5/1. melléklet
Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Villamosmérnöki Intézet Elektrotehnikai - Elektronikai Intézeti Tanszék
Villamosmérnöki szak Elektronikai tervezés szakirány Belsőégésű motor fordulatszámának mérése villamos zavarjelek segítségével Szakdolgozat
Domonkos Dávid BA6G2Y 2014
Bevezetés Szakdolgozatomat az autóelektronikához kapcsolódó témakörben készítettem el. Az autóelektronika
és
gépkocsik
rendellenességeiknek
megoldása
felépítésének egyik
vizsgálata,
legkedveltebb
valamint
szabadidős
működési
tevékenységem.
Szakdolgozatomban az általam készített rajzok a Tina nevű elektronikai tervezőprogrammal vagy a számítógépemen futó operációs rendszer Paint programjával készültek. Elméletben minden lehet ideális, a gyakorlatban viszont minden valós. A valóságban mindenhol jelen van a tűrés, veszteség, zavar és zaj. Mára szinte minden problémára, amely felmerül az iparban született megoldás. Ezek a megoldások is hordozhatnak magukban problémákat. Gépkocsik esetében eljutottunk a dinamótól a háromfázisú generátorig. Ezen berendezés is termel a gépkocsi villamos hálózatára zavarjelet. Szakdolgozatom célja ezeknek a zavarjelek felhasználása, mint hasznos információ. Az ipar világában minden, a költségek csökkentése és a profit növelés felé halad. Ha a meglévő zavarjeleket felhasználjuk, mint hasznos információ ezzel költséget spórolhatunk. Nem kell az információ kinyeréséhez beépítenünk külön elektronikus érzékelőt és az ehhez szükséges segédeszközöket. A belsőégésű motor egyik fontos paramétere a motor fordulatszáma. Ennek a mérése és kijelzése mechanikai úton történt, manapság már ezt elektronikusan valósítják meg. Vannak olyan gépkocsik, amelyeknél a fordulatszám kijelző nem található a műszerfalon. A szakdolgozatomban egy olyan készüléket kívánok tervezni, amelyik egyszerűen a vezetékek megbontása nélkül, komolyabb szakmai ismeretek hiányában is könnyen beüzemelhető. A gépkocsi villamos hálózatának a zavarjeleit felhasználva egy elektronikus áramkör érzékeli a motor fordulatszámát és annak értékét kijelzi. A berendezés két fő egységből fog felépülni. Egy jelfeldolgozó egységből és egy kijelző egységből. A jelfeldolgozó egység önmagában is felhasználható. Természetesen megfelelő átalakításokat végezve, úgy hogy az esetlegesen felhasználható legyen motorvezérlő rendszerek bementi jeleként.
1
1. Belső égésű motor fordulatszámának mérése hagyományos módszerekkel A fordulatszámmérés több okból is fontos belsőégésű motoroknál. A motor fordulatszámának és terhelésének növekedésével nő az üzemanyag fogyasztása. Optimális fordulatszámon tartva a gépkocsit csökkenthetjük a fogyasztást. Az elektronikus motorvezérlő rendszerek megjelenése szükségessé tette a működési paraméterek figyelését. A működési paramétereket különböző jeladókon keresztül figyeli a rendszer, így van ez a fordulatszámmérés esetében is.
1.1. Négyütemű belső égésű motorok működési elve A belsőégésű motor egy hőerőgép, amelynek a munkaterében alakul át a beadagolt tüzelőanyag kémiai energiája hőenergiává, majd a nyomás és térfogatváltozás révén munkává. Munkatér alatt a hengerfej, a henger belső felülete és a dugattyú által határolt területet értjük. Belső égésű motoroknak tüzelőanyag felhasználás szerint két alaptípusa létezik: benzinmotor és dízelmotor. A motorok felépítése azonos, lényeges különbség a tüzelőanyag bejuttató és begyújtó berendezéseiben van.
1. ábra. Benzinmotor elvi rajza. 1 Bütykös tengely, 2 Szelep, 3 Gyújtógyertya, 4 Égéstér, 5 Dugattyú, 6 Vezérmű szíj vagy vezérmű lánc,7 Forgattyús tengely, 8 Forgattyús tengely erőátviteli berendezéshez csatlakozó vége.
2
Az 1. ábra bemutatja a benzinmotor néhány fő részét. A hengerfejben helyezkednek el a szelepek és a gyújtógyertya. A szelepek a tüzelőanyag és levegő beáramlását és a kipufogógázok kiáramlását szabályozzák.
A fő különbség dízelmotor és a benzinmotor
között, hogy dízelmotornál a tüzelőanyag (leginkább gázolaj) gyújtószikra segítsége nélkül, a legalább hússzoros kompresszió (légsűrítés) miatti felmelegedés hatására öngyulladással ég el és végez munkát a hengerben. A Benzin motor (Otto motor) benzin és levegő keveréket kapnak a karburátorból, amit a gyújtógyertya szikrája gyújt be. A dízelmotor hengere csak levegőt szív be, azt sűríti. A hengerfej alatt helyezkedik el a forgattyús ház és az égéstér. Minden egyes hengerhez egy-egy dugattyú tartozik. A dugattyúk a hajtókarok segítségével csatlakoznak egy forgattyús tengelyhez. A forgattyús tengely kialakítása teszi lehetővé a forgó mozgás létrejöttét. A forgattyús tengely egyik végén helyezkedik el a vezérmű szíj vagy vezérmű lánc fogaskereke. Ugyanezen a tengelyvégen helyezkedik el a szíjhajtással működő segédberendezések szíjkereke. Például: generátor, szervó szivattyú, klímakompresszor. A forgattyús tengely másik végére van felszerelve a tengelykapcsoló berendezés, ami a váltóműbe csatlakozik. A váltóműbe
csatlakozó
féltengelyek
juttatják
el
a
forgó
Benzinmotoroknál az alapjárati fordulatszám 750-850 tipikusan 7500
1 𝑚𝑖𝑛
1 𝑚𝑖𝑛
mozgást
a
kerekekhez.
, maximális fordulatszámuk
. Versenyautóknál és egyéb esetekben a maximális fordulatszám értéke
túllépi ezt az értéket. A tüzelőanyag és levegő bejuttatása, valamint a felhasználása és a keletkezett gázok eltávolítása több ütemben történik. A négyütemű belsőégésű motor működési ütemei (2. ábra.): 1. ütem: szívás 2. ütem: sűrítés 3. ütem: égés és munkavégzés 4. ütem: kipufogás Szívó ütemben a szívó szelep nyitva van így a tüzelőanyag és levegő a hengerben lévő vákuum hatására beáramlik a motorba. Sűrítés és égés ütemben minden szelep zárva van, hogy létrejöhessen egy ideális keverék, ami az égés ütem során elég. Az égés során kifejtett erő dugattyút lefelé tolja. Az égés befejeztével el kell vezetni a keletkezett gázokat, ez kipufogás ütemben történik ilyenkor kinyit a kipufogó szelep. A kipufogás ütem végeztével a ciklus ismétlődik. 3
2. ábra. A négyütemű motor működési ütemei. Az ábrán látható gyújtógyertya csak benzinmotoroknál van.
