stroboskopska naprava - connecting repositories · 2017. 11. 27. · zaradi tega so stroboskopi za...

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAĈUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

Draţen DJUKIĆ

STROBOSKOPSKA NAPRAVA

Diplomska naloga

Maribor, december 2009

I

Diplomska naloga univerzitetnega študijskega programa


Študent: Draţen DJUKIĆ

Študijski program: Univerzitetni, Elektrotehnika

Smer: Elektronika

Mentor: izr. prof. dr. Rudolf BABIĈ

Somentor: doc. dr. Mitja SOLAR

Maribor, december 2009

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju izred. prof. dr. Rudolfu Babiču za pomoč in vodenje pri

opravljanju diplomskega dela. Prav tako se

zahvaljujem tehniškemu sodelavcu dipl. inž.

Antonu Vesenjaku za vse strokovne nasvete

in pomoč pri laboratorijskem delu.

Posebna zahvala je namenjena mojim

staršem in sestri, ki so mi v času študija ves

čas stali ob strani in me finančno podpirali.

Hvala tudi moji punci za spodbujanje in

moralno podporo v napornem, vendar

lepem študijskem obdobju.

V


Ključne besede: stroboskop, merilnik vrtljajev, impulzna krmilna vezja LED,..

UDK:681.5:620.178.5(043.2)

Povzetek

Stroboskop, kot merilna naprava, je omogočil nekatera merjenja na nazoren način. To

dosegamo z zelo kratkimi svetlobnimi bliski v točno določenih časovnih intervalih. V

preteklosti se je uveljavil kot pripomoček v avtomobilski industriji za nastavljanje

predvžiga pri bencinskih motorjih, za merjenje vrtljajev, analiziranje mehanskih vibracij,

opazovanje glasilk med artikulacijo glasu, testiranje mehanskih sklopov raznih

industrijskih strojev, itd…

Namen diplomskega dela je izdelati in spoznati stroboskopsko napravo ter njegovo

vsestransko uporabnost za merjenje frekvence in odmikov gibajočih delov

elektromehanskih aktuatorjev. Za osvetljevanje smo uporabili svetleče LED diode. Naša

ciljna aplikacija je uporaba stroboskopa za upočasnjeno opazovanje gibanja membrane

zvočnika med obema skrajnima legama in v točno določenem položaju pri različnih

amplitudah in frekvencah. Na ta način bo mogoče sklepati o normalnem delovanju

zvočnika.

VI

STROBOSCOPE

Key words: stroboscope, rotational speed measurment, impulse control circuit with LED,

LED flash light.

UDK:681.5:620.178.5(043.2)

Abstract

Stroboscope, like measurment device, allow obvious way of measuring. This is achived

with very short light flashes at exact time interval. In the past was primarily established as

an irreplaceable tool in car factory, analizing mehanical vibration, monitoring of machine

operation, etc..

The purpose of this diploma work is to build and research stroboscope and its

comprehensive usage for measuring frequency and deviations moving parts of

electromehanical actuators. We used LED diodes for illuminating. The target application

will be delayed observation of movement loudspeaker membrane; at different amplitude,

observing the exact position and between the two extreme positions. In this way can be

infer of normal loudspeaker operating.

VII

VSEBINA

1 UVOD ............................................................................................................................ 1

2 STROBOSKOP ............................................................................................................. 3

2.1 Prve gibajoĉe slike .................................................................................................. 4

2.2 Uporaba ................................................................................................................... 7

2.2.1 Merilnik obratov .............................................................................................. 7

2.2.2 Testiranje delovanja zvoĉnika ......................................................................... 9

2.2.3 Merjenje momenta ......................................................................................... 10

2.2.4 Nadzor delovanja detektorjev pregretih leţajev ............................................ 11

2.2.5 Merjenje linearne hitrosti............................................................................... 12

2.2.6 Raziskava fotoelastiĉnosti ............................................................................. 13

2.2.7 Merjenje vibracij............................................................................................ 14

3 OPIS POSAMEZNIH GRADNIKOV APLIKACIJE ................................................. 15

3.1 Led diode .............................................................................................................. 15

3.2 Zvoĉniki ................................................................................................................ 21

3.3 Mikrofoni .............................................................................................................. 25

3.4 Primerjalnik (komparator) .................................................................................... 28

3.5 Multivibratorji ....................................................................................................... 29

3.5.1 Monostabilni multivibrator ............................................................................ 30

3.6 Univerzalno integrirano vezje NE555 .................................................................. 34

4 STROBOSKOPSKO OPAZOVANJE GIBANJA MEMBRANE ZVOĈNIKA ........ 35

4.1 Stroboskop za statiĉno opazovanje ....................................................................... 38

4.2 Opazovanje amplitud nihanj (mehansko) – hkratno ............................................. 39

4.3 Upoĉasnjeno opazovanje nihanja membrane ........................................................ 51

4.4 Stroboskopsko statiĉno opazovanje s PLL zanko ................................................. 56

5 SKLEP ......................................................................................................................... 57

VIII

6 LITERATURA ............................................................................................................ 58

7 PRILOGE .................................................................................................................... 60

IX

KAZALO SLIK

Slika 1: Odbijajoĉa ţoga zajeta s stroboskopsko ţarnico pri 25ih slikah na sekundo ........... 4

Slika 2: Plateauov Fenakistoskop in Stampferov stroboskopski disk ................................... 6

Slika 3: Znaĉka se pojavi na nakljuĉnih toĉkah okrog objekta ............................................. 7

Slika 4: Frekvenca stroboskopa enaka hitrosti objekta; znaĉka miruje ................................. 7

Slika 5: Frekvenca stroboskopa niţja od hitrosti objekta; znaĉka se pomika naprej ............ 8

Slika 6: Frekvenca stroboskopa višja od hitrosti objekta; znaĉka se pomika nazaj .............. 8

Slika 7: Stroboskopsko testiranje zvoĉnika ........................................................................... 9

Slika 8: Merjenje navora s stroboskopom ........................................................................... 11

Slika 9: Raziskovanje pregretih leţajev............................................................................... 11

Slika 10: Merjenje linearne hitrosti ..................................................................................... 12

Slika 11: Fotoelastiĉna raziskava napetostnega sunka ........................................................ 13

Slika 12: Merjenje vibracij s pomoĉjo stroboskopa ............................................................ 14

Slika 13: LED stroboskopsko merjenje ............................................................................... 15

Slika 14: Razliĉne svetleĉe diode ........................................................................................ 17

Slika 15: Impulzno vzbujanje z direktnim in indirektnim prehodom .................................. 17

Slika 16: Krmiljenje LED diode .......................................................................................... 18

Slika 17: Ţivljenjska doba LED .......................................................................................... 19

Slika 18: I - U karakteristika LED diode ............................................................................. 19

Slika 19: Notranjost LED diode .......................................................................................... 20

Slika 20: Dinamiĉni zvoĉnik s trajnim magnetom .............................................................. 22

Slika 21: Membrana noter ................................................................................................... 23

Slika 22: Membrana ven ...................................................................................................... 23

Slika 23: Model membrane z navitjem ................................................................................ 23

Slika 24: Model akustiĉnega sistema nihajoĉega zraka, ki niha skupaj z membrano ......... 23

Slika 25: Elektriĉna nadomestna shema zvoĉnika ............................................................... 24

Slika 26: Frekvenĉna odvisnost nihanja membrane ............................................................ 24

Slika 27: Zgradba dinamiĉnega mikrofona ......................................................................... 25

Slika 28 : Shema pretvarjanja akustiĉnih nihanj v elektriĉna .............................................. 25

Slika 29: Frekvenĉni diagram dinamiĉnega mikrofona ....................................................... 27

Slika 30: Kondenzatorski mikrofon ..................................................................................... 27

X

Slika 31: Dinamiĉni mikrofon ............................................................................................. 27

Slika 32: Kristalni mikrofon ................................................................................................ 28

Slika 33: Ogleni mikrofon ................................................................................................... 28

Slika 34: Primerjalnik (komparator) .................................................................................... 28

Slika 35: Blokovna shema multivibratorja .......................................................................... 30

Slika 36: Elektriĉno vezje MMV na osnovi IC 555 ............................................................ 31

Slika 37: Potek veliĉin MMV .............................................................................................. 32

Slika 38: Notranja zgradba NE 555 ..................................................................................... 34

Slika 39: Blokovna shema osvetljevanja vrteĉe vetrnice s stroboskopom .......................... 36

Slika 40: Vezalna shema MMV za osvetljevanje vetrnice .................................................. 36

Slika 41: Blokovna shema stroboskopske naprave.............................................................. 38

Slika 42: Shema statiĉnega opazovanja nihanja .................................................................. 39

Slika 43: Hkratno opazovanje skrajnih leg nihajoĉe membrane ......................................... 40

Slika 44: Shema hkratnega opazovanja skrajnih leg ........................................................... 40

Slika 45: Mikrofonski ojaĉevalnik ...................................................................................... 42

Slika 46: Blok shema LM 324 ............................................................................................. 42

Slika 47: Ojaĉeni mikrofonski signal frekvence 50 Hz ....................................................... 43

Slika 48: Primerjalnik (za nastavitev faze) .......................................................................... 44

Slika 49: Pomikanje pulza po x – u ..................................................................................... 44

Slika 50: Prekrmiljeni signal na vhod primerjalnika ........................................................... 45

Slika 51: Nastavljanje potenciometra v poziciji A .............................................................. 46

Slika 52: Ĉasovni potek proţilnega pulza ........................................................................... 47

Slika 53: Prilagoditveno vezje ............................................................................................. 47

Slika 54: Proţenje na pozitivnem delu opazovanega signala .............................................. 48

Slika 55: Nastavljanje UREF za opazovanje nihanja (amplitude) membrane ....................... 48

Slika 56: Pulz za proţenje NE 555 ...................................................................................... 49

