Technická univerzita v Liberci

Technická univerzita v Liberci

ZAŘÍZENÍ PRO VÝSTUPNÍ KONTROLU NAPÁJECÍCH ZDROJŮ

diplomová práce

Fakulta : Strojní Studijní obor : Automatizované systémy řízení ve strojírenství Vypracoval

: Tomáš Petříček 2008

Zde vložit zadání

Anotace Technická univerzita v Liberci Fakulta strojní

Katedra aplikované kybernetiky

Jméno a příjmení :

Tomáš Petříček

Studijní program :

M3201 Strojní inženýrství

Obor :

3902T021 Automatizované systémy řízení ve strojírenství

Zaměření :

Automatizace inženýrských prací

Vedoucí DP :

Ing. Michal Moučka, Ph.D.

konzultant DP :

Dipl. - Ing. Jürgen Adelmann (Tetraco International GmbH, Germany)

Téma: Zařízení pro výstupní kontrolu napájecích zdrojů. Abstrakt: Obsahem této práce je popis návrhu automatického testovacího zařízení pro výstupní kontrolu napájecích zdrojů ovládaného osobním počítačem. V teoretické části bude čtenář seznámen s teorií měření napětí pomocí A/D převodníků, dále s úpravou signálů pomocí operačních zesilovačů, komunikace osobního počítače s měřící kartou DAQ BOARD 3000 a s dálkovým ovládáním zdroje stejnosměrného napájení Sorensen. V praktické části práce je v prvé řadě popsán způsob realizace celého zařízení včetně měřící a spínací části a v poslední části je popsán obslužný program pro osobní počítač.

Theme: Device for power source output control. Abstract: The content of this diploma work is description of the design of an automatic testing device for power source output check controlled by personal computer. In the theoretic part a reader will be familiarized with the theory of measuring via A/D converters, with adjusting signals via operational amplifiers, how to control the measuring card DAQ BOARD 3000 with computer and remotely control DC power source Sorensen. In the practical part firstly there is the description of the realization whole device including measuring and switching parts and finally specification of the actuating program for personal computer.

Obsah 1 Úvod...............................................................................................................................1 2 Rozbor problematiky......................................................................................................2 3 Popis použitých zařízení.................................................................................................4 3.1 Existující zařízení....................................................................................................4 3.2 Měřící karta.............................................................................................................5 3.3 Komunikace s měřící kartou...................................................................................5 3.4 Zdroj stejnosměrného napětí...................................................................................8 3.5 Dálkové ovládání zdroje stejnosměrného napětí....................................................9 3.6 A/D převodníky.....................................................................................................10 3.7 Operační zesilovače..............................................................................................12 4 Realizace zařízení.........................................................................................................14 4.1 Ovládání zatěžovacích odporů..............................................................................14 4.2 Ovládání střídavého napájecího napětí.................................................................15 4.3 Ovládání stejnosměrného napájecího napětí.........................................................17 4.4 Ovládání stavů testovaného zdroje.......................................................................19 4.5 Měření napětí........................................................................................................21 4.6 Měření zvlnění napětí...........................................................................................22 4.7 Měření proudu zdroje stejnosměrného napětí.......................................................24 4.8 Měření frekvence..................................................................................................24 5 Realizace ovládacího programu....................................................................................25 5.1 Návrh programu....................................................................................................25 5.1.1 Jádro programu..............................................................................................26 5.1.2 Použité měřící a ovládací funkce..................................................................29 5.2 Vstupní soubory sekvence měření........................................................................32 5.3 Výstupní soubory výsledků měření......................................................................32 5.4 Příkazy použité pro soubor sekvence měření........................................................33 5.5 Ovládání programu...............................................................................................35 6 Ověření funkce.............................................................................................................36 7 Závěr.............................................................................................................................37 Použitá literatura..............................................................................................................38 Přílohy.............................................................................................................................39

1 Úvod

1 Úvod Mým úkolem v této diplomové práci je navrhnutí, realizace a ověření funkce zařízení na výstupní kontrolu napájecích zdrojů. Zadavatelem je firma Tetraco international , se sídlem v Holandsku a dceřinou společností Tetraco s.r.o. v České republice. Vzhledem k navýšení produkce napájecích zdrojů a složitému způsobu ruční kontroly podle testovacího protokolu, se zadavatel rozhodl pro automatizaci zkušebního procesu. Celý průběh testu bude řízen a vyhodnocován osobním počítačem. Pro pozdější kontrolu, či případné reklamace bude výsledek zkoušky archivován v souboru na pevném disku počítače. Tím se má docílit zrychlení celého procesu, bude odstraněna chyba způsobená lidským faktorem a práce obsluhy bude výrazně jednodušší.

-1-

2 Rozbor problematiky

2 Rozbor problematiky Testovaný spínaný napájecí zdroj stejnosměrného napětí je používán pro napájení speciálních počítačů pro elektronické systémy. Zdroj může být napájen síťovým napětím podle evropské i americké normy, tedy 230 V nebo 110 V. Druhý napájecí vstup je pro záložní baterii, ze které může být zdroj napájen, při výpadku síťového napětí. Zdroj má několik výstupních napětí, 5V, 12V, a 8 nebo 20 V v závislosti na verzi. Dále obsahuje výstup pro výbojku o příkonu 35W. Celkový maximální výkon je 80W. Kontrola napájecího zdroje probíhá dle zákazníkem dodaného testovacího protokolu. Spočívá v nastavení různých napájecích napětí, nastavení stavu napájecího zdroje a zatížení výstupů. V určitém, předem definovaném stavu zdroje se poté provádí měření. Veškeré výsledky se porovnávají s povoleným rozsahem. Pokud jsou naměřená data mimo tento rozsah, měřící cyklus se zastaví a je na obsluze aby rozhodla, zda může měření pokračovat. Všechny výsledky a případné chyby se ukládají spolu s datem a sériovým číslem do souboru. Testovaný zdroj je třeba napájet střídavým napětím s různou ekvivalentní hodnotou. Dle testovacího protokolu se jedná o napětí 90 V, 120 V, 230 V a 254 V. Tato napětí se připojují na síťový vstup testovaného napájecího zdroje. Jeho bateriový vstup je napájen napětím stejnosměrným o hodnotách 10 V, 12 V a 16V. Primárně je zdroj připojen k síťovému vstupu a bateriové napájení je použito až při výpadku hlavního napětí. Při napájení stejnosměrným napětím se také kontroluje maximální odebíraný proud testovaného zdroje. Napěťové výstupy testovaného zdroje jsou zatěžovány pomocí již existujícího zařízení. Zatěžování je realizováno pomocí výkonových odporů, které jsou k výstupům připojovány pomocí MOSFET tranzistorů. Měření výstupů je dvojí. V první řadě se měří napětí při různých zatíženích. Dále je třeba vyhodnocovat velikost zvlnění napětí.

-2-

2 Rozbor problematiky Výbojka připojená k testovanému napájecímu zdroji má příkon 35W a k jejímu ovládání slouží konektor K7 pomocí něhož je možno výbojku vypínat, zapínat a měnit její intenzitu svitu ve čtyřech krocích v rozmezí 25% - 100%. Kontrolu funkčnosti přepínání provádí obsluha vizuálně. Program pro testování má být vytvořen pro operační systém Windows XP. Na program jsou kladeny tyto nároky: ●

jednoduchá obsluha programu

●

přehledné zobrazení hlavních údajů

●

ukládání výsledků měření do souboru

●

možnost načtení různých testovacích sekvencí

●

možnost editace testovacích sekvencí

-3-

3 Popis použitých zařízení

3 Popis použitých zařízení 3.1 Existující zařízení Stávající přístroj pro manuální kontrolu je v prvé řadě vybaven mechanickým zařízením pro vkládání testované desky s vyvedenými konektory pro připojení všech potřebných vstupů a výstupů. Dále obsahuje zatěžovací odpory včetně jejich manuálního ovládání pomocí páčkových přepínačů. Schéma připojování zatěžovacích rezistorů Rz je na obrázku.

Rz

12 V

100n

10k

15V

Gnd

Obr. 1 : Spínání zatěžovacích odporů Tyto části budou použity i pro automatický proces. Pro zapojení automatického zařízení jsou všechny potřebné připojovací body přivedeny na konektor, který propojí obě části. Celé zařízení může bez problémů fungovat i bez nového zařízení a tím je zajištěna možnost ruční kontroly v případě poruchy, opravy, případně úpravy. Celé zařízení je napájeno ze stabilizovaného zdroje 12V.

-4-


3.2 Měřící karta Měřící karta, byla dodána zadavatelem. Jedná se o měřící kartu od firmy Omega typ DAQ

BOARD

3000.

Pro

připojení

k počítači slouží sběrnice PCI. V příslušenství měřící karty jsou ovladače, obslužné programy, deska pro připojení vstupů a výstupů a propojovací kabel.