1.2. Hagyományos fordulatszám mérési módszerek A Belső égésű motor egyik fontos paramétere a fordulatszám. A technológia fejlődése során több módszer is elterjedt ennek a paraméternek a mérésére. Ismertetem ezek közül a legelterjedtebbeket. A hagyományos módszereket két csoportra bonthatjuk: - Mechanikus módszer - Villamos módszerek
1.2.1. Mechanikus fordulatszám mérési módszer A motor forgattyús tengelyén van hely egy kihajtásnak. A kihajtásban lévő fogaskerék meghajt egy fém spirált, ami direkt módon van bekötve egy mechanikus mérőórába. Csupán kijelzési szerepet tölt be, motorvezérlésre nem használják, elavult technológia. Több hátránya is volt. Egyik hátránya, hogy a kihajtásnál a motor belső alkatrészeihez szükséges kenőolaj kiszivároghatott így magát a motor működését is veszélyeztette. A fém spirál hideg időben hozzáfagyhatott a burkolathoz vagy nem megfelelő kenés esetén beragadhatott, így elcsavarodhatott vagy akár el is szakadhatott.
4
1.2.2. Villamos fordulatszám mérési módszerek Több hagyományos villamos módszer is ismert és elterjedt. Fejlődésük az autóelektronikai rendszerek fejlődésével egy időben történt.
1.2.2.1. A gyújtás-elosztóban Hall-jeladóval történő mérés Ha a gyújtáselosztó tengelye forog, akkor a forgórész rései érintés nélkül haladnak át a mágneses sorompó légrésén. Ha a légrés szabad, akkor az IC-t és vele a Hall-réteget a mágneses tér metszi. Mikor a Hall-rétegben a mágneses fluxus-sűrűség nagy, és a Hallfeszültségnek maximuma van. Amint egy rés a számára kialakított légrésbe kerül, a mágneses fluxus jórészt a rés környezetében fut, és ilyen módon az IC-től távol marad. A fluxus sűrűség, a hall rétegben egy kis maradéktól tekintve, amit a szórt mező idéz elő – eltűnik. A Hall feszültség minimumra csökken. A gyújtás elosztó nélküli rendszerek megjelenésével ez a mérési módszer háttérbe szorult.
1.2.2.2. Forgattyús tengelynél elhelyezett indukciós jeladó
3. ábra. Fogazott tárcsával működő indukciós jeladó. 1 indukciós jeladó, 2 ferromágneses impulzus kerék. A 3. ábrán látható jeladót
légréssel elválasztva közvetlenül egy ferromágneses
impulzuskerékkel szemben helyezik el. Az indukált feszültségcsúcsok minden fognak vagy csapnak az indukciós tekercsnél történő elhaladásakor megjelennek.
5
Ha megkülönböztető jelre van szükség, akkor egy vagy több fogat kihagynak. Ezek a jeladók konstrukciójukból következően pontosabbak, mint a gyújtáselosztóban elhelyezett jeladók. Napjainkban ez a legelterjedtebb módszer. Több lehetőség is kínálkozik az elhelyezéséhez. Egyik lehetőség a lendítőkerék fogas koszorújának fogaihoz vagy lendítőkerékben elhelyezett csapokhoz illeszkedve. Ezek a csapok szabályos távolságonként vannak elhelyezve. Létezik olyan módszer, hogy egy fogazott jeladó tárcsát használnak fel (3. ábra.). A tárcsa kialakítása lehetővé teszi a fordulatszám és a forgattyús tengely helyzetének érzékelését.
2. Integrált áramköri elemek és kapcsolásuk ismertetése a fordulatszám mérő-kijelző áramkörhöz. Az elektronika fejlődése során rengeteg integrált áramkör és elektronikai építő elem került napvilágra. Ezek közül néhány integrált áramkört és elektronikai építőelemet ismertetek.
2.1. Szűrő áramkörök Többféle szűrő áramkör is használatos attól függően, hogy milyen célra szeretnénk felhasználni. Gyakori feladat a frekvencia tartomány valamely részét kiemelni a többi tartományt pedig elnyomni. Megvalósíthatóak analóg és digitális szűrők is. Alap szűrőtípusok: - Aluláteresztő szűrő - Felüláteresztő szűrő - Sáváteresztő szűrő - Sávzáró szűrő Az aluláteresztő szűrő feladata egy meghatározott levágási frekvencia (ω c) alatti jelek átengedése változatlan formában és felette levő frekvencia komponensek kiszűrése. A felüláteresztő szűrő feladata egy általunk meghatározott frekvencia (ω c) feletti jelek átengedése változatlan formában és az alatta lévő frekvencia összetevők kiszűrése. A sáváteresztő szűrők egy meghatározott tartományú frekvencia sávba eső jeleket átengedik és a frekvencia tartományon kívül esőket kiszűrik. A sávzáró szűrők egy meghatározott tartományú frekvencia összetevőket kiszűrnek és a többit továbbengedik változatlan formában. 6
2.2. Műveleti erősítők
4. ábra. Műveleti erősítő áramköri jelölése. A legelső, igazán nagy sorozatszámban gyártott analóg integrált áramköri elemek a műveleti erősítők (4. ábra.). Univerzális felhasználhatóságuk miatt lehetet már kezdetben is a hatalmas kutatási-fejlesztési befektetések ellenére is gazdaságosan gyártani.
Az első analóg
számítógépek részére készített első műveleti erősítők természetesen még elektroncsöves felépítésűek voltak. Döntő térhódításuk egybeesik a monolit IC megjelenésével. Az ideális műveleti erősítő, végtelen nagy bemeneti és zérus kimeneti impedanciájú, végtelen nagy erősítésű és sávszélességű eszköz. A valóságos gyártható elem természetesen egyetlen adatában sem éri el az ideális esetnek megfelelő értékeket, de az egységnyi mennyiségekhez viszonyít(V, A, Ω stb.) A műveleti erősítőt leggyakrabban visszacsatolt formában, analóg lineáris vagy nemlineáris áramköri feladatok megoldására használjuk. Minden esetben szimmetrikus bemenettel rendelkezik. Az egyik bementi kapcsáról a kimenetig alacsony frekvencián fázisfordítás nincs (nem-invertáló bemenet, + jelzés), a másik kapocs (invertáló, - jelzésű) itt a bemenethez képest 180° fázisfordítás lép fel. A két bemenet vezérlési szempontból teljesen egyenértékű. A kimenet minden esetben aszimmetrikus. A fejlődése során számos műveleti erősítő típust dolgoztak ki az alkalmazási célterületnek megfelelően. Ugyanis egyrészt az integrált technológia, másrészt az áramkör felépítése nem teszi lehetővé, hogy minden paraméter egyidejűleg kiváló legyen. A továbbiakban ismertetek néhány műveleti erősítős kapcsolást, amelyek elengedhetetlenek a jelfeldolgozó áramkör megtervezéséhez.
2.2.1. Komparátorok Ha a komparátor (5. ábra.) egyik bemenetet valamilyen referencia feszültségre kötjük fel, a műveleti erősítő kimenetén vagy a pozitív, vagy a negatív maximális feszültségszint jön ki.
