokontroleru PIC18F47J13 - pˇrevazato z [3] . . . . . . . . . . . D.2 Pouzdro mikrokontroleru PIC18F46J50 - pˇrevazato z [2] . . . . . . . . . . . F.1 Blokov´e sch´ema intagrovan´eho obvodu sp´ınan´eho zdroje TOP242 - pˇrevzato z [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F.2 Blokov´e sch´ema intagrovan´eho obvodu sp´ınan´eho zdroje TOP244 - pˇrevzato z [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G.1 Mechanick´e rozmˇery transform´atoru pro impulzn´ı zdroje 74001 - pˇrevzato z [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G.2 Zapojen´ı v´ yvod˚ u transform´atoru pro impulzn´ı zdroje 74001 - pˇrevzato z [8] G.3 Mechanick´e rozmˇery transform´atoru pro impulzn´ı zdroje 74030 - pˇrevzato z [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G.4 Zapojen´ı v´ yvod˚ u transform´atoru pro impulzn´ı zdroje 74030 - pˇrevzato z [8]

70 71 71 72 72 73 73 74 74 94 95 96 108 109 114 115 116 116 117 117

SEZNAM TABULEK 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 4.1 4.2

Parametry vynut´ı transform´atoru Myrra 74001 - pˇrevzato z [8] . . . . Parametry pro n´ avrh zdroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parametry jednotliv´ ych n´avrh˚ u zpˇetnovazebn´ı smyˇcky - pˇrevzato z [9] Parametry vynut´ı transform´atoru Myrra 74001 - pˇrevzato z [8] . . . . Parametry pro n´ avrh zdroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parametry tlumivky 74311 - pˇrevzato z [8] . . . . . . . . . . . . . . . . Datov´ y r´ amec pro komunikaˇcn´ı rychlost 9600 Baud˚ u . . . . . . . . . . Datov´ y r´ amec pro komunikaˇcn´ı rychlost 19200 a 38400 Baud˚ u. . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

17 18 18 21 21 24 47 47

´ UVOD Laboratorn´ı zdroj je zaˇr´ızen´ı slouˇz´ıc´ı pro v´ yvoj, testov´an´ı mˇeˇren´ı a oˇzivov´an´ı zaˇr´ızen´ı. Na laboratorn´ı zdroje b´ yvaj´ı podle jeho pouˇzit´ı kladeny rozd´ıln´e n´aroky. Mezi z´akladn´ı parametry patˇr´ı: v´ ystupn´ı v´ ykon, maxim´aln´ı v´ ystupn´ı napˇet´ı, maxim´aln´ı v´ ystupn´ı proud, poˇcet zdroj˚ u a moˇznost jejich spojen´ı a nap´ajec´ı napˇet´ı zdroje. Dalˇs´ı velice d˚ uleˇzit´e parametry jsou stabilita a pˇresnost v´ ystupn´ıho napˇet´ı, pˇr´ıpadnˇe i speci´aln´ı mody a moˇznost vyuˇzit´ı oddˇelen´ ych mˇeˇr´ıc´ıch svorek pro eliminaci u ´bytk˚ u na nap´ajec´ıch kabelech. D´ale tak´e komunikace s PC nebo mˇeˇr´ıc´ım syst´emem. Pˇri komunikaci s PC rozliˇsujeme, zda zdroj pouˇz´ıv´ a vlastn´ı ˇr´ıd´ıc´ı software nebo je moˇzn´e pouˇz´ıt jiˇz existuj´ıc´ı prostˇred´ı pro automatizov´ an´ı mˇeˇr´ıc´ıch u ´loh, jako je Agilent VEE. Tato pr´ ace se zab´ yv´ a n´ avrhem dvojit´eho malov´ ykonov´eho zdroje pro obecn´e laboratorn´ı pouˇzit´ı. Zdroj bude disponovat napˇet’ov´ ym rozsahem 0 – 20 V a proudov´ ym rozsahem 0 – 1 A. Komunikace s PC bude dostupn´a pˇres rozhran´ı USB. Zdroj bude d´ale schopen komunikovat s pˇr´ıpojn´ ymi moduly pomoc´ı sbˇernice I2 C(n´ızkorychlostn´ı sbˇernice pro komunikaci IO mezi sebou – Inter-Integrated Circuit). Bude disponovat ˇsestn´acti mˇeˇric´ımi vstupy, kter´e budou rozdˇeleny do dvou galvanicky oddˇelen´ ych skupin po osmi. Dva vstupy z kaˇzd´e skupiny budou nav´ıc nab´ızet moˇznost vzd´alen´eho sn´ım´an´ı napˇet´ı, a tedy moˇznost eliminace u ´bytk˚ u na vodiˇc´ıch. D˚ uraz pˇri ˇreˇsen´ı projektu bude kladen na vyuˇzit´ı modern´ıch souˇc´astek, na n´ızkou hmotnost a mal´e rozmˇery. Dalˇs´ım poˇzadavkem, kter´ y na pr´aci kladu, je EMC kompatibilita. Ta je protich˚ udn´ a ke sniˇzov´ an´ı rozmˇer˚ u a hmotnosti, nebot’ budou pouˇzity impulzn´ı zdroje, kter´e mohou pˇri nevhodn´e konstrukci znaˇcnˇe vyzaˇrovat do okol´ı. Pˇri snaze o konstrukci jedin´eho zaˇr´ızen´e (prototypu) bez pokraˇcov´an´ı v s´eriov´e v´ yrobˇe je obt´ıˇzn´e, aby se zaplatily celkov´e testy EMC kompatibility, spolehlivostn´ı testy a zdlouhav´a mˇeˇren´ı parametr˚ u a pˇredevˇs´ım jejich opakovan´ı v pˇr´ıpadˇe nesplnˇen´ı poˇzadavk˚ u a norem u prvn´ıho n´ avrhu zaˇr´ızen´ı. Zaˇr´ızen´ı mus´ı b´ yt tedy jiˇz od poˇc´ateˇcn´ıho n´avrhu ˇreˇseno robustnˇeji a s niˇzˇs´ım ohledem na cenu v´ ysledn´e konstrukce, nebot’ zde vˇetˇsinov´ y pod´ıl ceny zaˇr´ızen´ı tvoˇr´ı pr´ avˇe testy. N´ aklady na tyto testy nen´ı moˇzn´e u kusov´e v´ yroby rovnomˇernˇe rozloˇzit tak, jak se tomu dˇeje u s´eriov´e v´ yroby.

13

ˇ ˚ A ZAKLADN ´ ´I KONCEPCE STANOVEN´I POZADAVK U

1 1.1 • • • • • • • • • • • • • • • •

Stanoven´ı poˇ zadavk˚ u na zdroj jako na celek Poˇcet nez´ avisl´ ych zdroj˚ u: 2 Rozsah v´ ystupn´ıch napˇet´ı: 0 – 20 V Rozsah v´ ystupn´ıch proud˚ u: 0 – 1 A Tolerance v´ ystupn´ıch napˇet´ı: 1 % Tolerance v´ ystupn´ıch proud˚ u: 5 % Rozsah vstupn´ıch napˇet´ı: ∼230 V ±10 %, 50 Hz Moˇznost vnitˇrn´ıho spˇraˇzen´ı zdroj˚ u Ovl´ ad´ an´ı pˇr´ımo na panelu Ovl´ ad´ an´ı pˇres PC (USB) Dalˇs´ı komunikace: I2 C N´ızk´ a hmotnost Kompaktn´ı rozmˇery Splnˇen´ı EMC norem N´ızk´ a spotˇreba Uˇzivatelsky pˇr´ atelsk´e ovl´ ad´an´ı Pˇrehledn´ y ˇr´ıd´ıc´ı software

Omezuj´ıc´ım faktorem pˇri n´ avrhu je freewarov´a verze programu Eagle, kter´e omezuje maxim´aln´ı rozmˇer desky na 100 x 80 mm. Z tohoto d˚ uvodu je volena modul´arn´ı koncepce, kter´a bude obsahovat celkem 7 modul˚ u: nap´ajec´ı zdroj pro ˇr´ıd´ıc´ı desku, ˇr´ıd´ıc´ı desku, dva nap´ajec´ı zdroje pro v´ ykonov´e moduly, dva v´ ykonov´e moduly a modul ovl´adac´ıho panelu.

1.2 • • • •

1.3 • • • • •

Poˇ zadavky na nap´ ajec´ı zdroj pro ˇ r´ıd´ıc´ı modul Vstupn´ı napˇet´ı: ∼230 V ±10 %, 50 Hz V´ ystupn´ı napˇet´ı: 5 V ±5 %a V´ ystupn´ı proud: min. 1 A Dalˇs´ı poˇzadavky vypl´ yvaj´ıc´ı z poˇzadavk˚ u na cel´e zaˇr´ızen´ı

Poˇ zadavky na nap´ ajec´ı zdroj pro v´ ykonov´ y modul Vstupn´ı napˇet´ı: ∼230 V ±10 %, 50 Hz V´ ystupn´ı napˇet´ı: 5 V ±5 %, 2x 12 V -5 % +20 % V´ ystupn´ı proud: min. 1 A pro kaˇzdou vˇetev. Vzd´ alen´e“ sp´ınan´ı zdroje ” Dalˇs´ı poˇzadavky vypl´ yvaj´ıc´ı z poˇzadavk˚ u na cel´e zaˇr´ızen´ı

14

1.4 • • • • • • •

1.5 • • • • • • • • • • •

1.6

Poˇ zadavky na ˇ r´ıd´ıc´ı modul Komunikace pˇres USB Komunikace s v´ ykonov´ ymi moduly (Galvanick´e oddˇelen´ı) Sn´ım´ an´ı ovl´ adac´ıch prvk˚ u Obsluha displeje Sp´ın´ an´ı nap´ ajen´ı v´ ykonov´ ych modul˚ u Sp´ın´ an´ı spˇraˇzen´ı k zemn´ı svorce Komunikace po sbˇernici I2 C a jej´ı fyzick´a realizace

Poˇ zadavky na v´ ykonov´ e moduly Komunikace s ˇr´ıd´ıc´ım modulem (Galvanick´e oddˇelen´ı) ˇ ızen´ı v´ R´ ystupn´ıch veliˇcin v poˇzadovan´ ych rozsaz´ıch Ochrana pˇred zkratov´ an´ım v´ ystupu Ochrana pˇred pˇripojen´ım vyˇsˇs´ıho nebo opaˇcn´eho napˇet´ı na v´ ystup Odpojen´ı a pˇripojen´ı v´ ystupu 8x mˇeˇric´ı vstup Pˇrep´ın´ an´ı rozsah˚ u mˇeˇric´ıch vstup˚ u Dva mˇeˇric´ı vstupy jako vzd´alen´e sn´ım´an´ı Ochrana mˇeˇric´ıch vstup˚ u Spˇraˇzen´ı zdroj˚ u Diagnostika vnitˇrn´ıch napˇet´ı

Poˇ zadavky na modul ovl´ adac´ıho panelu

• Elektrick´e propojen´ı prvk˚ u ovl´adac´ıho panelu • Mechanick´e upevnˇen´ı prvk˚ u ovl´adac´ıho panelu

1.7 • • • • • •

Software Kompletn´ı ˇr´ızen´ı zdroje Testovac´ı m´ ody Napˇet’ov´e a proudov´e profily Moˇznost vykreslov´ an´ı graf˚ u Zobrazen´ı diagnostick´ ych dat Kalibrace

15

1.8

Z´ akladn´ı koncepce

Nap´ ajen´ı zdroje bude zajiˇst’ovat trojice impulzn´ıch zdroj˚ u, jejichˇz sekund´arn´ı strany budou galvanicky oddˇeleny. O ˇr´ızen´ı cel´eho zdroje se bude starat trojice mikrokontrol´er˚ u PIC ˇrady 18F. Mikrokontrol´er na ˇr´ıd´ıc´ı desce disponuje USB rozhran´ım. V´ ykonov´e moduly disponuj´ı procesory s 12 bitov´ ymi pˇrevodn´ıky pro pˇresn´a mˇeˇren´ı. Moduly budou opticky oddˇeleny a jejich spˇraˇzen´ı budou obstar´avat rel´e um´ıstˇen´a na kaˇzd´em z modul˚ u.

Obr. 1.1: Blokov´e sch´ema zdroje

16

´ NAVRH ZDROJE

2 2.1

Zdroj ˇ r´ıdic´ıho modulu

Tento modul slouˇz´ı pro pˇrevod s´ıt’ov´eho napˇet´ı na napˇet´ı vhodn´e pro nap´ajen´ı ˇr´ıdic´ıho zdroje. Poˇzadovan´ a hodnota napˇet´ı na v´ ystupu zdroje je 5 V a poˇzadovan´ y proud je minim´ alnˇe 1 A. Zdroj je realizov´ an jako impulzn´ı. Nap´ ajen´ı zdroje je realizov´ ano jako impulzn´ı zdroj. Navrˇzen´ y zdroj je kompromisem mezi poˇzadavky na nˇej kladen´ ymi a komerˇcn´ı dostupnost´ı a s n´ı souvisej´ıc´ı cenou. Impulzn´ı transform´ ator je souˇc´ ast, kter´ a je nejn´aroˇcnˇejˇs´ı na realizaci, a jeho zak´azkov´a v´ yroba by konstrukci zdroje znaˇcnˇe prodraˇzila. Byl tedy vybr´an s´eriovˇe vyr´abˇen´ y transform´ator od francouzsk´e firmy Myrra[8]. K tomuto transform´atoru byly navrˇzeny okoln´ı obvody. Z dan´ ych model˚ u byl vybr´ an transform´ator 74001 s maxim´aln´ım v´ ystupn´ım v´ ykonem 6 W a parametry vinut´ı uveden´ ymi v tabulce: Vinut´ı v´ yvody

z´ avity

napˇ et´ı

max. proud

max. indukˇ cnost

Pri

6, 4

138

60 – 120 VOR

0,35 A

3000 µH

Sec

2, 1

20

8 – 16 V

0,1 A

Aux

9, 10

8

3–6V

1,2 A

Tab. 2.1: Parametry vynut´ı transform´atoru Myrra 74001 - pˇrevzato z [8]

N´avrh vˇsech souˇc´ astek v t´eto kapitole se vztahuje ke sch´ematu v pˇr´ıloze B.1. K dan´emu transform´ atoru byl vybr´an obvod TOP242PN v pouzdˇre DIL8 z rodiny TOPSwitch-GX [10]. Pˇri n´ avrhu zdroje bylo postupov´ano dle aplikaˇcn´ı pˇr´ıruˇcky pro obvody TOPSwitch-GX [9]. Zdroj m˚ uˇze podle n´ avrhu pracovat jako univerz´aln´ı, tedy s rozsahem nap´ajen´ı od 85 do 265 V stˇr´ıdav´ ych nebo zdroj navrˇzen´ y pro nap´ajen´ı z 230 V stˇr´ıdav´ ych, tedy s rozsahem 195 – 265 V. Rozd´ıl v n´avrhu je zde pouze v transilu rekuperaˇcn´ıho obvodu a ve velikosti sbˇern´eho kondenz´ atoru. Ten je potˇreba pˇri n´avrhu univerz´aln´ıho zdroje volit s cca 3x vˇetˇs´ı kapacitou. V´ yhodou je potom nejen schopnost pracovat na s´ıt´ıch 120 V/ 60 Hz, ale tak´e vyˇsˇs´ı odolnost v˚ uˇci v´ ypadk˚ um a pokles˚ um napˇet´ı v s´ıti (black-out, brown-out). Deska bude dimenzov´ ana tak, aby bylo moˇzno osadit oba kondenz´atory. Dalˇs´ı parametry nutn´e pro n´avrh zdroje se t´ ykaj´ı kmitoˇctu s´ıtˇe, u ´ˇcinnosti zdroje, rozloˇzen´ı ztr´ at, v´ ystupn´ıho napˇet´ı a v´ ykonu.

17

Veliˇ cina

Oznaˇ cen´ı Hodnota

Vstupn´ı napˇet´ı

VIN

195 – 265 V

Frekvence s´ıtˇe ´ cinnost Uˇ

fIN

50 Hz

η

0,8

Pomˇer ztr´ at

Z

0,5

V´ ystupn´ı napˇet´ı VOUT

5,0 V

V´ ystupn´ı v´ ykon

6,0 W

POUT

Tab. 2.2: Parametry pro n´avrh zdroje

2.1.1

Obvody zpˇ etn´ e vazby

Z´asadn´ı vliv na vlastnosti zdroje m´a v´ ybˇer typu zpˇetn´e vazby. Pro dan´e zapojen´ı se n´am nab´ızej´ı 4 typy s r˚ uzn´ ymi parametry.

