elektronika-elektronički sklopovi 3

OSNOVE ELEKTRONIKE – 3. ELEKTRONIČKI SKLOPOVI

A. Rezić 1

3.5.3. Tiristorske sklopke

Za razliku od bipolarnih i unipolarnih tranzistora (FET), koji mogu raditi kao pojačala i kao sklopke, tiristori su namijenjeni isključivo za rad kao sklopke i to za upravljanje relativno velikih snaga. Radni naponi mogu biti i 1000 V, a struje preko 1000 A (100 A za dvosmjerne tiristore). Tiristor je temeljna komponenta energetske elektronike. Najčešće se primjenjuju za upravljive ispravljače i za regulaciju snage. S druge strane dvosmjerni tiristori - trijaci nemaju ispravljačko djelovanje jer vode struju za oba polariteta napona. Koriste se za regulaciju izmjenične snage. Za regulatore snage s tiristorima karakterističan je visoki stupanj djelovanja. To proizlazi iz toga što upravljački element radi kao sklopka: u stanju uključene sklopke na njoj je napon nula, a u stanju isključene sklopke struja je nula, pa je produkt napona i struje na (idealnoj) sklopki uvijek nula.


A. Rezić 2

Karakteristična je i vrlo visoka pouzdanost tiristorskih sklopova. Analiza rada sklopova s tiristorima općenito je složena. Ovdje će se razmatrati samo najjednostavniji način rada, a to je kad je trošilo otpornog tipa. Slika 3.37. prikazuje a) tiristorsku sklopku i b) sklopku s trijakom. Sklop s tiristorom na slici 3.37. a) je poluvalni jednofazni ispravljač pri čemu ulogu diode zamjenjuje tiristor.


A. Rezić 3

Promotrimo karakteristiku tiristora na slici 2.27.

Vidimo da za negativne napone tiristor ne može voditi struju, čime je osigurano ispravljačko djelovanje.

Za pozitivne napone tiristor može biti u području vođenja ili u području blokiranja. Iz područja blokiranja u područje vođenja prelazi se dovođenjem dovoljno jakog strujnog impulsa u upravljačku elektrodu tiristora, što čini poseban upravljački sklop - generator impulsa.

Isključenje tiristora nije moguće prekidom struje upravljačke elektrode: do isključenja će doći tek kad napon (izmjeničnog) izvora padne na tako mali iznos da struja kroz tiristor padne ispod vrijednosti struje držanja (IH). Sinusoidalni napon mreže padne na nulu svakih 10 ms. Ako bi napon izvora bio konstantan istosmjerni napon s pozitivnim polom priključenim na anodu, tiristor bi ostao trajno u stanju vođenja.


A. Rezić 4

Sl. 3.37. Sklopke s tiristorom i trijakom

Za negativne napone izvora tiristor ne vodi struju dok dvosmjerni tiristor - trijak ima isto djelovanje i za pozitivne i za negativne napone. Zato će sklop na slici 3.37. a) dati trošilu istosmjerni napon a sklop b) izmjenični napon.

Djelovanje ovih sklopova najlakše je analizirati iz vremenskih dijagrama napona i struja sl. 3.38. a) za tiristor i b) za trijak. Najprije će biti analiziran tiristorski ispravljač.


A. Rezić 5

Sl. 3.38.

Vremenski odnosi za

a) tiristor, b) trijak


A. Rezić 6

3.5.4. Tiristorski ispravljači

Od trenutka t=0 tiristor (dijagrami 3.38. a) ) se nalazi u stanju blokiranja jer je iG=0. Struja kroz trošilo je prema tome nula. Kad u trenutku ti=α/ω stigne impuls iG tiristor brzo prelazi iz stanja blokiranja u stanje vođenja. Napon na trošilu poraste približno na iznos trenutnog napona izvora (smanjen za napon zasićenja tiristora). Tiristor vodi struju do trenutka kad se napon mreže približi iznosu nula. Za negativne napone tiristor ne vodi čak ako u toj poluperiodi i stigne impuls, iG. Trošilo dakle prima istosmjerni pulsirajući napon. Srednja vrijednost napona trošila kod tiristorskog ispravljača ovisit će o trenutku ti dolaska impulsa, odnosno o kutu okidanja (paljenja) α. Za α=0 na trošilu ćemo dobiti puni poluval sinusa (isto kao kod ispravljača s diodom). U drugoj krajnosti, za α=180° izlazni napon imat će srednju vrijednost nula.