Slika 57: MMV .................................................................................................................... 49

Slika 58: Nastavljanje širine pulza ...................................................................................... 50

Slika 59a: Osvetljenost membrane pri 20Hz ....................................................................... 50

Slika 60b: Osvetljenost membrane pri 100Hz ..................................................................... 51

Slika 61: Blokovna shema upoĉasnjenega opazovanje nihanja membrane ......................... 51

Slika 62: Shema upoĉasnjenega nihanja .............................................................................. 52

XI

Slika 63: Stikalo v poziciji B ............................................................................................... 53

Slika 64: Nastavljanje potenciometra v poziciji B .............................................................. 53

Slika 65: Generator trikotne oblike ..................................................................................... 53

Slika 66: Ĉasovni potek signalov integratorja in schmitt – proţilnika ................................ 54

Slika 67: Trikotni signal za poĉasno opazovanje nihanja membrane .................................. 55

Slika 68: Statiĉno opazovanje s PLL ................................................................................... 56

Slika 69: Izbira ĉasa bliska .................................................................................................. 56

Slika 70 : Tiskano vezje stroboskopske naprave ................................................................. 61

Slika 71 : Sprednja stran plošĉice ........................................................................................ 62

Slika 72 : Spodnja stran plošĉice ......................................................................................... 62

Stroboskopska naprava

1

1 UVOD

Dandanes bi veĉina ljudi ob besedi stroboskop pomislila na le eno stvar, in sicer utripanje

»luĉke« v zelo kratkih ĉasovnih razmikih ob ritmih glasbe. Kar je tudi res, vendar

stroboskop ni le »luĉka«, ki utripa ampak je tudi naprava, ki jo lahko uporabljamo tudi za

kompleksnejše aplikacije, kot npr.: merjenje in testiranje raznih vibracijskih in rotacijskih

premikov, merjenje hitrosti vrtenja, merjenje navora, raziskave fotoelastiĉnosti, itd.

Stroboskop je naprava za merjenje frekvence in opazovanja enostavnih gibanj, katera se

periodiĉno ponavljajo in nam dajejo obĉutek optiĉne iluzije poĉasnega oz. mirujoĉega

gibanja. Princip delovanja je zelo podoben delovanju filmske kamere pri kateri zaklopka

razdeli gibanje v nizu statiĉnih slik brez vidnega premikanja. Zaradi vztrajnosti ĉloveškega

oĉesa niz prikazanih slik daje privid kontinuiranega gibanja projekcije slik. Zaklopka

filmske kamere lahko ustvari stroboskopski efekt (uĉinek) v sinhronizaciji s periodiĉnim

gibanjem.

Diplomsko delo se nanaša na naĉrtovanje stroboskopske naprave za opazovanje vrteĉih in

gibajoĉih delov elektromehanskih aktuatorjev z moţnostjo meritve frekvence in odmikov.

Za osvetljevanje bomo uporabili LED diode. Ciljna aplikacija bo upoĉasnjeno opazovanje

gibanja membrane zvoĉnika pri razliĉnih amplitudah in opazovanje membrane v toĉno

doloĉenem poloţaju in med obema skrajnima legama. Na ta naĉin bo mogoĉe sklepati o

normalnem delovanju zvoĉnika.

Frekvenĉno obmoĉje stroboskopske naprave naj bo v obmoĉju od 1Hz do najvišjih tonskih

frekvenc. Stroboskopska naprava bo imela lastno zajemanje signala. Zato naj bo izvedeno

loĉeno krmiljenje elektromehanskega aktuatorja.


2

Najprej se bomo seznanili z obstojeĉo literaturo s tega podroĉja. Naĉrtali in izdelali bomo

lastno stroboskopsko napravo ter jo s pomoĉjo eksperimentalnega dela glede na uporabljen

zvoĉnik usposobili za ţeleno ciljno aplikacijo.

Diplomska naloga je razdeljena na 7 poglavij;

V drugem poglavju je opisano o stroboskopih; njihova zgodovina, uporaba (merjenje

obratov, vibracij, nihanj),..

Tretje poglavje opisuje posamezne bloke, ki so potrebni za kasnejšo izvedbo naše

aplikacije.

Ĉetrto poglavje vsebuje opis in zgradbo stroboskopske naprave.


3

2 STROBOSKOP

Stroboskop je naprava, ki omogoĉa merjenje pogostosti in opazovanje kroţnega gibanja,

tako da ustvari optiĉno prevaro (iluzijo) ustavljenega ali upoĉasnjenega gibanja.

Osnovni naĉin delovanja stroboskopa je precej podoben delovanju filmske kamere, kjer

zapiralo ustvari niz posameznih posnetkov brez vidnega gibanja. Zaradi uĉinka trajanja

vida ĉloveškega oĉesa dobi niz posameznih posnetkov videz nepretrganega

(kontinuiranega) gibanja. Zapiralo filmske kamere lahko ustvari stroboskopski uĉinek, ki je

blizu ĉasovni usklajenosti kroţnega gibanja. Pri opazovanju vrteĉega mehanizma s 24 s–1

skozi zapiralo kamere, delujoĉe na enaki frekvenci, bo mehanizem pri vsakem pogledu na

enakem mestu in zdelo se bo kot da stoji pri miru. Poveĉevanje hitrosti zapirala na 25 s–1

povzroĉi, da se vsak posnetek pojavi 1/25 sekunde hitreje kot prej, ampak mehanizem še

vedno potrebuje 1/24 sekunde za vrnitev na zaĉetni poloţaj. Zaradi tega je mehanizem

viden v rahlo predhodnem delu svojega gibanja, ustvarjajoĉ videz poĉasi nazaj

obraĉajoĉega mehanizma. Zmanjševanje hitrosti zapirala na 23 s–1

bo povzroĉilo vidnost

mehanizma v poznejših delih njegovega kroga, tako da bo ustvarjen videz poĉasnega

gibanja naprej.

Enak uĉinek bi bil doseţen z usmerjanjem utripajoĉega vira svetlobe na mehanizem pri

ustrezni frekvenci. Vidnost je lahko prekinjena mehaniĉno z oviranjem gledanja predmeta

ali s prekinjanjem osvetlitve opazovanega predmeta.

Glede na osnovni naĉin delovanja stroboskopa, je gibajoĉ predmet, osvetljen z utripajoĉim

virom svetlobe pri enaki frekvenci s katero se predmet premika, viden kot pri miru, zato je

moţno doloĉiti hitrost s katero se predmet premika s spreminjanjem frekvence, pri kateri

vir svetlobe utripa dokler se ne zdi, da se predmet ustavi. Ta moţnost merjenja brez

mehaniĉnega stika s predmetom predstavlja glavno prednost stroboskopa pred obiĉajnimi

metodami merjenja.


4

Stroboskopski uĉinki pri frekvencah med 2 in 55 Hz lahko sproţijo obĉutljivost na

svetlobo pri 95% udeleţenih ljudeh, zato varnostne nastavitve omejujejo delovanje

stroboskopskega uĉinka na pol minute ali manj. Zaradi tega so stroboskopi za gledališko in

odrsko produkcijo omejeni na 12 Hz delovanje.

Opazovanje relativno poĉasi premikajoĉih predmetov, kjer utripajoĉa frekvenca ostaja pri

ali blizu praga migetanja (16 – 25 Hz), povzroĉa obremenjenost oĉi. V takšnih primerih,

kjer neposredno opazovanje predstavlja motnje (pregled šivalnih strojev) ali nevarnost

(pregled spremenljivih nagibov letalskih propelerjev) za opazovalca, televizije zaprtega

kroga prenesejo sliko gledalcu. Ne glede na odstranitev vidnih utripanj sistem prikaţe

poveĉano sliko opazovanega predmeta.

Slika 1: Odbijajoĉa ţoga zajeta s stroboskopsko ţarnico pri 25ih slikah na sekundo

2.1 Prve gibajoče slike

Priĉujoĉe poroĉilo je bilo objavljeno v pariškem ĉasopisu dva dni preden sta brata Auguste

in Louis Lumiere prviĉ javno predstavila prikaz filma, posnetega in projiciranega z

uporabo naprave, ki sta jo poimenovala Kinematograf. Ta dogodek je bil pomemben,

ĉeprav niti tehnologija niti teorija, ki sta ga omogoĉila, nista bili novost.

Od leta 1820 naprej so se pojavljale razprave, najveĉ v Angliji in Franciji, glede optiĉnega

fenomena, poznanega kot »uĉinka trajanja vida«, in prvi znanstven ĉlanek na to temo je

leta 1829 objavil Joseph Antoine Ferdinad Plateau. Da bi to raziskovanje postalo uporabno,

je Plateau leta 1832 patentiral igraĉo, katere zaporedje malo razliĉnih slik se je zdelo

zdruţeno v eno gibljivo sliko, ko je vrteĉa plošĉa, na katero so bile naslikane, bila vidna v


5

ogledalu skozi previdno razmaknjene reţe na plošĉi. Istega leta kot je Plateau izdal svoj

Fenakistiskop na francoskem trgu, je nemški znanstvenik Simon Ritter von Stampfer

izpopolnil podobno napravo na osnovi plošĉe, katero je poimenoval Stroboskop; leta 1834,

v Angliji, je William Horner pospešil pomen zabave s filmi z izumom Zoëtropa, bobna z

reţami, ki je imel v notranjosti pritrjene izmenljive trakove papirja, ki so vsebovali

natisnjene slike ţonglirajoĉih klovnov, skakajoĉih konjev, itd. Skoraj soĉasno s

Hornerjevim Zoëtropom je Baron Franz von Uchatius v Nemĉiji dobil idejo, da bi film

lahko izkusili ne le z gledanjem skozi reţe hitro vrteĉe plošĉe ali bobna, ampak z

gledanjem zaslona, na katerega je projicirana hitra serija slik.