Zpˇ etnovazebn´ı Tolerance Obvod obvodu

Regulace v z´ avisloti na z´ atˇ eˇ ze

Linerita regulace

Celkov´ a pˇ resnost

Pri./Basic

±10 %

±5 %

±1,5 %

±16,5 %

Pri./Enhan.

±5 %

±2,5 %

±1,5 %

±9 %

Opto/Zener

±5 %

±1 %

±0,5 %

±6,5 %

Opto/TL431

±1 %

±0,2 %

±0,2 %

±1,4 %

Tab. 2.3: Parametry jednotliv´ ych n´avrh˚ u zpˇetnovazebn´ı smyˇcky - pˇrevzato z [9]

Z nab´ızen´ ych moˇznost´ı i pˇres nejn´aroˇcnˇejˇs´ı obvodov´e ˇreˇsen´ı a nejvyˇsˇs´ı cenu vyhovuje nejl´epe obvod s napˇet’ovou referenc´ı TL431 [17]. V´ ypoˇcet rezistoru R4 k dˇeliˇci pro v´ yvod R reference TL431 sch´ema: R4 =

5 − 2, 5 VOU T − 2, 5 · 10 kΩ = · 10 kΩ = 10 kΩ 2, 5 2, 5

(2.1)

Optoˇclen byl vybr´ an z tabulky v aplikaˇcn´ı pˇr´ıˇcce: LTV816A [15]. Ostatn´ı souˇc´astky obvod˚ u zpˇetn´e vazby jsou d´ any uveden´ ym sch´ematem.

2.1.2

Obvody prim´ arn´ı strany zdroje

Parametry vstupn´ıho napˇet´ı √ √ Uinmin = UminADC · 2 = 195 · 2 = 276 V

(2.2)

√ √ Uinmax = UmaxADC · 2 = 265 · 2 = 375 V

(2.3)

18

Obr. 2.1: Zapojen´ı impulzn´ıho zdroje (pˇrevzato z [9] - americk´e normy)

Vstupn´ı usmˇerˇ novaˇc mus´ı b´ yt navrˇzen na z´avˇern´e napˇet´ı dan´e vztahem: UR = Uinmax ·1, 25 = 375 · 1, 25 = 469 V

(2.4)

A na proud dan´ y vztahy: IAV =

Pout Vinmin · η

=

6W = 27 mA 276 · 0, 8

ID ≥ 2I˙AV ID ≥ 54 mA

(2.5)

(2.6)

Vyhovuj´ıc´ı typ usmˇerˇ novaˇce je pro dan´e pouˇzit´ı napˇr´ıklad B380S[16], kter´ y sv´ ymi parametry znaˇcnˇe pˇresahuje parametry poˇzadovan´e. Sbˇern´ y kondenz´ ator se vol´ı podle poˇzadovan´eho v´ ystupn´ıho v´ ykonu cca 1 µF na 1 W. Byla zvolena kapacita 10 µF na napˇet´ı 400 V. Rekuperaˇcn´ı (clamp) obvod se lze realizovat pomoc´ı anti-s´eriov´eho zapojen´ı transilu a rychl´e diody nebo pomoc´ı RCD kombinace. Kombinace RCD ale sniˇzuje u ´ˇcinnost pˇri n´ızk´em zat´ıˇzen´ı a je n´ aroˇcnˇejˇs´ı na spr´ avn´ y n´avrh. Proto je vyuˇzito zapojen´ı transilem. Pro toto zapojen´ı s jedin´ ym v´ ystupem a nap´ajen´ım s´ıt´ı 230 V je doporuˇcen´a hodnota napˇet´ı transilu UT =180 V. Typ transilu byl zvolen P6KE180[12]. Antis´eriov´a dioda k nˇemu pˇripojen´ a je typu BYV26C[11]. Obvod TOP242PN je zapojen tak, ˇze sv˚ uj v´ yvod M pouˇz´ıv´a jako Line-Sense, tedy detekci pˇrepˇet´ı a podpˇet´ı. Tento v´ yvod je pˇres rezistor 2MΩ pˇripojen na kladnou vˇetev. Line-sense reaguje vypnut´ım obvodu pˇri pˇrekroˇcen´ı hodnoty stejnosmˇern´eho napˇet´ı na sbˇern´em kondenz´ atoru pˇres 450 V. Stejnˇe reaguje i na podpˇet´ı, a to pˇri poklesu sn´ıman´eho

19

napˇet´ı pod 100 V pˇri dan´e hodnotˇe rezistoru R1 . Usmˇerˇ novaˇc pro obvody zpˇetn´e vazby na sekund´arn´ı stranˇe je sloˇzen s usmˇerˇ novac´ı diody BAV21[13] a kondenz´ atoru C5 2.2 µF/ 50 V. Kondenz´ator C4 pˇripojen´ y na v´ yvod C je keramick´ y s parametry 100 nF/ 50 V.

2.1.3

Obvody na sekund´ arn´ı strany zdroje

N´avrh t´eto ˇc´ asti zdroje spoˇc´ıv´a ve volbˇe usmˇerˇ novac´ı diody, sbˇern´eho kondenz´atoru a v´ ystupn´ıho filtru. Usmˇerˇ novac´ı dioda se pro mal´e napˇet´ı (5 V) vol´ı schottkyho typu, a to z d˚ uvodu niˇzˇs´ıch ztr´ at v propustn´em smˇeru UD ≈ 0,2 V, a tak´e proto, ˇze nen´ı potˇreba vysok´e z´avˇern´e napˇet´ı URR , kter´e u schottkyho diod zpravidla nepˇresahuje 60 V. Ze seznamu byla vybr´ ana dioda SB360[14]. Sbˇern´ y kondenz´ator mus´ı b´ yt s n´ızkou hodnotou ESR a hodnotou 330 µ F/16 V, kter´ a je v aplikaˇcn´ım listˇe doporuˇcen´a pro v´ ystupn´ı proud 1 A. Obvody filtru se skl´ adaj´ı z feritov´e perliˇcky L1 a filtraˇcn´ıho kondenz´atoru C2 s parametry 330 µF/ 16 V. Kondenz´ atoru filtru jiˇz nemus´ı b´ yt n´ızkoimpedanˇcn´ı.

2.1.4

S´ıt’ov´ y filtr pro sp´ınan´ y zdroj

Filtry pro zdroje takto n´ızk´eho v´ ykonu nemus´ı b´ yt nikterak sloˇzit´e. Pro odfiltrov´an´ı vf ruˇsiv´ ych sloˇzek by mˇel dostaˇcovat filtraˇcn´ı X Kondenz´ator 100 nF/ 305 V pˇripojen´ y na vstupn´ı svorky (230 V) zdroje. Deska je ale navrˇzena tak, aby ji bylo moˇzn´e doplnit jednak o kvalitnˇejˇs´ı filtraci pomoc´ı druh´eho X kondenz´atoru pro odstranˇen´ı protif´azov´ ych sloˇzek, d´ ale tak´e o filtraˇcn´ı proudovˇe kompenzovan´e tlumivky pro potlaˇcen´ı souf´azov´ ych sloˇzek. Pˇr´ıpadnˇe lze pˇripojit i varistorovou ochranu pˇred pˇrepˇet´ımi a napˇet’ov´ ymi ˇspiˇckami ˇci jevy v s´ıti zp˚ usoben´ ymi rychl´ ymi pˇrechodov´ ymi dˇeji (EFT bursty). Sch´ema a v´ yrobn´ı podklady cel´e realizace jsou dostupn´e v pˇr´ıloze.

20

2.2

Nap´ ajen´ı v´ ykonov´ ych modul˚ u

N´avrh a konstrukce zdroje pro nap´ajen´ı v´ ykonov´ ych modul˚ u prob´ıhal podobn´ ym zp˚ usobem, jako konstrukce zdroje pro ˇr´ıd´ıc´ı ˇc´ast. Opˇet se zde vych´azelo z nab´ıdky transform´ator˚ u firmy Myrra[8]. Z katalogu byl vybr´an model 74030 pro v´ ykon 30 W, jeˇz m´a n´asleduj´ıc´ı parametry: vinut´ı v´ yvody

z´ avity

napˇ et´ı

max. proud

max. indukˇ cnost

Pri

3, 5

70

65 - 135 VOR

1,5 A

750 µH

Aux

2, 1

8

7 - 14,5 V

1A

Sec1

7, 8

4

3,3 - 7 V

3A

Sec2

6, 8

9

8 - 16 V

1,5 A

Sec3

9, 10

9

8 - 16 V

1,5 A

Tab. 2.4: Parametry vynut´ı transform´atoru Myrra 74001 - pˇrevzato z [8]

N´avrh vˇsech souˇc´ astek v t´eto kapitole se vztahuje ke sch´ematu v pˇr´ıloze B.2. Stejnˇe jako v pˇredchoz´ım pˇr´ıpadˇe jsou i v tomto zdroji obvody sp´ınan´ ych zdroj˚ u typu TOPSwitch-GX [9]. Pro tento zdroj sv´ ymi parametry vyhovoval model TOP244Y v pouzdˇre TO220-7 I tento zdroj je volen pro vstupn´ı napˇet´ıUin 230 V/ 50 Hz. Nˇekter´e dalˇs´ı parametry potˇrebn´e pro n´ avrh jsou uvedeny v tabulce:2.2

Veliˇ cina

Oznaˇ cen´ı Hodnota

Vstupn´ı napˇet´ı

VIN

195 – 265 V

Frekvence s´ıtˇe ´ cinnost Uˇ

fIN

50 Hz

η

0,8

Pomˇer ztr´ at

Z

0,5

V´ ystupn´ı napˇet´ı VOUT

5,0 V; 2x 12 V

V´ ystupn´ı v´ ykon

30 W

POUT

Tab. 2.5: Parametry pro n´avrh zdroje

21

2.2.1

N´ avrh Obvod˚ u zpˇ etn´ e vazby

Stejnˇe jako pro minulou konstrukci, i zde bude realizov´an obvod zpˇetn´e vazby s napˇet’ovou referenc´ı TL431[17]. Toto zapojen´ı je upraveno tak, aby obvody zpˇetn´e vazby mohly b´ yt na z´avˇer doladˇeny. Obvod m˚ uˇze regulovat podle vˇetve 5 V nebo podle vˇetve 12 V. Vhodnou volbou rezistor˚ u lze nastavit i regulaci pomoc´ı obou vˇetv´ı s urˇcitou vahou. Vˇetev 12 V na oddˇelen´em vinut´ı je bez regulace, nebot’ se poˇc´ıt´ a s t´ım, ˇze po pˇripojen´ı j´ı poteˇce zhruba stejn´ y proud jako 12 V vˇetv´ı na regulovan´em v´ ystupu. V´ ypoˇcet rezistoru R4b dˇeliˇce pro reference TL431 pro regulaci 12 V vˇetv´ı:

R4b =

12 − 2, 5 Uout − 2, 5 · 10 kΩ = · 10 kΩ = 38 kΩ 2, 5 2, 5

(2.7)

Bude pouˇzita hodnota z ˇrady E12 39 kΩ Optoˇclen je opˇet typu LTV816A.

2.2.2

N´ avrh obvodu na prim´ arn´ı stranˇ e zdroje

Parametry vstupn´ıho napˇet´ı

√ √ Uinmin = UminADC · 2 = 195 · 2 = 276 V

(2.8)

√ √ Uinmax = UmaxADC · 2 = 265 · 2 = 375 V

(2.9)

Vstupn´ı usmˇerˇ novaˇc mus´ı b´ yt navrˇzen minim´alnˇe na z´avˇern´e napˇet´ı dan´e vztahem:

UR = Uinmax ·1, 25 = 375 · 1, 25 = 469 V

(2.10)

D´ale tak´e na proud dan´ y vztahy:

IAV =

30 Pout = = 136 mA Vinmin · η 276 · 0, 8

(2.11)

ID ≥ 2IAV ID ≥ 272 mA

(2.12)

Pouˇzijeme stejn´ y typ usmˇerˇ novaˇce B1 jako u zdroje pro ˇr´ıd´ıc´ı ˇc´ast, tedy B380S

22

Sbˇern´ y kondenz´ ator C3 se vol´ı 1 µF na 1 W. Byla tedy zvolena kapacita 47 µF na napˇet´ı 450 V. Up´ınac´ı obvod budeme realizovat pomoc´ı antis´eriov´eho zapojen´ı transilu DR2 a rychl´e diody DR1 . Pro toto zapojen´ı s v´ıce v´ ystupy a nap´ajen´ım s´ıt´ı 230 V je doporuˇcen´a hodnota napˇet´ı transilu UT = 150 V. Typ transilu DR2 byl zvolen P6KE150. Anti-s´eriov´a dioda DR1 pˇripojen´a k nˇemu je typu BYV26C. Obvod TOP244Y je zapojen tak, ˇze sv˚ uj v´ yvod L pouˇz´ıv´a jako Line-Sense, tedy detekci pˇrepˇet´ı a podpˇet´ı. V´ yvod F je pˇripojen k zemi a jeho funkce je tedy deaktivov´ana. V´ yvod X je vyuˇzit pro vzd´ alen´e“ sp´ın´ an´ı obvodu. Funkce obvodu se sepne pˇripojen´ım v´ yvodu ” X k zemi. Toho lze dos´ ahnout pomoc´ı propoje na desce nebo optoˇclenem OP T O2 , kter´ y zajist´ı i galvanick´e oddˇelen´ı obvodu, jeˇz k sepnut´ı d´av´a povel, od s´ıtˇe. Usmˇerˇ novaˇc pro obvody zpˇetn´e vazby je realizov´an stejn´ ym zp˚ usobem jako v pˇredchoz´ım pˇr´ıpadˇe.

2.2.3

N´ avrh obvodu na sekund´ arn´ı stranˇ e stranˇ e zdroje

Obvody na sekund´ arn´ı stranˇe transform´atoru jsou tvoˇreny trojic´ı vˇetv´ı, z nichˇz kaˇzd´ a se skl´ad´ a z usmˇerˇ novaˇce sbˇern´eho kondenz´atoru a filtru. Pro usmˇerˇ novaˇc v 5 V vˇetvi se vol´ı Schottkyho dioda typu SB360 (D1w ). Pro ostatn´ı vˇetve BYV27 (D1a , D1b ). Sbˇern´e kondenz´ atory (C1a , C1b , C1w ) jsou ve vˇsech vˇetv´ıch zdroje shodn´e kapacity 330 µF. Liˇs´ı se ale maxim´ aln´ım napˇet´ım - pro 5 V vˇetev je to 16 V a pro 12 V vˇetev je to 35 V. Tyto kondenz´ atory mus´ı m´ıt n´ızk´ y ESR. Tlumivky (L1a , L1b , L1w ) jsou shodn´e pro kaˇzdou vˇetev a jsou realizov´ any feritovou perlou na vodiˇci. Kondenz´atory filtru (C2a , C2b , C2w ) maj´ı pro jednotliv´e vˇetve stejn´e parametry jako sbˇern´e kondenz´atory, nen´ı od nich vˇsak vyˇzadov´ana n´ızk´a ekvivalentn´ı s´eriov´ a rezistivita.

23

2.2.4

N´ avrh filtr˚ u pro sp´ınan´ y zdroj

Filtr je zde volen dle filtru pro zdroj stejn´eho v´ ykonu z katalogov´eho listu obvodu TOPSwitch. Je sloˇzen z proudovˇe kompenzovan´e odruˇsovac´ı tlumivky Myrra 74311 a dvojice kondenz´ ator˚ u typu X2 (CF 1, CF 2) s kapacitou 100 nF na 305 V. Pˇrid´an je potom varistor RV na 275 V stˇr´ıdav´eho napˇet´ı, opˇet jako ochrana zdroje.

Indukˇcnost (Souf´azov´ y m´od)

15 – 25 mH

Stˇredn´ı hodnota proudu

0,9 A

Odpor vinut´ı

max. 0,75 Ω

Indukˇcnost (Protif´azov´ y m´od)

min. 150 µH

Rezonanˇcn´ı frekvence

min. 210 kHz

Tab. 2.6: Parametry tlumivky 74311 - pˇrevzato z [8]

Obr. 2.2: Sch´ema zapojen´ı s´ıt’ov´eho filtru Sch´ema a v´ yrobn´ı podklady cel´e realizace jsou dostupn´e v pˇr´ıloze.

24

2.3

ˇ ıdic´ı modul R´

ˇ ıdic´ı modul zajiˇst’uje komunikaci mezi jednotliv´ R´ ymi komponentami uvnitˇr zdroje i mimo nˇej (komunikace s PC).