7
A kimeneti feszültségszint attól függ, hogy a másik bement többé vagy kevésbé pozitívabb vagy negatívabb a referenciafeszültségnél. Már igen kis eltérés esetén, azaz igen nagy érzékenység mellett kaphatunk jelzést a referencia és a megfigyelt feszültség pillanatnyi viszonyáról.
5. ábra. Komparátor alapkapcsolások [1].
2.2.2. Monostabil multivibrátorok A multivibrátorok (billenő áramkörök) pozitívan visszacsatolt univerzális áramkörök, melyeket négyszögjelek előállítására használunk.
Amennyiben a multibrátor áramkörét
kiegészítjük egy diódával abban az esetben monostabil multivibrátort (6. ábra) kapunk. A Cjelölésű kondenzátor feszültsége negatív irányban egy dióda segítségével az UD feszültségen határolva van. Alapállapotban (stabil állapotban) a kimeneti feszültség a maximális kimeneti értéken van. Instabil állapotban a tranziens lezajlása után a kimenet stabil állapotba kerül és ottmarad az újabb indító impulzus érkezéséig. A dióda elfordításával a fordított stabil állapot érhető el.
8
6. ábra. Monostabil multivibrátor kapcsolási rajza [2]. Egészen pontosan nem határozható meg a monostabil multivibrátor kapcsolási ideje (7. ábra.) mert az ube feszültség nem pont nulla nyugalmi helyzetben, hiszen a diódának van nyitóirányú feszültsége, ami megközelítőleg -0,6 V.
7. Ábra. Monostabil multivibrátor feszültségmenete [2]. τ kapcsolási idő
2.3. Elektronikai építőelemek A műveleti erősítők csupán egy csoportja az elektronikában használatos építőelemek közül. Számlálókkal, hét szegmenses kijelzőkkel és a hozzájuk tartozó opcionális elemekkel felépíthető fordulatszám kijelzést megvalósító áramkör is.
2.3.1. Számlálók A logikai áramkörök egyik legfontosabb felhasználási területe az impulzusszámlálás. Minden olyan áramkör lehet számláló, amelynél a beérkezett impulzusok száma és a kimeneti változók állapota között egyértelmű kapcsolat van. A számlálás alapját két jól elkülöníthető művelet képezi: a tárolás és az összegzés. 9
Mivel minden kimeneti változó csakis két értéket vehet fel, ezért n kimenet esetén 2 n féle kombináció fordulhat elő. A legegyszerűbb kapcsolást a bináris számok ábrázolása esetén kapjuk. Vezérlési mód szerint megkülönböztetünk szinkron számlálókat (8. ábra.) és aszinkron számlálókat. Aszinkron számlálóknál a Flip-Flop-ok egymást billentik. A billenési idők miatt késleltetés lép fel az áramkörben. Szinkron számlálóknál a Flip-Flop-ok billenése egyidejűleg megy végbe, leküzdve ezzel a késleltetési problémákat. Olyan berendezéseknél ahol kijelzés történik és fontos az időbeli kijelzés változás ott célszerű szinkron számlálókat alkalmazni.
8. ábra. Szinkron bináris számláló [2]. Számlálási irány szerint megkülönböztetünk előre számlálókat, visszaszámlálókat és kétirányú (reverzibilis) számlálókat. Az előre számlálók minden beérkező impulzus hatására eggyel növelik a tárolt értéküket. A kétirányú számlálók vezérlésüktől függően előre vagy visszaszámlálnak.
2.3.2. Hétszegmenses kijelzők A hétszegmenses kijelzők (9. ábra) különböző színben és méretben kapható LED-ekből álló megjelenítő áramkörök. Nevét az áramkörben található LED-ek számáról kapta. A LED (10. ábra.) egy fényt kibocsájtó (emittáló) elektronikai építőelem. A funkciók bővülésével gyakran alkalmaznak hétnél több LED-et, ilyen lehet a tizedespont vagy az órákban is használatos „kettőspont”
karakter.
Funkciótól
függően
hétszegmenses kijelzőt is.
10
egy tokban szokás
összeépíteni
több
9. ábra. Hétszegmenses kijelző. 1 hétszegmenses kijelző megjelenítési ábrája, 2 hétszegmenses kijelző belső kapcsolása (közös katódos típus)
10. ábra. LED (LED Light Emitting Diode). 1 led áramköri jelölése: +jelöléssel az anód kivezetés, - jelöléssel a katód kivezetés, 2 led egydimenziós képe A hétszegmenses kijelzőkben a kivezetések lábszámainak csökkentését úgy oldják meg, hogy a ledek lábaiból az egyik típust közös pontra kötik. Ezáltal is csoportosíthatóvá válnak, megkülönböztetünk közös anódos és közös katódos kijelzőket. Kijelző megválasztásánál ez lényeges szempont, hiszen a hozzájuk tartozó kiegészítő elektronikai eszközök is többfélék lehetnek.
11
3. Zavarjelek a gépjárművek villamos hálózatában
11. ábra. Zavarforrások gépjárművekben. 1 generátor, 2 üzemanyag szivattyú, 3 elektromos szervó, 4 önindító, 5 gyújtógyertyák, 6 gyújtótranszformátor, 7 gyújtáselosztó, 8 ablaktörlő motor A gépkocsi villamos hálózatára sok berendezés termel elektromos zavarjelet (11. ábra.). Ilyenek lehetnek a generátor, gyújtógyertyák, gyújtáselosztó, elektromos üzemanyag szivattyú, ablaktörlő motor. Természetesen a villamos hálózatra minden beszerelt berendezés termel zavarjelet, csupán kiragadtam néhány jelentősebb zavarforrást. Ezek nem kívánatos jelenségek, de hasznosíthatóak is lehetnek. Létrehozhatunk olyan feldolgozóegységeket, amik ezeket hasznosítják, így megvalósítható akár érzékelő nélküli jelfeldolgozás is. A villamos hálózatra az egyik legtöbb zavart termelő berendezés a generátor (alternátor). Érdemes felhasználni a zavarjeleit, amivel meghatározhatjuk a belső égésű motor fordulatszámát. A későbbiekben esetlegesen nem lesz szükség fordulatszám jeladóra. Ezzel is csökkentve a motortérben elhelyezni kívánt jeladók számát és vezetékek mennyiségét, így csökkentve a költségeket.
12
3.1. A generátor működése (alternátor)
12. ábra. Generátor - nyitott ábra [3]. A generátor, teljes nevén háromfázisú váltakozó áramú szinkron generátor (12. ábra.) az egyik legfontosabb elektronikai berendezés az autóban. Tölti az indítóakkumulátort és a villamos fogyasztókat energiával látja el. Elődjénél az egyenáramú dinamóval szemben nagyon sok előnye van. A forgalmi helyzetek megváltozásával a városi üresjárások idejének növekedésével szükség lett, olyan berendezésre, ami képes már kis fordulatszámon is teljesítményt leadni. Kevés karbantartást igényel és hosszú életű. Az állórész termeli az áramot. A szénkefék és csúszógyűrűk terhelése kicsi, mivel ott csak a gerjesztő áram folyik át. Működése forgásiránytól független. A diódák megakadályozzák, hogy az indítóakkumulátorból a generátorba folyjon áram.