Obr. 2: DAQ BOARD 3000

S kartou je možné měřit až 16 napětí se společnou zemí, nebo 8 diferenciálních. Napětí je převáděno pomocí 16bitového A/D převodníku s nastavitelným rozsahem vstupu v rozmezí od ±100mV do ± 10V. Vstupní impedance je 10 MΩ resp. 20 MΩ pro diferenciální vstup. Rychlost čtení vstupů je nastavitelná s maximální frekvencí vzorkování 1 MHz. Nelinearita je udávána maximálně ±2 LSB. Digitálních vstupů/výstupů je na kartě 24. Mód každého z nich je možné nastavit programově na vstup nebo výstup. Čtení resp. zápis je možné provádět s maximální frekvencí 12 MHz. Výstupní proud je omezen na 12 mA na každý kontakt a 200 mA celkově, výstupní napětí odpovídá TTL logice. K měření frekvencí obsahuje karta 4 čítače. Šířka každého z nich je 32 bitů a jsou použitelné pro frekvence až do 20 MHz. Je zde možnost volby různých módů : Měření frekvence, periody, šířky pulzu atd.. Každému vstupu je také možno přiřadit filtr zákmitů.

3.3 Komunikace s měřící kartou Komunikace s měřící kartou je provedena pomocí funkcí API (applications program interface). Tyto funkce jsou přístupné pro programovací jazyky : C, C++, Visual Basic. Ovládací program k nim přistupuje přes dynamicky linkované knihovny, které jsou standardně dodávány spolu s ovladači na přiloženém CD.

-5-

3 Popis použitých zařízení Cyklus měření probíhá v těchto krocích : 1. Nastavení kanálů měření 2. Nastavení začátku a konce měření 3. Nastavení vzorkovací frekvence 4. Nastavení zásobníku pro ukládání dat 5. Odjištění získávání dat 6. Odstartování měření 7. Kontrola průběhu a příjem dat ad 1. Nastavení kanálů měření. Každé měření může být provedeno pro jeden nebo více kanálů. Každému kanálu je přiřazeno zesílení a příznaky vstupu. Pro toto nastavení slouží funkce : daqAdcSetScan(handle, channels, gains, flags, chanCount) parametr

typ

popis

handle

DaqHandleT

ukazatel na zařízení které má byt nastaveno

channels

PDWORD

pole obsahující čísla kanálů

gains

DaqAdcGain ukazatel na pole obsahující zesílení kanálů

flags

PDWORD

ukazatel na pole obsahující příznaky kanálů

chanCount

DWORD

počet kanálů pro nastavení

Funkce vrací příznak úspěšného provedení nebo číslo chyby. ad 2. Nastavení počátku a konce měření. V této funkci nastavujeme události při kterých má měření začít a skončit. Pro náš problém bude vyhovovat jednoduché odstartování měření ihned po zavolání příslušné funkce a ukončení po načtení příslušného počtu vzorků. K tomu slouží funkce pro nastavení začátku: daqAdcSetTrig ( handle, DatsImmediate, NULL, NULL, NULL, NULL ) kde první parametr je ukazatel na zařízení, druhý parametr je konstanta DatsImmediatle která určuje začátek měření okamžitě a ostatní parametry nejsou vyžadovány. Další funkce nastaví konec měření: daqAdcSetAcq ( handle, DaamNShot, 0, SCANS_NR )

-6-

3 Popis použitých zařízení první parametr je opět ukazatel na zařízení, druhý parametr je konstanta DaamNShot určující že měření bude ukončené po určitém počtu vzorků, třetí parametr určuje počet vzorků načtených před odstartováním měření (v našem případě 0) a poslední parametr SCAN_NR je počet vzorků po odstartování měření. Oba dva poslední parametry jsou typu DWORD ad 3. Nastavení vzorkovací frekvence. Zde nastavíme rychlost vzorkování kanálů. Budeme využívat interní taktovací frekvenci. Pro nastavení slouží funkce : daqAdcSetClockSource ( handle, DacsAdcClock ) která nastaví zdroj hodinového signálu na vnitřní a druhá funkce : daqAdcSetFreq ( handle, SCAN_FR ) která nastaví frekvenci konstantou SCAN_FR, datového typu float. ad 4. Nastavení zásobníku pro ukládání dat. V našem případě bude vyhovovat ukládání do pole, které v programu nejprve alokujeme a odešleme ukazatel na tato data. Velikost pole je dána součinem počtu měření a počtu kanálů. Vytvoření statické proměnné : WORD

buffer[ SCANS * CHAN_COUNT ]

a předávání ukazatele a nastavení zásobníku pomocí funkce : daqAdcTransferSetBuffer(handle, buffer, scanCount, transferMask) parametr

typ

popis

handle

DaqHandleT

ukazatel na zařízení které má byt nastaveno

buffer

PWORD

ukazatel na pole pro uložení dat

scanCount

DWORD

celková velikost zásobníku

trandferMask

DWORD

Příznaky nastavení zásobníku

ad 5. Odjištění získávání dat. V tomto bodě, když máme celou sekvenci měření nakonfigurovanou, můžeme převést stav zařízení z klidu do pohotovosti. V tomto stavu zařízení čeká na událost která má odstartovat měření. Do tohoto stavu se nastaví pomocí funkce : daqAdcTransferStart ( handle )

-7-

3 Popis použitých zařízení ad 6. Odstartování měření. Začátek měření, který jsme výše nastavily spustíme zavoláním funkce : daqAdcArm ( handle ) ad 7. Kontrola průběhu a příjem dat. Po odstartování měření musíme počkat na dokončení měření. To lze provést zavoláním funkce : daqWaitForEvent ( daqHandle, DteAdcDone ) která čeká dokud není měření u konce (dle parametru DteAdcDone). Na konci měřícího cyklu, máme v zásobníku uloženy výsledky měření. Výsledky jsou uloženy v poli postupně vždy nejprve všechny definované kanály pro první měření pak pro druhé měření, až po poslední.

3.4 Zdroj stejnosměrného napětí Zdroj stejnosměrného napětí firmy Sorensen model DCS 33-33, byl určen a dodán zadavatelem práce. Jedná se laboratorní regulovatelný zdroj stejno-

Obr. 3: Sorensen DCS 33-33

směrného napětí. Umožňuje nastavení

zdroje konstantního napětí s omezením proudu, nebo zdroj konstantního proudu s omezeným napětím. Nastavení se provádí buďto pomocí více otáčkových potenciometrů na čelním panelu, nebo dálkově pomocí konektoru na zadní straně. Tabulka 1: Parametry napájecího zdroje DCS 33-33 Veličina

Hodnota

Napájecí napětí

200 – 250 V

Frekvence napájecího napětí

47 – 63 Hz

Výstupní napětí

0 – 33 V

Výstupní proud

0 – 33 A

Zvlnění napětí (špička – špička, maximálně)

100 mV

Provozní teplota

0 – 50 °C

Provozní vlhkost

0 – 80 %

Linearita analogového programování

1%

-8-


3.5 Dálkové ovládání zdroje stejnosměrného napětí Zdroj Sorensen DCS 33-33 je možno ovládat: Napěťovým vstupem se třemi rozsahy ( 0 – 100mV, 0 – 5V, 0 – 10 V), proudovým vstupem 0 – 1mA, nebo proměnným rezistorem 5kΩ. Těmito vstupy je možno ovládat výstupní napětí, výstupní proud a přepěťovou ochranu. Volba typu ovládání se provádí pomocí přepínače SW1 uvnitř zdroje a konektorem J1 na zadní stěně, který zároveň slouží k připojení ovládání.

Obr. 4: konektor J1 Tabulka 2: Popis vstupů a výstupů konektoru J1 pin

směr

popis

1,2

vstup

vypnutí zdroje ( 12 – 250 V≈ , 12 – 130 V= )

3

vstup

nastavení přepěťové ochrany

4

výstup

indikace dálkového ovládání

5

výstup

indikace módu provozu (nastavení proudu nebo napětí)

6

zem

7

výstup

výstupní proud ( 0 – 5V )

8

výstup

nastavení napětí na předním panelu (dálkové ovládání)

9

vstup

dálkové ovládání napětí

10

vstup

dálkové ovládání proudu

11

výstup

nastavení proudu na předním panelu (dálkové ovládání)

14

vstup

vypnutí zdroje ( TTL )

15

výstup

napětí 12V

16,21,22 výstup

proud 1mA

17

výstup

indikace aktivní přepěťové ochrany

18

výstup

indikace vypnutí při přehřátí

19

výstup

výstupní napětí ( 0 – 5V )

20

výstup

nastavení napětí na předním panelu (místní ovládání)

23

výstup

nastavení proudu na předním panelu ( místní ovládání)

-9-


volba rozsahu přepěťové ochrany nepoužito

volba rozsahu ovládání napětí nepoužito volba rozsah ovládání proudu

volba rozsahu přepěťové ochrany Obr. 5: přepínač SW1

3.6 A/D převodníky Pro převod analogového napěťového signálu do digitální formy zpracovatelné počítačem slouží A/D převodníky. Jedná se o elektronickou součástku, která převádí spojitý vstupní signál na diskrétní binární údaj. Známy jsou 3 různé typy převodníků. 1) Kompenzační převodník. Tento A/D převodník pracuje na principu porovnávání vstupního neznámého napětí s napětím z vnitřního D/A převodníku, který je řízen logickým obvodem, tzv. aproximačním registrem. K porovnání obou napětí slouží interní komparátor. Převod se provádí postupně v krocích. Počet kroků odpovídá rozlišení A/D převodníku. V prvním kroku se nastaví nejvyšší bit (MSB) vnitřního D/A převodníku a porovná se jeho napětí se vstupním. Je-li vstupní napětí vyšší zůstane nejvyšší bit nastaven na log. 1, v opačném případě se nejvyšší bit nastaví na log.0. Dále se pokračuje stejným způsobem s nižšími bity. Takto se provádí převod až do chvíle kdy se vyhodnotí poslední bit. Binární hodnota nastavená na D/A převodník je digitální hodnotou odpovídající vstupnímu signálu. Rychlost převodu je ovládána časovacím obvodem. Doba převodu odpovídá součinu počtu bitů převodníku a periodě časovacího signálu.