Obr. 2.3: Blokov´e sch´ema ˇr´ıdic´ı jednotky Poˇzadavky na MCU vypl´ yvaj´ıc´ı z poˇzadavk˚ u na ˇr´ıdic´ı desku: • Dostateˇcn´ y poˇcet vstupn´ıch a v´ ystupn´ıch v´ yvod˚ u • Vhodn´ a velikost v´ ystupn´ıho a vstupn´ıho proudu v´ yvod˚ u • Dostateˇcn´ a rychlost • Integrovan´ y pˇrevodn´ık USB • 2x USART • Sbˇernice I2 C Z MCU PIC ˇrady 18F vyhovoval dan´ ym poˇzadavk˚ um PIC18F46J50 [2]. N´avrh vˇsech souˇc´ astek v t´eto kapitole se vztahuje ke sch´ematu B.3.

25

2.3.1

Obvody nap´ ajen´ı a obvody zajiˇ st’uj´ıc´ı funkci MCU

ˇ ıdic´ı obvod je nap´ R´ ajen jedin´ ym napˇet´ım 5 V pˇripojen´ ym na svorky X1 . Z tohoto napˇet´ı potˇrebujeme z´ıskat nap´ ajec´ı napˇet´ı 3,3 V. Toho dos´ahneme pomoc´ı Low-Drop stabiliz´atoru LF 33 a kondenz´ ator˚ u C1 , C2 a C5 . Kondenz´atory C3 a C4 o hodnot´ach 100 nF mus´ı b´ yt um´ıstˇeny co nejbl´ıˇz k MCU. Pracovn´ı kmitoˇcet MCU je d´an krystalem X1 s kmitoˇctem 16 MHz. K nˇemu jsou pˇrid´any kondenz´atory C1x a C2x o kapacitˇe 18 pF. Pro bˇeh mikrokontrol´eru jako takov´eho je nutn´ y obvod reset sloˇzen´ y z kondenz´atoru C5 a rezistoru R1 . K tomuto obvodu je pro ladic´ı u ´ˇcely pˇrid´ano resetovac´ı tlaˇc´ıtko S1 . Z MCU je vyvedeno programovac´ı rozhran´ı ICSP na ˇsestiv´ yvodov´ y konektor MOLEX.

Obr. 2.4: Obvody zajiˇst’uj´ıc´ı ˇcinnost MCU a nap´ajec´ı obvody

26

2.3.2

Obvody pro USB

Komunikaˇcn´ı rozhrann´ı USB bylo zvoleno, protoˇze je to dnes nejbˇeˇznˇeji pouˇz´ıvan´e komunikaˇcn´ı rozhran´ı a disponuje j´ım t´emˇeˇr kaˇzd´e PC. I nˇekter´a zaˇr´ızen´ı a mikrokontrol´ery zaˇc´ınaj´ı obsahovat USB OTG. Naopak nev´ yhodou rozhran´ı USB je n´aroˇcnˇejˇs´ı galvanick´e oddˇelen´ı, kter´e by pro tuto aplikaci bylo vhodn´e. Ale vzhledem k nedostupnosti obvodu ADU M 4160 od nˇej muselo b´ yt upuˇstˇeno. Galvanick´e oddˇelen´ı je provedeno optoˇcleny na rozhran´ı UART, pomoc´ı kter´eho mezi sebou komunikuj´ı jednotliv´e desky. Zaˇr´ızen´ı je koncipov´ ano tak, aby nevyuˇz´ıvalo nap´ajen´ı z portu USB. Toto napˇet´ı bude slouˇzit pouze k detekci pˇripojen´ı k portu USB. Pomoc´ı ochrann´eho RC ˇcl´anku je pˇripojeno na port D, RD1 (v´ yvod 39)

Obr. 2.5: Zapojen´ı obvod˚ u USB Datov´e linky D+, D− jsou pˇripojeny pˇr´ımo na procesor. O jejich ochranu proti ESD se star´ a obvod IP4220CZ6 [1], kter´ y je voliteln´ y a na desce je pro nˇej pˇripraveno m´ısto (pouzdro SOT457). Obvod je ke kaˇzd´e z datov´ ych linek pˇripojen paralelnˇe a chr´an´ı i 5 V linku sbˇernice USB. Obvod mezi linkami USB a zem´ı vytv´aˇr´ı jen velmi malou pˇridanou kapacitu, typicky 1 pF. Rychlost USB je nastavena pull-up rezistorem R1 na datov´e lince D+ na High-Speed.

27

2.3.3

Obvody opticky oddˇ elen´ eho USARTu

Optick´e oddˇelen´ı komunikace pro kaˇzdou z jednotek je obousmˇern´e a je realizov´ano dvojic´ı optoˇclen˚ u, kaˇzd´ y pro jeden smˇer. Optoˇcleny (OP T O1 – OP T O4 ) jsou buzeny pˇr´ımo z MCU proudem okolo 10 mA. Z tohoto d˚ uvodu mohou b´ yt vyuˇzity pouze porty B a C, jelikoˇz jsou schopn´e takov´ y proud v´ yvodem sv´est k zemi. Rezistory na vstupn´ı stranu optoˇclenu (R4 , R5 , R9 , R11 ) jsou voleny dle n´asleduj´ıc´ıho vzorce: R4 =

3, 3 − 1, 2 UDD − ULED = = 110 Ω ILED 0, 01

(2.13)

Rezistory (R6 , R8 , R7 R10 ) na v´ ystupech optoˇclenu jsou zvoleny z grafu katalogov´eho LTV816[15] listu hodnoty 1 kΩ tak, aby poskytovaly dostateˇcnou pˇrenosovou rychlost, ale nezvyˇsovaly zbyteˇcnˇe spotˇrebu zaˇr´ızen´ı.

Obr. 2.6: Zapojen´ı optick´eho oddˇelen´ı

2.3.4

Obvody ovl´ ad´ an´ı rel´ e a sp´ın´ an´ı zdroj˚ u v´ ykonov´ ych jednotek

Obvody pro sp´ın´ an´ı rel´e jsou tvoˇreny tranzistorem pracuj´ıc´ım ve sp´ınac´ım reˇzimu a antiparalelnˇe zapojenou diodou k proudu vinut´ı rel´e pˇri sepnut´em stavu. Tento obvod je zde vˇsak duplicitnˇe, protoˇze je pouˇzito bistabiln´ı rel´e pro sn´ıˇzen´ı spotˇreby. K rel´e jsou do s´erie s vinut´ımi pˇripojeny sr´ aˇzec´ı rezistory R12 a R13 , kter´e jsou vypoˇcteny ze vztahu pro odporov´ y dˇeliˇc: 5, 0 U+5 − 1) = 43 − 1 = 46, 6 Ω UCOIL 2, 4 

R12 = RCOIL (



(2.14)

Z ˇrady E12 vol´ıme nejbliˇzˇs´ı niˇzˇs´ı rezistor: 39 Ω. Obdobnˇe i obvody sp´ın´ an´ı zdroj˚ u jsou pouze sp´ınac´ı tranzistory. Pro vˇsechny tyto aplikace postaˇcuj´ıc´ı malov´ ykonov´e tranzistory NPN typu BC846 pro SMD mont´aˇz. Pˇredˇradn´e rezistory (R15 , R16 , R17 , R18 ) do b´az´ı tranzistor˚ u (T1 , T2 , T3 , T4 ) vypoˇc´ıt´ame ze vztahu: R4 =

UDD − UBE ICE

=

3, 3 − 0, 7

h21eM IN

28

0,06 220

= 9533 Ω

(2.15)

Z ˇrady E12 vol´ıme nejbliˇzˇs´ı niˇzˇs´ı rezistor: 8,2 kΩ.

29

2.4

V´ ykonov´ y modul

V´ ykonov´ y modul zajiˇst’uje dod´an´ı poˇzadovan´eho napˇet´ı a proudu na v´ ystupn´ı svorky, optickou komunikaci s ˇr´ıd´ıc´ı jednotkou a zpracov´an´ı sign´al˚ u z mˇeˇr´ıc´ıch vstup˚ u.

Obr. 2.7: Blokov´e sch´ema v´ ykonov´e jednotky Poˇzadavky na MCU vypl´ yvaj´ıc´ı z poˇzadavk˚ u na v´ ykonov´ y modul: • Dostateˇcn´ y poˇcet vstupn´ıch a v´ ystupn´ıch v´ yvod˚ u • Vhodn´ a velikost v´ ystupn´ıho a vstupn´ıho proudu v´ yvod˚ u • Dostateˇcn´ a rychlost • AD pˇrevodn´ıky s dostateˇcn´ ym rozliˇsen´ım (12 bit˚ u) • Dostateˇcn´ y poˇcet kan´ al˚ u AD pˇrevodn´ıku • 1x USART • Sbˇernice I2 C Tˇemto poˇzadavk˚ um vyhovuje model PIC18F47J13.

30

2.4.1

Obvody nap´ ajen´ı

Na desku jsou pˇrivedena nap´ajec´ı napˇet´ı +5 V , +12 V se spoleˇcnou zem´ı a 12 V , kter´a jsou galvanicky oddˇelen´ a. Z´aporn´a svorka tohoto plovouc´ıho napˇet´ı je pˇripojena na kladnou svorku druh´e dvan´ activoltov´e vˇetve. Nap´ajec´ı obvody jsou tvoˇreny filtraˇcn´ımi kondenz´ atory CEL1 a CEL2 v obou dvan´activoltov´ ych vˇetv´ıch. Napˇet´ı 24 V vytvoˇren´e sloˇzen´ım z dvojice 12 V zdroj˚ u je filtrov´ano dalˇs´ım kondenz´atorem CEL3 k zemi. Kromˇe tˇechto filtraˇcn´ıch elektrolytick´ ych kondenz´ator˚ u jsou pˇripojeny keramick´e kondenz´atory CO2, CO3 ve vˇetv´ıch 12 V a CO1 v 5V vˇetvi o hodnotˇe 100 nF Kaˇzd´ a z vˇetv´ı je chr´ anˇena transilem. Pro 12 V vˇetve jsou to transily T AZ2 a T AZ3 s Ubr = 15 V . V 5 V vˇetvi je to transil T AZ1 s Ubr = 6.8 V . O vytvoˇren´ı nap´ ajec´ıho napˇet´ı pro procesor se star´a integrovan´ y tˇr´ısvorkov´ y stabiliz´ator s n´ızk´ ym u ´bytkem napˇet´ı LF33. Z´aporn´e napˇet´ı je vytv´ aˇreno mˇeniˇcem TC7660 doplnˇen´ ym potˇrebn´ ymi kondenz´atory CM 1 a CM 2.

Obr. 2.8: Nap´ajen´ı desky

31

2.4.2

Obvody zajiˇ st’uj´ıc´ı funkci MCU

Obvody zajiˇst’uj´ıc´ı funkci procesoru se skl´ad´a z obvodu reset, filtraˇcn´ıch kondenz´ator˚ u a obvodu oscil´ atoru sloˇzen´eho z krystalu XT AL1 a kondenz´ator˚ u CXT AL1 a CXT AL2. Obvod reset je tvoˇren RC ˇcl´ ankem (rezistor RR a kondenz´ator CR).

Obr. 2.9: Procesor, obvody zajiˇst’uj´ıc´ı jeho ˇcinnost a pˇripojen´ı jeho v´ yvod˚ u

32

2.4.3

Obvody v´ ykonov´ eˇ c´ asti

V´ ykonov´ a ˇc´ ast je stˇeˇzejn´ı ˇc´ ast´ı cel´eho zdroj. Spolu s DA pˇrevodn´ıkem urˇcuje dosaˇziteln´e v´ ystupn´ı parametry zdroje Poˇzadavky na v´ ykonovou ˇc´ ast: • Schopnost dodat v´ ystupn´ı v´ ykon 20 W (U = 20 V I = 1 A) • Minim´ aln´ı kapacita v´ ystupu • Dostateˇcnˇe jemn´ a regulace v´ ystupn´ıho napˇet´ı (krok 10 mV) • Dostateˇcnˇe velk´ a regulace v´ ystupn´ıho proudu (krok 1 mA) Jako reference velikosti maxim´ aln´ıho v´ ystupn´ıho napˇet´ı a proudu je DA pˇrevodn´ık M CP 4822. Za kter´ y jsou um´ıstˇeny operaˇcn´ı zesilovaˇce. Ve vˇetvi regulace napˇet´ı je to IC1A. Je zapojen jako kompar´ ator. Pˇri pˇrekroˇcen´ı poˇzadovan´eho napˇet´ı kompar´ator otevˇre tranzistor T 2 a ten sn´ıˇz´ı napˇet´ı na v´ ystupu tranzistoru T 0.

Obr. 2.10: V´ ykonov´a (analogov´a ˇc´ast) zdroje Ve vˇetvi regulace proudu je operaˇcn´ı zesilovaˇc IC1B zapojen jako diferenci´aln´ı zesilovaˇc. Pokud byl zapojen jako kompar´ator, zp˚ usoboval znaˇcnou nestabilitu zdroje. V´ ystup tohoto zesilovaˇce je pˇripojen pˇres diodu a ochrann´ y rezistor k b´azi tranzistoru T 1, kter´ y v pˇr´ıpadˇe dosaˇzen´ı poˇzadovan´eho maxim´aln´ıho proudu zaˇcne pˇriv´ırat tranzistor T 0 tak,

33

aby napˇet´ı jiˇz d´ ale nerostlo. Kondenz´atory CB1 a CB2 Zlepˇsuj´ı stabilitu zdroje na u ´kor rychlosti reakce zdroje. Hodnota, pˇri kter´e byl zdroj 100% stabiln´ı, je 2,2 uF. Referenˇcn´ı napˇet´ı pro diferenci´ aln´ı zesilovaˇc IC1B je z´ısk´ano invertov´an´ım napˇet´ı z DA pˇrevodn´ıku pomoc´ı invertuj´ıc´ıho zapojen´ı operaˇcn´ıho zesilovaˇce IC2A. Napˇet´ı pro invertuj´ıc´ı IC1B je pak z´ısk´ ano zes´ılen´ım u ´bytku na sn´ımac´ıch rezistorech R0A, R0B, R0C a R0D pomoc´ı operaˇcn´ıho zesilovaˇce IC2B v invertuj´ıc´ım zapojen´ı. Napˇet´ı je pˇrivedeno tak´e na dˇeliˇc sloˇzen´ y z rezistor˚ u RDI1 a RDI2. V´ ystup dˇeliˇce je pˇriveden na AD pˇrevodn´ık v procesoru a slouˇz´ı jak pro softwarovou eliminaci u ´bytk˚ u na sn´ımac´ıch rezistorech, tak i pro odeˇcet proudu tekouc´ıho do z´ atˇeˇze. Dˇeliˇc sloˇzen´ y z rezistor˚ u RDV 1 a RDV 2 slouˇz´ı pro odeˇcet napˇet´ı na v´ ystupu zdroje. Je zde zapoˇctena velikost napˇet´ı v˚ uˇci zemi zdroje, nikoliv v˚ uˇci z´aporn´e v´ ystupn´ı svorce. Tento neduh je kompenzov´an softwarovˇe pomoc´ı hodnoty odeˇcetn´e z dˇeliˇce RDI. Pro sn´ıˇzen´ı ztr´at se na vstupu vyb´ır´a ze dvou napˇet´ı 12 V a 24 V. Pˇri v´ ystupn´ıch napˇet´ıch menˇs´ıch neˇz 10 V je pouˇz´ıv´ano napˇet´ı 12 V. O pˇrep´ın´an´ı vstupn´ıch napˇet´ı se star´ a procesor, stejnˇe jako o pˇripojen´ı napˇet´ı na v´ ystup. Dalˇs´ı d˚ uleˇzitou souˇc´ast´ı jsou blokovac´ı kondenz´ atory u operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u a DA pˇrevodn´ıku. O ochranu v´ ystupu pˇred pˇripojen´ım jin´eho napˇet´ı, a to jak kladn´eho, tak i z´aporn´eho, se star´a transil T AZ4.