Nincs szükség túlterhelés elleni védelemre, csupán
feszültségszabályozásra. A háromfázisú generátorok általában lemezekből összeállított vastestből, háromfázisú tekercselésű állórészből, teljesítménydiódákból, három gerjesztő diódából és forgórészből áll. Az állórész tekercselés három egymástól független fázistekercsből áll, amelyeket általában csillagkapcsolásban kötnek be. A körmös pólusú forgórész két sajátos kialakítású pólusfélből és gyűrű alakú gerjesztő tekercsből áll. A pólusfeleket a tekercsekre tolják, körmeik váltakozva egymásba nyúlnak.
13
Általában 6 póluspár van. A gerjesztő tekercs két kivezetése a forgórész tengelyétől szigetelt csúszógyűrűkhöz kapcsolódik. A háromfázisú generátor működése a mozgási indukció elvén alapszik, amely szerint a vezetékhurokban villamos feszültség indukálódik, ha a vezetékhurok mágneses térben forog: hurok vezetői metszik a mágneses erővonalakat. Ennek során lényegtelen az, hogy a mágneses tér áll és a vezetékhurok forog (pl. az egyenáramú dinamóban), vagy a mágneses tér forog és a vezetékhurok áll (pl. a háromfázisú generátorban). Mindkét esetben váltakozó feszültség keletkezik a vezetékhurokban. Az állórészben a három tekercsrendszer térbeli elrendezése következtében három, egymáshoz képest 120 fokkal eltolt fázisú váltakozó feszültség és áram keletkezik a kétpólusú (északi és déli) mágneses tér forgásakor. A gépkocsi berendezéseinek megtáplálásához egyenáram szükséges, ezért az indukált áramot egyenirányítani szükséges (13. ábra.).
13. ábra. Generátor elvi áramköri kapcsolása. A háromfázisú áramot hat, háromfázisú hídba kapcsolt teljesítménydióda egyenirányítja. Mindegyik fázisban egy-egy dióda van a pozitív oldalon (pozitív dióda) és a negatív oldalon (negatív dióda). Ez teljes hullámú egyenirányítást jelent, és így a háromfázisú váltakozó feszültség negatív félhullámai is hozzájárulnak az egyenfeszültség előállításához. Az R, S, T tekercságakban keletkező pozitív félhullámokat a pozitív, a negatív félhullámokat a negatív diódák engedik át. A pozitív és a negatív diódák vezetőiránya különböző. Azt a diódát nevezzük pozitív diódának, amely az akkumulátor pozitív pólusa felé vezet.
14
A gerjesztő áram előállítására is háromfázisú hídkapcsolás használatos. Erre a célra a pozitív oldalon három gerjesztő dióda van. A feszültségszabályozás nagyon fontos, mivel a generátor fordulatszámának változásával változik az indukált feszültség nagysága is. Az elektromos hálózaton lévő berendezések viszonylag stabil feszültségértékek esetében működnek megfelelően, a túlfeszültség tönkreteheti őket. A feszültségszabályozó feladata a generátor feszültségének és ez által a hálózat feszültségének lehetőleg minden fordulatszámon és bármilyen terhelésnél közel állandó értéken tartása. Személygépkocsik esetében a névleges feszültségérték 12 V.
3.2. Laboratóriumi mérések a generátor zavarjelének beazonosítására Mérés helye: Elektrotechnikai- Elektronikai Tanszék A kapcsolás összeállítása után az álló állványra felszerelt generátort (14. ábra.) meghajtom változtatható fordulatszámú villanymotorral. A generátor fordulatszámát Voltcraft DT2L/K típusú digitális fordulatszámmérővel ellenőrzöm mintavételezés közben. A generátor az egy északi és egy déli pólusú mágnes helyett hat északi és hat déli pólusú, ez esetben körmös pólusú forgórészt tartalmaz. A forgórész minden fordulatánál 36 fél hullám keletkezik, ez a tizenkét mágneses pólus és a három tekercs okozta indukció. A több pólus következtében javul a generátor kihasználása, továbbá az egyenirányítás után kisebb az egyenfeszültség hullámossága.
14. ábra. Laboratóriumi mérés kapcsolási rajza. 15
3.2.1. Első mérés A generátor fordulatszámát folyamatosan növelem mintavételezések között. Egy teljes hullám jelent egy ütemet, kurzor segítségével kijelölhető 12 ütem és az így kijelölt értéket a grafikon (15. ábra.) alatt leolvashatjuk d=21,8 ms, tehát 12 ütem 21,8 ms alatt jön létre. Meghatározható egy fordulat ami, 36 ütem periódusideje T1=65,4 ms alatt jön létre. Pólusok száma = 12 Póluspárok száma: p=6 A generátor egyenirányítása: 3F2U6Ü 12 pólusváltás tartozik 1 fázishoz, tehát 3 fázishoz 36 pólusváltás tartozik
15. ábra. Az első mérés oszcilogrammja. Az oszcilogrammon kapott adatokból kiszámolható a generátor fordulatszáma, és a kézi fordulatszámmérővel ellenőrizhetem a számítások helyességét. Generátor tengelyének számított fordulatszáma: 1
1
100
f1 = T = 65,4∗10 −3 = 65,4 = 15,29 Hz
(1)
fü1=f1*36=15,29*36=550,45 [Hz]
(2)
1
Egy ütem frekvenciája:
16
Generátor fordulatszáma: nszámított
1
=
60∗f 1 ∗ü p
60 ∗ü
60∗6
= p∗T1 = 6∗65,4∗10 −3 = 917,43
1 min
(3)
1
Mért generátor fordulatszám: nmért1=916 [𝑚𝑖𝑛 ]
3.2.2. Második mérés A generátor fordulatszámát tovább növeljük. Az oszcilogrammon egyre jobban kivehető a feszültség stabilizátor által keltett jelhullámosság.
16. ábra. A második mérés oszcilogrammja. A 16. ábráról leolvasható a 12 ütem, ami 20,4 ms ideig tart ebből következik, hogy 36 ütem ennek az időnek a háromszorosa, ami T2=61,2 ms. Generátor tengelyének számított fordulatszáma: 60*ü
nszámított2 = p*T = 2
60*6 6*61,2*10-3
1
Mért generátor fordulatszám: nmért2= 983 [𝑚𝑖𝑛 ] 17
1
=980,43 [ min ]
(4)
3.2.3. Harmadik mérés A generátor fordulatszámát még tovább növeljük.
17. ábra. A harmadik mérés oszcilogrammja. A 17. ábráról leolvasható a 12 ütem, ami 12,2 ms ideig tart. Ebből egyenesen arányosan 36 ütem T3=36,6 ms ideig tart. Generátor tengelyének számított fordulatszáma:
60*ü
60*6
nszámított3 = p*T =
6*36,6*10-3
3
1
=1640 [ min ]
1
Mért generátor fordulatszám: nmért3= 1665 [𝑚𝑖𝑛 ]
3.2.4. Negyedik mérés A generátor fordulatszámát tovább növeljük. 12 ütem 6,58 ms alatt jön létre. Tehát 36 ütemhez T4=19,74 ms idő szükséges.