A. Rezić 7

Srednji napon kod tiristorskog ispravljača iznosi (prema izrazu 3.6): (3.98) Zbog mogućnosti regulacije tiristor opravdava naziv SCR (silicon controlled rectifier, tj. silicijski upravljivi ispravljač). Tiristori se mogu koristiti u svim već opisanim tipovima ispravljača (tema 3.1.). Obično se želi ista srednja vrijednost u svakoj periodi, pa kut α treba imati isti iznos u svakoj periodi, što se postiže generatorom impulsa. Srednja vrijednost napona mjerodavna je za elektrolitički efekt struje i brzinu okretaja istosmjernih motora.

Za termički efekt mjerodavna je efektivna vrijednost (prema izrazu 3.10): (3.99) U ovaj izraz kut α uvrštava se u radijanima.

( )απ

cos12

+⋅⋅

= Msr

UU

( )22sin

2ααπ

π⋅

+−⋅⋅

= MUU


A. Rezić 8

3.5.5. Fazno upravljanje izmjenične snage

Ako se želi na trošilu dobiti namjestivi izmjenični napon, umjesto tiristora može se uzeti dvosmjerni tiristor -trijak koji ima identičnu karakteristiku vođenja za pozitivni i negativni napon.

Slika 3.38. b) prikazuje vremenske funkcije napona na trijaku, napona na trošilu i struje upravljačke elektrode. Srednja vrijednost simetričnog izmjeničnog napona je nula, a efektivna vrijednost iznosi: (3.100) Ovakvo upravljanje snagom naziva se fazno upravljanje jer se postiže promjenom faznog kuta α.

( )22sin

2ααπ

π⋅

+−⋅⋅

= MUU


A. Rezić 9

Jedno od kritičnih ograničenja kod svih tiristora je maksimalna brzina promjene napona tj. derivacija: dUAK/dt.

Ako se prekorači maksimalni dopušteni iznos derivacije, tiristor će provesti struju iako prema statičkoj U-I karakteristici ne bi trebao (jer nije dosegao preklopni napon), što će poremetiti rad sklopa.

Sl. 3.39. Fazno upravljanje s dva tiristora


A. Rezić 10

Da se ostvari upravljanje izmjenične snage tiristorima, mogu se uzeti dva tiristora spojena antiparalelno, sl. 3.39. Svaki tiristor vodit će za vrijeme jedne poluperiode napona. Manjkavost spoja je da treba dva generatora impulsa. Problem se rješava s pomoću jednog generatora impulsa spojenog na primarni namotaj impulsnog transformatora s dva sekundarna namotaja.

Sl. 3.40. Mostni spoj s tiristorima i diodama


A. Rezić 11

Kako kod primjene dva tiristora svaki od njih ima na raspolaganju 10 ms za isključenje, lakše je korištenjem spoja s tiristorima iznos derivacije dUAK/dt držati unutar dopuštenih granica. Slika 3.40. prikazuje mosni (Greatz-ov spoj) sastavljen od dva neupravljiva ventila (diode) i dva upravljiva (tiristora). Ako se trošilo priključi između točaka A i B (pri čemu su točke C i D kratko spojene), na njemu će biti izmjenični napon, kao kod primjene dvosmjernog tiristora ili antiparalelnih tiristora. Trošilo se može priključiti i na izlaz mosta tj. između točaka C i D (uz točke A i B kratko spojene). Tada će trošilo dobiti upravljivi istosmjerni napan, a spoj predstavlja punovalni ispravljač.


A. Rezić 12

Tiristori, kao osnovne komponente energetske elektronike koriste se npr. za uzbudu generatora, pogon tiristorskih lokomotiva, a uz primjenu znatno složenijih sklopova i za frekvencijsku regulaciju asinkronih motora, energetske oscilatore itd. Treba imati na umu da svi prekidački uređaji, pa tako i tiristorski sklopovi, zbog naglog uključenja struje proizvode napone i struje koje sadrže više harmoničke komponente frekvencija (po Fourierovoj analizi), što može štetiti mreži i uređajima koje se napaja. Za otklanjanje ovih visokofrekvencijskih smetnji često se koriste filtri.