- 10 -


vstup

-

časovací obvod

+ Aproximační registr

Binární výstup

D/A převodník

Obr. 6: Blokové schéma aproximačního A/D převodníku

10 9 8

napětí [V]

7 6 5 4

vstupní napětí napětí DA převodníku

3 2 1 0

Obr. 7: Graf průběhu aproximace převodníku

2) Integrační převodník. Jedná se o převodník napětí/frekvence doplněný čítačem. Vstup čítače je připojen přes hradlo, pomocí něho se určuje doba čítání impulzů. vstup

U čítač

f ovládání periody čítání

binární výstup

Obr. 8: Blokový diagram integračního A/D převodníku

- 11 -

3 Popis použitých zařízení 3) Paralelní A/D převodník. Je to nejrychlejší z uvedených převodníků, jeho nevýhodou je však vysoká cena a velký počet součástek pro vícebitové převodníky. Binární údaj je možno číst okamžitě po připojení napětí na vstup. Je složen z komparátorů na jejichž vstupy je jednak přivedeno vstupní napětí a dále komparační napětí získané z odporové sítě. Výstupy komparátorů pak zpracovává dekodér, který tvoří požadovaný výstupní kód. vstup Vref

...

d e k o d é r

...

Obr. 9: Blokové schéma paralelního A/D převodníku

3.7 Operační zesilovače Jedná se o aktivní elektronické součástky, které nalézají široké uplatnění při úpravách analogových signálů. Jeho přednosti jsou : ●

velké napěťové zesílení v otevřené smyčce

●

vysoký vstupní a nízký výstupní odpor

●

široký frekvenční rozsah

Vzhledem

k

teoreticky

nekonečnému

zesílení

se

nejčastěji

používá

ve zpětnovazebním zapojení. Mezi nejznámější zapojení patří : invertující zesilovač, neinvertující zesilovač, invertor, sledovač a mnoho dalších. Při řešení této diplomové práce budou použity OZ jako invertující zesilovač a jako sledovač, proto zde popíši tyto dvě zapojení.

- 12 -

3 Popis použitých zařízení Zapojení jako invertující zesilovač. Při tomto zapojení přivádíme vstupní signál přes odpor R 1 na invertující vstup OZ. Zpětná vazba je vedena z výstupu zesilovače přes odpor R2 opět na invertující vstup. Neinvertující vstup OZ je připojen na zem. I2 R1 U1

I1

I0

R2 +

U2

Obr. 10: Zapojení OZ jako invertující zesilovač Vycházíme z předpokladu ideálního OZ, tedy že mezi vstupy je diferenční napětí U d rovno 0, potom na obou vstupech je nulový potenciál. A dále že vstupní odpor OZ je nekonečný. Pak po připojení napětí U1 začne obvodem procházet proud I1 a I2, jejichž velikost bude dána vztahy: I 1=

U1 R1

I 2=

U2 R2

(1,2)

Proud I0 tekoucí do OZ je vzhledem k nekonečnému odporu roven nule, pak podle Kirchhofova zákona platí že součet proudů v uzlu se musí rovnat nule: I 1 −I 2 =0

(3)

Po dosazení rovnic (1,2) do (3) a vyjádření můžeme získat celkové zesílení ideálního invertujícího zesilovače (4) jako poměr výstupního a vstupního napětí: A=

U2 R2 =− U1 R1

(4)

Zapojení jako sledovač. Při tomto zapojení je výstup OZ přímo přiveden na invertující vstup a na neinvertující vstup je přivedeno vstupní napětí. + U1

U2

Obr. 11: Zapojení OZ jako sledovač Tento obvod slouží k impedančnímu oddělení dvou částí obvodů, které by mohly být ovlivňovány. V tomto zapojení je výstupní napětí shodné se vstupním a zesílení obvodu je tedy rovno jedné. - 13 -

4 Realizace zařízení

4 Realizace zařízení V této části uvedu způsob technické realizace zařízení. O rozložení jednotlivých členů nejlépe vypovídá blokový diagram, který je spolu s celkovým schématem uveden v příloze. Jednotlivé bloky budou popsány v dalších kapitolách. Schémata a desky plošných spojů byly zhotoveny pomocí programu Eagle 4.16 light. Elektrické obvody byly realizovány pomocí univerzální desky plošných spojů. Základem celého systému je měřící karta ovládaná počítačem, která kontroluje ovládá a měří celý systém. K ní jsou připojeny jednotlivé části, které obsluhují funkce a stavy kontrolovaného zdroje. K analogovým vstupům měřící karty jsou připojeny výstupy bloků se standardním napětím 0 – 10 V.

Fyzicky bylo toto propojení provedeno

pomocí desky plošných spojů s možností připojení vstupů a výstupů na šroubovací svorkovnici. Tato deska byla standardním příslušenstvím měřící karty.

Obr. 12: Připojení vstupů a výstupů

4.1 Ovládání zatěžovacích odporů Zatěžovací odpory bylo třeba spínat paralelně se stávajícím zařízením. Potřebujeme přivést kladné napětí na vstup gate spínacího MOSFET tranzistoru. Tato funkce byla realizována pomocí dvou tranzistorů. Jednoho s vodivostí PNP a druhého NPN. 12 V R2 R3 vstup

R1

T1

T2 výstup

Obr. 13: spínání zatěžovacích odporů

- 14 -

4 Realizace zařízení Oba tranzistory jsou zapojeny v zapojení se společným emitorem. Pokud na bázi tranzistoru T1 přivedeme přes odpor R1 kladné napětí od měřící karty, začne protékat proud PN přechodem z báze do emitoru a tím tranzistor otevře. Otevřením tranzistoru T1 dojde i k otevření druhého tranzistoru. Jeho báze se přes odpor R3 připojí na zem a začne procházet proud PN přechodem z emitoru. Na výstupu se tedy objeví napájecí napětí zmenšené o úbytek na tranzistoru T2. Toto napětí je dostatečně veliké aby otevřelo MOSFET tranzistor a tím připojilo zátěž k výstupu testovaného zdroje. Jako tranzistor T1 byl zvolen typ BC337 jedná se o univerzální spínací tranzistor NPN pro nízká napětí. Maximální napětí kolektor – emitor je 50 V a maximální kolektorový proud je 800mA. Zesílení tranzistoru se pohybuje mezi 60 – 400. Pro tranzistor T2 byl zvolen typ BC557. Je to opět univerzální spínací tranzistor PNP pro nízká napětí. Maximální napětí kolektor – emitor je 50V a maximální kolektorový proud je 100mA. Zesílení je v mezích 240 – 500. Tyto hodnoty obou tranzistorů jsou pro daný účel naprosto dostačující. Spínané napětí nepřesáhne 12V a proudy se budou pohybovat v řádech mA. všechny tři odpory (R1,R2,R3) mají hodnotu 10kΩ. Velikost odporů není v tomto případu kritická, vzhledem k velmi malému spínanému proudu

4.2 Ovládání střídavého napájecího napětí Pro napájení testovaného zdroje střídavým napětím byl použit transformátor navinutý na zakázku firmou JK-Elektra. Jedná se o transformátor s jedním primárním vinutím pro síťové napětí 230 V. Sekundární vinutí má 4 odbočky pro různá napětí a to : 90V, 120V, 230V a 254V. Tento transformátor zároveň slouží jako oddělovací transformátor od síťového napětí, což je důležité pro bezpečnost obsluhy. Jednotlivá napětí jsou k testovanému zdroji připojována pomocí relé která jsou spínány tranzistory. Relé zároveň plní funkci chránící proti zkratu odboček sekundárního vinutí. Tato funkce byla provedena tak, že všechna relé jsou seřazena za sebou a při sepnutí jednoho z nich je odpojeno napájecí napětí všech následujících. Tím je zaručeno že může být sepnuto vždy maximálně jedno relé.