18
(5)
Generátor tengelyének számított fordulatszáma: 1
1
1000
f4 = T = 19,74∗10 −3 = 19,74 = 50,65 [Hz]
(6)
fA4 = f4 ∗ 36 = 50,65 ∗ 36 = 1823,4 [Hz]
(7)
4
Egy ütem frekvenciája:
60*ü
nszámított4 = p*T = 4
60*6 6*19,74*10-3
1
=3039 [ min ]
(8)
1
Mért generátor fordulatszám: nmért4= 3015 [𝑚𝑖𝑛 ] A számított és a mért értékek közötti eltérés csekély az elkészítendő berendezés kalibrálással beállítható.
Az eltérés a kézi fordulatszámmérő műszer leolvasási mechanizmus
megcsúszásából is adódhat.
3.3. Generátor feszültségjelének szimulálása Szakdolgozatomban szimulációra és áramkörök tervezésére a Tina nevű elektronikai tervező programot használom. Egyszerű és kompakt program. Lehetőség van jelek előállítására, kapcsolási rajzok készítésére és működésük szimulálására, valamint nyomtatott áramkörök megtervezésére. A generátor kimeneti egyenfeszültségét (18. ábra.) a feszültség stabilizátor tartja 12-14 Voltos tartományban. A generátor váltakozó feszültségét a három csillagkapcsolásban lévő tekercs szolgáltatja ezek egymástól 120°-os fáziseltéréssel működnek. Az ábrán ezek a VG2, VG3 és VG4. A D1, D2, D3, D4, D5, D6 jelzésű diódák egyenirányítják a generátor váltakozó feszültségét. Az U3 elem összeállítja az egyenirányított feszültségből és a VG1 által szolgáltatott háromszögű jelből a generátor kimeneti feszültségét. Az U3 elem kimenetére egy mérőpontot elhelyezve a program tranziens analizátorával megjeleníthető a kimeneti jel.
19
18. ábra. Generátor feszültségjelének előállítása. A 19. ábrán láthatóak a szimulált jelformák. Jól elkülöníthetők az egymástól 120°-os fáziseltéréssel létrejött váltakozó feszültségű jelek és VG1által szolgáltatott háromszögű jel, ami a generátor feszültség hullámosságát szimulálja. A szimulált generátor feszültség, aminek neve az ábrán: generátor feszültség, látható, hogy itt is hullámzik, mint a laboratóriumi mérésben.
19. ábra. Szimulált generátor feszültség. A generátor feszültségének sikeres szimulációja segít a jelfeldolgozó áramkör virtuális tesztelésében, így elkezdhetem az áramkör megtervezését. 20
4. Jelfeldolgozó áramkör tervezése Jelfeldolgozó áramkör tervezésénél több szempontot is figyelembe kell venni, hogy egyszerű, megvalósítható és kiértékelhető jelet kapjunk. Tervezési szempontok: - A jelfeldolgozó áramkör csak a váltakozó feszültségű jeleket kaphatja meg. - Ki kell szűrni az alacsonyfrekvenciás és nagyfrekvenciás zavarjeleket. - A bementi jelet erősíteni kell. - Követnie kell a kapcsolásnak a generátor töltőfeszültségének változását. - Gépkocsiban való alkalmazása miatt kerülnünk kell a szimmetrikus megtáplálást. - A kapott jelet feldolgozható állapotba formalizálni. A jelfeldolgozást megvalósító műveleti erősítős áramkörök: - Felül áteresztő szűrő - Komparátor - Monostabil multivibrátor
4.1. Szűrők határfrekvenciájának meghatározása. A valóságban a belső égésű motoron lévő generátort meghajtó szíj tárcsa átmérője háromszor akkora, mint generátor szíj tárcsa átmérője, ezt áttételnek nevezzük. Szűrők megépítéséhez szükséges meghatározni azt a frekvenciát, ami alatt vagy felett szeretnénk a jelet továbbengedni és a többi frekvenciatartományt pedig elnyomni.
Generátor fordulatszáma:
n0 =
60∗f
(9)
p 1
ahol n0=generátor fordulatszáma[𝑚𝑖𝑛 ], f=áram frekvenciája [Hz], p=póluspárok száma. Generátor minimális fordulatszáma a motor fordulatszámából meghatározva: 1
nomin=nBÉMmin*a=500*3=1500 [𝑚𝑖𝑛 ]
(10) 1
ahol n0min=generátor minimális fordulatszáma[ 𝑚𝑖𝑛 ], nBÉMmin=belső égésű motor minimális fordulatszáma [
21
1 𝑚𝑖𝑛
], a=áttétel.
Generátor maximális fordulatszáma a motor fordulatszámából meghatározva: 1
nomax=nBÉMmax*a=7500*3=22500 [ 𝑚𝑖𝑛 ]
(11)
1
ahol n0max=generátor maximális fordulatszáma[ 𝑚𝑖𝑛 ], 1
nBÉMmax=belső égésű motor maximális fordulatszáma [ 𝑚𝑖𝑛 ], a=áttétel. Az áram minimális frekvenciája a generátor fordulatszámából meghatározva:
fmin =
p∗n 0min 60
6∗1500
=
60
=150 [Hz]
(12)
A minimális ütem frekvencia meghatározva az áram frekvenciájából:
fümin=6*fmin=6*150=900 [Hz]
(13)
Az áram maximális frekvenciája a generátor fordulatszámából meghatározva:
fmax =
p∗n 0max 60
6∗22500
=
60
=2250 [Hz]
(14)
A maximális ütem frekvencia meghatározva az áram frekvenciájából:
fümax=6*fmax=6*2250=13500 [Hz]
(15)
4.2. Aluláteresztő szűrő tervezése A nagyfrekvenciás zavarjelek kiszűréséhez egy aluláteresztő szűrőre lesz szükség, ez legegyszerűbben egy ellenállás és egy kondenzátor kapcsolásával oldható meg.