A. Rezić 13

3.5.6. Upravljanje prolazom kroz nulu

Struja čiji je valni oblik dio sinusoide, zbog velike derivacije struje u trenutku uključenja i efekta indukcije, izaziva elektromagnetsko polje koje se širi oko vodiča. Kako filtri za otklanjanje smetnji poskupljuju sklop, tražena su druga rješenja kod kojih oblik struje ne bi bio dio sinusoide.

Sl. 3.41. Upravljanje u trenutku prolaza kroz nulu napona


A. Rezić 14

Trošila koja električnu energiju pretvaraju u toplinsku (grijala) obično imaju veliku termičku tromost. To nameće ideju da se upravljanje snage ne izvodi dovođenjem dijelova sinusoide, već se dovode cijele periode. Nakon (više) perioda vođenja, napravi se pauza čije trajanje također treba biti višekratnik periode mrežnog napona. Omjerom vremena t1/t2, prema slici 3.41, određena je prosječna vrijednost snage na trošilu: (3.101) gdje je Uef efektivni napon izvora. Ovakvo upravljanje naziva se upravljanje prolazom kroz nulu (zero-crossing control), jer upravljački element uključuje i isključuje struju u trenutku prolaza napona kroz nulu.

+⋅

=

1

2

2

1ttR

UP ef


A. Rezić 15

Ako se uključenje trošila izvodi u trenucima kad je napon mreže približno nula smetnje će biti minimalne, jer je iznos struje tada mali. Što se tiče smetnji pri isključenju, tiristori ionako isključuju struju pri naponu nula, pa su i smetnje pri isključenju minimalne.

Posebni sklopovi koriste se za upravljanje dvosmjernim tiristorima u ovom režimu (koriste se posebni integrirani sklopovi - zero-crossin detector). Jednostavan sklop sa sl. 3.42. ilustrira ovu namjenu.

Trijak dobiva struju za okidanje preko otpornika R1 i mosnog ispravljača čije je trošilo optotiristor.

Ispravljač je ugrađen da bi u krugu upravljačke elektrode dvosmjernog tiristora mogla teći izmjenična struja, a u krugu optotiristora istosmjerna.


A. Rezić 16

Sl. 3.42. Izvedba upravljačkog kruga

Ako se optotiristor osvijetli (s pomoću svijetleće diode u optospojki) zadovoljava se prvi uvjet za vođenje struje. Struja kroz optotiristor uzrokuje struju kroz upravljačku elektrodu dvosmjernog tiristora pa će i on provesti struju. Uključenje u trenutku prolaza kroz nulu ulaznog napona osigurano je tranzistorom T1 i otpornicima R2 i R3.


A. Rezić 17

Kad je napon mreže visok, napon na bazi tranzistora bit će visok, pa će teći velika bazna struja. Zbog toga tranzistor ulazi u vodljivo stanje (zasićenje) i kratko spaja upravljačku elektrodu optotiristora na njegovu katodu. Optotiristor neće voditi iako je osvjetljen. Osvijetljeni optotiristor moći će provesti struju tek u trenutku, kad je mrežni napon nizak (tada tranzistor T1 ne vodi). Tako sklop koji daje upravljačku struju kroz svijetleću diodu može raditi u neovisnom vremenskom taktu (asinkrono od mreže), a ipak će do uključenja doći pri mrežnom naponu bliskom nuli.

Upotreba optospojke svijetleća dioda - optotiristor ostvaruje električnu izolaciju između energetskog i upravljačkog kruga (izvedba optospojke dioda-fototranzistor može se vidjeti na slici 3.47.). Ovo svojstvo je vrlo poželjno iz sigurnosnih razloga.


A. Rezić 18

3.6. Sklopovi za prihvat neelektričkih veličina

Elektronički sklopovi se vrlo često koriste za prihvat i obradu signala koji su razmjerni nekoj od fizikalnih veličina. To se objašnjava jednostavnošću i preciznošću elektronskih sklopova za mjerenje i obradu signala, a naročito mogućnošću prijenosa informacije i njezinog prihvata u digitalna računala.