- 15 -


12 V

D1 R1

T1

Obr. 14: Schéma spínání relé tranzistorem Spínané relé je typu RT424012, odpor vinutí 360Ω, napájecí napětí 12V. Spínané napětí střídavé 250V s maximálním proudem 8A. Ke spínání byl použit tranzistor BC337. Odpor na vstupu je zvolen 10kΩ. Pro výpočet jeho velikosti vycházíme z proudu spínaného tranzistorem. Pro použité relé s odporem 360Ω a napájecím napětí 12V je tento proud I R=33mA. Z katalogového listu tranzistoru známe jeho proudové zesílení, které v nejhorším případě činí 60. Na bázi tranzistoru tedy potřebujeme přivést proud 0,55mA. S použitím Ohmova zákona vyjádříme odpor R1 pro napětí 5V, tedy 9090Ω. Z odporové řady jsme tedy zvolili odpor 10kΩ. Dioda D1, zapojená v závěrném směru, má za úkol odstranit špičky napětí, které vznikají ve vinutí cívky při odpojení napětí. Bez této ochrany by vznikaly napěťové špičky a mohly by způsobit nepříznivé rušení celého zařízení. Dioda zvolená k tomuto účelu je 1N4004, je to univerzální usměrňovací dioda pro napětí do 400V, špičkový proud do 30A.

- 16 -


4.3 Ovládání stejnosměrného napájecího napětí Pro změnu velikosti stejnosměrného napětí zdroje bylo použito ovládání pomocí napěťového vstupu 0 - 10V. Nejprve je třeba nastavit napájecí zdroj. Toto se provede pomocí přepínače SW1 umístěného uvnitř zdroje, přístup k němu je možný po odšroubování horní desky. Tímto přepínačem se nastaví rozsah napětí. Dále je třeba správné propojení na konektoru J1 na zadní stěně napájecího zdroje. Zde se nastaví dálkové ovládání zdroje (tím se vyřadí ovládání na předním panelu) a veličina která se bude ovládat. Tímto nastavením umožníme měnit výstupní napětí napájecího zdroje v rozsahu 0 - 33V.

Obr. 15: Nastavení zdroje stejnosměrného napětí

Vzhledem k nepřítomnosti analogového výstupu na měřící kartě a potřebě spínat jen 3 různá napětí, jsou pro jejich nastavení použity 3 odporové děliče. Odporové děliče napětí mají jednu společnou část, která je spojená se zemí a při odpojení děličů zabezpečí na výstupu 0V, takže i na výstupu zdroje bude nulové napětí. Všechny tři děliče obsahují proměnné rezistory, díky nimž je možné zkalibrovat přesně výstupní napětí. Výpočet velikostí rezistorů v děličích vychází z Ohmova zákona, podmínky že v sériovém zapojení protéká všemi spotřebiči stejný proud a že napájecí napětí je součtem úbytků napětí na všech spotřebičích. I=

U R

I 1 =I 2 =...=I n

- 17 -

U c =U 1U 2...U n

(5,6,7)

4 Realizace zařízení Pro výpočet uvažujme pouze dva odpory zapojené sériově. Odpor proti kladnému potenciálu pak bude rozdělen na rezistor a trimr. Pro výpočet dále zanedbáme úbytek napětí na spínacím tranzistoru. Po dosazení (6,7) do (5) získáme vztah mezi odpory a úbytky napětí. Uc R −1 = T1 U2 RT2

(8)

Velikost společného odporu R16 je 1kΩ, tuto hodnotu dosadíme do (8) jako RT2. Pro první vstup je třeba nastavit napětí zdroje na 10V. Na ovládací vstup tedy musí být přivedeno napětí 3,03V. Velikost odporu RT1 vyjádřeného ze vztahu (8) je 2960Ω. Byl tedy zvolen rezistor 2,2kΩ a trimr 1kΩ. Tato kombinace nám zajistí změnu odporu mezi 2200 - 3200 Ω. Pro druhý výstup je třeba nastavit napětí 12V, čemuž odpovídá ovládací napětí 3,63V. Po výpočtu vyjde RT1 = 2300Ω. Opět byl zvolen odpor hodnoty 2,2kΩ a trimr hodnoty 1kΩ. Pro třetí výstup potřebujeme napětí 16V, tomu odpovídá ovládací napětí 4,84V. Po dosazení dostaneme RT1 = 1479Ω. Byl tedy zvolen odpor 1,2kΩ a trimr 1kΩ. Hodnoty ostatních rezistorů jsou stejné jako v případě spínání zátěží, tedy všechny 10kΩ. 12 V R2 vstup 1 R3

T6

vstup 3 T3

R4

R12

T4

vstup 2 T1

R1

R7

T2

R8

T5 R9

R6

R5

R10

R11

R13 R14 R15

R16

Obr. 16: Schéma spínání ovládacích napětí pro stejnosměrný zdroj

- 18 -

Výstup


4.4 Ovládání stavů testovaného zdroje V průběhu kontroly je třeba ovládat připojenou výbojku a napěťové výstupy. Napěťové výstupy lze vypnout, nebo zapnout, to se provádí pomocí konektoru K6. Pokud pin 2 uzemníme dojde k odpojení výstupů. Výbojka je řízena konektorem K7. Uzemněním pinu 1 dojde k vypnutí výbojky. Piny 4 a 5 slouží k nastavení tlumení, a jsou sepnuty přivedením napětí 5V. Logika ovládání tlumení je v následující tabulce. Tabulka 3: ovládání tlumení Nastavení výbojky

pin K7/4

pin K7/5

plný svit

0V

0V

75% tlumení

0V

5V

50% tlumení

5V

0V

25% tlumení

5V

5V

Ovládání vypnutí výstupů a zhasnutí výbojky jsou uskutečněna stejně a to uzemněním pomocí NPN tranzistoru spínaného výstupem z měřící karty. Tranzistor T1 byl zvolen opět BC337 a odpor na vstupu je 10kΩ. Výstup R1

T1

Vstup

Obr. 17: ovládání výbojky a výstupů Ovládání tlumení výbojky vyžaduje spínat napětí 5V. Z toho důvodu si zapojení vyžádalo použití stabilizátoru 7805. Jedná se o integrovaný napěťový stabilizátor s pevně nastaveným výstupním napětím s proudovou a teplotní ochranou. Maximální výstupní proud může dosáhnout 1A a vstupní napětí může být až 35V. Celkové schéma stabilizátoru a jednoho výstupu je na obrázku.

- 19 -

4 Realizace zařízení 12 V

7805 R2 C1

T2

C2 vstup

Výstup

Obr. 18: ovládání tlumení výbojky Tranzistor T2 byl zvolen BC557, při uzemnění vstupu měřící kartou dojde k otevření tranzistoru a na výstupu se objeví napětí cca 5V. Znamená to tedy, že pokud nastavíme výstup na měřící kartě na logickou jedničku, je na výstupu nulové napětí. Inverze signálů je provedena softwarově. Odpor na vstupu je 10kΩ. K výstupům stabilizátoru jsou připojeny kondenzátory C1 a C2 o hodnotách 100nF, dle standardního zapojení podle katalogového listu.

4.5 Měření napětí Při zkoušení zdroje je požadavek na měření 4 různých napětí. Problém spočívá v tom, že tři z těchto napětí mají společné uzemnění (výstupní nízkonapěťová část) a čtvrté má uzemnění jiné (vstupní vysokonapěťová část). Měřící karta sice umožňuje měřit diferenciální vstupy, ale při tomto způsobu docházelo k rušení a tím k nepřesnostem měření. Proto jsou tyto dvě různé země připínány ke kartě pomocí relé. Na začátku měření se vždy relé nastaví do správné polohy a poté se provede měření. Relé je spínáno stejně jako v případě ovládání střídavého vstupu. Napětí, která je třeba kontrolovat jsou výstupní napětí zdroje tj. 5, 12 a 8 nebo 20 V a vysoké napětí spínaného zdroje 385V. Kromě 5V výstupu je nutné snížit kontrolovaná napětí na hodnoty měřitelné kartou tj. 0 - 10 V. To bylo provedeno pomocí odporových děličů. Aby byla zabezpečena přesnost měření jsou použity rezistory jedné hodnoty s přesností 1%. Pro testování výstupu 12V je napětí sníženo na polovinu, rozsah měření je tedy 0 - 20 V. U výstupu 8 V nebo 20 V je použito snížení napětí na třetinu, rozsah měření 0 - 30 V. Pro měření 385 V bylo třeba snížit napětí 50x, rozsah měření tedy odpovídá 0 - 500 V. Pro všechny výpočty byl použit vzorec (8) kap. 4.3.