Uchatiusovi prvi poskusi so vkljuĉevali oviralen in mogoĉe nevaren sestav, ki je vkljuĉeval

hitro premikajoĉ vir svetlobe iz enega projektorja do drugega, ampak do leta 1853 je razvil

naĉin s katerim so slike na vrteĉi prosojni plošĉi lahko vidne na zaslonu s pomoĉjo enega

na sveĉo delujoĉega projektorja.

Te zgodnje filmske naprave so temeljile na naĉelu prviĉ jih je oblikoval Plateau da je

potrebna izpostavljenost najmanj šestnajstim slikam na minuto, zato da ĉloveško oko zazna

serijo mirujoĉih slik kot eno samo »gibljivo« sliko, vse izmed njih pa prikazujejo risbe.

Fotografiranje se ni zaĉelo s sliko, tako rekoĉ do leta 1872, ko je Eadweard Muybridge

izumil tehniko z veĉ fotoaparati, ki mu je omogoĉala v trenutku ujeti ducat prizorov hitro

gibajoĉega predmeta. Muybridge, Britanec po rodu, je delal poskuse, da bi pomagal

kalifornijskemu guvernerju Lelandu Stanfordu dobiti stavo glede poloţaja kopit

galopirajoĉega konja, ampak je hitro spoznal, da so njegove zaporedne fotografske slike

ţivali v gibanju izredno podobne zaporednim risbam, prikazanim v zgodnjih filmskih

napravah. V naslednjih dvajsetih letih, piše Gerald Mast v Kratki zgodovini filma, je

Muybridge izpopolnil svojo tehniko z veĉ fotoaparati. Poveĉal je število baterij

fotoaparatov iz dvanajst na štirideset. Uporabil je hitrejši, bolj obĉutljiv film. Dodal je bele

vodoravne in navpiĉne ĉrte na ĉrno podlago, da bi poveĉal dojemanje gibanja. Poslikal je

zaporedja gibajoĉih konjev, slonov, tigrov, golih ţensk, skakajoĉih ljudi in plešoĉih parov.

Fotografije je namestil na Fenakistiskopski mehanizem in ga zdruţil z laterno magiko za

javna projiciranja svojega dela. Svoj izum je poimenoval dejansko le kot razliĉico

Uchatiusovega Projekcijskega Fenakistiskopa Zoopraksiskop, še eno zelo domiselno ime

za ne – tako domiselno napravo.


6

Slika 2: Plateauov Fenakistoskop in Stampferov stroboskopski disk


7

2.2 Uporaba

2.2.1 Merilnik obratov

V prvi vrsti uporabljamo stroboskope za testiranje oz. diagnostiĉne preglede naprav.

Vendar pa se lahko stroboskop uporablja tudi za merjenje hitrosti. Da bi ga uporabili za

merjenje hitrosti je potrebno upoštevati: prviĉ merjenec mora biti viden celih 360°. Drugiĉ,

na merjenec je potrebno namestiti košĉek samolepljive odsevne folije (ali po potrebi, kadar

ţelimo prilagoditi merilni doseg, tudi veĉ simetriĉno po obodu merjenca namešĉenih

košĉkov folije).

Primer:

Na plošĉi, kateri ţelimo izmeriti frekvenco vrtenja, je nalepljen košĉek odsevne folije. Ĉe

tako vrteĉo plošĉo osvetlimo s stroboskopom, pri doloĉenih frekvencah stroboskopa ĉrta

navidezno miruje. Takrat je frekvenca vrtenja plošĉe enaka ali 2, 3, 4 ... X veĉja od

frekvence utripanja stroboskopa. Meritev napravimo najlaţje, ĉe na zaĉetek na stroboskopu

nastavimo frekvenco, ki je zagotovo veĉja od frekvence vrtenja .

Nato frekvenco stroboskopa poĉasi zmanjšujemo. Ko ĉrta na vrteĉi se plošĉi navidezno

miruje, je frekvenca vrtenja enaka frekvenci stroboskopa s.

Slika 3: Znaĉka se pojavi na nakljuĉnih toĉkah okrog objekta

Slika 4: Frekvenca stroboskopa enaka hitrosti objekta; znaĉka miruje


8

Slika 5: Frekvenca stroboskopa niţja od hitrosti objekta; znaĉka se pomika naprej

Slika 6: Frekvenca stroboskopa višja od hitrosti objekta; znaĉka se pomika nazaj

Ko je predmet videti da miruje, stroboskop utripa z enako frekvenco kot vrteĉi predmet.

Ko imamo znano frekvenco, je znana tudi rotirajoĉa hitrost in jo lahko navedemo v RPM

(roots per minute) z uporabo formule: strobeRPM 60 f .


9

2.2.2 Testiranje delovanja zvočnika

Pravilno delovanje zvoĉnika testiramo s pomoĉjo avdio oscilatorja. Stroboskop dobi

impulz za blisk od tega istega oscilatorja, ki je prikljuĉen preko frekvenĉnega delilnika.

Frekvenĉni delilnik zniţa frekvenco na vhodno obmoĉje stroboskopa, vendar pa zadrţi

harmoniĉno razmerje potrebno za stroboskopsko opazovanje.

Opazovalec lahko opazuje razliĉne faze delovanja zvoĉnika, z dodajanjem ĉasovnega

razmika vezja med frekvenĉnim delilnikom in samim stroboskopom.

Ĉe pride do eventualnih nepravilnosti pri membranah zvoĉnika, se le te razišĉejo z

lepljenjem radialnih ĉrt tankih umetnih vlaken na membrani zvoĉnika. Pri testiranju

bliskavice pri stroboskopu, frekvenca mora biti neznatno razliĉna od celoštevilĉnega

manjkratnika frekvence krmilnega oscilatorja zato, da se lahko opazijo glavne toĉke in

vibracije membrane zvoĉnika z opazovanjem prostih koncev umetnih vlaken. Testiranja

takšne vrste se obiĉajno izvajajo s pomoĉjo mikroskopa ali lupe.

Slika 7: Stroboskopsko testiranje zvoĉnika


10

2.2.3 Merjenje momenta

Dve gredi povezani z elastiĉnimi sklopkami se medsebojno vrtita glede na preneseni navor.

Elastiĉna sklopka pravzaprav predstavlja torzijsko vzmetnico, ki je definirana s sledeĉo

enaĉbo:

–k ,

kjer je:

– vrtilni moment v Nm,

k – koeficinet in

– magnetni pretok v Vs.

M

M

Torej je dovolj dodati kalibrirano lestvico z »znaĉko«, da bi se izmeril preneseni navor.

Stroboskop utripa s frekvenco, katera ustreza številu obratov motorja, da bi se dobila

ustavljena slika lestvice in »znaĉke«. Takšni merilniki so namenjeni merjenju

primanjkljaja v pogonih mehanskih tahometrov ter ostalih natanĉnih orodjih.

Cev dolga 50 cm, se postavi na izhodno gred elektromotorja, medtem ko se boben postavi

na drug konec cevi, blizu leţišĉa. Znotraj cevi se nahaja kos klavirske strune. Ta je trdno

pritrjen na tisti strani cevi, kjer se nahaja elektromotor, medtem ko je na drugi strani

pritrjen na kratko gred, ki se obraĉa na leţišĉu postavljenem na drugi strani cevi. Na tej

gredi se nahaja oznaka, ki kaţe na rotacijo v odvisnosti bobna, ki je postavljen na koncu

cevi, dokler se vezje, s katerim se meri izguba moĉi, veţe na prost konec kratke grede. Pri

rotaciji male gredi prihaja do sukanja klavirske strune, kar privede do pomikanja »znaĉke«

v odvisnosti bobna. Rotacija kratke gredi je omejena na 180 .

Pri vklopu motorja ţica prenaša zelo velik navor, zato se obrne do konca, kjer se moĉ

prenaša neposredno prek cevi, ki se naslanja na omejevalnike. Medtem ko se doseţejo

stalni pogoji obremenitve, se ţica poĉasi odvije, pokazatelj se ustavi na poloţaju, ki ustreza

prenesenem navoru. Stroboskop se prilagaja, kolikor je potrebno za pridobitev mirujoĉe

slike.

Merilnik navora se kalibrira z obremenjevanjem znanega navora, ter opazovanjem gibanja

pokazatelja v odvisnosti bobna, zato je lestvica obiĉajno linearna.


11

Moĉ P se enostavno izraĉuna kot produkt navora M in kotne hitrosti gredi P M .

Natanĉnost in merilno obmoĉje doloĉata premer in material ţice, prav tako je mogoĉe

izmeriti majhne moĉi velikosti od 0,5W.

Slika 8: Merjenje navora s stroboskopom

2.2.4 Nadzor delovanja detektorjev pregretih ležajev

Varnost ţelezniškega prometa jamĉijo razne naprave kot so detektor pregretih leţajev,

števci osi, auto – stop naprave, itd.

Na primer, pregreti leţaj osi lahko privedejo do blokade osi poţara ali iztirjenja vlaka.

Zaradi tega detektor pregretih leţajev meri infrardeĉe sevanje gibanja vlaka in tako

obvešĉa osebje ali prometnika da je vse v redu oziroma doloĉa številko tiste osi, ki ima

pregreti leţaj (slika 9).

Slika 9: Raziskovanje pregretih leţajev


12

Na traĉnice se postavi mehanski ali magnetni sproţilec, ki se aktivira s prehodom kolesa,

takrat daje stroboskop eden blisk. Hkrati se kolo snema s fotoaparatom, na kar se s

posnetimi slikami preverja poloţaj kolesa vlaka glede na detektor s katerim bi se preverilo

pravilno delovanje detektorja.

2.2.5 Merjenje linearne hitrosti

Moţna je tudi meritev linearne hitrosti gibanja simetriĉnega strojnega elementa (valj,

boben, kolo, jermen…) ob uporabi merjenega kolesa (slika 10).