Osjetila (senzori) su takve komponente kod kojih neko električno svojstvo ovisi o određenoj fizikalnoj veličini. Ako se pod utjecajem te veličine generira napon ili struja, kaže se da je osjetilo aktivno (tj. generator signala), a ako izaziva promjenu nekog njegovog svojstva, npr. promjenu otpora, zovemo ga pasivnim.

Između osjetila i prvog stupnja sklopa za prihvat mora postojati prilagodba (sl. 3.43). Na taj način dobit će se najveći električni signal (vidi temu 3.3.2). Također, ugradnja osjetila ne smije utjecati na mjerenu veličinu.


A. Rezić 19

Sl. 3.43. Blokovski prikaz sklopa za prihvat

Sklop za prihvat izvodi neke ili sve od ovih funkcija:

1. Prihvat i prilagođenje signala osjetila. 2. Pojačanje dobivene električne veličine (napona ili struje) 3. Filtriranje signala. U nekim slučajevima na osjetilo utječu

neželjene fizikalne ili električne veličine - smetnje. 4. Kompenzacija. Postoje slučajevi kad je izlazna veličina

osjetila funkcija više ulaznih od kojih je jedna željena, a ostale čine smetnju (koje se ne može izbjeći filtriranjem). Neželjenu veličinu može se posebno mjeriti i oduzeti od signala osjetila, na taj način da se smetnja poništi.


A. Rezić 20

5. Linearizacija prijenosne funkcije. Idealno osjetilo ima linearnu prijenosnu funkciju: es=ks

.f, gdje je f fizikalna veličina, es električna veličina koju daje osjetilo, ks konstanta osjetila, a kp konstanta pretvornika. Za cijeli sustav osjetilo + pretvornik može se napisati:

(3.102) Ako je osjetilo takvo da je ks nelinearna funkcija mjerene

fizikalne veličine, uloga je sklopa za linearizaciju da ostvari takav kp da umnožak kp

.ks bude konstanta u čitavom području f.

6. Normiranje obuhvaća svođenje izlazne veličine e u određeno mjerno područje (skaliranje). Može postojati i funkcija ograničenja najveće ili najmanje vrijednosti izlaznog signala (limitiranje) ili prilagodba signala nekoj normi za prijenos. Često se sreću normirani naponski signali u rasponu -10 V...+10 V i strujni 0...20 mA i 4...20 mA.

fkkeke spsp ⋅⋅=⋅=


A. Rezić 21

Prihvat fizikalnih veličina obavlja se iz više razloga:

- mjerenje - automatska regulacija - zaštita od ekscesnih stanja sustava - daljinskog prijenosa informacije.

Zahtjevi na sklopove za prihvat ovise od namjene:

- od sklopova za mjerenje ili automatsku regulaciju zahtijeva se preciznost i linearnost pretvorbe neelektrične veličine u električnu. Mjerni opseg fizikalne veličine preslikat će se u određeni raspon električne veličine.

- od sklopova za zaštitu i upravljanje tipa uključi / isključi te za digitalne komunikacije, zahtjeva se samo indikacija da li je ulazna veličina ispod ili iznad određene razine (praga). Kod zaštitnih sklopova izrazito je važna pouzdanost, a kod komunikacijskih također i brzina.


A. Rezić 22

U svakom slučaju izlazna veličina iz sklopa za prihvat treba biti funkcija samo jedne varijable, a to je ulazna fizikalna veličina.

Utjecaj ostalih električnih i neelektričnih veličina na osjetilo i sklop za prihvat je nepoželjan. Najčešći takvi utjecaji su mrežni napon, elektromagnetske smetnje i temperatura.

Vrlo različita fizikalna načela korištena su u proizvodnji osjetila.

Sve fizikalne veličine mogu se izravno ili neizravno pretvoriti u električni signal. U ovoj temi prikazat će se samo neke od njih, pri čemu će se pažnja usmjeriti na izvedbu sklopova za prihvat signala sa osjetila.