- 20 -

4 Realizace zařízení vstup 8/20 V

vstup 12 V

R1 2k2

R2

výstup

2k2

vstup 385 V

R3

R6

2k2

220k

R4

R7

2k2

2k2

R5

výstup

2k2

výstup

R8 2k2

Obr. 19: odporové děliče pro úpravu měřených napětí

Při přímém propojení měřeného výstupu s měřící kartou docházelo k průniku rušení z měřící karty do kontrolovaného zdroje, proto jsou všechna kontrolovaná nízká napětí oddělena od karty pomocí operačních zesilovačů ve funkci sledovačů. Operační zesilovač byl zvolen TLC274. Jsou to čtyři operační zesilovače v jednom pouzdře, pro napájecí napětí od 3V do 16V. 12 V Vstup

Výstup

Obr. 20: sledovač pro oddělení měřených napětí od měřící karty

4.6 Měření zvlnění napětí Při úpravě napětí spínanými zdroji se na výstupu objeví zvlnění napětí, které je potřeba kontrolovat. Testuje se u všech tří napěťových výstupů. Zvlnění napětí se pohybuje v řádech desítkách mV a proto bylo potřeba toto slabé napětí zesílit. Frekvence se mění podle zatížení a naměřená nejkratší perioda byla 250ns, což odpovídá frekvenci 4Mz. Vzhledem k takto vysoké frekvenci bylo potřeba použít velmi rychlý operační zesilovač. Pro tento účel byl vybrán integrovaný obvod OP467. Jsou to čtyři operační zesilovače v jednom pouzdře, s šířkou pásma do 28Mhz a rychlostí přeběhu 170V/μs. Napájecí napětí 10 V - 30 V.

- 21 -

4 Realizace zařízení Střídavá složka signálu je od stejnosměrné oddělena pomocí keramického kondenzátoru C1. Na vstup operačního zesilovače nesmí být přivedeno vyšší napětí než napájecí, proto následují dvě ochranné diody D1 a D2. Pokud signál dosáhne vyšší, nebo nižší úrovně než je napájecí napětí, bude signál oříznut. Následuje samotné zesílení napětí pomocí invertujícího zesilovače s dvacetinásobným zesílením. Hodnoty odporů vypočítaného podle vztahu (4) kapitola 3.7 pro výsledné zesílení 22 jsou 1,5kΩ pro R1 a 33kΩ pro R2. Odpory R3 a R4 slouží k nastavení virtuálního středu napětí, neboť nemáme k dispozici souměrné napájecí napětí. Po zesílení signálu je opět oddělena střídavá složka kondenzátorem C2. Zesílený signál je poté usměrněn pomocí zapojení známého jako zdvojovač napětí. Jedná se obvod který usměrní střídavé napětí na stejnosměrné o hodnotě špička – špička. V záporné půlvlně signálu prochází obvodem proud přes diodu D3 a nabíjí se kondenzátor C2. V kladné půlvlně prochází proud přes diodu D4 a kondenzátor C3 se nabije na velikost kladného vstupního napětí a k němu přičteného napětí na kondenzátoru C2, tedy napětí špička špička. Ve skutečnosti nedostaneme celé takto vysoké napětí, bude sníženo o úbytek na diodách a další snížení zapříčiní samovybíjením kondenzátorů vlivem vnitřního odporu. Všechny diody použité v tomto obvodu jsou Shotky BAT46, které bylo nutné použít z důvodu vysoké frekvence a nižších úbytků napětí při usměrnění. Na kondenzátoru C3 se objeví napětí špička špička snížené o úbytek způsobený usměrněním. Toto napětí je zde zachováno dokud nedojde k vybití kondenzátoru. Pro měření aktuální hodnoty, která se neustále mění je paralelně ke kondenzátoru připojen rezistor R5. Tento RC člen nám zaručí, že měřené napětí bude odpovídat aktuální hodnotě. 12 V R2 D1

BAT46

R3

33k

3k3

C2 100n

R1

Vstup C1 100n

D4

BAT46

1k5

D2

BAT46

D3

R4

BAT46

C3

100n

3k3

Obr. 21: schéma měření zvlnění napětí

- 22 -

R5

1M

Výstup

4 Realizace zařízení Signál na vstup je přiveden stíněnou sondou která je k desce připojena pomocí koaxiálního konektoru BNC. Tento měřící obvod je velmi citlivý na vnější rušení, proto pro něj byl vytvořen zvláštní tištěný spoj s rozlitou zemí. Osazená deska je pak ještě odstíněna pomocí kovového boxu. Celý obvod pro měření zvlnění napětí je vzhledem k velkému rušení na vstupním napájení, napájen pomocí 12V akumulátoru, aby byl zcela oddělen od síťového napětí.

4.7 Měření proudu zdroje stejnosměrného napětí Měření výstupního proudu stejnosměrného napájecího zdroje je nutné pro kontrolu příliš vysoké spotřeby kontrolované desky. Při překročení určité hranice dojde k okamžitému ukončení testu a vypnutí napájení. Kontrola velikosti proudu se provádí softwarově. Velikost proudu je možné získat z konektoru J1 na zadní straně napájecího zdroje kde je na pinu 7 napětí rozsahu 0 - 5 V které odpovídá výstupnímu proudu 0 - 33 A. Tento napěťový výstup je přímo přiveden k měřící kartě.

4.8 Měření frekvence Měření frekvence je provedeno pomocí čítače na měřící kartě, který je přímo propojen s měřeným bodem. Napěťové úrovně není třeba nijak upravovat, neboť měřený výstup je nízkonapěťový a dosahuje hodnot 0 - 5 V a vstup čítače je uzpůsoben pro napěťové úrovně TTL.

- 23 -

5 Realizace ovládacího programu

5 Realizace ovládacího programu 5.1 Návrh programu Celý program pro ovládání testovacího zařízení byl vytvořen v jazyku C, pomocí programu Microsoft Visual studio. Zadavatel práce, firma Tetraco s.r.o. si nepřála zveřejnění kompletního zdrojového kódu. Grafické rozvržení programu bylo navrhnuto takto: hlavní okno programu rozdělené na tři části. Největší je informační textové okno, kde se zobrazují aktuální informace, příkazy, výsledky měření. Nalevo od tohoto okna je sloupec zobrazující napětí, proud stejnosměrného napájení zkoušené desky a nastavené zátěže na jednotlivých výstupech. V dolní části okna jsou tlačítka pro ovládání programu a pod nimi lišta se zobrazením dalších informací, jako název načteného souboru, číslo vykonávaného řádku a status programu.

Obr. 22: hlavní okno programu po spuštění

- 24 -


5.1.1 Jádro programu Jádro programu tvoří standardní kostra programu pro aplikaci typu WIN32. Na začátku kódu byly nejprve začleněny potřebné hlavičkové soubory. Mimo standardních (windows.h, stdio.h....) i hlavičkové soubory pro ovládání měřící karty, to jsou Daqx.h a DYN32ENH.h. Dalším úkolem bylo vytvoření okna. Nejprve je třeba zaregistrovat třídu okna, kde se definuje styl okna, grafické zobrazení a realizační funkce okna. Pokud je třída úspěšně zaregistrována může být vytvořeno hlavní okno programu pomocí funkce CreateWindow. Po úspěšném vytvoření hlavního okna, lze definovat další prvky okna. Všechny tyto prvky jsou vytvořeny funkcí CreateWindowEx která je rozšířením předchozí funkce. Pro tlačítka start a stop byla použita standardní třída okna BUTTON která vytvoří tlačítka pro spuštění a zastavení testování. Stav obou tlačítek byl nastaven do stavu WS_DISABLE, aby je uživatel nemohl použít dokud neotevře testovací soubor. Informační okno bylo vytvořeno s třídou EDIT a s parametry ES_READONLY aby

uživatel

nemohl

zapisovat,

ES_MULTILINE

pro

víceřádkový

text

a

WS_VSCROLL pro okno se svislou rolovací lištu. Posledním oknem které bylo třeba vytvořit je stavová lišta. To lze vytvořit s třídou okna STATUSCLASSNAME. Na liště byla definována tři políčka pro zobrazení údajů. Posledním úkolem bylo okno zobrazit příkazem ShowWindow a spustit smyčku zpráv. Smyčka je cyklus typu while a slouží k odchytávání zpráv. Tato smyčka odebírá zprávy fronty zpráv aplikace a předává je k dalšímu zpracování. Smyčka je ukončena zprávou WM_QUIT kterou dojde i k ukončení aplikace. Samotným jádrem programu je realizační funkce hlavního okna, která zpracovává zprávy, obsluhuje uživatelské vstupy a časovač. Při spuštění aplikace dojde nejprve k inicializaci časovače. Poté k načtení dynamické knihovny pro obsluhu měřící karty, pokud není knihovna k dispozici, program ohlásí chybu a ukončí se. Pokud je knihovna v pořádku načtena připojí se program k měřící kartě a vynuluje všechny výstupy. Nakonec dojde k načtení kalibračních dat z externího souboru. Tím je program připraven k použití.