20. ábra. Aluláteresztő szűrő kapcsolás. 22
Aluláteresztő szűrő Bode-diagrammja(21. ábra.):
𝑈𝑘𝑖
𝐴𝑢 = 𝑈
𝑏𝑒
=
1 𝑗𝜔𝑐 1 𝑅+ 𝑗𝜔𝑐
1
= 1+𝑗𝜔𝑅𝐶
(16)
21. ábra. Aluláteresztő szűrő Bode-diagrammja. 1
𝜔 = 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑓𝑚𝑎𝑥 = 𝑅𝐶
(17)
A választott kondenzátor kapacitása: C=47nF, hozzá kiszámolom az ellenállás értékét: 1
𝑅 = 2∗𝜋∗𝐶∗𝑓
𝑚𝑎𝑥
1
= 2∗3,14∗47∗10 −6 ∗2250 = 1,5 [𝑘Ω]
(18)
4.3. Felül áteresztő szűrő tervezése Egyenfeszültségről a váltakozó feszültségű jeleket kiszűrni a legegyszerűbben egy kondenzátor segítségével lehet. A kondenzátor egyenáram esetén szakadásként működik, míg váltakozó áramú jeleket átengedi. A szűrő áramkör bemenetén található kondenzátor ezt a funkciót kielégíti. Az alacsony frekvenciás zavarjelek kiszűréséhez egy felül áteresztő szűrőre lesz szükség (23. ábra.). Szükség van jelerősítésre, ezért a szűrőáramkört műveleti erősítővel valósítom meg, mivel a szűrő visszacsatolása jelerősítést is végez. A szűrőben lévő műveleti erősítőt úgy kell megválasztani, hogy megtáplálására elég legyen a gépkocsi 12 Voltos egyenfeszültségű rendszere. Erre az egyik alkalmas műveleti erősítő az LM 324 (24. ábra.). Egy tokban 4 műveleti erősítőt tartalmaz, így egy integrált áramköri elemen belül megvalósítható a jelfeldolgozó áramkör. Felül áteresztő szűrő létrehozásához elegendő egyetlen műveleti erősítő, így többi felhasználható a szűrő utáni áramkörökhöz.
23
A 22. ábrán látható, hogy az integrált áramkör műveleti erősítői jól elkülönülnek egymástól. Mind a négy műveleti erősítő egyforma paraméterekkel rendelkezik.
22. ábra. LM324 műveleti erősítő (felülnézet). A 20 mV nagyságú bemenő váltakozó feszültségű jelből kell előállítani 2 V nagyságú kimeneti jelet. 𝑢
2
𝐴𝑢 = 𝑢 𝑘𝑖 = 0,02 = 100
(19)
𝑏𝑒
ahol Au=feszültség erősítés ,uki=kimeneti feszültség [V], ube=bemeneti feszültség [V], Felül áteresztő szűrő Bode-diagrammja: 𝐴𝑢(𝜔 ) = −
𝑅2
1 𝑅1 + 𝑗𝜔𝐶
𝑗 ∗𝜔 ∗𝑅 ∗𝐶
= − 1+𝑗 ∗𝜔 ∗𝑅2
1 ∗𝐶
(20)
frekvencia pontok: 𝜔1 = 𝑅
1
1 ∗𝐶
= 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑓1 , 𝜔2 = 𝑅
1
2 ∗𝐶
= 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑓2
23. ábra. Felül áteresztő szűrő Bode-diagrammja.
24
(21)
A választott R1 ellenállás értéke: R1=20 kΩ, a C1 kondenzátor értéke már meghatározható: 1
1
𝐶 = 2∗𝜋∗𝑓 ∗𝑅 = 2∗3,14∗150 ∗20∗10 3 = 53𝑛𝐹 1
1
(22)
Az R1 ellenállás ismeretében az R2 ellenállás értéke: 𝜔1 𝜔2
= 100 =
1 𝑅 1 ∗𝐶 1 𝑅 2 ∗𝐶
𝑅
= 𝑅2 = 𝐴𝑢 1
(23)
R2 ellenállás értéke: 𝑅2 = 𝑅1 ∗ 100 = 20000 ∗ 100 = 2 𝑀Ω
(24)
A felüláteresztő szűrő neminvertáló bemenetét virtuális földpontra kötöm megakadályozva ezzel a szimpla megtáplálás miatt azt hogy ne 0 V feszültségű ponton legyen. A két 10 kΩ ellenálás feszültségosztóként működik így 6 V-os feszültségszinten van.
24. ábra. Felül áteresztő szűrő kapcsolási rajz.
25
A 25. ábrán látható, hogy elméletben sikerült megvalósítani a szűrést és erősítést.
25. ábra. Felül áteresztő szűrő kimeneti jelalak.
4.4. Komparátor tervezése A generátor töltőfeszültségének változásának követésére egy komparátor áramkörre lesz szükség (26. ábra.). Ez a műveleti erősítők egy speciális kategóriája elsősorban kapcsolóüzemre tervezett erősítők. A komparátorok két kimeneti feszültség értékkel rendelkeznek, azonban ezek a feszültségek nem stabilak, értékük a terheléstől, tápfeszültségváltozástól és a hőmérséklettől függ, és kismértékben változhat. Invertáló bemenet felől vezérelt hiszterézises komparátor segítségével formalizáljuk a szűrő kimeneti jelét.
26. ábra. Komparátorral bővített kapcsolási rajz. 26
Az áramkör kivitelezésénél a komparálási szint beállításához egy 10 kΩ-os pontenciómétert alkalmazok. A pozitív bemenet feszültsége:
𝑢𝑝 = 𝑢𝑘𝑖 ∗ 𝑅
𝑅3
(25)
4 +𝑅3
0,3 V pozitív bemeneti feszültség és 6 V kimeneti feszültség valamint a 2,7 kΩ R 3 ellenállásnál az R4 ellenállás értéke a (25)-ös képletet átalakítva:
𝑅4 =
𝑅3 ∗𝑢 𝑘𝑖 𝑢𝑝
− 𝑅3 =
2700 ∗6 0,3
− 2700 = 51300 Ω ≈ 51 𝑘Ω
A 27. ábrán látható a komparátor kimeneti feszültségjele.
(26)
Elméletben sikerült előállítani a
komparátor jelalakját. A pozitív visszacsatolás határozottá teszi a komparálást.
27. ábra. Komparátor kimeneti jelalak.
4.5. Multivibrátor tervezése Számlálható tűimpulzusok létrehozására alkalmas egy monostabil multivibrátor (28. ábra.) áramkör. Csak egy indító bemenettel rendelkezik az áramkör. Egy stabil állapota van. Az áramkör ebből a stabil állapotból csak külső jel segítségével tud kibillenni. Mikor a kimenet áthalad, az instabil állapoton ismét a stabil állapotba jut.
27
A C3 kondenzátor értékének változtatásával változtathatjuk kimenő impulzusok szélességét.
28. ábra. Monostabil multivibrátor. A 29. ábrán látható a monostabil multivibrátor kimeneti jelalak szimulált változata.
29. ábra. Monostabil multivibrátor kimeneti jelalak.
4.6. Jelfeldolgozó áramkör realizálás A műveleti erősítők és a referencia feszültség megtáplálásához stabil feszültség szükséges. A gépkocsik villamos hálózatában megfigyelhető feszültség kilengés, ami létrejöhet a terhelés változása miatt is. Stabilizált tápegység létrehozására a legegyszerűbb módszer stabilizátor IC (Integrated Circuit=integrált áramkör) alkalmazása. 28
Az LM324 műveleti erősítő széles tápfeszültség skálán használható 3-32 V ig. Megtáplálásához 12 V-ot használok, hogy a későbbiekben hozzáépítendő kijelző áramkör elemeinek ne kelljen külön tápegységet készíteni, így is csökkentve az alkatrészek számát és az elkészítési költségeket. Az LM7812 stabilizátor IC alkalmas erre a feladatra. Először próbapanelon (30. ábra.) állítom össze a kapcsolást és a tanszéki laboratóriumban elvégzem a teszteket. A laboratóriumban található generátorra (31. ábra) csatlakoztatom a berendezést.