A. Rezić 23

3.6.1. Optoelektronički sklopovi Optoelektronički sklopovi koriste se za mjerenje rasvjete, za optičke komunikacije, itd. Posredno se koriste za mjerenje položaja, brzine vrtnje, kuta i slično. Najčešće upotrebljavana osjetila su fotodiode. Fotodioda je generator struje ovisan o rasvijetljenosti: I=f(E). U sklopovima gdje brzina nije posebno važna koriste se fotootpornici. U nastavku se pokazuje više optoelektroničkih sklopova različitih namjena.


A. Rezić 24

3.6.1.1. Sklop za mjerenje rasvjete

Slika 3.44. prikazuje prihvat strujnog signala fotodiode u sklopu za mjerenje rasvjete.

Sl. 3.44. Mjerenje rasvjete fotodiodom

Ovaj sklop s operacijskim pojačalom naziva se "pretvornik struje u napon", jer daje izlazni napon razmjeran ulaznoj struji.


A. Rezić 25

Pretpostavka je da je ulazni otpor operacijskog pojačala vrlo velik, pa se struja iu može zanemariti (u tu svrhu koristi se pojačalo sa MOSFET-ovima na ulazu). Druga pretpostavka je da je pojačanje vrlo veliko pa je ulazni napon uA=0 (virtuelni kratki spoj ulaza). Tada se smije pisati: (3.103) gdje je ks - konstanta osjetljivosti osjetila, a E rasvijetljenost na diodi. Vidi se da je izlazni napon razmjeran rasvijetljenosti pa mjerenjem napona možemo zaključiti o njoj.

0000 REkRiuuuu sDRRAi ⋅⋅=⋅=≅+=


A. Rezić 26

3.6.1.2. Mjerenje malih pomaka

Diferencijalna fotodioda sastoji se od dvije fotodiode ujednačenih karakteristika. Fotodiode su postavljene u jednoj ravnini na maloj međusobnoj udaljenosti (sl. 3.45). S pomoću takvog osjetila u prikazanom primjeru konstruiran je pretvornik pomaka s razlučivanjem (rezolucijom) 1/100 mm uz mjerno područje ± 0.1 mm.

Sl. 3.45. Mjerenje pomaka s dvostrukom fotodiodom


A. Rezić 27

Sl. 3.46. Sklop za prihvat signala fotodioda


A. Rezić 28

Sl. 3. 45. prikazuje fizički razmještaj. Pločica s rasporom širine 0.12 mm može se pomicati lijevo - desno, pri čemu će više osvjetljavati lijevu ili desnu fotodiodu. Mjerenjem razlike struja koje daju pojedine diode, može se zaključiti o pomaku. Potreban je sklop za mjerenje razlike dviju (malih) struja, što upućuje na primjenu operacijskog pojačala, sl. 3.46. Struje fotodioda teku kroz otpornike R1 odnosno R2 i stvaraju napone razmjerne tim strujama. Operacijsko pojačalo koristi se za pojačavanje razlike tih napona. Slično kao u spoju invertora, pojačanje je ovdje određeno odnosom otpora R0/R2. Pomoćne komponente su: R3 koji je opteretni otpor (trošilo) za operacijsko pojačalo, te potenciometar P1 s otpornikom R4. Preko ovog potenciometra i otpornika dodaje se mala konstantna struja signalu jedne od fotodioda, čime se postiže uravnoteženje sklopa (za pomak s=0 dobiva se izlazni napon nula). Izlazni napon je linearna funkcija pomaka s.


A. Rezić 29

3.6.1.3. Primjena optičkih veza Veza svjetleće diode, kao izvora svjetla i fotodiode ili fototranzistora kao osjetila ima višestruku primjenu. Tako npr, optičke spojke sadrže svjetleću diodu i fototranzistor unutar jednog integriranog sklopa, sl. 3.47. Koriste se za prijenos signala optičkim putem, uz električnu izolaciju odašiljačkog i prijemnog kruga svjetlosnog signala. Slična kombinacija sa laserskom diodom, svjetlovodom i osjetilom, vrlo je značajna u telekomunikacijama.