- 25 -

5 Realizace ovládacího programu Další funkce které jádro programu obsluhuje jsou otevření souboru, úprava souboru, vytvoření souboru, odstartování měření, zastavení měření. Funkce pro otevření souboru zavolá standardní dialog Windows pro načtení souboru testovací sekvence. Po úspěšném načtení souboru se nastaví stav tlačítka Start na WS_ENABLE a umožní se uživateli spustit testovací sekvence. Vzhledem k tomu, že soubor testovací sekvence je obyčejný textový soubor, který obsahuje definované příkazy, je jeho editace uskutečněna pomocí otevření v poznámkovém bloku, tedy standardní aplikace Windows. Pokud zvolíme funkci nového souboru, je nejprve vyvolán dialog pro uložení souboru, tím definujeme jeho jméno a umístění a po vytvoření souboru je otevřen opět pomocí aplikace poznámkový blok. Nejdůležitější je funkce provádějící vlastní kontrolu. Kontrola probíhá po odstartování tlačítkem start, nebo výběrem položky z menu. V prvním kroku se načte první řádek souboru testovacích sekvencí. Provede se rozložení řetězce na název funkce a parametry. Porovná se řetězec názvu s definovanými funkcemi a při shodě se ověří správnost argumentů a zavolá se příslušná vykonávací funkce. Ta provede požadovaný úkon a po ukončení se pokračuje s dalším řádkem souboru. Pokud funkce popsaná v souboru není nalezena, vypíše program chybu a vypíše řádek kde se nachází. Každá testovací sekvence musí býk ukončena příkazem End(). Při něm dojde k ukončení měření, uložení dat a vypnutí všech výstupů. Pokud je použit pro napájení zdroj stejnosměrného napětí měří se zároveň výstupní proud, a pokud dojde k překročení maximální hodnoty kontrola se okamžitě zastaví.

- 26 -


Start měření

Nastav počítadlo řádků na 0

Načtení řádku ze souboru

Rozdělení řetězce na název funkce a parametry

chyba - konec souboru

chyba

název + 2 parametry

Existuje funkce ?

ne

Vypiš chybu s číslem řádku

ano

Má správné parametry ?

ne

ano Proveď žádanou operaci

funkce End()

Vypni kontrolovaný zdroj

Inkrementuj počítadlo řádků Konec měření

Obr. 23: blokový diagram hlavní kontrolní funkce

- 27 -


5.1.2 Použité měřící a ovládací funkce Většina ovládacích a měřících funkcí komunikuje s měřící kartou. Dají se rozdělit do čtyř částí. První provádí měření napětí na analogovém vstupu měřící karty, druhé nastavují digitální výstupy měřící karty, třetí měří frekvenci pomocí čítače a poslední čtvrtá zabezpečují komunikaci s obsluhou. Funkce pro měření napětí. Zde nalezneme funkce pro měření čtyř napětí 5,12,8/20 a 385 V. Všechna tato napětí jsou upravena tak, aby napěťově vyhovovala vstupům karty. Průběh této funkce je následující. Nejprve je přepnuto relé ovládající připojování odpovídající země. Následně se na obrazovce vypíše informace že dochází k měření a zobrazí se který vstup se kontroluje a jaké jsou nastaveny meze měření. Poté dojde k samotnému měření napětí. Průběh je blíže popsán v kapitole 3.3 Komunikace s měřící kartou. Měření je nastaveno aby získalo 100 vzorků a uložilo je do pole. Výsledek se určí jako průměr těchto hodnot. Po zprůměrování dojde k vynásobení konstantou tak, aby číselný údaj odpovídal napětí a poté k porovnání s dovolenými hodnotami. Pokud je výsledek v pořádku vypíše se informace na obrazovce a pokračuje se dalším krokem. Pokud je výsledek mimo toleranci, zastaví se testovací cyklus a obsluha je dialogem informována o chybě měření. Dialog umožňuje zvolit jednu ze tří možností. Pokračovat dále pak je chyba zapsána do protokolu, provést měření znovu, poté se celý krok opakuje, nebo ukončit měření. Při zvolení ukončení měření dojde k vypnutí celého zařízení.

- 28 -


Start měření

Nastav relé

Vypiš informace do okna

Měření napětí pole 100 vzorků Výpočet průměru

opakuj měření

Úprava rozsahu

Výsledek v mezích ?

Dialog: Chyba měření

ne

ano

pokračuj

Vypiš výsledek

Vypiš výsledek a chybu

Konec měření

konec

Vypni zařízení

Konec testu

Obr. 24: Blokový diagram měření napětí Funkce pro měření příkonu. Tato funkce měří velikost proudu stejnosměrného výstupu. Ten je získán přímo ze stejnosměrného napájecího zdroje. Vzhledem k tomu že známe nastavené napětí, lze snadno určit příkon celého zařízení jako součin napětí a proudu. Tento příkon je pak porovnáván s maximálním povoleným příkonem. Do testovacího protokolu je třeba uvádět účinnost zařízení a ta je stanovena jako poměr výkonu a příkonu. Výkon vstupuje ze souboru testovací sekvence a je určen výpočtem na základě zapojených výstupů a jejich proudů.

- 29 -

5 Realizace ovládacího programu Funkce pro nastavení výstupů. Zde se vyhodnotí parametry se kterými je funkce volána a podle nich se nastaví digitální výstupy karty na logickou úroveň. Ovládání výstupů se provádí pomocí funkce daqIOWriteBit kde nastavíme handle na kartu, port který chceme ovládat, číslo bitu a logickou hodnotu. O změně stavu výstupu je uživatel opět informován pomocí textového výstupu a pokud je hodnota zobrazena přímo v okně tak dojde k její aktualizaci. Funkce pro měření frekvence. Pomocí této funkce nastavíme a získáme data z čítače na kartě. K němu se přistupuje stejně jako při měření napětí. Měřená frekvence se pohybuje mezi 20 a 60 kHz. Měření je nastaveno na 10 vzorků, každý s délkou trvání 100ms. Výsledek je opět umístěn do pole a poté zprůměrován a vynásoben 10 tak, abychom dostali frekvenci v Hz. Další postup je identický jako u měření napětí, tedy porovnání s dovolenými hodnotami a pokračování, nebo oznámení chyby. Funkce pro komunikaci s obsluhou. V této části jsou funkce vyžadující přímou spolupráci s obsluhou. Mezi ně patří kontrola stavu výbojky. Zde je obsluha pomocí dialogu dotázána na intenzitu svitu výbojky. Měření je nastaveno tak, že postupně snižuje intenzitu z plného svitu na minimum, v krocích po 25%, takže obsluha může lehce zaznamenat rozdíl a potvrdit ho pomocí dialogu. Druhou funkcí této části je dialog pro zadání sériového, nebo interního čísla. Interní číslo se zadává v případě poruchy. Dále je třeba zvolit přesnou verzi zkoušené desky. Na výběr jsou dvě revize 1 a 2.

Obr. 25: dialog pro zadání sériového čísla

- 30 -


5.2 Vstupní soubory sekvence měření Soubor který vstupuje do programu, je textový soubor definující vlastní postup měření. Na každém řádku je vždy uvedena jedna funkce. Název funkce začíná velkým písmenem a v závorce za ním jsou parametry oddělené čárkou. Počet parametrů může být různý od funkcí které nepotřebují žádný parametr, až po funkce se dvěma parametry. Oba parametry jsou typu float. Komentář do souboru se provede tak, že prvním znakem na řádku je hvězdička, pak je celý řádek označen za komentář a není uvažován při průběhu testu. Každý soubor testovací sekvence musí být ukončen příkazem End().

5.3 Výstupní soubory výsledků měření Výstupním souborem po provedení testu je textový soubor. Název odpovídá sériovému číslu testované desky. Na začátku souboru je uvedeno datum a čas testu, výsledek testu, sériové číslo, a revize příslušné desky. Poté následují výsledky jednotlivých kroků. Každý řádek obsahuje číslo kroku z testovacího protokolu, výsledek testu a pokud byla v tomto kroku chyba, označí jí nápisem „ERROR“. Všechny tyto protokoly jsou uloženy v podadresáři \protocols.

- 31 -


5.4 Příkazy použité pro soubor sekvence měření Zde jsou uvedeny všechny příkazy, které umožňují kompletní ovládání zařízení a provedení celého testovacího procesu. Nejprve budou představeny nastavovací funkce. SetACVoltage(hodnota) a SetDCVoltage(hodnota) jsou funkce pomocí kterých se nastavuje střídavé (AC) a stejnosměrné (DC) napájecí napětí. Parametrem je požadovaná hodnota ve voltech, která může nabývat pouze určitých, předem definovaných hodnot vycházejících z testovacího plánu. Pokud je funkce volána s jinou hodnotou, oznámí program chybu. Skupina funkcí Set5VLoad(hodnota), Set12VLoad(hodnota), Set8VLoad(hodnota) a SET20VLoad(hodnota) slouží k nastavení zatížení jednotlivých výstupů. Jejich parametrem je opět požadovaná hodnota v ampérech, vycházející z testovacího protokolu. Funkce SetLamp(hodnota) a SetDimming(hodnota) slouží k ovládání výbojky. Prostřednicvím první je možné výbojku zapnout či vypnout, pomocí parametru 1 nebo 0. Druhá pak ovládá tlumení výbojky ve 4 krocích (parametr 0 – 4, kde 4 odpovídá maximálnímu tlumení). SetKey(hodnota) je funkce pro ovládání zapnutí výstupů (ve schématu označeno jako „key switch“). Jejími parametry mohou být 0 pro vypnutí a 1 pro zapnutí výstupů. Tato funkce je poslední z části nastavovacích funkcí. Další bude skupina měřících funkcí. Funkce MeasureFreq(min, max) provádí měření frekvence vnitřního spínaného zdroje. Parametry odpovídají povolenému rozsahu hodnot v Hz. Jestliže výsledek leží mimo tento interval, je označen jako chybný a program zobrazí informační dialog a je na obsluze aby rozhodla o dalším postupu. Skupina funkcí Measure5V(min, max), Measure12V(min, max), Measure20V(min, max), Measure8V(min, max) a Measure385V(min, max) slouží k měření nominálních hodnot napětí napájecího zdroje. Dva parametry funkce opět určují interval povolených hodnot ve voltech.