Obr. 2.11: V´ ykonov´a (Blokov´an´ı nap´ajen´ı v´ ykonov´e ˇc´asti) Pro zajiˇstˇen´ı bezchybn´e funkce analogov´e ˇc´asti je kvalitn´ı blokov´an´ı nap´ajen´ı operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u a DA pˇrevodn´ıku v tˇesn´e bl´ızkosti. Cel´ y zdroj je vybaven sledov´an´ım vnitˇrn´ıch napˇet´ı pro diagnostiku. Ta se skl´ad´a z dˇeliˇc˚ u, kter´e upravuj´ı mˇeˇren´e napˇet´ı pro AD pˇrevodn´ıky mikrokontrol´eru. Dˇeliˇce pro kontrolu v´ ystupn´ıch veliˇciny jiˇz byly zm´ınˇeny. Dalˇs´ı dˇeliˇce jsou pˇripojeny na napˇet´ı +12 V, +5 V a na napˇet´ı na C0. Napˇet´ı 3,3 V vˇetve nen´ı sledov´ano, protoˇze to povaˇzuji za zbyteˇcn´e, a napˇet´ı -5 V vˇetve tak´e ne. D˚ uvodem je, aby vˇetev nebyla zbyteˇcnˇe zatˇeˇzov´ana, coˇz umoˇznilo pouˇz´ıt dalˇs´ı dva pˇrevodn´ıky pro mˇeˇr´ıc´ı vstupy. Pro snadn´ y v´ ypoˇcet dˇeliˇce se doln´ı rezistory RD52 , RD122 a RDN 2 dˇeliˇc˚ u vol´ı 3,3 kΩ. Potom plat´ı, ˇze 1 kΩ odpov´ıd´ a 1 V pˇri maxim´aln´ım napˇet´ı dˇeliˇce. Dˇeliˇce vol´ıme s dostateˇcnou rezervou, protoˇze je deska nap´ajena impulzn´ım zdrojem s v´ahovanou stabilizac´ı

34

a napˇet´ı mohou znaˇcnˇe kol´ısat. Vol´ıme tedy RD51 = 3,3 kΩ. Dˇeliˇc je pro napˇet´ı aˇz 6,6 V. Rezistor RD121 = 15 kΩ. Dˇeliˇc tedy snese napˇet´ı 18,3 V. Rezistor dˇeliˇce RDN 1 = 33 kΩ, tedy pro napˇet´ı 36,3 V.

Obr. 2.12: V´ ykonov´a ˇc´ast(Dˇeliˇce) U dˇeliˇc˚ u na v´ ystupu zdroje jiˇz mus´ım volit hodnoty mnohem pˇresnˇeji, nebot’ potˇrebuje co nejvyˇsˇs´ı moˇzn´e rozliˇsen´ı AD pˇrevodn´ıku. Napˇet’ov´ y dˇeliˇc je navrˇzen s malou rezervou, aby na pˇrevodn´ık bylo moˇzn´e pˇriv´est zhruba o 1 V vyˇsˇs´ı napˇet´ı. Rezistory maj´ı hodnoty RDV 1 = 12 kΩ a RDV 2 = 2.2 kΩ. Dˇeliˇc pro proud mˇeˇren´ı proudu je zapojen na v´ ystupu zesilovaˇce, kter´ y zesiluje napˇet´ı na sn´ımac´ıch rezistorech. Je sloˇzen z rezistoru RDI1 = 1 kΩ a RDI2 = 3.3 kΩ.

2.4.4

Obvody ovl´ ad´ an´ı rel´ e

Veˇsker´ a rel´e pouˇzit´ a na tomto modulu jsou bistabiln´ı se dvojic´ı c´ıvek. Nebot’ je na desce pouˇzito 6 rel´ atek, bylo by pˇri pˇr´ım´em sp´ın´an´ı c´ıvek potˇreba 12 v´ ystup˚ u z procesoru. Takov´e mnoˇzstv´ı v´ ystup˚ u bohuˇzel nen´ı k dispozice, je proto pouˇzito maticov´e zapojen´ı. Dva v´ yvody jsou pouˇzity pro urˇcen´ı smˇeru pˇrep´ın´an´ı rel´e, dalˇs´ıch ˇsest vstup˚ u adresuje rel´e. Adresovac´ı piny jsou pˇripojeny pˇres ochrann´e rezistory RBx k b´az´ım tranzistor˚ u QRx typu NPN, kter´e maj´ı v kolektorech pˇres diodu zapojen´ y jeden konec vinut´ı c´ıvky. Druh´ y konec je pˇripojen ke kolektoru tranzistoru QRxP typu PNP, kter´e jsou buzeny tranzistory QRxN typu NPN. Rel´e jsou chr´anˇena antiparaleln´ımi diodami zapojen´ ymi k vinut´ım.

35

Obr. 2.13: Mˇeˇr´ıc´ı vstupy (pˇrep´ın´an´ı rozsah˚ u, stejnosmˇern´ y posuv, ochrany)

36

2.4.5

Mˇ eˇ ric´ı obvody

Na mˇeˇric´ı vstupy zdroje vstupuj´ı sign´aly, kter´e mnohdy nemaj´ı vhodn´e u ´rovnˇe pro pˇr´ım´e zpracov´ an´ı AD pˇrevodn´ıkem. Mˇeˇric´ı obvody tedy maj´ı za u ´kol pˇrep´ın´an´ı rozsah˚ u 1:2 a 1:20 a u ´pravu u ´rovn´ı pro AD pˇrevodn´ık mikrokontrol´eru. Rozsahy jsou pˇrep´ın´any bistabiln´ımi rel´ atky a u ´roveˇ n sign´ alu je stejnosmˇernˇe posunut´a do kladn´ ych hodnot pomoc´ı operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u typu LM358.

Obr. 2.14: Mˇeˇr´ıc´ı vstupy (pˇrep´ın´an´ı rozsah˚ u, stejnosmˇern´ y posuv, ochrany) Pˇri pouˇzit´ı rozsahu 1:2 lze na vstup pˇriv´est napˇet´ı 0–±2 V, pˇri pouˇzit´ı rozsahu 1:20 pak napˇet´ı 0–±20 V Mˇeˇric´ı obvody vˇcetnˇe rel´e pro pˇrep´ınan´ı rozsah˚ u jsou na oddˇelen´e desce.

37

2.4.6

Chyby v n´ avrhu

Pˇri anal´ yze prvn´ıho n´ avrhu bylo objeveno nˇekolik chyb a nedostatk˚ u, kter´e budou opraveny v dalˇs´ı revizi desky. • Na dˇeliˇc RDI je pˇriv´ adˇeno z´aporn´e napˇet´ı. Z´aporn´e napˇet´ı se tedy dost´av´a na pin procesoru. • Obr´ acen´ a polarita reference pro mˇeˇr´ıc´ı vstupy. • Nevhodn´e zapojen´ı zesilovaˇc˚ u mˇeˇric´ıch vstup˚ u. Stejnosmˇern´ y posun je prov´adˇen na vstupech operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u, coˇz m´a za n´asledek nepˇresn´e hodnoty na vstupech AD pˇrevodn´ık˚ u. Je potˇreba pouˇz´ıvat mnoho byt˚ u AD pˇrevodn´ıku pro kalibraci. Nav´ıc pˇredˇel´ an´ım zdroje pro referenˇcn´ı napˇet´ı -2 V byla pˇret´ıˇzena vˇetev -5 V. • Na desku nebylo um´ıstˇeno rel´e pro intern´ı spˇraˇzen´ı v´ ystup˚ u. • Chybn´ a knihovna AD pˇrevodn´ıku MCP4288 pro program EAGLE. • Nepˇr´ıjemn´ a se jev´ı tak´e nutnost softwarov´e kompenzace u ´bytk˚ u na sn´ımac´ıch rezistorech. • Mal´e izolaˇcn´ı mezery u distanˇcn´ıch sloupk˚ u (zem desky propojena s kostrou ˇsasi).

38

2.4.7

Nov´ y obvodov´ y n´ avrh regulaˇ cn´ı ˇ c´ asti

Obr. 2.15: V´ ykonov´a (analogov´a ˇc´ast) zdroje - nov´ y n´avrh Tento n´ avrh m´ a za u ´kol eliminovat u ´bytky napˇet´ı na sn´ımac´ıch rezistorech proudu hardwarovˇe na m´ısto softwarov´eho ˇreˇsen´ı pouˇzit´eho u pˇredchoz´ı verze obvodu. Dale opravuje chybu v knihovnˇe pˇrevodn´ıku MCP4822. A je pˇrehozena polarita napˇet´ı na dˇeliˇci RDI, tak jak m´ a b´ yt. Eliminaci u ´bytk˚ u napˇet´ı na sn´ımac´ıch rezistorech zajiˇst’uje sumaˇcn´ı OZ IC2A a 2x zesiluj´ıc´ı invertor IC5A.

39

2.5

Ovl´ adac´ı modul

Deska ovl´ adac´ıho modulu zajiˇst’uje pouze mechanick´e upevnˇen´ı ovl´adac´ıch a zobrazovac´ıch prvk˚ u, jejich elektrick´e propojen´ı a pˇrevod u ´rovn´ı pro displej. K ˇr´ıd´ıc´ı desce je pˇripojena prostˇrednictv´ım konektoru PLF20. Displej je volen s ˇradiˇcem HD44780[19] a vyuˇz´ıv´ a 4 datov´e vodiˇce. Vodiˇce pro tlaˇc´ıtka jsou pˇripojeny na pull-up rezistory a stiskem tlaˇc´ıtka nebo otoˇcen´ım rotaˇcn´ıho kod´eru se piny pˇripojuj´ı k zemi.

Obr. 2.16: Konektor pro pˇripojen´ı k ˇr´ıd´ıc´ı desce Popis sign´ al˚ u: • D1 - D4: Data pro display • EN: Display Enable • RS: Display Data/Pˇr´ıkaz • TL1 - TL5: Tlaˇc´ıtka • FI:Tlaˇc´ıtko Fine • EL, ER: n-koder rotace • ETL: n-koder stisk • LIG: Podsv´ıcen´ı LCD

40

RNx jsou rezistorov´e s´ıtˇe obsahuj´ıc´ı 4x rezistor 10 kΩ

Obr. 2.17: Sign´aly pro display Rezistorov´e s´ıtˇe RN 3 a RN 4 nemus´ı b´ yt pˇripojeny, pokud jsou v mikrokontrol´eru pˇripojeny pull-up rezistory.

Obr. 2.18: Zapojen´ı tlaˇc´ıtek a konektor pro pˇripojen´ı rotaˇcn´ıho n-kod´eru a tlaˇc´ıtka Fine

41

3

FIRMWARE Firmware pro procesory PIC 18F je ps´an v jazyce C pro kompil´ator MCC18.

3.1

Firmware ˇ r´ıd´ıc´ıho modulu

Firmware ˇr´ıd´ıc´ıho modulu je koncipov´an tak, ˇze bˇehem sv´eho bˇeˇzn´eho bˇehu, tj. vyjma obsluhy pˇreruˇsen´ı, kontroluje ˇcinnosti obsluhy, reaguje na nˇe a vykon´av´a pˇr´ısluˇsn´e operace. Druhou d˚ uleˇzitou ˇc´ ast´ı je obsluha pˇreruˇsen´ı. Pˇreruˇsen´ı je zde vyvol´av´ano periodicky ˇcasovaˇcem. Ten si po urˇcit´em intervalu vyˇz´ad´a data z v´ ykonov´ ych modul˚ u a dojde k opˇetovn´emu pˇreruˇsen´ı. Na data se neˇcek´a, ale pokraˇcuje se v programu. Jakmile jsou data pˇrijata, je vyvol´ ano pˇreruˇsen´ı od USARTU a data se zpracuj´ı a uloˇz´ı do promˇenn´ ych. Posledn´ım zdrojem pˇreruˇsen´ı je USB. Program zaˇc´ın´ a inicializac´ı port˚ u a komponent, pokraˇcuje pˇres vykreslen´ı obrazovky do vedlejˇs´ı smyˇcky menu, kde se testuj´ı stisky tlaˇc´ıtek a reaguje se na nˇe.

Obr. 3.1: Struˇcn´ y v´ yvojov´ y diagram: Inicializace, Autodiagnostika, Zobrazen´ı hlavn´ı nab´ıdky

42

Obr. 3.2: Struˇcn´ y v´ yvojov´ y diagram: Inicializace, Autodiagnostika (detail)

Obr. 3.3: Struˇcn´ y v´ yvojov´ y diagram: Nab´ıdka nastaven´ı

43

Nab´ıdka menu je realizov´ ana jin´ ym zp˚ usobem neˇz hlavn´ı menu a menu kan´alu, kde se vyuˇz´ıvaj´ı ˇctyˇri interaktivn´ı tlaˇc´ıtka pod displejem. V nastaven´ı se pro ovl´ad´an´ı pouˇz´ıv´ a v´ yhradnˇe rotaˇcn´ıho n-koderu. Pomoc´ı nˇej se posouv´a nab´ıdka a jeho stiskem se pˇrepne na zmˇenu parametru vybran´e poloˇzky. Nab´ıdka kan´ alu se chov´ a obdobnˇe jako hlavn´ı nab´ıdka. Vykresl´ı se potˇrebn´e informace na displey a ˇcek´ a se na stisk tlaˇc´ıtka.

Obr. 3.4: Struˇcn´ y v´ yvojov´ y diagram: Nab´ıdka kan´alu O dalˇs´ı ˇcinnosti, tedy o ty, kter´e pˇr´ımo nevych´azej´ı od obsluhy, se staraj´ı pˇreruˇsen´ı. Prvn´ı z pˇreruˇsen´ı vys´ıl´ a periodicky poˇzadavky na stav modulu a parametry v´ ystupn´ıch veliˇcin. Dalˇs´ı dva zdroje pˇreruˇsen´ı jsou USB a USART.

44

Obr. 3.5: Struˇcn´ y v´ yvojov´ y diagram: Pˇreruˇsen´ı Na v´ ysledky se ovˇsem neˇcek´ a. Ty jsou zpracov´any aˇz po pˇrijet pˇreruˇsen´ı od dat, kter´ a pˇriˇsla z v´ ykonov´eho modulu na pˇr´ısluˇsn´ y USART.

Obr. 3.6: Struˇcn´ y v´ yvojov´ y diagram: Nab´ıdka kan´alu

45

3.2

Firmware v´ ykonov´ eho modulu

Firmware v´ ykonov´eho modulu se star´a pouze o kontrolu v´ ystupn´ıch veliˇcin, tj. ˇr´ızen´ı DA pˇrevodn´ıku a vykon´ av´ an´ı pˇr´ıkaz˚ u, kter´emu zad´a ˇr´ıd´ıc´ı modul. O u ´pravu hodnot v´ ystupn´ıch veliˇcin se star´ a ve hlavn´ı smyˇcce. O komunikaci s ˇr´ıd´ıc´ım modulem v obsluze pˇreruˇsen´ı od USARTu.

Obr. 3.7: Struˇcn´ y v´ yvojov´ y diagram: Hlavn´ı program

Obr. 3.8: Struˇcn´ y v´ yvojov´ y diagram: Pˇreruˇsen´ı od USARTu Zdrojov´e k´ ody jsou dostupn´e na pˇriloˇzen´em CD v adres´aˇri Firmware

46

4

KOMUNIKACE MEZI MODULY

Komunikace mezi moduly je realizov´ana rozhran´ım USART. Pouˇz´ıv´a se asynchronn´ı m´od a rychlost 9600 Baud˚ u. Datov´e r´amce jsou ˇctyˇrbytov´e: Byte

1

2

3

4

Data

Pˇr´ıkaz

Data H

Data L

ACK (0xAA)

Tab. 4.1: Datov´ y r´ amec pro komunikaˇcn´ı rychlost 9600 Baud˚ u Pˇri n´ızk´e datov´e rychlosti nen´ı potˇreba pˇr´ıliˇs kontrolovat stav dat. Proto se kontroluj´ı pouze r´ amce kontroln´ım ˇctvrt´ ym bytem. Tato komunikaˇcn´ı rychlost ale obˇcas zdrˇzuje nˇekter´e procesy, proto je testov´an rychlejˇs´ı protokol, kter´ y pracuje na rychlostech 19200 nebo 38400. Ten jiˇz ale vyuˇz´ıv´a kontrolu dat pomoc´ı kontroln´ıho souˇctu CRC. A disponuje moˇznost´ı vyˇz´adat data znovu. Byte

1

2

3

4

Data

Pˇr´ıkaz

Data H

Data L

CRC

Tab. 4.2: Datov´ y r´ amec pro komunikaˇcn´ı rychlost 19200 a 38400 Baud˚ u CRC = (Byte1 + Byte2 + Byte3)M od256 + (Byte1 + Byte2 + Byte3)/256 Do budoucna se poˇc´ıt´ a s 12-ti bytov´ ym samoopravn´ ym k´odem a komunikaˇcn´ı rychlost´ı aˇz 115200.

47

5

SOFTWARE

Software pro ˇr´ızen´ı a v´ yvoj zdroje je ps´an v jazyce VB.net ve v´ yvojov´em prostˇred´ı Microsoft Visual Basic 2010 Express. Tento jazyk jsem zvolil z d˚ uvodu znalosti jazyka Visual Basic 6.0.