A. Rezić 30

Sl. 3.47 Optospojka


A. Rezić 31

Optičke barijere su također sastavljene od izvora svjetla i osjetila, s tim da se na optičkoj osi pojavljuju prepreke koje prekidaju snop svjetla. Postoje barijere u obliku jedne komponente, sl. 3.48.

Sl. 3.48. Optička barijera

Na takvoj barijeri postoji raspor u koji ulazi prepreka. Kad prepreka prekine snop svjetla fototranzistor prestane voditi struju pa je Ui=Ubat (sklopka isključena). Obratno, kad je fototranzistor osvjetljen, on je u zasićenju pa je Ui približno nula.


A. Rezić 32

Koriste se za indikaciju položaja pokretnih predmeta, a mogu se koristiti i za brojanje predmeta na tekućoj vrpci, zatim za mjerenje broja okretaja i kuta zakreta, kako slijedi. Kodna ploča povezana je na osovinu čiji se kut zakreta želi mjeriti (sl. 3.49), a njezina polja služe kao prepreke optičkim barijerama. Ako se između svjetleće diode i fototranzistora nalazi bijelo (prozirno) polje kodne ploče (sl. 3.50.), tok svjetla bit će moguć pa će tranzistori voditi struju, a pripadni izlaz biti će nula. Na prikazanom primjeru kodne ploče koristi se binarni kod s najznačajnijom znamenkom kodiranom na sektoru s najmanjim polumjerom.


A. Rezić 33

Sl. 3.49. Sklop za mjerenje kuta zakreta


A. Rezić 34

Vrlo značajna primjena optičkih veznika su čitači linijskog koda (bar code). Za razliku od gornjeg primjera, ovdje prepreke ne prekidaju svjetlo, već se koristi reflektirano svjetlo sa crno - bijelog predloška. S pomoću niza užih i širih paralelnih linija što čine linijski kod, kodiran je broj. Ovakvi kodovi danas se štampaju na ambalaži prodajnih artikala.

Sl. 3.50. Kodna ploča za ustanovljenje kuta zakreta


A. Rezić 35

3.6.1.4. Fotorelej

Jednostavni sklop koji pod utjecajem svjetla uključuje relej naziva se fotorelej. Sklop se može koristiti kao autamat koji pali rasvjetu kad nestane dnevnog svjetla, nadalje za alarmne sustave i slično.

Sl. 3.51. Fotorelej


A. Rezić 36

S obzirom da brzina osjetila u ovim primjenama nije kritična, daleko je jednostavnije koristiti fotootpornik kod kojeg se otpor sa svijetlom mijenja za više redova veličine, nego koristiti fotodiodu koja daje vrlo mali strujni signal. Jednostavnu izvedbu sklopa prikazuje slika 3.51.

Struja za bazu tranzistora teče kroz fotootpornik. Kad je intenzitet upadnog svjetla veliki, otpor fotootpornika bit će mali, a struja baze velika. Tranzistor će ući u zasićenje pa će poteći velika struja kroz svitak releja. Relej će privući svoj kontakt pa će se kontakt 0 odvojiti od kontakta 1 i time isključiti rasvjetu. Kad je intenzitet upadnog svjetla mali, suprotan slijed uzroka i posljedica uključit će rasvjetu. Dioda spojena na kolektor služi da blokira veliki inducirani napon na svitku releja koji nastaje prilikom isključivanja struje.


A. Rezić 37

3.6.2. Sklopovi s termičkim osjetilima Ovi sklopovi koriste se za mjerenje, regulaciju ili nadzor temperature. Za ovu primjenu klasično se koriste elektromehaničke naprave koje rade na principu termičke dilatacije, npr. kapilarni termometri, termostati ili bimetali, što svakako predstavlja pouzdana rješenja. Međutim, kod velikih sustava obično se traži daljinski prijenos informacije o temperaturi i obrada računalom, za što su potrebna elektronička rješenja.


A. Rezić 38

Kao osjetila temperature koriste se: 1. Termoparovi. Zagrijavanjem spoja dvaju različitih metala

generira se napon. Postoje izvedbe za mjerenje temperature u rasponima od 0..900° C do 0..2400° C. Napon je desetak mikrovolta po kelvinu i približno je razmjeran razlici temperature između vrućeg i hladnog kraja termopara.