- 32 -

5 Realizace ovládacího programu Funkce Measure5VRipple(min, max), Measure12VRipple(min, max), Measure20VRipple(min, max) a Measure8VRipple(min, max) mají podobný úkol jako předchozí, jen s tím rozdílem, že měří zvlnění napětí na výstupech. Parametry jsou opět rozmezí povolených hodnot v milivoltech. Poslední měřící funkcí je MeasureDCPower(nom, max). Slouží k měření příkonu zařízení při napájení stejnosměrným napětím. První parametr je nominální výkon zařízení získaný z výpočtu podle připojených zátěží. Tento parametr slouží pro určení účinnosti. Druhým parametrem je maximální příkon. Oba parametry jsou uváděny ve wattech. Další skupinou jsou funkce kontrolní. První z nich je CheckLamp(). Slouží k vyvolání dialogu, který ověřuje nastavení výbojky. Na základě sepnutých ovládacích vstupů se vygeneruje dialog, který žádá obsluhu o potvrzení zda je výbojka ve správném stavu. Tato funkce nevyžaduje žádný parametr. Druhou kontrolní funkcí je CheckOut(). Kontroluje pouze vypnutí všech tří výstupů. Změří jejich napětí a kontroluje zda je nižší než 0,5V. Pokud na některém ze vstupů naměří napětí, ohlásí chybu. Poslední skupinou funkcí, které neovládají žádný výstup, ani se nepodílí na měření jsou systémové funkce. První z nich je SaveRes(hodnota). Provádí uložení posledního naměřeného výsledku do výstupního souboru. Jejím jediným parametrem je číslo kroku, které slouží k identifikaci výsledku. Wait(hodnota) je funkcí, která v průběhu kontroly vyčká určitý počet sekund. Toho se využívá například pro čekání na ustálení hodnot. Jako paramtr vstupuje do funkce doba čekání v sekundách. Poslední funkcí je End(). Musí být na konci každé testovací sekvence. Při jejím zavolání se provede zavolání dialogu pro zadání sériového čísla a po jeho zadání dojde k uložený výstupního souboru a k vypnutí kontrolovaného zdroje tak, aby jej mohla obsluha vyměnit a pokračovat v kontrole s další deskou.

- 33 -


5.5 Ovládání programu Po spuštění programu se objeví standardní okno Windows, na liště v horní části okna je umístěno menu, které slouží pro ovládání všech funkcí. Pro snazší a rychlejší ovládání jsou přímo v okně umístěna tlačítka pro začátek a přerušení měření. Po spuštění programu obsluha musí nejprve načíst soubor testovací sekvence a poté může začít samotné testování. Soubor otevře pomocí standardního systémového dialogu, volba pro otevření souboru je v menu File -> Open File. Pro spuštění měření můžeme stisknout tlačítko Start, vybrat položku z menu Test -> Start, nebo stisknout klávesu Enter. Pokud potřebujeme z nějakého důvodu přerušit aktuální kontrolu, použijeme tlačítko Stop, položku menu Test -> Stop nebo klávesu Esc. Při průběhu testu se v okně zobrazují probíhající úkoly a stav programu zobrazený ve spodní liště zobrazuje nápis „Testing...“ při probíhajícím měření karty, případně doplněný ještě o zbývající čas do příštího úkonu.

- 34 -

6 Ověření funkce

6 Ověření funkce Funkčnost celého zařízení byla provedena přímo v pobočce firmy, kde se bude dále používat. Nejprve byla provedena kontrola bez připojeného zařízení, a zkontrolována správnost všech vstupů a výstupů. Po připojení ke stávajícímu zařízení bylo provedeno několik testů prověřujících přesnost měření a správnost posloupnosti kroků. Velikosti všech kontrolovaných napětí byly měřeny paralelně pomocí kalibrovaných voltmetrů a kontrolního zařízení. Výsledky kontroly jsou uvedeny v příloze. Velikost zvlnění napětí byla porovnána s hodnotou získanou z osciloskopu. V poslední fázi se testovalo počínání programu při výsledku měření mimo povolené rozsahy. Následovalo zaškolení obsluhy a předání zařízení do provozu. Stručný návod k obsluze v anglickém jazyce je uveden v příloze.

- 35 -

7 Závěr

7 Závěr Navržené kontrolní zařízení umožňuje automatickou kontrolu parametrů napájecích zdrojů, s možností úpravy a doplnění o další funkce, což umožňuje jak množství nevyužitých vstupů a výstupů měřící karty, tak i zdrojový kód připravený pro vkládání nových funkcí. Při změně testovacího postupu lze jednoduše měnit parametry testu bez nutnosti kompilace celého ovládacího programu. Celé zařízená bylo podrobeno řadě testů pro ověření funkčnosti. Návrhy na další zkvalitnění systému jsou navrhnutí filtru napájecího napětí pro měření zvlnění napětí a navrhnutí plošného spoje pro celé zařízení.

- 36 -

Použitá literatura

Použitá literatura Knihy : [1] HOROWITZ, Paul, HILL, Winfield: The art of electronics, druhé vydání, Cambridge university press, Cambridge 1989, 1125 str., ISBN 0-521-37095-7 [2] MALINA, Václav: Poznáváme elektroniku I, druhé vydání, nakladatelství KOPP, České Budějovice 1995, 173 str., ISBN 80-85828-25-1 [3] MALINA, Václav: Poznáváme elektroniku III, první vydání, nakladatelství KOPP, České Budějovice 1997, 240 str., ISBN 80-85828-87-1 Návody publikované elektronicky : [4] OMB-DAQBOARD-3000 Series User's Guide, Omega, Stamford, 108 str. [5] OMB-Programmer's Manual, Omega, Stramford, 368 str. [6] Sorensen DC power supplies operational manual, Sorensen, San Diego 2003, 60 str. Internetové zdroje: [7] BC337 Data Sheet, http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/philips/BC337_3.pdf [8] BC557 Data Sheet, http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/mcc/BC556B.pdf [9] 78L05 Data Sheet, http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/150/9358_DS.pdf [10] OP467 Data Sheet, http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/analogdevices/319191987OP467_d.pdf [11] TLC274 Data Sheet, http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/texasinstruments/tlc274.pdf [12] Microsoft developer network, http://msdn.microsoft.com [13] CHALUPA, Radek: Učíme se WinAPI, http://www.builder.cz/serial91.html

- 37 -

Přílohy

Přílohy A) Schéma propojení stávajícího a nového zařízení B) Konektor pro připojení zařízení SUB-D 25 C) Zapojení propojovacího konektoru D) Blokové schéma zařízení E) Přiřazení vstupů a výstupů měřící karty F) Ukázka souboru testovací sekvence G) Ukázka výstupního souboru H) Schéma zařízení – spínací část I) Schéma zařízení – měřící část J) Deska plošných spojů pro měření zvlnění napětí K) Osazení desky plošných spojů pro měření zvlnění napětí L) Protokol z testovaní přesnosti měření M) Návod k obsluze zařízení (anglicky)

- 38 -

Přílohy Existující zařízení měření napětí ovládací vstupy napájecí napětí

Zdroj SS napětí Zdroj ST napětí

Nový zdroj SS napětí

Nový zdroj ST napětí

Nové zařízení

A) Schéma propojení stávajícího a nového zařízení

- 39 -

Přílohy

B) Konektor pro propojení zařízení SUB-D 25

pin

funkce

1

Připnutí zátěže 5V – 2A, SW1

2


3


4

Připnutí zátěže 12V – 2.5A, SW13

5

Připnutí zátěže 8V/20V – 3A/1.2A, SW22

6

Ovládání výbojky, K7 – 1

7

Ovládání tlumení výbojky 2, K7 – 5

8

Vstup, měření napětí 5V, TP2

9

Vstup, měření napětí 8V/20V, TP4

10

Napájecí napětí 12V

11

Uzemnění vysokého napětí

12 13

Vstup, měření vysokého napětí 385V

14


15


16


17

Připnutí zátěže 8V/20V – 2A/0.8A, SW21

18

Připnutí zátěže 8V/20V – 3.75A/1.5, SW23

19

Ovládání tlumení výbojky 1, K7 – 4

20

Vstup, měření frekvence, T304

21

Vstup, měření napětí 12V, TP3

22

Uzemnění nízkých výstupních napětí

23

Napájecí napětí zem

24

Ovládání výstupních napětí (Key switch)