5.1

Testovac´ı software

Pro zjednoduˇsen´ı n´ avrhu komunikace a v´ yvoje ˇr´ıd´ıc´ıho modulu byl vytvoˇren pomocn´ y software simuluj´ıc´ı pˇripojen´ı v´ ykonov´eho modulu. Tento software je navrˇzen tak, aby obslouˇzil poˇzadavky ˇr´ıd´ıc´ıho modulu tak, jak by to udˇelal skuteˇcn´ y v´ ykonov´ y modul. To je aˇz na rychlost reakce, kter´ a je u PC mnohem pomalejˇs´ı neˇz u v´ ykonov´eho modulu. Proto byl ve firmwaru v´ ykonov´eho modulu zaveden testovac´ı m´od, kdy jsou pomoc´ı podm´ınˇen´eho pˇrekladu pˇrid´ any ˇcasov´e prodlevy komunikuje-li se s t´ımto simulaˇcn´ım softwarem.

Obr. 5.1: Formul´aˇr simulaˇcn´ıho softwaru pro komunikaci V´ ykonov´ y modul m´ a bˇeˇznˇe pr´ava pouze odpov´ıdat na dotazy ˇr´ıd´ıc´ı jednotky, v´ yjimkou je ale situace, kdy dojde k chybˇe. V tom pˇr´ıpadˇe modul s´am bez ˇcek´an´ı odes´ıl´a hl´aˇsen´ı o chybˇe. Pro v´ yvojov´e pr´ ace je d´ ale povolena ˇz´adost o reset ˇr´ıd´ıc´ıho modulu poˇzadavkem z v´ ykonov´eho modulu. Ostatn´ı komunikace prob´ıh´ a vˇzdy na poˇzadavek ˇr´ıd´ıc´ıho modulu. Bˇeˇznˇe jsou to poˇzadavky na zmˇenu v´ ystupn´ıho napˇet´ı nebo proudu a poˇzadavky na skuteˇcn´e hodnoty tˇechto veliˇcin nebo na hodnoty napˇet´ı na mˇeˇr´ıc´ıch vstupech.

48

5.2

ˇ ıd´ıc´ı software R´

ˇ ıd´ıc´ı software obstar´ R´ av´ a komunikaci se zdrojem prostˇrednictv´ım PC, tedy jeho ovl´ad´ an´ı, a sbˇer dat ze zdroje. Komunikace prob´ıh´a prostˇrednictv´ım portu USB (moment´alnˇe pouze zprostˇredkovanˇe pˇres virtu´ aln´ı COM port). Software nab´ıdne ˇsirokou ˇsk´alu mˇeˇren´ı. V okamˇziku vyd´ an´ı t´eto pr´ ace jsou k dispozici pouze dva m´ody a to m´od smˇeru surov´ ych dat 5.2 a m´ od zobrazen´ı dat do graf˚ u 5.3

Obr. 5.2: M´od smˇeru surov´ ych dat V lev´e ˇc´ asti je ovl´ adac´ı ˇc´ ast v´ ystup˚ u zdroje, a v prav´e ˇc´asti jsou zobrazov´ana data z mˇeˇr´ıc´ıch vstup˚ u. Jejich maximum, minimum a pr˚ umˇer za dobu mˇeˇren´ı. Pˇri v´ ybˇeru druh´e z´ aloˇzky Time axis measurement se dostaneme do m´odu zobrazovan´ı namˇeˇren´ ych hodnot do graf˚ u. Pro nastaven´ı parametr˚ u zobrazen´ı graf˚ u slouˇz´ı nab´ıdka 5.4dostupn´a pˇres tlaˇc´ıtko setting.

49

Obr. 5.3: M´od zobrazen´ı dat do graf˚ u

Obr. 5.4: M´od zobrazen´ı dat do graf˚ u

50

Moˇznosti softwaru pl´ anovan´e do budoucna: • Pln´ a podpora USB • Komunikace pomoc´ı SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments) • Mˇeˇren´ı v os´ ach XY • Diferenci´ aln´ı mˇeˇren´ı (mˇeˇren´ı proudu na zn´am´e souˇc´astce) • Jedno-kvadrantov´ y charakterograf • Export dat od Excelu • Kalibrace • Moˇznost pˇrehr´ at firmware ve zdroji Vzhledem, k nefunkˇcn´ımu rozhran´ı USB byl v´ yvoj ˇr´ıd´ıc´ıho softwaru pozastaven. Nav´ıc software ve sv´e p˚ uvodn´ı koncepci nevyhovuje poˇzadavk˚ um do budoucna a postr´ad´a dynamiku. A pˇrehlednost. Proto jsem zaˇcal pracovat na nov´e verzi, kter´a vych´az´ı ze zkuˇsenost´ı pˇri v´ yvoji prvn´ı verze.

Obr. 5.5: Nov´a verze Softwaru Zdrojov´e k´ ody jsou dostupn´e na pˇriloˇzen´em CD v adres´aˇri Software. Zdrojov´e k´ody nov´e verze nejsou pˇriloˇzeny.

51

6

ˇ REN ˇ ´I ME

6.1 6.1.1

Mˇ eˇ ren´ı na zdroji pro ˇ r´ıd´ıc´ı modul Mˇ eˇ ren´ı v´ ystupn´ıch parametr˚ u

Mˇeˇren´ı zamˇeˇren´e na parametry v´ ystupn´ıho napˇet´ı v z´avislosti na z´atˇeˇzi a velikosti vstupn´ıho napˇet´ı. Pouˇzit´e mˇeˇr´ıc´ı pˇr´ıstroje: • Autotransform´ ator: ESS11013 − 1386 • Multimetr: M Y 68 - bez kalibrace • Osciloskop: HP 54501 - bez kalibrace • Z´ atˇeˇz: 5 Ω (5x 1 Ω 5% 5W) pˇresn´a hodnota 4,96 Ω Podm´ınky mˇeˇren´ı: • Datum 23.1.2011 • Teplota: 22.2◦ C

Mˇeˇren´ı je zamˇeˇren´e na mˇeˇren´ı parametr˚ u v´ ystupn´ıho napˇet´ı. Mˇeˇr´ı se jeho stˇredn´ı hodnota pr˚ umˇerovan´ a po dobu jedn´e minuty. Pro odhad ruˇsen´ı se mˇeˇr´ı rozkmit tohoto napˇet´ı pr˚ umˇerovan´ y tak´e po dobu jedn´e minuty. Do graf˚ u jsou tyto hodnoty vyn´aˇseny v z´avislosti na vstupn´ım napˇet´ı. A vˇzdy pro zdroj nezat´ıˇzeny, a zdroj zat´ıˇzen´ y rezistorem 5 Ω.

Obr. 6.1: Zapojen´ı mˇeˇr´ıc´ıho pracoviˇstˇe

52

Obr. 6.2: Z´ avislost velikosti stˇredn´ı hodnoty v´ ystupn´ıho napˇet´ı na vstupn´ım napˇet´ı Z tohoto mˇeˇren´ı je patrn´e, ˇze zdroj lez pouˇz´ıt i v s´ıti 120 V/ 60 Hz. A to s kol´ıs´an´ım napˇet´ı 20 %.

Obr. 6.3: Z´ avislost velikosti rozkmitu v´ ystupn´ıho napˇet´ı na vstupn´ım napˇet´ı Z mˇeˇren´ı je patrn´ y r˚ ust velikosti rozkmitu v´ ystupn´ıho napˇet´ı s klesaj´ıc´ı hodnotou efektivn´ı hodnoty vstupn´ıho napˇet´ı. Pro doplnˇen´ı pˇrid´av´am graf, kde je nam´ısto pr˚ umˇeru hodnoty za ˇcas jedn´e minuty uvedeno maximum zmˇeˇren´e hodnoty.

53

Obr. 6.4: Z´ avislost velikosti rozkmitu v´ ystupn´ıho napˇet´ı na vstupn´ım napˇet´ı (maximum)

6.1.2

Mˇ eˇ ren´ı vyzaˇ rov´ an´ı ruˇ sen´ı do s´ıtˇ e

Mˇeˇren´ı je prov´ adˇeno na r˚ uzn´ ych konfigurac´ıch s´ıt’ov´eho filtru zdroje pro porovn´an´ı jejich vlastnost´ı. V prvn´ı s´erii je mˇeˇreno na plnˇe zat´ıˇzen´em zdroji pro 6 konfigurac´ı filtru. Namˇeˇren´e hodnoty (ˇcerven´ a barva) jsou pro porovn´an´ı vˇzdy zobrazeny s hodnotami zmˇeˇren´ ymi bez filtru (modr´ a barva). Pouˇzit´e mˇeˇr´ıc´ı pˇr´ıstroje: • LISN (Line System Impedance Network - Umˇel´a s´ıt’): Seaward Spektrum Reciever • EMI Test Reciever: ROHDE and SCHWARZ,ESCS,0,2.26 02.01 02.36 • Multimetr: M AS830L - bez kalibrace • Z´ atˇeˇz: 5 Ω (5x 1 Ω 5% 5W) pˇresn´a hodnota 4,96 Ω Podm´ınky mˇeˇren´ı: • Datum 7.4.2011 • Teplota: nezn´ am´ a P´asma mˇeˇren´ı: • CISPR A 9 kHz – 150 kHz, BW: 200 Hz, doba mˇeˇren´ı: 100 ms • CISPR B 150 kHz – 30 MHz, BW: 9 kHz, doba mˇeˇren´ı: 20 ms • CISPR C 30 MHz – 300 MHz, BW: 120 kHz, doba mˇeˇren´ı: 1 ms - Nevyuˇzito

54

Obr. 6.5: Zapojen´ı mˇeˇr´ıc´ıho pracoviˇstˇe

Obr. 6.6: Zdroj s filtrem: kondenz´ator X C=100 nF

55

Obr. 6.7: Zdroj s filtrem: varistor, proudovˇe kompenzovan´a tlumivka, kondenz´atorem X C=100 nF

Obr. 6.8: Zdroj s filtrem: varistor, proudovˇe kompenzovan´a tlumivka, 2x kondenz´ator X C=100 nF

56

Obr. 6.9: Zdroj s filtrem: varistor, proudovˇe kompenzovan´a tlumivka, 2x kondenz´ator X C=100 nF, uzemnˇen´ y z´ aporn´ y v´ ystup

Obr. 6.10: Zdroj s filtrem: varistor, proudovˇe kompenzovan´a tlumivka, 2x kondenz´ator X C=100 nF, 2x kondenz´ ator Y C= 3,3 nF

57

Obr. 6.11: Zdroj s filtrem: varistor, proudovˇe kompenzovan´a tlumivka, 2x kondenz´ator X C=100 nF, 2x kondenz´ ator Y C= 3,3 nF, uzemnˇen´ y z´aporn´ y v´ ystup Ve druh´e s´erii se mˇeˇr´ı na zdroji bez z´atˇeˇze. Na 5 konfigurac´ıch filtru.

Obr. 6.12: Zdroj s filtrem: kondenz´ator X C=100 nF

58

Obr. 6.13: Zdroj s filtrem: varistor, proudovˇe kompenzovan´a tlumivka, kondenz´atorem X C=100 nF

Obr. 6.14: Zdroj s filtrem: varistor, proudovˇe kompenzovan´a tlumivka, 2x kondenz´ator X C=100 nF

59

Obr. 6.15: Zdroj s filtrem: varistor, proudovˇe kompenzovan´a tlumivka, 2x kondenz´ator X C=100 nF, 2x kondenz´ ator Y C= 3,3 nF

Obr. 6.16: Zdroj s filtrem: varistor, proudovˇe kompenzovan´a tlumivka, 2x kondenz´ator X C=100 nF, 2x kondenz´ ator Y C= 3,3 nF, uzemnˇen´ y z´aporn´ y v´ ystup

60

Posledn´ı s´erie mˇeˇren´ı na s´ıti LISN je zamˇeˇrena na porovn´an´ı vyzaˇrov´an´ı u plnˇe zat´ıˇzen´eho zdroje a zdroje bez z´ atˇeˇze pro dvˇe vybran´e konfigurace filtru a pro zdroj bez filtru

Obr. 6.17: Zdroj bez filtru

Obr. 6.18: Zdroj s filtrem: varistor, proudovˇe kompenzovan´a tlumivka, 2x kondenz´ator X C=100 nF

61

Obr. 6.19: Zdroj s filtrem: varistor, proudovˇe kompenzovan´a tlumivka, 2x kondenz´ator X C=100 nF, 2x kondenz´ ator Y C= 3,3 nF, uzemnˇen´ y z´aporn´ y v´ ystup Pro porovn´ an´ı je u v´ ysledn´eho pouˇzit´eho filtru do jednoho grafu vynesena hodnoty ruˇsen´ı pˇri pln´e z´ atˇeˇzi a bez z´ atˇeˇze Proveden´ a mˇeˇren´ı maj´ı bohuˇzel pouze pomˇerov´ y charakter, nebot’ nebyla dostupn´ a pˇrenosov´ a charakteristika umˇel´e s´ıtˇe LISN.

62

6.1.3

Mˇ eˇ ren´ı reakce na rychl´ e odpojen´ı a pˇ ripojen´ı z´ atˇ eˇ ze.

Mˇeˇren´ı zamˇeˇren´e na parametry v´ ystupn´ıho napˇet´ı v z´avislosti na z´atˇeˇzi a velikosti vstupn´ıho napˇet´ı. Pouˇzit´e mˇeˇr´ıc´ı pˇr´ıstroje: • Osciloskop: HP 54501 - bez kalibrace • Vazebn´ı ˇclen (rel´e): Finder 58.34.9.024.0050 • Z´ atˇeˇz: 5 Ω (5x 1 Ω 5% 5W) pˇresn´a hodnota 4,96 Ω Podm´ınky mˇeˇren´ı: • Datum 5.12.2010 • Teplota: 19.8◦ C

Obr. 6.20: Zapojen´ı mˇeˇr´ıc´ıho pracoviˇstˇe

63

Obr. 6.21: Sn´ımek z osciloskopu pˇri rychl´em pˇripojen´ı z´atˇeˇze

Obr. 6.22: Sn´ımek z osciloskopu pˇri rychl´em odpojen´ı z´atˇeˇze

64

6.2 6.2.1

Mˇ eˇ ren´ı na zdroji pro v´ ykonov´ y modul Mˇ eˇ ren´ı v´ ystupn´ıch parametr˚ u - extr´ emy zat´ıˇ zen´ı

Toto mˇeˇren´ı m´ a uk´ azat chov´ an´ı zdroje v pˇr´ıpadech, kdy jsou vˇetve zat´ıˇzeny nestejn´ ym proudem. V tomto pˇr´ıpadˇe se zkouˇs´ı vˇsechny kombinace vˇetv´ı pro proudy 0 A a 1 A. Pro tˇri vˇetve tedy z´ısk´ ame 23 tedy 8 mˇeˇren´ı. Dvˇe mˇeˇren´ı jsou irelevantn´ı, protoˇze plovouc´ı 12 V vˇetev nem˚ uˇze b´ yt zat´ıˇzena bez ”zemnˇen´e”12 V vˇetve.

6.2.2

Mˇ eˇ ren´ı reakce na rychl´ e odpojen´ı a pˇ ripojen´ı z´ atˇ eˇ ze.

Mˇeˇren´ı zamˇeˇren´e na parametry v´ ystupn´ıho napˇet´ı v z´avislosti na z´atˇeˇzi a velikosti vstupn´ıho napˇet´ı. Pouˇzit´e mˇeˇr´ıc´ı pˇr´ıstroje: • Osciloskop: HP 54501 - bez kalibrace • 3x Vazebn´ı ˇclen (rel´e): Finder 58.34.9.024.0050 • Z´ atˇeˇz: 5 Ω (5x 1 Ω 5% 5W) pˇresn´a hodnota 4,96 Ω • Z´ atˇeˇz: 12 Ω (1x 10 Ω 5% 10W + 2x 1 Ω 5% 5W) pˇresn´a hodnota 12,32 Ω • Z´ atˇeˇz: 12 Ω (1x 10 Ω 5% 10W + 2x 1 Ω 5% 5W) pˇresn´a hodnota 12,02 Ω • Multimetr: M Y 68 - bez kalibrace Podm´ınky mˇeˇren´ı: • Datum 5.12.2010 • Teplota: 19.8◦ C

Obr. 6.23: Zapojen´ı mˇeˇr´ıc´ıho pracoviˇstˇe

65

Obr. 6.24: V´ ystupn´ı napˇet´ı troj´ urovˇ nov´eho zdroje pˇri nesymetrick´em zat´ıˇzen´ı (regulace v 5-ti voltov´e vˇetvi)

Obr. 6.25: V´ ystupn´ı napˇet´ı troj´ urovˇ nov´eho zdroje pˇri nesymetrick´em zat´ıˇzen´ı (regulace v 12-ti voltov´e vˇetvi)

Obr. 6.26: V´ ystupn´ı napˇet´ı troj´ urovˇ nov´eho zdroje pˇri nesymetrick´em zat´ıˇzen´ı (regulace rovnomˇernˇe rozdˇelena do 12-ti a 5-ti voltov´e vˇetve)

66

Z tˇechto mˇeˇren´ı je patrn´e, ˇze nejvhodnˇeji se chov´a regule na 12-ti voltov´e vˇetvi. Viz tabulka 6.25 Probl´em je ale, ˇze v pˇr´ıpadˇe odlehˇcen´e 5-ti voltov´e vˇetve a pln´em zat´ıˇzen´ı obou 12-ti voltov´ ych vˇetv´ı se pˇrehˇr´ıval rekuperaˇcn´ı obvod. A to aˇz do jeho vynech´an´ı funkce, coˇz mˇelo za n´ asledek znaˇcn´e zhorˇsen´ı u ´ˇcinnosti cel´eho zdroje, vyˇsˇs´ı zvlnˇen´ı v´ ystupn´ıho napˇet´ı a pˇrehˇr´ıv´ an´ı sp´ınac´ıho obvodu i transform´atoru, kter´ y se dle teoretick´ ych podklad˚ u pˇresycoval. Proto je prozat´ım volen´a v´ahovan´a regulace z 5-ti i 12-ti voltov´e vˇetve 1:1. Viz tabulka 6.26. To omezuje zdroj v pouˇzit´ı dle aproximovan´e charakteristiky 6.27.