Merjeno kolo se prislanja na površino merjenega predmeta, in sicer tako, da se obod kolesa

giblje s hitrostjo površine predmeta, medtem ko na kolesu obstaja merjena oznaka za

stroboskopsko merjenje. Premer kolesa je doloĉen tako, da se doseţe enostavna zveza med

številom obratov kolesa in merjeno hitrostjo, npr. kolo se vrti z hitrostjo 10 s–1

v trenutku

ko je njegova obodna hitrost enaka 1 ms–1

. Takšen disk je v praksi potrebno pazljivo

namestiti v odvisnosti na merjeni element in se tako izogniti trenju, katero bi nastalo zaradi

pretiranega pritiska. Zunanji premer diska se obĉasno meri zato, da bi se izognili vplivu

napake merjenja.

Slika 10: Merjenje linearne hitrosti


13

2.2.6 Raziskava fotoelastičnosti

Sunkovite napetostne valove lahko razišĉemo v navidezno upoĉasnjenem gibanju ob

uporabi elektromagnetnega vibratorja, polariskopa in monokromatske bliskavice

(stroboskop).

Vzorec, ki ga ţelimo testirati se montira v polariskop, vibrator pa se postavi tako, da

kontinuirano udarja v vzorec. Z nastavljanjem stroboskopske frekvence je mogoĉe

navidezno pohitriti, upoĉasniti, ustaviti ali pa zamenjati smer vrtenja, kar omogoĉa

raziskave izoklin in vrhov valov. Toĉka udarjanja vibratorja in energija udara se lahko z

lahkoto menjajo z namenom preuĉevanja njihovega uĉinka valov, moţno je pa tudi

fotografirati poskus, saj je to najlaţji naĉin raziskovanja.

Slika 11: Fotoelastiĉna raziskava napetostnega sunka


14

2.2.7 Merjenje vibracij

Pri merjenju vibracij nas zanima pospešek v odvisnosti od ĉasa, ki ga z merilnikom

zaznamo na doloĉenem delu stroja ali naprave. To nam pove, kako je stroj ali naprava

kvalitetna in zanesljiva tudi po daljšem ĉasu obratovanja. Merilnike vibracij, imenovane

tudi pospeškomere pritrdimo na del vibrirajoĉe strukture, preko katere se vibracije

prenašajo na okoliški zrak ali na druge dele stroja.

Kot primer naj navedemo, da se vibrirajoĉi del premika do nekaj deset μm glede na fiksne

notranje dele stroja katere vibracije merimo. Ĉe merimo vibracije v stavbah, merilnike

obiĉajno namestimo na toga betonska tla ob temeljih hiše.

Stroboskopsko merjenje vibracij

Pritrjeni merjenec (kazalec), prikazan na sliki 12, je pritrjen na vibrirajoĉe površje in ga

uporabljamo za prikazovanje premikanja le – tega. Uporaba stroboskopske naprave nam z

svojim utripanjem daje privid »ustavljanja« ali »upoĉasnjenosti gibanja« merjenca, zato

lahko izmerimo visoke frekvence malih amplitud vibracije. Tipiĉna zgornja frekvenca je

omejena na 500Hz za direktno merjenje.

Slika 12: Merjenje vibracij s pomoĉjo stroboskopa


15

3 OPIS POSAMEZNIH GRADNIKOV APLIKACIJE

3.1 Led diode

Poznamo veĉ vrst stroboskopskih virov svetlobe kot npr.: tlivka, ksenonska ţarnica,

svetleĉa dioda LED. Naša aplikacija je bila izvedena z LED diodami, predvsem zaradi

nizke napajalne napetosti, primernega izkoristka in tudi visoke jakosti svetlobe. Danes jih

uporabljajo v profesionalnih napravah (slika 13).

Slika 13: LED stroboskopsko merjenje

LED so polprevodne svetleĉe diode, ki pri rekombinaciji oddajo foton svetlobe.

Polprevodniške snovi primerne za svetleĉe diode imajo energijo energijske reţe veliko

med 1,5 in 3,1 eV. Pragovna napetost takih svetleĉih diod je pribliţno 3,5V.

V aplikaciji smo uporabili bele svetleĉe diode. Belo svetlobo dobimo s pomoĉjo modre

LED diode in premaza z rumenim fosforjem.


16

Prednosti svetleĉih LED diod pred klasiĉnimi ţarnicami

Nima gibljivih delov oz. krhke ţarilne nitke, nima lomljivih steklenih delov, ni

strupenih plinov, zato se ne more tako enostavno poškodovati, zdrobiti ali

onesnaţiti okolja. Je robustna in odporna na vibracije.

Ob okvari ne preneha svetiti v trenutku, kot bi se to zgodilo pri pregretju ţarilne

nitke, saj svetilnost LED zgolj upada s ĉasom. Kljub temu je ţivljenjska doba zelo

dolga, saj pri visoko svetilnih LED svetilnost po 50000 urah pade na 70%. Pri

ţarnicah z ţarilno nitko ţivljenjska doba znaša pribliţno 3000 ur.

Izkoristek LED diode je 42lm/W in je pribliţno 5x boljši od ţarnice z ţarilno nitko.

Doseganje razliĉnih barv je izvedeno ţe s samo tehnologijo. Tako za pridobivanje

npr. zelene ali rdeĉe ni potreben barvni filter, ki lahko zatre do 70% svetlobe. Prav

tako svetlobni spekter ne vsebuje UV svetlobe, ki lahko uniĉuje osvetljen material.

Po vklopu zaĉne svetiti takoj in ne potrebuje periode za zagon, kot npr. pri

halogenskih ţarnicah.

Nizka delovna napetost omogoĉa varno rokovanje in zadostuje varnostnim

zahtevam. To hkrati poenostavlja napajanje iz baterij.

Primerljivost z ţarnico z ţarilno nitko

Pri primerjavi svetilnosti svetil razliĉnih tipov ali proizvajalcev moramo biti pozorni na

razliĉne veliĉine, ki so pri tem podane:

svetlobni tok (lumen [lm])

svetilnost (candela [cd])

osvetljenost (lux [lx] = lumen / m2)

Proizvajalci LED diod pogosto podajajo svetilnost, izraţeno v mcd. Ta pa je odvisna od

kota sevanja svetlobnega snopa. Pod kotom 30 od smeri sevanja se jakost sevanja

zmanjša na polovico. Za vsakdanjo praktiĉno meritev je v uporabi enota lx, z luxmetrom

lahko primerjamo jakost razliĉnih svetlobnih virov. Z oddaljenostjo od vira osvetljenost

(lx) pada.


17

Slika 14: Razliĉne svetleĉe diode

Delovanje

Svetleĉe diode sevajo na principu t.i. sevanju trdnih teles. Bistvo delovanja predstavlja

dejstvo, da kadar se elektron spusti na niţje energijsko stanje odda odveĉno energijo v

obliki elektromagnetnega sevanja. Ĉe je odveĉne energije zadosti, jo zaznamo kot

svetlobo. Svetleĉe diode so v osnovi pn spoj ali polprevodniška dioda, ki pa ni zgrajena iz

silicija, temveĉ iz drugih materialov, ki sicer porabijo veĉ moĉi, a sevajo svetlobo.

Izsevana svetloba je odvisna od uporabljenih materialov – substratov.

Slika 15: Impulzno vzbujanje z direktnim in indirektnim prehodom

WT – termiĉna energija

WV - najvišja energija valenĉnega pasu atoma

WC – najniţja energija prevodnega pasu


18

Krmiljenje LED diode

Slika 16: Krmiljenje LED diode

Impulzno priţiganje LED diode uporabljamo za multipleksirani prikaz na zaslonu.

ID je povpreĉni tok (10mA)

IDmax = 100mA v ĉasu trajanja t1, razmerje t1=0,1 x t2, da se spoj ne pregreje

Pri IDmax je izhodna svetilnost (svetloba) 20mlm, pri ID pa 2mlm

Temperaturni koeficient napetosti diode znaša med – 1,3 in – 2,5 mV/ °C

Ţivljenjska doba

Ţivljenjska doba je ena od prednosti LED diod. LED diode so polprevodniki, zato je

njihova ţivljenjska doba pribliţno 10 let. Pri proizvodnji komponent LED diod se

uporabljajo kemiĉne snovi, ki pa sĉasoma izgubljajo svoj uĉinek. Ţivljenjska doba LED

diod se primerja s procesom zmanjšanja svetlobnega fluksa skozi ĉas; to pa kaţe, da je

LED diodo potrebno zamenjati, ko je moĉ svetlobnega fluksa le še 50% zaĉetne

zmogljivosti. Ţivljenjska doba LED diod je torej okrog 50.000 ur, pri maksimalni

dovoljeni temperaturi delovanja.


19

Slika 17: Ţivljenjska doba LED

Slika 18: I - U karakteristika LED diode

Naslednji pomemben podatek je barva svetlobe. Najbolj zaţelena je bela svetloba, ki

nadomešĉa dnevno svetlobo. Dolgoroĉno izpostavljanje neprimerni barvi ali njenemu

odtenku povzroĉa neudobje. Odtenek bele svetlobe opisujemo z njeno temperaturo, podaja

pa se v Kelvinih [K]. Tako ima rumenkasto – bela svetloba, enaka tisti z ţarnico z ţarilno

nitko, temperaturo cca. 3000K in jo imenujemo toplo bela. Nasprotno ima bela, enaka

svetlobi halogenske ţarnice, temperaturo cca. 5000K. Temperatura med 6000K in 9000K

pa velja za hladno – belo, njen odtenek svetlobe je med belo in modro – belo. Za LED

svetila velja, da imajo toplo – bele LED nekoliko slabši svetlobni izkoristek [lm/W].