C) zapojení propojovacího konektoru

- 40 -

Přílohy

Počítač

Výbojka zap/vyp nastavení tlumení

Ovládání výbojky

3 x výstup

Ovládání zátěží

10 x výstup

Zdroj střídavého napětí

Ovládání napájení střídavým napětím

Zdroj stejnosměrného napětí

Ovládání napájení stejnosměrným napětím

D i g . v ý s t u p y

4 x výstup

Měřící karta

Analogové vstupy

měření výstupního proudu Testovaný zdroj 8/20 V

úprava napětí 8/20V

8/20V stíněno

měření zvlnění napětí 8/20V

12 V

úprava napětí 12V

12V stíněno

měření zvlnění napětí 12V

5V

úprava napětí 5V

5V stíněno

měření zvlnění napětí 5V

385 V

úprava napětí 385V

Existující zařízení

0 - 10 V

0-10 V

0 - 10 V

0-10 V

0 - 10 V

Měřící zem frekvence T304

D) Blokové schéma zařízení

- 41 -

0-10 V

0-10 V

Čítač

Přílohy

výstup

funkce

vstup

funkce

A0

stejnosměrný zdroj 10V

A0

měření 385 V

A1


A1

měření 5V

A2


A9

měření 12V

A3

střídavý zdroj 90V

A2

měření 8/30 V

A4


A10

měření zvlnění 5V

A5


A3

měření zvlnění 12V

A6


A11

měření zvlnění 8/20V

A7

zátěž na 5V, I = 2A

A4

B0


měření proudu stejnosměrného zdroje

B1


B2


B3


B4


B5

zátěž na 12V, I = 2,5A

B6

zátěž na 8/20V, I = 2/0,8 A

B7

zátěž na 8/20V, I = 3/1,2 A

C0

zátěž na 8/20V, I = 3,75/1,5 A

C1

zapnout výbojku

C2

nastavení tlumení výbojky 1

C3

nastavení tlumení výbojky 2

C4

připojení měřící země

C5

zapnutí výstupů

E) přiřazení vstupů a výstupů měřící karty

- 42 -

Přílohy F) Ukázka souboru testovací sekvence ******************************* * Test DC voltage, 8V output * ******************************* ********** step 1 ************ SetDCVoltage(10); Set5VLoad(0.2); Set12VLoad(0); Set20VLoad(0.03); SetLamp(0); SetKey(1); Measure385V(370,390); SaveRes(1); **********

step 2 ************

Set5VLoad(2); Set12VLoad(1); Set20VLoad(0.8); Measure385V(370,390); SaveRes(2); **********

step 3 ************

SetDCVoltage(12); Set5VLoad(0.2); Set12VLoad(0); Set20VLoad(0.03); Measure385V(370,390); SaveRes(3); **********

step 4 ************


step 5 ************

SetDCVoltage(16); Set5VLoad(0.2); Set12VLoad(0); Set20VLoad(0.03); Measure385V(370,390); SaveRes(5); - 43 -

Přílohy **********

step 6 ************


step 7 ************

SetDCVoltage(12); MeasureDCPower(38,55); SaveRes(7); **********

step 8 ************

Measure5V(5,5.2); **********

step 9 ************

Measure12V(9.5,15.5); **********

step 10 ************

Measure8V(8,8.5); SaveRes(10); End();

- 44 -

Přílohy G) Ukázka výstupního souboru SN : 00302 Rev. 1 Test fail with 3 errors Date : 7.4.2008 Time : 8:16:11 ============================================== 1: 382.8 V 2: 383. V 3: 382.8 V 4: 382.9 V 5: 382.6 V 6: 382.7 V 7: 382.7 V 8: 382.6 V 9: 5.094 V 10: 12.43 V 11: 19.73 V 12: 5.159 V 13: 5.13 V 14: 13.92 V 15: 12.51 V 16: 20.01 V 17: 19.85 V 18: 102.2 mV 19: 226.3 mV 20: 98.56 mV 22: OK 23: OK 24: OK 25: OK 26: OK 1: 383.8 V 2: 380.1 V 3: 387.2 V 4: 382.6 V 5: 415.7 V 6: 383.9 V 8: 5.093 V 9: 12.49 V 10: 19.88 V

ERROR ERROR

ERROR

- 45 -

Přílohy

H) Schéma zařízení - spínací část

- 46 -

Přílohy

I) Schéma zařízení - měřící část

- 47 -

Přílohy

J) Deska plošných spojů pro měření zvlnění napětí

K) Osazení desky plošných spojů pro měření zvlnění napětí

- 48 -

Přílohy

Stav Měření 385V při 90V

Laboratoř

Počítač

Jednotka

384

382,8

[V]

384,7

382,6

[V]

384

382,7

[V]

384

382,5

[V]

384

382,6

[V]

384

382,3

[V]

384

382,6

[V]

384

382,3

[V]

Měření 5V

5,1

5,1

[V]

Měření 12V

12,57

12,48

[V]

Měření 20V

19,95

19,84

[V]

Měření 5V min. zátěž

5,11

5,09

[V]

Měření 5V max. zátěž

5,09

5,07

[V]


13,94

13,89

[V]


12,53

12,42

[V]


19,97

19,9

[V]


19,94

19,84

[V]

Měření zvlnění 5V

80

73

[mV]


40

38

[mV]


35

37

[mV]

Měření 385V při 120V Měření 385V při 230V Měření 385V při 254V

L) protokol z kontroly přesnosti měření

- 49 -

Přílohy M) Návod na obsluhu zařízení Quick guide : 1. Switch on computer. 2. Start Program (shortcut on desktop

)

3. Switch on testing device 4. Set switches on testing device to proper positions • Power – on • Battery – on • External lamp control • All loads off 5. Check all connectors are properly connected 6. Open test sequence file (File -> open file) 7. Insert tested board 8. Click on Start button 9. When Error occurs operator have to decide  Abort – stop the test and switch off  Retry – measure again  Fail – Continue testing 10. There are some tasks which need operator’s response (lamp control, SN typing) 11. At the end of test sequence you have to write  Serial number (when there is no error)  Internal number (when Error occurred) 12. Remove tested board 13. Continue with step 7. 14. At the end of testing : Switch off testing device 15. Close program 16. Switch off computer

- 50 -

Přílohy It is necessary to run program before switch on the testing device! All protocols are saved in directory C:\measuring\protocols\ Name of the file is the serial/internal nr. This directory has also shortcut on the desktop. All of these files are standard text documents (*.txt) and can be edited or printed with notepad. If you do not enter the serial or internal number, the result of the test is not saved. All test sequence files are saved in directory C:\measuring\tests\ Names of the test sequence files are: • Test8V.tsf - complete test, 8V version • Test20V.tsf - complete test, 20V version • Test AC 8V.tsf - AC power test, 8V version • Test AC 20V.tsf - AC power test, 20V version • Test DC 8V.tsf - DC power test, 8V version • Test DC 20V.tsf - DC power test, 20V version Once is the test sequence file open, the current sequence is loaded until the program ends, or until new file is open. When the testing stops for any reason, next time test will run from the beginning.

Optional problems: •

After clicking on open file dialog, there are no test sequence files.

 All files are saved in the folder C:\measuring\tests\. You have to open the right folder. Click in open dialog to “This computer” -> “C:” -> “measuring” -> “tests”. •

Testing stopped when DC power is connected.

 Maximum current from DC source exceeded. This occurs when current is higher than 9A. The tested board is probably bad. •

The program has broken down.

 When the program crashes, the testing device will stay in the same state until the program is started again. Try to start the program again, load the proper file and start testing again. If programs start fails, switch off the testing device and restart the computer. •

Program can not start. There are some error messages.

 Switch off testing device and then restart the computer.

- 51 -

Přílohy All possible dialogs: Error message

This is an alert when measured value is out of defined limit. Operator has to decide to continue test, abort test or measure again. When the dialog is open tested device is running. Abort – stop the test, switch off the device, log file is not saved. Retry – measure the step again, if it is OK continue, if not show this dialog again. Ignore – testing continues and in log file is step saved with an error. Check lamp

In this dialog, program needs human intervention. Program will ask operator on the state of the lamp. There are 5 inputs of these dialogs. First step is with 100% light and in last is the lamp turned off. Enter serial number

This dialog will be show at the end of test. Operator should write down the serial number and choose revision of the board (ESIV, ESIV B). In case some errors occurs operator must write down the internal number. In this case will be show first warning dialog, which give a notice that some error occurs and operator should write internal number. When is written down an existing nr. the dialog will show the question if it should rewrite the file. Rewriting the file, is lost the old file!

- 52 -

Přílohy

Prohlášení Prohlašuji že svou diplomovou práci na téma „Zařízení pro výstupní kontrolu napájecích zdrojů“ jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího diplomové práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny uvedeny v seznamu literatury na konci práce. v Liberci dne ….............

…........................

- 53 -

Technická univerzita v Liberci

Recommend Documents