Obr. 6.27: Operaˇcn´ı oblast zdroje

67

6.3 6.3.1

Mˇ eˇ ren´ı na v´ ykonov´ em modulu Chov´ an´ı line´ arn´ı ˇ c´ asti v z´ avislosti na pˇ ripojen´ e z´ atˇ eˇ zi

Tato mˇeˇren´ı se zab´ yvaj´ı reakc´ı line´arn´ı ˇc´asti zdroje (bez softwarov´e korekce) na pˇripojov´ an´ı r˚ uzn´ ych z´ atˇeˇz´ı v r˚ uzn´ ych m´ odech. Mˇeˇren´ı byla prov´adˇena s v´ ykonov´ ym tranzistorem na desce a pro kontrolu stability i na 30 cm dlouh´em kabl´ıku veden´em nad impulzn´ımi zdroji. Pˇri mˇeˇren´ıch se ˇz´ adn´e postˇrehnuteln´e odchylky neobjevili proto jsou uv´adˇeny pouze mˇeˇren´ı s v´ ykonov´ ym tranzistorem T 0 na kabl´ıku. Pouˇzit´e mˇeˇr´ıc´ı pˇr´ıstroje: • Osciloskop: HP 54501 - bez kalibrace • Vazebn´ı ˇclen (rel´e): Finder 58.34.9.024.0050 • Z´ atˇeˇz: 5 Ω (5x 1 Ω 5% 5W) zmˇeˇren´a hodnot hodnota 4,96 Ω • Z´ atˇeˇz: 20 Ω (2x 10 Ω 5% 10W) zmˇeˇren´a hodnota hodnota 9,99 Ω • Z´ atˇeˇz: 1 Ω (1x 1 Ω 5% 10W) zmˇeˇren´a hodnot hodnota 1,03 Ω • Z´ atˇeˇz: Indukˇcnost: L = 50 mH - na ˇzelezn´em j´adˇre RS = 4 Ω zmˇeˇren´a hodnot hodnota 51.2mH 1,03 Ω • Z´ atˇeˇz: Kondenz´ ator: C = 2.2 mH na 35 V • Z´ atˇeˇz: Motor: U = 12 V P =3 W Podm´ınky mˇeˇren´ı: • Datum 30.4.2011 • Teplota: 23.2◦ C

Na sn´ımc´ıch z displeje osciloskopu mohou b´ yt zobrazeny irelevantn´ı informace (sloupce mˇeˇren´ı minimum, maximum a average)

Obr. 6.28: Zapojen´ı mˇeˇr´ıc´ıho pracoviˇstˇe

68

Obr. 6.29: Pˇripojen´ı z´ atˇeˇz: Rz = 5 Ω, Uout0 = 5 V, Proudov´a pojistka: Vypnuta (Imax  1.2 A Z grafu na obr´ azku 6.29 lze pozorovat ˇspiˇcku poklesu napˇet´ı o 1,25 V. Stˇredn´ı hodnota ´ napˇet´ı se po pˇripojen´ı z´ atˇeˇze se ust´alila na hodnotˇe 4,74 V. Ubytek cca 0,25 V odpov´ıd´ a ztr´atˇe na sn´ımac´ıch rezistorech proudu. Pˇri bˇeˇzn´em provozu je tento u ´bytek softwarovˇe eliminov´ an. Tento u ´bytek vˇsak nen´ı zdaleka tak nepˇr´ıjemn´ y, jako ruˇsen´ı pronikaj´ıc´ı z impulzn´ıho zdroje pˇres line´ arn´ı v´ ykonovou ˇc´ast na v´ ystup. S pouˇzit´ım bˇeˇzn´eho usmˇernˇen´eho a stabilizovan´e napˇet´ı z transform´atoru byl tento jev jen stˇeˇz´ı patrn´ y. Pˇri pˇripojen´ı kondenz´ atoru zdroj reagoval dle oˇcek´av´an´ı, viz obr´azek 6.30. Ani induktivn´ı z´ atˇeˇz pˇri sepnut´ı (ˇcas 0.0 s) nemˇela tendenci zdroj rozkmit´avat. Pˇri rozepnut´ı v ˇ ˇcase 0.3 s se zdroj ale choval nekorektnˇe. Viz 6.31. Casov´ a detaily pr˚ ubˇehu na v´ ystupu neuv´ad´ım, nevyskytovalo se v nich nic podstatn´eho. Podstatn´e dˇeje prob´ıhaly ve vnitˇrn´ı struktuˇre regulaˇcn´ı ˇc´ asti, jejichˇz pr˚ ubˇehy neuv´ad´ım nebot’ jsou jiˇz mimo rozsah publikace.

69

Obr. 6.30: Pˇripojen´ı z´ atˇeˇz: C = 2.2 mH, Uout0 = 24 V, Proudov´a pojistka: Vypnuta (Imax  1.2 A)

Obr. 6.31: Pˇripojen´ı z´ atˇeˇz: Indukˇcnost L = 50 mH, Rs = 3.5 Ω + R = 20 Ω, Uout0 = 24 V, Proudov´ a pojistka: Vypnuta (Imax  1.2 A)

70

Obr. 6.32: Motor U = 12 V, P = 3 W - sepnut´ı nezat´ıˇzen´eho motoru, Uout0 = 12 V, Proudov´ a pojistka: Vypnuta (Imax  1.2 A)

Obr. 6.33: Motor U = 12 V, P = 3 W - sepnut´ı i rozepnut´ı zabrzdˇen´eho motoru, Uout0 = 12 V, Proudov´ a pojistka: Vypnuta (Imax  1.2 A) Pˇri zat´ıˇzen´ı motorem se zdroj choval obstojnˇe, i kdyˇz je patrn´a proudov´a ˇspiˇcka, kter´e mˇela za n´ asledek rychlou reakci proudov´e ochrany a t´ım sn´ıˇzen´ı v´ ystupn´ıho napˇet´ı k nule.

71

6.3.2

Mˇ eˇ ren´ı reakce proudov´ e pojistky v z´ avislosti na pˇ ripojen´ı z´ atˇ eˇ ze

Zapojen´ı pracoviˇstˇe a podm´ınky mˇeˇren´ı a mˇeˇr´ıc´ı pˇr´ıstroje jsou stejn´e jako u 6.3.1

Obr. 6.34: Test proudov´e pojistky: Rz = 1 Ω - sepnut´ı i rozepnut´ı z´atˇeˇze Uout0 = 3 V, Proudov´ a pojistka: Imax = 500 mA

Obr. 6.35: Test proudov´e pojistky: Rz = 1 Ω - sepnut´ı z´atˇeˇze (ˇcasov´ y detail) Uout0 = 5 V, Proudov´ a pojistka: Imax = 500 mA

72

6.3.3

Mˇ eˇ ren´ı reakce v´ ystupu na pˇ ripojen´ı a odpojen´ı nap´ ajen´ı

Zapojen´ı pracoviˇstˇe a podm´ınky mˇeˇren´ı a mˇeˇr´ıc´ı pˇr´ıstroje jsou stejn´e jako u 6.3.1

Obr. 6.36: Reakce v´ ystupu na pˇripojen´ı nap´ajen´ı: Rz = ∞ Ω, Uout0 = 5 V, Proudov´ a pojistka: Vypnuta (Imax  1.2 A)

Obr. 6.37: Reakce v´ ystupu na odpojen´ı nap´ajen´ı: Rz = 20 Ω, Uout0 = 5 V, Proudov´ a pojistka: Vypnuta (Imax  1.2 A)

73

Obr. 6.38: Reakce v´ ystupu na odpojen´ı nap´ajen´ı - (ˇcasov´a detail 1): Rz = 20 Ω, Uout0 = 5 V, Proudov´ a pojistka: Vypnuta (Imax  1.2 A)

Obr. 6.39: Reakce v´ ystupu na odpojen´ı nap´ajen´ı - (ˇcasov´a detail 2): Rz = 20 Ω, Uout0 = 5 V, Proudov´ a pojistka: Vypnuta (Imax  1.2 A)

74

Ad: 6.3.2 Na sn´ımku 6.34 z osciloskopu lze pozorovat, jak se zhruba chov´a proudov´ a pojistka. Na sn´ımku 6.35 je vidˇet rychlost reakce proudov´e pojistky do z´atˇeˇze Rz = 1 Ω. Se spouˇstˇen´ım ˇcasov´e z´ aklady osciloskopu pomoc´ı jednoho z kontakt˚ u rel´e byly v´ ysledky obdobn´e (liˇsili se o nˇekolik des´ıtek µs, coˇz mohlo b´ yt zp˚ usobenu i zpoˇzdˇen´ım dosednut´ı kontakt˚ u.) Ad: 6.3.3 Mˇeˇren´ı zab´ yvaj´ıc´ı se chov´an´ım zdroje ukazuje reakci v´ ystupu na zapnut´ı a vypnut´ı nap´ ajen´ı bez softwarov´ ych ochran jako je rozpojen´ı v´ ystupn´ıho rel´e. Na sn´ımku 6.36 je uk´ azka jak se chov´ a v´ ystup pˇri pˇripojen´ı napˇet´ı bez z´atˇeˇze (horˇs´ı pˇr´ıpad). Na sn´ımku 6.37 je zobrazeno odepnut´ı. Detail poklesu napˇet´ı na nulu uveden´ y na sn´ımku 6.38 je zp˚ usoben rychl´ y v´ ypadkem 5-ti voltov´e vˇetve (nap´ajen´ı DAC). Mnohem zaj´ımavˇejˇs´ı je druh´ y detail, tedy kr´ atk´ y n´ ar˚ ust v´ ystupn´ıho napˇet´ı zp˚ usoben´ y pozdˇejˇs´ım v´ ypadkem z´aporn´e vˇetve -5 V. Kter´ a vyˇrad´ı z provozu regulace. Detaily pr˚ ubˇeh˚ u jsou opˇet mimo rozsah publikace.

6.3.4

Mˇ eˇ ren´ı ruˇ siv´ eho napˇ et´ı na v´ ystupu

Je prov´ adˇeno opˇet na stejn´em zapojen´ı jako v mˇeˇren´ı z kapitoly 6.3.1. Mˇeˇren´ı je prov´adˇeno pˇri Uout0 = 5 V a z´ atˇeˇzi Rz = 10 Ω. ˇ sen´ı Reˇ ˇ adn´e Z´

URM S

Upp

88 mV

220 mV

Ferit na nap´ ajen´ı v´ ykonov´eho modulu

76 mV

176 mV

Ferit na vodiˇc´ıch k v´ ystupn´ım svork´am

55 mV

152 mV

Ferit na obou v´ yˇse uveden´ ych pˇr´ıvodech

49 mV

130 mV

Z mˇeˇren´ı je patrn´ y vliv ferit˚ u na ruˇsen´ı dost´avaj´ıc´ı se na v´ ystup, nicm´enˇe potlaˇcen´ı tohoto napˇet´ı nen´ı dostateˇcn´e, a impulzn´ı zdroje pro v´ ykonov´e moduly se jev´ı jako nevhodn´e. A to i pˇres znaˇcn´e mnoˇzstv´ı pouˇzit´ ych filtraˇcn´ıch prvk˚ u.

75

7

´ ER ˇ ZAV

Obvody ˇr´ıdic´ı jednotky, ovl´ adac´ıho a zobrazovac´ıho modulu a jejich nap´ajec´ı zdroj se chovaj´ı korektnˇe, bez z´ avad a poruch po celou dobu testov´an´ı. Horˇs´ı parametry vykazuj´ı v´ ykonov´e moduly se sv´ ymi nap´ ajec´ımi zdroji. Regulaˇcn´ı obvody zdroje se chovaly dobˇre co se t´ yˇce stability. Jako m´enˇe pohodln´a se jev´ı nutnost softwarov´e kompenzace u ´bytk˚ u napˇet´ı na sn´ımac´ıch odporech proudu. Nejvˇetˇs´ım neduhem jsou ale zdroje pro v´ ykonov´e moduly. Pˇri zat´ıˇzen´ı je jejich napˇet´ı znaˇcnˇe zvlnˇen´e a obsahuje mnoho VF ruˇsen´ı, kter´e nen´ı zachyceno ani regulaˇcn´ım obvodem, a prosakuje pˇres nˇej do z´atˇeˇze. Ani regulace tˇechto zdroj˚ u nepracuje u ´plnˇe dle poˇzadavk˚ u. Je tedy nutn´e bud’ upravit regulaci nebo navrhnou u ´plnˇe jin´e zdroje, se znaˇcnˇe menˇs´ım ruˇsen´ım a m´enˇe se ovlivˇ nuj´ıc´ımi napˇet´ımi mezi vˇetvemi. Zdroj i pˇres svou funkˇcnost tedy nesplˇ nuje vˇsechny poˇzadavky, kter´e na nˇej byly kladeny. Na druhou stranu ze zkuˇsenost´ı z odborn´e praxe v´ım, ˇze v´ yvoj podobn´eho zaˇr´ızen´ı si vyˇzaduje mnohem v´ıce ˇcasu a test˚ u neˇz bylo moˇzn´e z ˇcasov´ ych d˚ uvod˚ u prov´est. Zaˇr´ızen´ı podobn´eho rozsahu se m´ alokdy podaˇr´ı vyladit k dokonalosti na prvn´ı verzi desky. Na zdroji tedy zb´ yv´ a opravit znaˇcn´e mnoˇzstv´ı nedostatk˚ u a upravit jeˇstˇe spoustu detail˚ u. Od n´ avrhu nov´ ych nap´ ajec´ıch zdroj˚ u v´ ykonov´ ych modul˚ u a mˇeˇr´ıc´ıch modul˚ u, pˇres u ´pravy regulaˇcn´ıch obvod˚ u, aˇz po optimalizaci firmwaru a rozˇs´ıˇren´ı a u ´pravy ovl´adac´ıho softwaru pro PC. Dalˇs´ı u ´pravou by mohlo b´ yt pouˇzit´ı prostornˇejˇs´ı zobrazovac´ı jednotky ’ a to bud znakov´ y LCD displej 40x4 znak˚ u nebo grafick´ y zobrazovaˇc. Pˇr´ıpadnˇe doplnˇen´ı akustick´e signalizace. Pr´ace na tomto zaˇr´ızen´ı pro mˇe byla znaˇcn´ ym pˇr´ınosem v n´avrhu obvod˚ u, programov´an´ı mikrokontrol´er˚ u, aplikac´ı pro PC, oblasti EMC, oblasti mˇeˇren´ı i n´avrhu mechanick´e konstrukce.