30. ábra. Tanszéki tesztelés.
31. ábra. Laboratóriumi generátor. Összekapcsolás után, mikor a generátor már forog, digitális oszcilloszkóppal elmenthető a mérési eredmény. 29
A műveleti erősítő felhasznált kimenetein lépésenként átvizsgálom a jeleket. Miután a potenciométerrel sikerült beállítani a komparátor egység komparálási szintjét, a monostabil multivibrátor kimenetén megjelenik a számlálható impulzusjel (32. ábra.).
32. ábra. Jelfeldolgozó áramkör tesztelése. Ch1 generátor feszültségjele, Ch2 jelfeldolgozó áramkör kimenet. Az áramkör működik a zavarjelek leválasztása megtörtént, a számlálható impulzusjelet sikerült előállítani. A szűrő áramkört átalakítom kivitelezésre alkalmasnak (33. ábra.). Furatszerelt áramköri elemekből építem meg az áramkört, mivel műhelyi körülmények közt a furatszerelt áramkör kivitelezése könnyebb.
33. ábra. kivitelezésre alkalmas áramkör. 30
A kereskedelmi forgalomban kapható LM324-es műveleti erősítő egy tokban 4 műveleti erősítőt tartalmaz DIP-14 es tokozásban. A szűrő áramkörhöz ez elég mivel csak 3 műveleti erősítőt tartalmaz. Az áramkörhöz 2 darab kétpólusú csatlakozót használok fel a külső villamos csatlakozásokhoz. A jel-táp csatlakozón az egység megkapja a gépkocsi villamos hálózatából feszültséget, ahonnét az áramkört táplálom, és a jelet veszem. A kimenő jel csatlakozó csatlakozik későbbiekben a kijelző áramkör számláló bemenetére. A realizálásra kész kapcsolási rajzot átültetem az áramkör tervező részébe a programnak (34. ábra.).
Itt
felülnézetből láthatjuk az alkatrész felőli oldalt és láthatjuk a nyomtatott áramköri lap alsó oldalát. A vezetékek és alkatrészek mozgathatóak, így átrendezhető az áramköri lap.
34. ábra. Áramkör tervező rész. A program lehetőséget nyújt az elkészített nyomtatott áramköri lap és az alkatrészek háromdimenziós megjelenítésére (35. ábra.).
Láthatóvá válik az elkészítendő áramkör.
Természetesen a valóságban eltérés lehetséges az elemek formájában, és színében.
31
Polarizált kialakítású csatlakozót használok elkerülve az esetleges fordított megtáplálást így az áramkör meghibásodásának lehetőségét ezzel is csökkentve.
35. ábra. Háromdimenziós áramkör megjelenítés. A nyomtatott áramköri lap lemaratása után kialakítom a furatokat. Megvizsgálom vezető rétegeket az esetleges rövidzárlatok miatt. Végül behelyezem az alkatrészeket és beforrasztom. A kivitelezett áramkört (36. ábra.) tesztelem oszcilloszkópos vizsgálattal.
36. ábra. Kivitelezett jelfeldolgozó áramkör. Az áramkört először a gépkocsi akkumulátorára csatlakoztatom (37. ábra.). Működőképes, mint a laboratóriumi teszt során. Működését leellenőrzöm szivargyújtóra csatlakoztatva is. 32
Szivargyújtójára csatlakoztatva is működik a jelfeldolgozó egység.(38. ábra.).
37. ábra. Tesztelés gépkocsi akkumulátor csatlakozóin.
38. ábra. Tesztelés gépkocsin szivargyújtóról.
A motor fordulatszámának minden tartományában üzemel. Minden feszültségcsúcs mellett, amit generátor okoz, van egy impulzus a jelfeldolgozó egység kimenetén. üzemelése után elkészíthető a kijelző áramkör.
33
A sikeres
5. Kijelző áramkör tervezése A kijelző áramkörön megjelenítésére négy számjegyet megjelenítő hétszegmenses kijelzőt használok. Ehhez szükség van egy meghajtó áramkörre és egy számlálóra, ami a beérkező impulzussorozatot számlálja.
Ezek lehetnek külön és egybeépített
áramkörök is.
Költségcsökkentési és áramkör egyszerűsítési célokból egybeépített áramkört választottam. Erre alkalmas áramkör az MM74C925-ös megnevezésű IC. Multiplexált kijelző vezérléssel rendelkezik, közös katódos kijelzők meghajtására tervezték. Fontos, hogy a hétszegmenses kijelző közös katódos legyen. A KW4-361CGB (39. ábra) jelzésű hétszegmenses kijelző alkalmas erre a célra.
39. ábra. KW4-361CGB jelzésű hétszegmenses kijelző [4]. Meghatározott időközönként (T) a számlálást megszakítva (reset jel) megtörténik a fordulatszám kijelzőre történő kiírása. Ahhoz, hogy a mérni kívánt belső égésű motor fordulatszámát megkapjuk a reset jel előállításánál figyelembe kell venni a generátort meghajtó szíjtárcsa és a motoron lévő szíjtárcsa közti áttételt. A motoron lévő szíjtárcsa átmérője = 150 [mm], A generátoron lévő szíjtárcsa átmérője = 50 [mm] Áttétel meghatározása: A motoron lévő szíjtárcsa átmérője
𝑎 = A generátoron
lévő szíjtárcsa átmérője
=
150 50
=3
(27)
Reset jel periódus ideje: 60
60
𝑇 = 36∗𝑎 = 36∗3 =0,5555 [s] ahol, T=reset jel periódusideje [s], a=áttétel. 34
(28)
A külső forrásból érkező reset jelet az NE555-ös időzítő IC segítségével oldom meg astabil kapcsolásban (40. ábra.). Az alapkapcsolás nem alkalmas arra, hogy a logikai magas szinten történő jel kevesebb ideig legyen, mint a logikai alacsony szinten töltött jelidő. Ezt a hátrányát két diódával kiküszöböltem. Különválasztottam a töltő és kisütő áramkört.
40. ábra. 555 időzítő astabil kapcsolás különválasztott töltő és kisütő áramkörrel. A reset jel előállítása után az áramkör megépíthető. Az 555 időzítő áramkör és számláló áramkör megtáplálásához 5 V feszültségre van szükség, amit LM7805-ös jelzésű stabilizátor IC segítségével állítok elő a gépkocsi villamos hálózatából. Az áramkör kapcsolási rajzát (41. ábra.) elkészítem nyomtatott áramköri tervezésre kivitelezhetően. A közös katódos kijelző katód oldali vezérlő tranzisztorait a számláló áramkör gyártói ajánlása szerint beépítem.
41. ábra. Kijelző áramkör kapcsolási rajz. 35
A realizálásra kész kapcsolási rajzot átültetem az áramkör tervező részébe a programnak (42. ábra.). Itt felülnézetből láthatjuk az alkatrész felőli oldalt és láthatjuk a nyomtatott áramköri lap alsó oldalát. A vezetékek és alkatrészek mozgathatóak, így átrendezhető az áramköri lap.