20

Slika 19: Notranjost LED diode


21

3.2 Zvočniki

Zvoĉnik je elektromehanski pretvornik, ki elektriĉno energijo prek nekega mehanskega

sistema (npr. membrane) pretvori v akustiĉno energijo. Idealen zvoĉnik bi moral pri

konstantni dovedeni elektriĉni energiji proizvajati konstanten zvoĉni tlak v celotnem

slišnem podroĉju 20 – 20kHz. To bi bil idealen širokopasovni zvoĉnik, ki pa ga je teţko

uresniĉiti. Kot mehanski sistem sluţi najpogosteje membrana. Membrana se lahko smatra

kot mehanski nihajni sistem. Sila se prenese na membrano (na sredini, linijsko ali celi

površini). Za pretvorbo elektriĉne energije, dobljene iz ojaĉevalnika, v mehansko, lahko

uporabljamo vse znane metode elektromehanske transformacije energije. Danes za te

namene najveĉ uporabljajo elektrodinamiĉne, elektromagnetne ali elektrostatiĉne principe

pretvorbe. S pomoĉjo enega od teh pogonskih sistemov se membrana odziva na vzbujanje

z nihanjem v ritmu tonskih frekvenc z doloĉeno silo, ki jo ustvarja tok zvoĉnih frekvenc, ki

pritekajo skozi nihajno navitje. Nihanje membrane se prenese na delce okoliškega zraka in

s tem nihaji membrane v njem ustvarjajo zvoĉne valove. Sila, ki deluje na membrano,

mora pri tem premagati tri vrste sil:

inercijske sile (sorazmerne pospešku)

sile trenja ( sorazmerne hitrosti nihanja)

elastiĉne sile (sorazmerne pomiku).

Te sile so v razliĉnih podroĉjih razliĉno izraţene. Za silo inercije je odloĉilna skupna masa

membrane in zraka, ki niha skupaj z njo. Trenje je pogojeno z notranjim trenjem v sistemu

membrane in trenjem delcev zraka. To je edino koristno za ustvarjanje zvoĉnih valov.

Velikost elastiĉne sile je odvisna od togosti celega sistema.


22

Vrste zvoĉnikov

Princip delovanja pretvorniškega sistema je isti pri zvoĉnikih in pri mikrofonih. V principu

bi vsi mikrofoni lahko delali tudi kot zvoĉniki. Od pretvorniških sistemov se najpogosteje

uporabljajo dinamiĉni, elektrostatiĉni in piezoelektriĉni sistemi (danes se najveĉ

uporabljajo dinamiĉni, elektrostatiĉni in kristalni zvoĉniki).

Dinamiĉni zvoĉnik s trajnim magnetom

Imajo najširšo in najbolj vsestransko uporabo. V zraĉni reţi med magnetoma se nahaja

nihajoĉe navitje, na katerega je pritrjena koniĉna membrana. Ko steĉe skozi navitje tok

slišne frekvence, se zaĉne membrana premikati v ritmu signala naprej in nazaj pod vplivom

osne sile:

2

,

kjer je:

– sila v N,

– gostota magnetnega pretoka v T=V s m ,

F B i l

F

B

– elektriĉni tok v A in

– dolžina vodnika v m.

i

l

Ker sta B in l za doloĉen tip zvoĉnika nespremenljive veliĉine, je sila F odvisna le od

jakosti toka.

Slika 20: Dinamiĉni zvoĉnik s trajnim magnetom


23

Slika 21: Membrana noter Slika 22: Membrana ven

Izvedba membrane je odvisna od namena zvoĉnika. Za visokotonske uporabljamo trši in

laţji papir, za nizkotonske pa mehkejši in teţji. Najvaţnejše lastnosti membrane so trdost,

teţa in resonanĉna frekvenca. Permanentni magnet je najdraţji del zvoĉnika, saj mora v

zraĉni reţi ustvariti ĉim veĉjo gostoto magnetnega polja B.

Nihajno navitje je izdelano iz lakirane, bakrene ali aluminijaste ţice. Membrana z

navitjem, pritrjena na košaro, predstavlja mehanski nihajni sistem. V tem sistemu mM

predstavlja maso membrane in navitja, mk 1 C trdoto membrane, Rm pa predstavlja upor

trenja, ki se pri premikanju membrane pojavlja na njenih robovih.

Slika 23: Model membrane z navitjem

Akustiĉna impedanca zraka je sestavljena iz upornosti RS, ki je merilo koristne moĉi in

reaktance, ki jo povzroĉa naša masa zraka mS, ki niha skupaj z membrano. Tudi ta

akustiĉni sitem nihajoĉega zraka se lahko prikaţe z modelom. To pa z njegovo maso mS in

trenjem, ki se pojavlja med njegovimi delci – RS.

Slika 24: Model akustiĉnega sistema nihajoĉega zraka, ki niha skupaj z membrano


24

Slika 25: Elektriĉna nadomestna shema zvoĉnika

Lastnosti membran

Na membrano deluje veĉ sil:

sila F po Biot – Savartovem zakonu,

povratna sila, ki vrne membrano v mirovni poloţaj

sila zaradi zvoĉnih delcev, ki nihajo in povratno delujejo na membrano.

Slika 26: Frekvenĉna odvisnost nihanja membrane

Sila, ki povzroĉi premik membrane v njenem središĉu, je odvisna od hitrosti gibanja, ki se

prenese naprej po membrani. Slika 26 nam prikazuje obmoĉja vzbujenosti membrane v

odvisnosti od frekvence vhodnega signala.

Najlepši zvok dobimo iz zvoĉnika, ko se membrana giblje enakomerno – sofazno (slika a).

Ĉe pa je membrana velika (za nizke tone), potem pride do problemov pri višjih frekvencah.

Pri visokih frekvencah se takšna membrana ne giblje veĉ kot celota, ker proizvaja višje

harmonske komponente in gibanje posameznih delcev membrane je protifazno (slika b).

Pojavi se toĉka T, v kateri se širši del membrane ne odziva vibracijam. Tej toĉki pravimo

prelom membrane. Ĉe frekvenco še višamo, je prelomov membrane (toĉk T) še veĉ (slika

c).


25

3.3 Mikrofoni

Mikrofon je naprava, ki spreminja zvok (nihanje zraĉnega tlaka) v elektriĉno napetost. Ĉe

poveţemo mikrofon s slušalko, nihata membrani v mikrofonu in slušalki v enakem ritmu.

S tem smo dobili prenos zvoka na daljavo.

Pri pretvorbi zvoka v elektriĉno napetost je pomembno, da sta si oblika krivulje napetosti

in zraĉnega tlaka ĉim bolj podobni. Povedano drugaĉe: »ţelimo ĉim manjše linearno in

nelinearno podroĉje signala«. Mikrofon mora biti enako obĉutljiv za vse frekvence, sicer

prihaja do linearnega popaĉenja. V primeru nelinearnih popaĉenj doda mikrofon signalu

višje harmonske tone, ki jih v izvornemu zvoku ni bilo.

Slika 27: Zgradba dinamiĉnega mikrofona

Mikrofon, kot pretvornik ene energije v drugo, opravlja podobno vlogo kot ĉloveško uho.

Moderni mikrofoni prekašajo uho v frekvenĉnem obsegu (ĉlovek teoretiĉno sliši zvok med

20 in 20kHz, mikrofon pa registrira ĉez 100kHz), kakor tudi v dinamiĉnem smislu

(mikrofon lahko registrira zvok, ki bi poškodovalo uho).

Slika 28 : Shema pretvarjanja akustiĉnih nihanj v elektriĉna


26

Obĉutljivost mikrofona

Mikrofonska obĉutljivost je vrednost, ki oznaĉuje spremembo napetosti na izhodu

mikrofona v odvisnosti od zvoĉnega signala (spremembi zvoĉnega tlaka, ki vzburi

membrano). Zapišemo jo z izrazom:

Δ

kjer je:

– obĉutljivost v mV/Pa oz. dB,

– sprememba napetosti v V in

s U p

s

U

– tlak v Pa.p

V elektrotehniki se uporablja za obĉutljivost tudi standardna vrednost V bar pri ĉemer

dobimo izrek 20logs U p , v vrednosti izraţeni z bar V. Obiĉajna izhodna

napetost znaša pri mikrofonu ca. 1mV, zato je vrednost ulomka >1, ustrezni logaritem pa je

negativen. Zaradi tega je obĉutljivost mikrofonov izraţena v dB z negativno vrednostjo.

Obĉutljivost je pomemben podatek, kadar ţelimo dobiti veĉjo ali manjšo napetost iz

mikrofona, ki ga nameravamo uporabiti. Glede na dejstvo, da jakost zvoka pada glede na

oddaljenost zvoĉila, je potrebno vedeti, da veĉja oddaljenost mikrofona od izvira daje tudi

manjšo izhodno napetost. Izhodna napetost mikrofona je odvisna tudi od frekvenĉnega

obsega, ki ga prenaša. Ĉe je frekvenĉni pas oţji, se lahko tudi poveĉa obĉutljivost in

obratno. Zaţeleno je, da je obĉutljivost ĉim veĉja, saj je potrebna manjša naknadna ojaĉitev

signala in je s tem doseţeno boljše razmerje med zvokom in šumom. Izjeme so reporterski

mikrofoni, ki se uporabljajo v glasnem okolju in potrebujejo ĉim manj signala iz okolice.

Frekvenĉna karakteristika

Frekvenĉna karakteristika je diagram, ki prikazuje obĉutljivost mikrofona v slišnem

podroĉju med 20 in 20000Hz. Navpiĉna os prikazuje vrednost obĉutljivosti, izraţeno v

mV/Pa ali v dB; vodoravna os pa po logaritemski lestvici prikazuje frekvence, pri katerih

je ta obĉutljivost doseţena. Idealno karakteristiko bi predstavljala vodoravna ĉrta, ki bi

pomenila konstantno obĉutljivost v celotnem frekvenĉnem podroĉju. Obiĉajno je krivulja

malce valovita, dopušĉajo pa se odkloni ±1dB, saj so to vrednosti, ki jih uho ne zaznava


27

tako zlahka. Ĉe potrebujemo mikrofon, s katerim bomo snemali izkljuĉno govor, bi nam

zadostovala karakteristika, ki je vodoravna med 300 in 3000Hz, za osnovni prenos glasbe

pa vsaj od 100 do 5000Hz. Za kvalitetno studijsko snemanje glasbe je potrebna

karakteristika vsaj med 30 in 16.000Hz.