76

LITERATURA [1] Philips Semiconductors IP4220CZ6 Product data sheet [online]. 2005, posledn´ı aktualizace 12.9.2005 [cit. 20. kvˇetna 2011]. Dostupn´e z URL: http://www.nxp.com/documents/data sheet/IP4220CZ6.pdf [2] Microchip PIC18F46J50 Family - Data Sheet [online]. 2009, posledn´ı aktualizace 26.3.2009 [cit. 20. kvˇetna 2011]. Dostupn´e z URL: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39931c.pdf [3] Microchip PIC18F47J13 Family - Data Sheet [online]. 2009, posledn´ı aktualizace 26.3.2009 [cit. 20. kvˇetna 2011]. Dostupn´e z URL: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39974A.pdf [4] Microchip PIC18F2XJXX/4XJXX FAMILY Flash Microcontroller Programming Specification [online]. 2010, posledn´ı aktualizace 5.1.2010 [cit. 20. kvˇetna 2011]. Dostupn´e z URL: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39687e.pdf [5] Microchip TC7660 Charge Pump DC-to-DC Voltage Converter - Data Sheet [online]. 2002, posledn´ı aktualizace 15.11.2002 [cit. 20. kvˇetna 2011]. Dostupn´e z URL: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21465b.pdf [6] Microchip MCP4802/4812/4822 8/10/12-Bit Dual Voltage Output Digital-toAnalog Converter with Internal VREF and SPI Interface - Data Sheet [online]. 2010, posledn´ı aktualizace 5.1.2010 [cit. 20. kvˇetna 2011]. Dostupn´e z URL: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/22249A.pdf [7] Microchip MCP606/7/8/9 2.5V to 6.0V Micropower CMOS Op Amp - Data Sheet [online]. 2009, posledn´ı aktualizace 26.3.2009 [cit. 20. kvˇetna 2011]. Dostupn´e z URL: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/11177f.pdf [8] Myrra 74000 Catalogue [online]. [cit. 20. kvˇetna 2011]. Dostupn´e z URL: http://www.myrra.fr/documentation/74000 catalogue.pdf [9] Power Integrations TOPSwitch-GX - Design Methodology [online]. posledn´ı aktualizace 7.2004 [cit. 20. kvˇetna 2011]. Dostupn´e z http://www.powerint.com/sites/default/files/product-docs/an32.pdf

2004, URL:

[10] Power Integrations TOP242-250 TOPSwitch-GX Family - Data Sheet [online]. 2005, posledn´ı aktualizace 11.2005 [cit. 20. kvˇetna 2011]. Dostupn´e z URL: http://www.powerint.com/sites/default/files/product-docs/top242.250.pdf [11] VISHAY BYV26C Ultra Fast Avalanche Sinterglass Diode - Data Sheet [online]. 2004, posledn´ı aktualizace 13.8.2004 [cit. 20. kvˇetna 2011]. Dostupn´e z URL: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/GeneralSemiconductor/mXyzrvzw.pdf

77

[12] GeneralSemiconductor P6KE180 TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR Data Sheet [online]. 1999, posledn´ı aktualizace 21.1.1999 [cit. 20. kvˇetna 2011]. Dostupn´e z URL: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/GeneralSemiconductor/mXyzrvzw.pdf [13] Vishay Semiconductors BAV21 Switching Diode - Data Sheet [online]. 2001, posledn´ı aktualizace 12.2.2001 [cit. 20. kvˇetna 2011]. Dostupn´e z URL: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/vishay/85543.pdf [14] Vishay Semiconductors Schottky Barrier Rectifier - Data Sheet [online]. 200´2, posledn´ı aktualizace 1.7.2002 [cit. 20. kvˇetna 2011]. Dostupn´e z URL: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/vishay/85543.pdf [15] Liteon Optocoupler - Data Sheet [online]. [cit. 20. kvˇetna 2011]. Dostupn´e z URL: http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/168820/LITEON/LTV-816.html [16] Diotec Semiconductor Si-Bridge Rectifiers - Data Sheet [online]. 2003, posledn´ı aktualizace 11.2.2003 [cit. 20. kvˇetna 2011]. Dostupn´e z URL: http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/168820/LITEON/LTV-816.html [17] ST Microelectronics TL431 Programmable Voltage Reference - Data Sheet [online]. 1998, posledn´ı aktualizace 11.1998 [cit. 20. kvˇetna 2011]. Dostupn´e z URL: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/vishay/sb320.pdf [18] Vishay Semiconductors Small Signal Transistors (NPN) - Data Sheet [online]. 2002, posledn´ı aktualizace 9.5.2002 [cit. 20. kvˇetna 2011]. Dostupn´e z URL: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/vishay/85115.pdf [19] HitachiSemiconductor Dot Matrix Liquid Crystal Display Controller/Driver - Data Sheet [online]. [cit. 20. kvˇetna 2011]. Dostupn´e z URL: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/HitachiSemiconductor/mXvyusu.pdf R [20] Microchip MPLAB C18 C COMPILER LIBRARIES [online]. 2005, posledn´ı aktualizace 20.4.2005 [cit. 20. kvˇetna 2011]. Dostupn´e z URL: http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/mplab c18 libraries 51297f.pdf R C18 C COMPILER GETTING STARTED [online]. 2005, [21] Microchip MPLAB posledn´ı aktualizace 24.8.2005 [cit. 20. kvˇetna 2011]. Dostupn´e z URL: http://www.kevin.org/frc/C18 3.0 getting started.pdf

´ CEK, ˇ [22] HRBA Jiˇr´ı. Komunikace mikrokontorleru s okol´ım 1. 2. dotisk 1. vyd. Praha: BEN Technick´ a literatura, 1999 (tisk 2002). 160 s. ISBN 80-7169-608-0 [23] Microchip 8051projects - Flash writing in Pic 18f6722. [online]. 2008, posledn´ı aktualizace 10.12.2008 [cit. 20. kvˇetna 2011]. Dostupn´e z URL: http://www.8051projects.net/lofiversion/t15046/Flash-writing-in-pic-18f6722.html

78

ˇ ´INOVSKY, ´ Jiˇr´ı, FRYZA, ´ ˇ ˇ [24] DR Tom´aˇs, SVACINA, Jiˇr´ı, KEJ´IK, Zbynˇek, R˚ UZEK, V´ aclav. Skripta - Elektromagnetick´ a kompatibilita. Fakulta elektrotechniky a komunikaˇcn´ıch technologi´ı VUT v Brnˇe 304 s. ´ [25] VRBA, Kamil, HERMAN, Ivo, KUBANEK, David. Konstrukce elektronick´ych zaˇr´ızen´ı. Fakulta elektrotechniky a komunikaˇcn´ıch technologi´ı VUT v Brnˇe 237 s. ˇ ´IK, Lubom´ır, DOSTAL, ´ Tom´aˇs. Skripta - Mˇeˇren´ı v elektrotechnice. Fakulta [26] BRANC elektrotechniky a komunikaˇcn´ıch technologi´ı VUT v Brnˇe 10.2007 194 s.

79

˚ VELICIN ˇ SEZNAM SYMBOLU, A ZKRATEK USB univerz´ aln´ı rozhran´ı pro spojen´ı zaˇr´ızen´ı – Universal Serial Bus PIC mikrokontrol´er RISC vyr´ abˇen´ y firmou Microchip RISC oznaˇcen´ı mikrokontrol´er˚ u s redukovanou instrukˇcn´ı sadou I2 C n´ızkorychlostn´ı sbˇernice pro komunikaci IO mezi sebou – Inter-Integrated Circuit IO integrovan´ y obvod DAC digit´ alnˇe analogov´ y pˇrevodn´ık – Digital Analog Convertor ADC analogovˇe digit´ aln´ı pˇrevodn´ık – Analog Digital Convertor SPI rozhran´ı pro komunikaci s periferiemi – Serial Peripheral Interface MCU mikrokontroler – MicroControler Unit USART synchronn´ı / asynchronn´ı s´eriov´e rozhran´ı – Universal Synchronous / Asynchronous Receiver and Transmitter USART asynchronn´ı s´eriov´e rozhran´ı – Universal Asynchronous Receiver and Transmitter OZ operaˇcn´ı zesilovaˇc OTG On-The-Go – Zaˇr´ızen´ı, kter´e je na sbˇernici USB pˇrev´aˇznˇe urˇceno jako slave, m˚ uˇze pracovat i jako host ESR ekvivalentn´ı s´eriov´ y odpor – parametr ud´avaj´ıc´ı s´eriovou rezistivitu elektrolytick´ ych kondenz´ ator˚ u VOR Reflected output voltage – efektivn´ı v´ ystupn´ı napˇet´ı na prim´arn´ı stranˇe transform´ atoru ICSP In Circuit Serial Programming – programov´an´ı mikrokontrol´eru pˇr´ımo v aplikaci vyvinut´e spoleˇcnost´ı Microchip ESD Electrostatic dischrage – lok´aln´ı v´ yboj statick´e elektˇriny EM C Electromagnetic Compatibility – Elektromagnetick´a kompatibilita EM I Electromagnetic Interference – Elektromagnetick´e vyzaˇrov´an´ı EM S Electromagnetic Susceptability – Elektromagnetick´a odolnost BW Bandwidth – ˇs´ıˇrka p´ asma EF T Electronic Fast Trasient – rtychl´e pˇrechodn´e pulsy (ruˇsen´ı zp˚ usobovan´e napˇr´ıklad ˇr´ızen´ ymi pohony)

80

CISP R Comit´e International Sp´ecial des Perturbations Radio´electriques - v´ ybor pro r´adiovou interferenci

81

ˇ ´ILOH SEZNAM PR A Seznamy souˇ c´ astek A.1 Seznam souˇc´ astek A.2 Seznam souˇc´ astek A.3 Seznam souˇc´ astek A.4 Seznam souˇc´ astek A.5 Seznam souˇc´ astek

pro nap´ajec´ı zdroj ˇr´ıd´ıc´ıho modulu . . pro nap´ajec´ı zdroj v´ ykonov´eho modulu pro ˇr´ıd´ıc´ı modul . . . . . . . . . . . . . pro ovl´adac´ı a zobrazovac´ı panel . . . pro v´ ykonov´ y modul . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

84 84 85 87 89 90

B Obvodov´ a sch´ emata blok˚ u 94 B.1 Zdroj ˇr´ıd´ıc´ıho modulu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 B.2 Zdroj v´ ykonov´eho modulu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 ˇ ıd´ıc´ıho modulu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 B.3 R´ C Podklady pro v´ yrobu DPS C.1 Podklady pro v´ yrobu zdroje ˇr´ıd´ıc´ıho modulu (+5 V) . . C.1.1 Pˇredloha pro DPS (BOTTOM) . . . . . . . . . C.1.2 Osazovac´ı pl´ an (TOP) . . . . . . . . . . . . . . C.1.3 Osazovac´ı pl´ an (BOTTOM) . . . . . . . . . . . C.2 Podklady pro v´ yrobu zdroje v´ ykonov´eho modulu (+5 V) C.2.1 Pˇredloha pro DPS (BOTTOM) . . . . . . . . . C.2.2 Osazovac´ı pl´ an (TOP) . . . . . . . . . . . . . . C.2.3 Osazovac´ı pl´ an (BOTTOM) . . . . . . . . . . . ˇ ıd´ıc´ı jednotky . . . . . . . . . . C.3 Podklady pro v´ yrobu R´ C.3.1 Pˇredloha pro DPS (BOTTOM) . . . . . . . . . C.3.2 Osazovac´ı pl´ an (TOP) . . . . . . . . . . . . . . C.3.3 Osazovac´ı pl´ an (BOTTOM) . . . . . . . . . . . C.4 Podklady pro v´ yrobu v´ ykonov´eho modulu . . . . . . . . C.4.1 Pˇredloha pro DPS (TOP) . . . . . . . . . . . . . C.4.2 Pˇredloha pro DPS (BOTTOM) . . . . . . . . . C.4.3 Osazovac´ı pl´ an (TOP) . . . . . . . . . . . . . . C.4.4 Osazovac´ı pl´ an (BOTTOM) . . . . . . . . . . . C.5 Podklady pro v´ yrobu mˇeˇr´ıc´ı desky v´ ykonov´eho modulu C.5.1 Pˇredloha pro DPS (TOP) . . . . . . . . . . . . . C.5.2 Pˇredloha pro DPS (BOTTOM) . . . . . . . . . C.5.3 Osazovac´ı pl´ an (TOP) . . . . . . . . . . . . . . C.5.4 Osazovac´ı pl´ an (BOTTOM) . . . . . . . . . . . C.6 Podklady pro v´ yrobu ovl´adac´ıho a zobrazovac´ıho panelu C.6.1 Pˇredloha pro DPS (BOTTOM) . . . . . . . . . C.6.2 Osazovac´ı pl´ an (TOP) . . . . . . . . . . . . . . C.6.3 Osazovac´ı pl´ an (BOTTOM) . . . . . . . . . . .

82

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

97 97 97 97 97 98 98 99 99 100 100 101 101 102 102 102 103 103 104 104 104 105 105 106 106 107 107

D Pouzdra mikorkontroler˚ u D.1 Pouzdro mikrokontroleru PIC18F47J13 D.2 Pouzdro mikrokontroleru PIC18F46J50

108 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

E Zapojen´ı v´ yvod˚ u mikrokontroler˚ u E.1 Zapojen´ı v´ yvod˚ u mikrokontroleru PIC18F47J13 ve v´ ykonov´em modulu E.2 Zapojen´ı v´ yvod˚ u mikrokontroleru PIC18F46J50 ve v´ ykonov´em modulu

110 . . 110 . . 112

F Blokov´ a sch´ emata integrovan´ ych obvod˚ u 114 F.1 TOP242 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 F.2 TOP244 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 G Mechanick´ e parametry souˇ c´ astek 116 G.1 Transform´ ator pro impulzn´ı zdroje 74001 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 G.2 Transform´ ator pro impulzn´ı zdroje 74030 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

83

A A.1

ˇ ASTEK ´ SEZNAMY SOUC Seznam souˇ c´ astek pro nap´ ajec´ı zdroj ˇ r´ıd´ıc´ıho modulu Oznaˇcen´ı Pouzdro

Hodnota Typ

Pozn´amka

R1

0207/10

2M2

R2

R1206

100R

R3

R1206

10k

R4

R1206

10k

R5

R1206

1k0

R6

R1206

3k3

R7

R1206

330R

Voliteln´ y (opt. signalizace)

RV

S10K17

275VAC

Voliteln´ y (ochrann´ y varistor)

B1

MiniDIL

S380B

M˚ ustek

D1

DO-201AD

SB360

D2

DO-35

BAV21

DR1

SOD-57

BYV26C

DR2

DO-204AC

Transil

LED1

5mm

P6KE180 ˇ Cerven´ a

C1

EUE5-10.5

330uF/16V

n´ızk´a ESR

C2

EUE5-10.5

330uF/16V

C3

EUE5-13

10uF/450V

C4

C1206

100nF/50V

C5

EUE1.8-4

2,2uF/50V

C6

C1206

100nF/50V

CF1

X2 (15mm)

100nF/305V

Voliteln´ y (filtr)

CF2

X2 (15mm)

100nF/305V

Voliteln´ y (filtr)

L1

10mm

cca 2,5uH

Feritov´a perliˇcka

LF

74311

viz. [8]

Voliteln´a (filtr)

TR1

74001

viz. [8]

VR1

TO-92

TLC431

IO1

DIL8

TOP242PN

OPTO1

DIL4

LTV816

X1

PTR500/2

Osadit pˇri pouˇzit´ı filtru

X2

PTR500/2

Osadit pˇri neosazen´ı filtru

X3

PTR500/2

Voliteln´a (opt. signalizace)

Nebo PC817 apod.

84

A.2

Seznam souˇ c´ astek pro nap´ ajec´ı zdroj v´ ykonov´ eho modulu Oznaˇcen´ı Pouzdro

Hodnota Typ

Pozn´amka

R1A

0207/10

1M0

R1B

0207/10

1M0

R2A

R1206

47R

R2B

R1206

47R

R3

R1206

10k

R4A

R1206

10k

Osadit pro referenˇcn´ı vˇetev 5 V

R4B

R1206

38k

Osadit pro referenˇcn´ı vˇetev 12 V

R5

R1206

1k0

R6

R1206

3k3

R7

R1206

6R8

RO

R1206

1k0

Voliteln´ y (pouze pˇri ext. sp´ın´an´ı)

RV

S10K17

275VAC

Ochrann´ y varistor

B1

MiniDIL

S380B

M˚ ustek

D1a

SOD-57

BYV27-200

D1b

SOD-57

BYV27-200

D1w

DO-201AD

SB360

D2

DO-35

BAV21

DR1

SOD-57

BYV26C

DR2

DO-204AC

P6KE150

Transil

C1a

EUE5-10.5

330uF/35V

N´ızk´a ESR

C2a

EUE5-10.5

330uF/35V

C1b

EUE5-10.5

330uF/35V

C2b

EUE5-10.5

330uF/35V

C1w

EUE5-10.5

330uF/16V

C2w

EUE5-10.5

330uF/16V

C3

EUE5-13

47u/450V

C4

C1206

100n/50V

C5

EUE1.8-4

2u2/50V

C6

C1206

100n/50V

C7

C1206

47uF/16V

85

N´ızk´a ESR N´ızk´a ESR

Oznaˇcen´ı Pouzdro

Hodnota Typ

Pozn´amka

CF1

X2 (15mm)

100nF/305V

Filtr

CF2

X2 (15mm)

100nF/305V

Filtr

L1a

10mm

cca 2,5uH

Feritov´a perliˇcka

L1b

10mm

cca 2,5uH

Feritov´a perliˇcka

L1w

10mm

cca 2,5uH

Feritov´a perliˇcka

LF

74311

viz. [8]

Filtr

TR1

74001

viz. [8]

VR1

TO-92

TLC431

IO1

TO220-7

TOP244Y

OPTO1

DIL4

LTV816

nebo PC817 apod.