42. ábra. Realizálásra kész kijelző áramkör. A program nem tartalmazza a hétszegmenses kijelzőket, ezért, hogy a kapcsolási rajzát el tudjam készíteni egy a kijelzővel megegyező méretű DIP-24W tokot használok fel a virtuális megjelenítésre. Az elkészült áramkört virtuálisan megjelenítem (43. ábra.).
43. ábra. Háromdimenziós kijelző áramkör megjelenítés. 36
6. Alkatrész költségek. A jelfeldolgozó áramkör és a kijelző áramkör megvalósításához számos alkatrészre volt szükség. Megtervezésénél mindig arra törekedtem, hogy a legkevesebb alkatrészből tudjam előállítani. Az 1. táblázat tartalmazza a felhasznált alkatrészek listáját és költségeit. 1. táblázat. Felhasznált alkatrészek és költségük. Megnevezés
Darabszám
Bruttó egység ár (Ft)
Bruttó ár (Ft)
Ellenállás 1/4 watt
13
5
65
Nyák-ba szerelhető potenciométer
1
100
100
LM324 műveleti erősítő
1
180
180
Kondenzátor
6
30
180
NE555 időzítő
1
60
60
MM74C925 számláló és meghajtó
1
1240
1240
4 számjegyű 7 szegmenses kijelző Feszültség stabilizátor
1 2
650 90
650 180
Nyák-ba szerelhető csatlakozók
4
12
48
Dióda
3
15
45
Tranzisztor BC547
4
50
200
Nyák lemez
1
1
160 300
Egyéb költségek
Az áramkörök előállítása 3410 Forintból megoldható. A táblázatban található egyéb költségek magában foglalja a forrasztóanyag árát, a nyomtatott áramköri lap elkészítéséhez szükséges maratószert és a többi közvetett költséget. A szűrő áramkör önmagában is használható, lehet készen vásárolni impulzus számláló berendezéseket is. Ezek nem csupán erre a feladatra alkalmasak, de felhasználhatóak. Ilyen berendezés: CODIX-LI-1 impulzus számláló. Hátrányuk, hogy drágábbak és méretüket tekintve nagyobbak, viszont gyári kivitelezésükből adódóan saját burkolattal is rendelkeznek.
37
Következtetés A választott feladatot sikerült megoldani. Sikerült létrehozni egy olyan berendezést, ami egyszerűen telepíthető egy olyan személygépkocsiba, ami generátorral van ellátva. Napjainkban szinte már minden autóban generátor található, csupán néhány olyan gépkocsi van az utakon, amiben még dinamó található. A szivargyújtóra csatlakoztatva az áramkör üzemképes. A kapcsolás előnye, hogy nem szükséges a motortérben érzékelőt elhelyezni, hiszen a gépkocsi villamos hálózatára szinte bárhová csatlakoztatható ahol a generátor feszültsége jelen van. A jelfeldolgozó áramkör kimeneti jele akár motorvezérlő berendezések bemeneti jele is lehet. Az áramkör külön is alkalmazható, ha esetleg más fajta kijelzést szeretnénk alkalmazni. A kijelzés megvalósítható mikrovezérlős áramkörrel is. Napjainkban az okostelefonok lehetőséget nyújtanak különböző féle vezeték nélküli kapcsolatok kiépítésére. Egy Bluetooth-os jeladóval összekapcsolva a jelfeldolgozó egységet a telefonra is kapcsolódhatunk. Egy mérőprogramot megszerkesztve ott is megjeleníthető a fordulatszám értéke. Az általam elkészített céláramkör olcsóbb, mint, különböző gyárilag félkészre szelet berendezésekből megépíteni egy bonyolultabb és számunkra esetlegesen felesleges funkciókkal is rendelkező áramkört. Az általam elkészített áramkör mérete tovább csökkenthető felületszerelt alkatrészekkel és másfajta kijelzési megoldással is. Célom az volt, hogy kis költségből készítsem el az áramkört. Remélem a jövőben lehetőségem nyílik az ilyen fajta jelfeldolgozásnak a más területeken való alkalmazására is.
38
Összefoglalás Szakdolgozatomban egy fordulatszámmérő eszközt terveztem, ami jeladó nélkül valósít meg jelfeldolgozást. A mérések és tesztek elvégzésére az Elektrotechnikai- Elektronikai Intézeti Tanszéken került sor. Néhány mérést otthonomban is elvégeztem. Az áramkör legyártását otthonomban végeztem el. Első fejezetben a belső égésű motorok működésének ismertetésével valamint a hagyományos fordulatszám mérési lehetőségek bemutatásával és az általam tapasztalt megfigyeléseket ismertetem. Ismertetek néhány alapkapcsolást és elektronikai építőelemet, ami szükséges lehet egy ilyen áramkör megtervezéséhez. A generátorok működésének bemutatása után laboratóriumi méréseket végeztem a témával kapcsolatban, hogy a feldolgozandó jelet beazonosítsam. A jelet számítógépen szimuláltam, hogy az elkészítendő jelfeldolgozó áramkört virtuálisan is elkészíthessem. A Tina nevű programmal megterveztem a jelfeldolgozó áramkört, majd elkészítettem a nyomtatott áramköri rajzát. Legyártom az áramköri lapot, hogy megépíthessem a jelfeldolgozó áramkört. Néhány beállítást, tesztelést és mérést követően az áramkör jól működik. A jelfeldolgozó áramkör kivitelezése után megterveztem a kijelző áramkört. Végül elvégeztem az áramkörök megépítéséhez felhasznált alkatrészek költségének meghatározását. Megállapítható, hogy egy ilyen céláramkör elkészítése olcsóbb, mint, különböző gyárilag félkészre szelet berendezésekből elkészíteni.
39
Summary In my thesis I designed a speed measuring device which implements signal processing without encoder . The measurements and tests carried out in the Institute of Electronics and Electro technology Department. I have made in my home. a few measurements. The circuit is made at home. The first chapter the operation of the internal combustion engine and the traditional description of the introduction of speed measurement options deal. I write the observations that I experienced described. I present a few basic building blocks of electronic circuits and which may be needed the design of such a circuit. After the presentation of the operation of the generators I was carried out laboratory tests on the subject to identify the processed signal. I am simulated the signal with computer. I prepared the signal processing circuitry virtually. The program, called Tina, I designed the signal processing circuit, and made the printed circuit board. I fabricate the printed circuit board and I will build the signal processing circuit. After some settings, test and mesurement the circuit works as well. After construction of the signal processing circuit I designed the display circuit. Finally, I prepare the the budget of circuits. To create this type of target circuit is cheap. Cheaper than made from different factory half finished appliance.
40
Irodalomjegyzék [1.] Sipos Gyula Integrált áramkörös elektronika, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1980 [2.] U. Tietze – Ch. Schenk Analóg és digitális áramkörök, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1981 [3.] BOSCH Háromfázisú generátorok című Műszaki útmutató könyv, OMIKK könyvkiadó (Országos Műszaki Információs Központ és Könyvtár), Budapest, 1995 [4.] URL: http://static.tme.eu/katalog_pics/7/f/d/7fd648727b0ccf054e8953f57e 2c922 e/kw4-361cgb.jpg
41