Slika 29: Frekvenĉni diagram dinamiĉnega mikrofona

Poznamo veĉ vrst mikrofonov:

oglene,

kondenzatorske,

dinamiĉne,

kristalne.

Slika 30: Kondenzatorski mikrofon

Slika 31: Dinamiĉni mikrofon


28

Slika 32: Kristalni mikrofon

Slika 33: Ogleni mikrofon

3.4 Primerjalnik (komparator)

Primerjalnik je analogno stikalo, ki preklopi iz nizkega napetostnega nivoja (L – low) na

visoki napetostni nivo (H – high), ko gre vhodni signal skozi referenĉni napetostni nivo

UREF. Grafiĉni simbol za primerjalnik je enak simbolu za operacijski ojaĉevalnik.

Slika 34: Primerjalnik (komparator)

Pri tem sta vhoda u1 in u2 uporabljena za primerjano in primerjalno napetost. V nasprotju

z operacijskim ojaĉevalnikom se primerjalnik uporablja v vezjih brez povratne vezave in

mora biti stabilen le v podroĉjih »+« in »–«nasiĉenja. OPA mora biti stabilen v linearnem

podroĉju. Iz omenjenega razloga primerjalnik nima vgrajenega dominantnega pola, ki

zagotavlja stabilnost v linearnemu podroĉju.


29

3.5 Multivibratorji

Multivibratorji spadajo v skupino regenerativnih vezij, katerih skupna znaĉilnost je

prisotnost povratne vezave v vezju. Pri multivibratorjih je pogoj za nihanje moĉno

preseţen: Aβ > 1.

Poslediĉno imamo pri multivibratorjih opravka z zelo hitrim prehodom iz enega v drugo

natanĉno doloĉeno stanje. Hitrost preklopa izhodnega signala je odvisna samo od

elementov vezja. V osnovi delimo vezja multivibratorjev na: bistabilna, astabilna in

monostabilna vezja. Vsako od navedenih vezij ima dve stanji. Tako ima bistabilno vezje

dve stabilni stanji, monostabilno vezje ima eno stabilno in eno delno stabilno stanje,

astabilno vezje pa ima dve delno stabilni stanji. Stabilno stanje je tisto, v katerem ostaja

vezje trajno oz. do trenutka, ko ţelimo to stanje hote z zunanjim signalom spremeniti.

Delno stabilno stanje pa je tisto, v katerem se vezje nahaja le doloĉen ĉas, ki je doloĉen z

lastnostmi vezja.

Med bistabilna vezja spadajo do sedaj spoznana vezja flip – flop in vezje regenerativnega

primerjalnika. Pomembna lastnost bistabilnih vezij je, da vztrajajo v doloĉenem stanju,

dokler na vhodu ni ustreznega proţilnega signala oz. impulza. Glede na to, da ima vezje

dve stabilni stanji, potrebujemo dva proţilna impulza, da se vrne nazaj v prvotno stanje.

Monostabilna vezja za vsak vhodni proţilni impulz generirajo izhodni impulz s toĉno

doloĉenim ĉasom trajanja. Vhodni proţilni impulz povzroĉi prehod vezja iz stabilnega v

delno stabilno stanje. Ĉas trajanja delno stabilnega stanja je omejen z elementi vezja.

Obiĉajno ga doloĉa polnjenje oz. praznjenje kondenzatorja do mejne vrednosti napetosti.

Astabilna vezja imajo dve delno stabilni stanji, med katerima vezje konstantno prehaja.

Ĉas trajanja posameznega delno stabilnega stanja je doloĉeno z elementi vezja. Astabilna

vezja za svoje delovanje ne potrebujejo vhodnih signalov. Uporabljamo jih kot generatorje

pravokotnega signala in generatorje ure v digitalnih vezjih.

Slika prikazuje dvostopenjsko strukturo, ki je pogosta oblika realizacije multivibratorjev.

Sestavljata jo dva invertirajoĉa ojaĉevalnika z ojaĉenji A1 in A2 ter povezovalni liniji β1 in

β2. Ojaĉevalni vezji sta lahko tudi logiĉni vrati NE.


30

Slika 35: Blokovna shema multivibratorja

Dva invertirajoĉa ojaĉevalnika tvorita vezje s pozitivno povratno vezavo. Pri tem velja, da

je v aktivnem podroĉju delovanja ojaĉevalnikov ojaĉenje zanke veĉje od ena, A1A2β1β2>1.

V aktivnem podroĉju delovanja so ojaĉevalniki le v trenutku zamenjave stanj. V stabilnem

ali delno stabilnem stanju sta ojaĉevalnika npr. v nasiĉenju U+

SAT in nasiĉenju U–

SAT.

Takrat je ojaĉenje zanke enako 0. Vrsto multivibratorja doloĉa znaĉaj povezovalnih vezij.

Vezje je bistabilno, ĉe sta obe povezovalni vezji uporovni. Signal na vhodu prvega

ojaĉevalnika, ki povzroĉi menjavo stanja, se prek povezovalnega vezja β1 prenese na vhod

drugega ojaĉevalnika, kjer prav tako povzroĉi menjavo stanja. Odziv drugega ojaĉevalnika

se prek povezovalnega vezja β2 prenese na vhod prvega ojaĉevalnika in vzdrţuje njegovo

stanje do naslednjega proţilnega impulza, ki povzroĉi menjavo stanj.

Ĉe je prvo in/ali drugo povezovalno vezje takšno, da sta ojaĉevalnika kapacitivno loĉena,

se enosmerna napetost ne more prenašati neomejeno. Ker se napetost na kondenzatorju ne

more spremeniti hipoma, se sprememba iz prvega in/ali drugega ojaĉevalnika v prvem

trenutku prenese na vhod naslednjega ojaĉevalnika. Proces polnjenja oz. praznjenja

kondenzatorja pa po doloĉenem ĉasu povzroĉi preklop vezja v prvotno stanje.

Monostabilno vezje vsebuje eno, astabilno vezja pa dve takšni povezovalni vezji. Mi bomo

posvetili malo veĉ ĉasa monostabilnemu multivibratorju, ker smo ga tudi uporabili v

našem vezju.

3.5.1 Monostabilni multivibrator

Naloga monostabilnega multivibratorja je generirati izhodni napetostni pulz definiranega

trajanja, ki se generira šele po detekciji vhodnega krmilnega napetostnega pulza.


31

Monostabilni multivibrator je torej zopet neko digitalno vezje, ki vsebuje linearni

operacijski ojaĉevalnik. Zaradi generiranja pulza definiranega trajanja pravimo, da imamo

opraviti z enim kvzistabilnim in enim stabilnim stanjem. Monostabilni multivibrator torej

ob nastopu vhodnega krmilnega pulza preklopi v kvazistabilno stanje, ostane v njem

definiran ĉas, nato pa zopet preklopi v stabilno stanje, v katerem ostane do naslednjega

krmilnega pulza. Delovanje monostabilnega multivibratorja si oglejmo na primeru

integriranega vezja NE555, s katerim je moţno realizirati astabilni, monostabilni kot tudi

bistabilni multivibrator.

Slika 36: Elektriĉno vezje MMV na osnovi IC 555

V stabilnem stanju MMV je izhod RS – flipflopa v logiĉnem stanju 0, medtem ko je

njegov invertiran izhod na logiĉni vrednosti 1. Tranzistor zato tedaj kratkostiĉi

kondenzator C, zaradi ĉesar je napetost kondenzatorja enaka 0. Izhod komparatorja 1 ima

logiĉno vrednost 0.

Napetost krmilnega vhoda se mora v ĉasu mirovanja nahajati v visokem logiĉnem stanju.

Napetost mora biti vsekakor višja od UTL tako, da ima tudi komparator 2 na svojem izhodu

logiĉno vrednost 0.

Monostabilni multivibrator sproţimo z negativnim krmilnim pulzom, ĉigar vrednost mora

pasti pod UTL. Takoj ko napetost uTrigger pade pod vrednost UTL, se postavi izhod


32

komparatorja 2 v logiĉno stanje 1, s ĉimer postavi izhod RS flip – flopa na logiĉno 1. Ker

sedaj tranzistor ne prevaja, se kondenzator C zaĉne polniti preko upora R. To kvazistabilno

stanje traja le dokler napetost uC ne doseţe zgornjega preklopnega nivoja UTH, ko se

postavi izhod komparatorja 1 v logiĉno stanje 1, zaradi ĉesar tranzistor ponovno kratkostiĉi

kondenzator C. Istoĉasno gre izhodni signal flip – flopa ponovno na logiĉno vrednost 0, to

pomeni da gre ponovno v stabilno stanje.

Slika 37: Potek veliĉin MMV

V trenutku nastopa negativnega krmilnega pulza zaĉne kondenzatorska napetost rasti po

eksponencialni zakonitosti s ĉasovno konstanto .RC

1 ,

kjer je:

– napetost na kondenzatorju,

– baterijska napetost,

t

C b

c

b

u U e

u

U

– ĉas v s in

– ĉasovna konstanta.

t

Ĉe v enaĉbo vstavimo zgornji preklopni nivo TH 2 3C bu U U , ki ga doseţemo v ĉasu

t T , dobimo ln3 1,1 .T RC RC


33

Vidimo, da je trajanje napetostnega pulza nastavljivo z ustrezno izbiro upornosti in

kapacitivnosti, ki ju lahko izbiramo v širokih mejah.