2. Platinski otpornici. Kod platine temperaturni koeficijent promjene otpora α je približno konstantan i poznat, ali i relativno mali. Koristi se za temperature -200...+800° C.

3. Termistori tipa NTC daju vrlo veliku promjenu otpora s temperaturom, uz poznatu ali nelinarnu ovisnost (tema 2.5.1). Tip PTC se najčešće koristi za nadtemperaturnu zaštitu.


A. Rezić 39

4. Silicijske diode. Propusni napon (0.7 V kod silicija) ovisan je o temperaturi, uz temperaturni koeficijent cca. - 2mV/°C. Mogu se koristiti za temperature do 100° C.

5. Termičke kamere snimaju infracrveno zračenje, na osnovi čega se može odrediti temperatura u pojedinim točkama slike objekta.


A. Rezić 40

3.6.2.1. Mjerenje temperature termoparom Slika 3.52. prikazuje jednostavnu izvedbu sklopa za mjerenje temperature termoparom. Ovdje se radi o operacijskom pojačalu u spoju neinvertirajućeg pojačala. S obzirom da termopar daje napon cca 50 µV/°C (ovisno o upotrijebljenim metalima), sklop s neinvertirajućim pojačalom treba vrlo pažljivo konstruirati da može precizno pojačavati tako mali napon. Temperaturna ovisnost napona posmaka operacijskog pojačala (offset voltage drift, vidi temu 4.2.1), kao i razlika temperaturnih koeficijenata otpornika R0 i R mogu ugroziti preciznost.


A. Rezić 41

S1. 3.52. Prihvat naponskog signala s termopara

Također na svim spojevima vodova od različitih metala pojavljuje se tzv. kontaktni napan (parazitni termoparovi). Čak i vrlo mali padovi napona na linijama štampane pločice mogu ugroziti preciznost.


A. Rezić 42

Kako se vidi iz slike 3.52., ulazni napon u pojačalo je zbroj napona termopara Utc i napona kompenzatora hladnog kraja Uc: (3.104) Kao što se vidi iz gornjih izraza, uz uvjet da su konstante ks1 i ks2 jednake, poništit će se utjecaj temperature hladnog kraja termopara (θ2)

( )

10

1

2122211

1;

;;;

ϑϑ

ϑϑϑ

⋅⋅

+=⋅=⋅=+=

==⋅=−⋅=

suisctcu

sssscstc

kRRUAUkUUU

kkkkUkU


A. Rezić 43

3.6.2.2. Nadtemperaturna zaštita

Pregrijavanje električnih strojeva drastično smanjuje njihov vijek trajanja. Kao alternativa klasičnim bimetalnim zaštitnim sklopkama može poslužiti sklop sa slike 3.53.

Sl. 3.53. Nadtemperaturna zaštita PTC otpornikom


A. Rezić 44

Kroz PTC otpornik teče struja za okidanje trijaka. PTC otpornik je u termičkoj vezi s motorom čije zagrijavanje se kontrolira.

Porastom temperature PTC otpornika njegov otpor naglo raste, pa struja upravljačke elektrode postaje nedovoljna za okidanje trijaka zbog čega se isključuje i motor.

Čak i kod ovako jednostavnog sklopa treba paziti na mnoge detalje, npr. o problemu samozagrijavanja PTC otpornika. Naime temperatura tog otpornika ovisi o temperaturi motora, ali isto tako o umnošku napona i struje na njemu. U hladnom stanju otpor PTC otpornika je mali, a i napon na njemu postaje zanemariv (nakon trenutka uključenja trijaka), tako da je samozagrijavanje malo. U stanju aktivirane zaštite napon na PTC otporniku je nešto manji od punog iznosa napona izvora pa, ovisna o proračunu komponenata, samozagrijavanje može spriječiti automatsko vraćanje motora u pogon nakon što se on ohladio.


A. Rezić 45

3.6.3. Magnetoelektrički sklopovi Hallovi generatori (tema 2.6.3) mogu se koristiti kao veza magnetskih i električnih veličina. Osim za mjerenje jakosti magnetskog polja moguća je primjena kao indikatora približavanja predmeta (sklopke blizine). Magnetske izvedbe sklopke blizine su vrlo pouzdane pa se koriste npr. za beskontaktno paljenje svjećice kod benzinskih motora. Primjer magnetske sklopke blizine dan je na sl. 3.54.