OPTO2

DIL4

LTV816

Voliteln´ y (pouze pˇri ext. sp´ın´an´ı)

X1

PTR500/2

X2

PTR500/2

X3

PTR500/2

X4

PTR500/2

X5

PTR500/2

JP1

FE02-1

Voliteln´a (pouze pˇri ext. sp´ın´an´ı)

86

A.3

Seznam souˇ c´ astek pro ˇ r´ıd´ıc´ı modul Oznaˇcen´ı Pouzdro

Hodnota Typ

C1

C1206K

100n

C2

C1206K

100n

C3

C1206K

100n

C4

C1206K

100n

C5

C1206K

10uF

C8

C1206K

18pF

C9

C1206K

18pF

C10

C1206K

100n

D1

SOD-123-MINI

1N4181

D2

SOD-123-MINI

1N4181

D3

DO-214AC

1N4007

IO2

DPACK

LF33

IO3

SOT475

IP4220CZ6

J1

con-molex

PIN-4

J2

con-molex

PIN-4

J3

con-molex

PIN-4

J4

con-molex

PIN-4

K1

TX2SA-L2

G6SK-2F-H

OPTO1

DIL4

LTV816

OPTO2

DIL4

LTV816

OPTO3

DIL4

LTV816

OPTO4

DIL4

LTV816

MCU

TQFP44

PIC18F46J50

PL1

con-harting

20V

Q1

HC49UP

12MHz

87

Pozn´amka

Oznaˇcen´ı Pouzdro

Hodnota Typ

R1

M1206

1k5

R2

M1206

10k

R3

M1206

10k

R4

M1206

110R

R5

M1206

110R

R6

M1206

1k

R7

M1206

1k

R8

M1206

1k

R9

M1206

110R

R10

M1206

1k

R11

M1206

110R

R12

M1206

39R

R13

M1206

39R

R14

M1206

8k2

R15

M1206

8k2

R16

M1206

8k2

R17

M1206

8k2

R18

M1206

8k2

SV1

con-lsta

FE06

T1

SOT23

BC846

T2

SOT23

BC846

T3

SOT23

BC846

T4

SOT23

BC846

USB

con-cypress

MINI-USB

X1

con-ptr500

AK500/2

X2

con-ptr500

AK500/2

88

Pozn´amka

A.4

Seznam souˇ c´ astek pro ovl´ adac´ı a zobrazovac´ı panel

Oznaˇcen´ı Pouzdro

Hodnota Typ

Pozn´amka

C1

C1206

100n

IC1

DIL14

74LS07N

J2

con-molex 5

5PIN

PL1

harting 20

20H

Q1

SOT23

BC846

R1

R1206

2k2

R2

R1206

0R0

R3

R1206

8k2

R4

R1206

10k

RN1

SIL5

10k

RN2

SIL5

10k

RN3

SIL5

10k

Pouze pokud nejsou zapnut´e pull-up v MCU

RN4

SIL5

10k

Pouze pokud nejsou zapnut´e pull-up v MCU

S1

B3F-10XX

h:19mm

S2

B3F-10XX

h:19mm

S3

B3F-10XX

h:19mm

S4

B3F-10XX

h:19mm

S5

B3F-10XX

h:19mm

SV1

con-lsta

FE06

SV2

con-lsta

FE10

Spolu s SV2 mohou b´ yt nahrazeny FE16

89

A.5

Seznam souˇ c´ astek pro v´ ykonov´ y modul Oznaˇcen´ı Pouzdro

Hodnota Typ

C3

C1206

100n

C4

C1206

100n

C5

C1206

100n

C6

C1206

100n

C7

C1206

100n

C25

C1206

100n

C27

C1206

100n

CB1

E2-5

2u2

CB2

E2-5

2u2

CD5

C1206

100n

CD12

C1206

100n

CEF3

E5-10,5

330uF

CEL0

E7,5-18

1mF

CEL1

E5-10,5

330uF

CEL2

E5-10,5

330uF

CEL3V3

E2-5

10uF

CM1

E2-5

10uF

CM2

E2-5

10uF

CO1

C1206

100n

CO2

C1206

100n

CO3

C1206

100n

CP1

C1206

100n

CP2

C1206

100n

CR

C1206

1uF

CXTAL1

C1206

15pF

CXTAL2

C1206

15pF

D1

R MICROMELF-R

1n4841

D3

SOT23

D4

MINIMELF

1N4841

D5

MINIMELF

1N4841

D6

MINIMELF

1N4841

D7

MINIMELF

1N4841

D8

MINIMELF

1N4841

D9

MINIMELF

1N4841v

D10

MINIMELF

1N4841

90

Pozn´amka

Oznaˇcen´ı Pouzdro

Hodnota Typ

D11

MINIMELF

1N4841

D12

MINIMELF

1N4841

D13

MINIMELF

1N4841

D14

MINIMELF

1N4841

D15

MINIMELF

1N4841

D19

MINIMELF

1N4841

D20

MINIMELF

1N4841

D21

MINIMELF

1N4841

D22

MINIMELF

1N4841

IC1

SO08

LM358D

IC2

SO08

LM358D

IC3

SO08

MCP4822

IC4

SO08

LM358D

J2

7395-04

molex con4

K1

TX2SA-L2

RELAY-G5H6

K2

TX2SA-L2

RELAY-G5H6

LED1

M1206

LED2

M1206

MCU

TQFP44

PIC18F47J13

QR1N

SOT23

BC846

QR1P

SOT23

BC856

QR2N

SOT23

BC846

QR2P

SOT23

BC856

QR3

SOT23

BC846

QR4

SOT23

BC846

QR5

SOT23

BC846

QR6

SOT23

BC846

QR7

SOT23

BC846

QR8

SOT23

BC846

R0

M1206

4k7

R0A

M1206

0R5

R0B

M1206

0R0

R0C

M1206

0R0

R0D

M1206

0R5

R1

M1206

1k2

R2

M1206

1k2

R3

M1206

8k2

91

Pozn´amka

Oznaˇcen´ı Pouzdro

Hodnota Typ

R4

M1206

1k8

R5

M1206

1k

R6

M1206

15k

R7

M1206

1k0

R8

M1206

10k

R9

M1206

1k0

R10

M1206

1k

R12

M1206

1k0

R14

M1206

22k

R15

M1206

22k

R16

M1206

470R

R20

M1206

4k7

R21

M1206

22k

R23

M1206

4k7

R24

M1206

22k

RB1

M1206

8k2

RB2

M1206

8k2

RB3

M1206

2k2

RB4

M1206

2k2

RB5

M1206

2k2

RB6

M1206

2k2

RB7

M1206

2k2

RB8

M1206

2k2

RD5-1

M1206

3k3

RD5-2

M1206

3k3

RD12-1

M1206

15k

RD12-2

M1206

3k3

RDI1

M1206

1k

RDI2

M1206

3k3

RDN1

M1206

33k

RDN2

M1206

3k3

RDV1

M1206

12k

RDV2

M1206

2k2

RE1

M1206

10R

RE2

M1206

10R

RL1

M1206

180R

92

Pozn´amka

Oznaˇcen´ı Pouzdro

Hodnota Typ

RL2

M1206

180R

RR

M1206

10k

SV1

MA05-2

SV2

MA05-2

SV3

MA05-2

T0

TO220AV

MJE3055

T1

SOT23

BC847

T2

SOT23

BC847

TAZ1

DO-214AC

SM6T6V8A

TAZ2

DO-214AC

SM6T15A

TAZ3

DO-214AC

SM6T15A

TAZ4

SMB

SM6T24A

U1

DPACK

LF33

U2

SO08

TC7660

X1

AK500/2

X2

AK500/2

X3

AK500/2

X4

AK500/2

XTAL1

SM49

20MHz

93

Pozn´amka

B B.1

´ SCHEMATA ´ ˚ OBVODOVA BLOKU Zdroj ˇ r´ıd´ıc´ıho modulu

Obr. B.1: Zdroj ˇr´ıd´ıc´ıho modulu - obvodov´e sch´ema

94

B.2

Zdroj v´ ykonov´ eho modulu

Obr. B.2: Zdroj v´ ykonov´eho modulu - obvodov´e sch´ema

95

B.3

ˇ ıd´ıc´ıho modulu R´

ˇ ıd´ıc´ı modul - obvodov´e sch´ema Obr. B.3: R´

96

C

´ PODKLADY PRO VYROBU DPS

C.1

Podklady pro v´ yrobu zdroje ˇ r´ıd´ıc´ıho modulu (+5 V)

C.1.1

Pˇ redloha pro DPS (BOTTOM)

C.1.2

Osazovac´ı pl´ an (TOP)

C.1.3

Osazovac´ı pl´ an (BOTTOM)

97

C.2 C.2.1

Podklady pro v´ yrobu zdroje v´ ykonov´ eho modulu (+5 V) Pˇ redloha pro DPS (BOTTOM)

98

C.2.2

Osazovac´ı pl´ an (TOP)

C.2.3

Osazovac´ı pl´ an (BOTTOM)

99

C.3 C.3.1

ˇ ıd´ıc´ı jednotky Podklady pro v´ yrobu R´ Pˇ redloha pro DPS (BOTTOM)

100

C.3.2

Osazovac´ı pl´ an (TOP)

C.3.3

Osazovac´ı pl´ an (BOTTOM)

101

C.4

Podklady pro v´ yrobu v´ ykonov´ eho modulu

C.4.1

Pˇ redloha pro DPS (TOP)

C.4.2

Pˇ redloha pro DPS (BOTTOM)

102

C.4.3

Osazovac´ı pl´ an (TOP)

C.4.4

Osazovac´ı pl´ an (BOTTOM)

103

C.5

Podklady pro v´ yrobu mˇ eˇ r´ıc´ı desky v´ ykonov´ eho modulu

C.5.1

Pˇ redloha pro DPS (TOP)

C.5.2

Pˇ redloha pro DPS (BOTTOM)

104

C.5.3

Osazovac´ı pl´ an (TOP)

C.5.4

Osazovac´ı pl´ an (BOTTOM)

105

C.6

C.6.1

Podklady pro v´ yrobu ovl´ adac´ıho a zobrazovac´ıho panelu Pˇ redloha pro DPS (BOTTOM)

106

C.6.2

Osazovac´ı pl´ an (TOP)

C.6.3

Osazovac´ı pl´ an (BOTTOM)

107

D D.1

˚ POUZDRA MIKORKONTROLERU Pouzdro mikrokontroleru PIC18F47J13

Obr. D.1: Pouzdro mikrokontroleru PIC18F47J13 - pˇrevazato z [3]

108

D.2

Pouzdro mikrokontroleru PIC18F46J50

Obr. D.2: Pouzdro mikrokontroleru PIC18F46J50 - pˇrevazato z [2]

109

E E.1

´ ˚ MIKROKONTROLERU ˚ ZAPOJEN´I VYVOD U Zapojen´ı v´ yvod˚ u mikrokontroleru PIC18F47J13 ve v´ ykonov´ em modulu V´ yvod

Funkce

Pouˇzit´ı

1

RX1

Optick´a komunikace

2

RD4

Rel´e OUT na GND

3

RD5

Rel´e 0 na GND

4

FREE

Voln´e

5

FREE

Voln´e

6

VSS1

Nap´ajen´ı

7

VDD1

Nap´ajen´ı

8

AN12

Diagnostika 12V

9

AN10

Diagnostika 12/24V

10

AN8

Mˇeˇren´ı Proudu

11

AN9

Mˇeˇren´ı Napˇet´ı

12

NC

Nepouˇzito

13

NC

Nepouˇzito

14

RB4

Rel´e 12/24V

15

RB5

V´ ystupn´ı rel´e (Bezpeˇcnost´ı)

16

PGC

Programov´an´ı ICSP

17

PGD

Programov´an´ı ICSP

18

MCLR

Programov´an´ı ICSP

19

AN0

Mˇeˇr´ıc´ı vstup

20

AN1

Mˇeˇr´ıc´ı vstup

21

AN2

Mˇeˇr´ıc´ı vstup

22

AN3

Mˇeˇr´ıc´ı vstup

110

V´ yvod

Funkce

Pouˇzit´ı

23

VDDCORE

Nap´ajen´ı

24

AN4

Mˇeˇr´ıc´ı vstup

25

AN5

Mˇeˇr´ıc´ı vstup

26

AN6

Mˇeˇr´ıc´ı vstup

27

AN7

Mˇeˇr´ıc´ı vstup

28

VDD1

Nap´ajen´ı

29

VSS1

Nap´ajen´ı

30

OSC1

Krystal

31

OSC2

Krystal

32

RC0

Rel´e 1. (rozsah ADC)

33

NC

Nepouˇzito

34

NC

Nepouˇzito

35

RC1

Rel´e 2. (rozsah ADC)

36

AN11

Diagnostika 5V

37

SCK1

SPI DAC

38

FREE

Voln´e

39

FREE

Voln´e

40

RD2

Rel´e 3. (rozsah ADC)

41

RD3

Rel´e 4. (rozsah ADC)

42

SDI1

SPI DAC

43

SDO1

SPI DAC

44

TX1

Optick´a komunikace

111

E.2

Zapojen´ı v´ yvod˚ u mikrokontroleru PIC18F46J50 ve v´ ykonov´ em modulu PORT

Funkce

Pouˇzit´ı

1

RXD1

Optick´a komunikace modul 1

2

RXD2

Zemn´ıc´ı rel´e sepnut´ı

3

TXD2

Zemn´ıc´ı rel´e rozepnut´ı

4

RD6

Sp´ın´an´ı zdroje 1

5

RD7

Sp´ın´an´ı zdroje 2

6

VSS

Nap´ajen´ı

7

VDD

Nap´ajen´ı

8

RB0

Display D0

9

RB1

Display D1

10

RB2

Display D2

11

RB3

Display D3

12

NC

Nezapojen

13

NC

Nezapojen

14

RB4

Display E

15

RB5 (CCP5)

Display podsv´ıcen´ı (PWM)

16

PGC

Programov´an´ı ICSP

17

PGD

Programov´an´ı ICSP

18

MCLR

Programov´an´ı ICSP

19

RA0

Tlaˇc´ıtko Vernier

20

RA1

Rotaˇcn´ı n-koder

21

RA2

Rotaˇcn´ı n-koder

22

RA3

Rotaˇcn´ı n-koder (stisk)

112

V´ yvod

Funkce

Pouˇzit´ı

23

VCORE

Nap´ajen´ı

24

RA5

Tlaˇc´ıtko 1

25

RE0

Tlaˇc´ıtko 2

26

RE1

Tlaˇc´ıtko 3

27

RE2

Tlaˇc´ıtko 4

28

VDD

Nap´ajen´ı

29

VSS

Nap´ajen´ı

30

OSC1

Krystal

31

OSC2

Krystal

32

RC0

Optick´a komunikace modul 2

33

NC

Nezapojen

34

NC

Nezapojen

35

RC1

Optick´a komunikace modul 2

36

RC2

Voln´ y

37

VBUS

USB sens

38

SCL2

I2C

39

SDA2

I2C

40

RD2

Voln´ y

41

RD3

USB Senzor pˇripojen´ı

42

D-

USB Data

43

D+

USB Data

44

TXD1

Optick´a komunikace modul 1

113

F F.1

´ SCHEMATA ´ ´ ˚ BLOKOVA INTEGROVANYCH OBVODU TOP242

Obr. F.1: Blokov´e sch´ema intagrovan´eho obvodu sp´ınan´eho zdroje TOP242 - pˇrevzato z [10]

114

F.2

TOP244

Obr. F.2: Blokov´e sch´ema intagrovan´eho obvodu sp´ınan´eho zdroje TOP244 - pˇrevzato z [10]

115

G G.1

´ PARAMETRY SOUC ˇ ASTEK ´ MECHANICKE Transform´ ator pro impulzn´ı zdroje 74001

Obr. G.1: Mechanick´e rozmˇery transform´atoru pro impulzn´ı zdroje 74001 - pˇrevzato z [8]

Obr. G.2: Zapojen´ı v´ yvod˚ u transform´atoru pro impulzn´ı zdroje 74001 - pˇrevzato z [8]

116

G.2

Transform´ ator pro impulzn´ı zdroje 74030

Obr. G.3: Mechanick´e rozmˇery transform´atoru pro impulzn´ı zdroje 74030 - pˇrevzato z [8]

Obr. G.4: Zapojen´ı v´ yvod˚ u transform´atoru pro impulzn´ı zdroje 74030 - pˇrevzato z [8]

117