34

3.6 Univerzalno integrirano vezje NE555

NE555 je zelo stabilen kontroler, ki je sposoben proizvajati toĉne ĉasovne pulze. Za

monostabilno delovanje je trajanje pulza doloĉeno le z dvema elementoma, in sicer z enim

uporom in enim kondenzator. Za astabilno delovanje sta frekvenca in obratovalni cikel

(duty cycle) doloĉena z dvema uporoma in enim kondenzatorjem.

Lastnosti

nastavljiv obratovalni cikel

temperaturna stabilnost 0,005%/° C

ĉasovna nastavitev od µsec – do nekaj ur

izklopni ĉas manj kot 2µsec

visoka tokovna sposobnost delovanja (200mA)

Slika 38: Notranja zgradba NE 555

Uporaba

natanĉen ĉasovnik (timer)

generator pulzov

generator ĉasovne zakasnitve

sekvenĉni ĉasovnik


35

4 STROBOSKOPSKO OPAZOVANJE GIBANJA

MEMBRANE ZVOČNIKA

Kot smo ţe omenili v uvodu je namen diplomskega dela izdelati stroboskopsko napravo za

merjenje frekvence in odmikov gibajoĉih delov elektromehanskih aktuatorjev. Za

osvetljevanje bomo uporabili svetleĉe LED diode. Naša ciljna aplikacija je bila

upoĉasnjeno opazovanje gibanja membrane zvoĉnika pri razliĉnih amplitudah in

opazovanje membrane v toĉno doloĉenem poloţaju in med obema skrajnima legama.

Kvaliteta in uporabnost stroboskopa je v veliki meri odvisna od generiranega svetlobnega

pulza. Pomembna je jakost pulza in trajanje pulza. Naša nihajoĉa naprava je bil zvoĉnik,

velikega premera, ki nam je s svojim nihanjem pošiljal signal na mikrofon. Hkrati pa smo s

stroboskopom osvetljevali ta zvoĉnik. Na ta naĉin je bilo mogoĉe sklepati o normalnem

delovanju zvoĉnika. Skonstruirali smo vezje, s katerim smo lahko upoĉasnjeno opazovali

gibanje membrane zvoĉnika pri razliĉnih amplitudah in membrane v toĉno doloĉenem

poloţaju in med obema skrajnima legama. Blokovno zgradbo bomo izpeljali iz analiziranja

osnovne naloge, izvedbo pa bomo opisali in podali v nizanih poglavjih.

Za preprostejše razumevanje si bomo najprej ogledali preprost primer osvetljevanja

raĉunalniškega ventilatorja oz. njegovih vetrnic s pomoĉjo stroboskopa. Na merjenec

(vetrnico) smo namestili košĉek samolepljive odsevne folije in po ţelji pravokotno ali pod

kakšnim naklonom osvetljevali (ali po potrebi, kadar ţelimo prilagoditi merilni doseg, tudi

veĉ simetriĉno po obodu merjenca namešĉenih košĉkov folije).

Ĉe stroboskop utripa hitreje ali poĉasneje v primerjavi z obhodnim ĉasom toĉke (znaĉke),

dobimo vtis da se toĉka (znaĉka), ki jo opazujemo, vrti v nasprotni smeri ali v smeri kot se

v resnici vrti. Le v primeru, ĉe stroboskop utripa tako, da imamo vtis, da toĉka (znaĉka)


36

miruje, sta obhodni ĉas toĉke (znaĉke) in utripanje stroboskopa enaka, oziroma sta enaki

njuni frekvenci.

Sestavili smo enostaven monostabilni multivibrator (MMV) z integriranim vezjem NE555,

ki je proţilo visoko svetleĉo LED diodo. Za napajanje smo uporabili laboratorijski

usmernik.

Slika 39: Blokovna shema osvetljevanja vrteĉe vetrnice s stroboskopom

Slika 40: Vezalna shema MMV za osvetljevanje vetrnice

MONOSTABILNI

MULTIVIBRATOR

LED

VENTILATOR

U1

LM555CN

GND

1

DIS7

OUT 3RST4

VCC

8

THR6

CON5

TRI2

VCC

5V

C110nF

VCC

5V

R110k

R262

LED1

XFG1


37

Kot prikazuje slika 40 smo na vhod proţilnega vezja (trigger_in) pripeljali pravokotni

signal iz funkcijskega generatorja s katerim smo nastavljali frekvenco utripanja led diode

in skušali z osvetljevanjem »ujeti« vrteĉo »znaĉko«. Hitrost vrtenja ventilatorja smo

nastavljali z loĉenim napajalnim virom s spreminjanjem napetosti od (3 – 12)V.

Z osvetljevanjem smo lahko enostavno ugotovili kdaj se merjenec (ventilator) in utripanje

LED diode sinhronizirata oz. imata enaki frekvenci. In sicer, ĉe je »znaĉka« kljub vrtenju

vetrnice dajala obĉutek kot da miruje smo v tem trenutku »ujeli« toĉno takšno frekvenco s

katero se vrti. Ĉe se je »znaĉka« pomikala poĉasi naprej je bila frekvenca stroboskopa

malo pod frekvenco vrtenja vetrnice. In ĉe se je pomikala poĉasi nazaj je bila frekvenca

vrtenja vetrnice malo pod frekvenco stroboskopa. Odĉitek frekvence smo izvedli s

funkcijskim generatorjem. In ĉe smo to frekvenco pomnoţili s 60 smo dobili pripadajoĉe

obrate vetrnice.

Ta aplikacija bi se lahko še izboljšala z dodatnim mini LCD panelom, ki bi ga dodali v

naše vezje, ki bi nam samostojno odĉitaval vrednosti; v tem primeru frekvenco.


38

4.1 Stroboskop za statično opazovanje

Pri samemu naĉrtovanju naše stroboskopske naprave smo si pomagali z obstojeĉo

literaturo s tega podroĉja. Najprej je bilo potrebno naštudirati kaj stroboskop je in kaj z

njim poĉeti oz. narediti.

S stroboskopom za statiĉno opazovanje smo z nastavljanjem potenciometra nastavljali v

kateri legi opazovati membrano oz. prehajanje iz ene lege v drugo s sprotnim

spreminjanjem. Zvoĉnik je preko ojaĉevalnika pošiljal sinusni signal. Stroboskopska

naprava je bila izvedena z lastnim zajemanjem signala – s pomoĉjo mikrofona. Signal smo

nato ojaĉili in ga peljali na prilagoditveno vezje, katero je proţilo monostabilno vezje

(MMV) ta pa LED diode. Osrednja kvalitativna karakteristika stroboskopa je bila v

generiranju svetlobnega pulza, to je ĉas trajanja in poslediĉno jakost svetlobe.

Slika 41: Blokovna shema stroboskopske naprave

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

PRILAGODITVENO

VEZJE

MONOSTABILNI

MULTIVIBRATOR

OJAČEVALNIKMIKROFON

OJAČEVALNIK

ZVOČNIK

FUNKCIJSKI

GENERATOR

LED

NAPAJALNI VIR ZA LED DIODE

PRIMERJALNIK


39

Slika 42: Shema statiĉnega opazovanja nihanja

4.2 Opazovanje amplitud nihanj (mehansko) – hkratno

Z opazovanjem amplitud smo ţeleli doseĉi hkratno opazovanje skrajnih leg nihajoĉe

membrane, in sicer tako da smo naredili vezje, ki je dalo 2 bliska; enega na maksimalni

drugega na minimalni vrednosti. Signal, ki smo ga pripeljali iz funkcijskega generatorja

sinusne oblike smo z ojaĉevalnikom ojaĉili in ga poslali na zvoĉnik. Iz zvoĉnika smo

signal »posneli« z mikrofonskim ojaĉevalnikom, ki smo ga nato peljali na blok

prilagoditveno vezje + nastavitev faze. V tem bloku smo uporabili 2 primerjalna vezja,

katera sta na osnovi logiĉnega vezja ALI dala blisk. Oba sta imela na svojem »–« vhodu

(referenca) vezan potenciometer, ki sta morala biti nastavljena tako, da je bil eden na

maksimalni drugi pa na minimalni vrednosti, in smo kot rezultat dobili 2 bliska.

Prilagoditveno vezje je sluţilo za pravilen impulz za proţenje monostabilnega vezja.

U1A

LM324N

3

2

11

4

1

R122k

R21.0M

R322k

C1

100nF

C20.1uF-POL

XLV1

Output

V112 V

V212 V

POS12

Neg12

POS12

POS12

R41M _LIN

Key = A

50%

Neg12

J1

Key = Space

XFG1

A

A

R510K _LIN

Key = B 50%

J2

Key = B

J3

Key = B

(A) (B)

Neg12

POS12

C31.0nF

R610k

R74.7k

Q1

BC547A

U4

LM555CN

GND

1

DIS7

OUT 3RST4

VCC

8

THR6

CON5

TRI2

C410nF

R810k

R962

LED1

U1B5

6

11

4

7

POS12

POS12

R10

1M _LIN

Key = C

50%


40

Slika 43: Hkratno opazovanje skrajnih leg nihajoĉe membrane

Slika 44: Shema hkratnega opazovanja skrajnih leg

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

MONOSTABILNI

MULTIVIBRATOR

PRIMERJALNIKOJAČEVALNIKMIKROFON

OJAČEVALNIK

ZVOČNIK

FUNKCIJSKI

GENERATOR

LED

PRIMERJALNIK

PV I

PV II

PRILAGODITVENO

VEZJE

PRILAGODITVENO

VEZJE+NASTAVITEV FAZE

NAPAJALNI VIR ZA LED

DIODE

LED

U1A

LM324N

3

2

11

4

1

R122k

R21.0M

R322k

C1

100nF

C20.1uF-POL

XLV1

Output

V112 V

V212 V

pos12

neg12

pos12

pos12

R41M _LIN

Key = A

50%

neg12

R550%

U4

LM555CN

GND

1

DIS7

OUT 3RST4

VCC

8

THR6

CON5

TRI2

C410nF

R810k

R962

LED1

U2B5

6

11

4

7

U3C10

9

11

4

8

pos12

R10

1M _LIN

Key = C

50%

R6

50%

pos12

neg12

pos12

neg12

R710k

R1110k

C3

1.0nF

C5

1.0nF

Q1

BC547B

Q2

BC547B

D11N4148

D2

1N4148R124.7k

pos12


41

Zgornji sliki smo blokovno opisali zdaj pa ju bomo opisali podrobneje. Prvi del vezja, ki

smo ga analizirali je dokaj preprost ojaĉevalnik. Ta nam vhodni signal iz mikrofona ojaĉi.