A. Rezić 46

Rotirajući predmet ima istaknute magnetske polove. Pod djelovanjem magnetskog polja na Hallovom generatoru stvara se napon UAB. Taj napon dovodi se između invertirajućeg i neinvertirajućeg ulaza operacijskog pojačala. Pozitivna povratna veza preko otpornika R0 (razrađeno u temi 4.2.5.) koristi se za sigurnu indikaciju približavanja magnetskog pola. Na izlazu pojačala priključena je PNP tranzistorska sklopka s T1 a iza nje i NPN sklopka s T2 koja uključuje trošilo.

Sl. 3.54. Prihvat signala s Hallovog generatora


A. Rezić 47

3.6.4 Sklopovi s elektromehaničkim osjetilima Mehaničke veličine poput sile, brzine i pomaka mogu izravno utjecati na električne veličine kao što su otpor, električno polje, magnetsko polje itd. Jednostavan primjer je promjenjivi otpornik gdje se s pomoću zakreta kliznika mijenja električni otpor. U ovoj temi bit će opisane posebne discipline kao što su mjerenje mehaničke deformacije te indikacija blizine metalnih predmeta.


A. Rezić 48

3.6.4.1. Mjerenje mehaničke deformacije Na dio stroja koji je izložen deformaciji koja se želi mjeriti nalijepi se žičani otpornik - tenzometar, sl. 3.55. a). Pod djelovanjem sile strojni dio će se izdužiti na mjestu gdje je zalijepljen otpornik. Tim će se promijeniti duljina i presjek tog otpornika (R1). S obzirom da su promjene dužine Δl/l vrlo malene (mjere se u milijuntim dijelovima dužine: ppm = part per million), bit će i promjene otpora vrlo male, pa je potrebna posebna metoda za to mjerenje.


A. Rezić 49

Sl. 3.55. Mjerenje deformacija tenzometrom

Otpornik je uključen u jednu granu Wheatstoneovog mosta. Zbog promjene R1 most će izaći iz ravnoteže i između točaka A i B javit će se napon.

Posebne izvedbe pojačala (vrlo precizna instrumentacijska pojačala) potrebne su za pojačanje ovog napona koji je redovito ispod 1 mV, sl. 3. 55. b).


A. Rezić 50

3.6.4.2. Sklopka blizine Sklopka blizine je sklop koji dojavljuje približavanje predmeta osjetilu, i to bez izravnog mehaničkog dodira, pa tako predstavlja posebnu izvedbu mjerila položaja. Radi se o sklopu s dva stanja na izlazu (uključeno / isključeno). Različita su fizikalna načela na osnovu kojih se ustanovljuje približavanje feromagnetskog predmeta, bilo kojeg metalnog ili drugih predmeta (npr. beskontaktni magnetski prekidači, optičke barijere, kapacitivne sonde itd.). U nastavku se opisuje induktivna blizinska sklopka za metalne predmete.


A. Rezić 51

Sl. 3.56. Sklopka blizine za metalne predmete


A. Rezić 52

Svi potrebni sklopovi sa slike 3.56. nalaze se u jednom integriranom sklopu (npr. TCA 205).

Prvi stupanj je oscilator čiji sastavni dio je titrajni krug koji se priključuje na ulaz integriranog sklopa. Izlazni napon oscilatora ispravlja se ispravljačem, nakon čega se komparatorom uspoređuje s nekim referentnim iznosom napona (pragom). Ako je razina ispravljenog napona iznad postavljenog praga, komparator će uključiti tranzistorsku sklopku T1, a ako je ispod razine praga vodit će T2.

Kad se svitku titrajnog kruga približi metalni predmet, doći će do induciranja napona i pojave vrtložne struje u tom predmetu, a time i do gubitka energije iz titrajnog kruga. Oscilacije će se prigušiti, izlazni napon iz oscilatora će se smanjiti ispod razine praga pa će provesti tranzistor T2 i time indicirati približavanje.

elektronika-elektronički sklopovi 3

Documents