Samo velikost ojaĉenja pa doloĉamo s spremenljivim uporom R4. Izraĉun je prikazan

spodaj. Potenciometer smo morali nastaviti tako, da na izhodu ojaĉevalnika nismo dobili

popaĉeni signal, ampak lep ojaĉeni sinus. Ojaĉevalnik smo naredili z nizko šumnim

integriranim vezjem LM324, ki vsebuje 4 ojaĉevalne sklope. V vezju smo uporabili vse 4

ojaĉevalne sklope, in sicer enega za ojaĉenje signala iz mikrofona, drugega za

primerjalnik, tretjega in ĉetrtega pa za generator trikotne napetosti. Napajalno napetost

12V smo izbrali zaradi simetriĉnosti samega vezja. Najprej si poglejmo preprosti

ojaĉevalnik, ki smo ga uporabili za ojaĉenje signala iz mikrofona.


42

Slika 45: Mikrofonski ojaĉevalnik

Slika 46: Blok shema LM 324

U1A

LM324N

3

2

11

4

1

R122k

R21.0M

R322k

C1

100nF

C20.1uF-POL

XLV1

Output

V112 V

V212 V

Pos12

Neg12

Pos12

Pos12

R41M _LIN

Key = A

50%

Neg12

comp_in

J1

Key = Space

XFG1

A

A


43

Slika 47: Ojaĉeni mikrofonski signal frekvence 50 Hz

Mikrofon prejme signal iz zvoĉnika, kateri je prikljuĉen na dodatno ojaĉevalno vezje.

Signal na zvoĉnik pripeljemo iz funkcijskega generatorja, kateremu nastavljamo poljubno

frekvenco. Mikrofonski signal prikljuĉimo na neinvertirajoĉo vhodno sponko

operacijskega ojaĉevalnika, z uporoma R1 in R4 pa poskrbimo za zunanjo negativno

povratno vezavo. Izhodna napetost je v fazi z vhodno napetostjo.

Vrednost ojaĉenja izberemo z razliĉnimi meritvami, pri tem pa pazimo da signala ne

prekrmilimo.

Ojaĉevalnik nam ojaĉi signal za najveĉ faktor . To ojaĉenje se dobi iz enaĉbe:

4 4

1 1

4max

1

1 ;

1M

22k .

R RA

R R

R

R

Ta ojaĉeni signal smo nato uporabili za naslednji sklop vezja, in sicer za primerjalnik

(komparator).


44

Slika 48: Primerjalnik (za nastavitev faze)

Slika 49: Pomikanje pulza po x – u

Primerjalnik je v bistvu ojaĉevalnik, ki deluje brez povratne vezave. Ĉe je napetost na

comp_in malo veĉja od u2 je izhod operacijskega ojaĉevalnika v pozitivnem nasiĉenju, ko

pa je comp_in


45

nizkega napetostnega nivoja na visoki napetostni nivo, ko gre signal skozi referenĉno

napetostni nivo UREF. Vhodni signal je bil ojaĉeni sinusni signal, referenco pa smo

nastavljali s potenciometrom.

Ugotovili smo da, ĉe smo na vhod »+« primerjalnika pripeljali signal pravokotne oblike oz.

prekrmiljeni signal nihanja membrane z nastavljanjem UREF ni bilo mogoĉe lepo opazovati.

Kot prikazuje slika 50; USIG je signal na »+« vhodu, UREF pa »–« vhodu primerjalnika. In

ĉe sedaj opišemo ĉasovni potek, vidimo da pri UREF (1), dobimo na izhodu primerjalnika

logiĉno »0«, ĉe pa to UREF dvigujemo (2, 3) je izhod iz primerjalnika vedno visok, logiĉna

»1«. Torej pri prekrmiljenem signalu ne moremo izbirati trenutka opazovanja

(osvetljujemo vedno isto lego).

Slika 50: Prekrmiljeni signal na vhod primerjalnika


46

Stikalo v poziciji A – statiĉno opazovanje nihanja membrane, s spreminjanjem vrednosti

potenciometra doseţemo prehajanje membrane iz maksimalne v minimalno lego in

obratno.

Slika 51: Nastavljanje potenciometra v poziciji A

S primerjalnikom smo izbrali ţeleni poloţaj – lego opazovanja membrane. Na zgornji sliki

se vidi ta doloĉitev pulza, ki smo ga lahko premikali po x osi in na ta naĉin doloĉili, v

kateri legi opazovati membrano. Sinusni signal je vstopajoĉi signal v primerjalnik, pulzi pa

iz primerjalnika.


47

Ugotovili smo da pulzi (comp_out) ne proţijo monostabilnega vezja, zato je bilo potrebno

skonstruirati dodatno vezje, ki smo ga vstavili med primerjalnik (komparator) in

monostabilno vezje. Monostabilno vezje potrebuje proţilni pulz z negativnim naklonom, to

je prehod iz visokega v nizko stanje.

Pulz, potreben za svetlobni vir smo realizirali z monostabilnim vezjem NE555. Iz podatkov

smo razbrali, da mora biti proţilni pulz mnogo krajši od monostabilnega stanja te

amplitude 2/3 UCC. Omenjeno je prikazano na sliki 52.

Slika 52: Ĉasovni potek proţilnega pulza

Slika 53: Prilagoditveno vezje

Iz operacijskega ojaĉevalnika (oz. primerjalnika – comp_out) dobimo premajhne

spremembe napetosti, zato vgradimo vmesno prilagoditveno vezje. S tem dobimo

C3

1.0nF

R610k

R74.7k

Q1

BC547A

trigger_in

comp_out

V112 V

pos12

pos12


48

zadostno spremembo izhodne napetosti, ki je potrebna za proţenje (trigger_in) NE555. Za

to poskrbijo C3, R6 in Q1. Hkrati pa smo dosegli proţenje na pozitivnem naklonu (vzponu)

opazovanega signala slika 54.

Slika 54: Proţenje na pozitivnem delu opazovanega signala

Slika 55: Nastavljanje UREF za opazovanje nihanja (amplitude) membrane

Zgornja slika nam prikazuje proţenje stroboskopa z nastavljanjem razliĉne vrednosti na

primerjalniku UREF. In sicer, slika 55a prikazuje kdaj se zgodi blisk ob nastavitvi UREFmin,

slika 55b pa ob nastaviti UREFmax.


49

Slika 56: Pulz za proţenje NE 555

Slika 57: MMV

U2

LM555CN

GND

1

DIS7

OUT 3RST4

VCC

8

THR6

CON5

TRI2

C410nF

R810k

R91M _LIN

Key = C 50%

trigger_in

pos12 pos12

LED1

V112 V

pos12

R1062


50

Slika 58: Nastavljanje širine pulza

Monostabilno vezje je sestavljeno iz integriranega vezja NE555, kondenzatorja,

potenciometra in navadnega upora. Na vhod trigger_in pripeljemo kratek pulz (roza), ki

proţi naše vezje (zelena). Za ta kratek pulz poskrbi prilagoditveno vezje. Potenciometer v

vezju sluţi za nastavljanje ĉasa trajanja pulza.

Potenciometer smo v vezje vstavili naknadno, saj je bilo potrebno pri višjih frekvencah ta

ĉas pulza zmanjšati na minimum pri niţjih pa poveĉati na maksimum, da se izognemo

nejasni sliki membrane pri višjih frekvencah.

Slika 59a: Osvetljenost membrane pri 20Hz


51

Slika 60b: Osvetljenost membrane pri 100Hz

Zgornja slika nam prikazuje osvetljenost membrane pri dveh razliĉnih frekvencah, npr.: 20

in 100Hz. Pri 20Hz je za osvetlitev oznaĉenega dela (membrane) potreben blisk, takšne

širine kot ga vidimo pod to sliko (slika 59a). Ta isti blisk bi se pri 100Hz videl na drugem

mestu oz. razmazano. Ĉe bi pri 100Hz hoteli osvetliti tisti del kot smo ga pri 20Hz bi za to

potrebovali bistveno krajši blisk (slika 60b).

4.3 Upočasnjeno opazovanje nihanja membrane

Ideja rešitve te zahteve je v poĉasi spreminjajoĉi referenĉni napetosti. V osnovno blokovno

shemo smo vkljuĉili dodatni generator trikotne oblike.

Slika 61: Blokovna shema upoĉasnjenega opazovanje nihanja membrane

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

PRILAGODITVENO

VEZJE

MONOSTABILNI

MULTIVIBRATOR

OJAČEVALNIKMIKROFON

OJAČEVALNIK

ZVOČNIK

FUNKCIJSKI

GENERATOR

LED

NAPAJALNI VIR ZA LED DIODE

OSCILATOR

TRIKOTA

PRIMERJALNIK


52

Slika 62: Shema upoĉasnjenega nihanja

Stikalu v poziciji B pripeljemo na sponko signal trikotne oblike (frekvence 0,5Hz). Pri tem

pa potenciometer nastavimo tako, da zavzame ĉim veĉje nihanje membrane. In potem

lahko opazujemo prehajanje membrane iz maksimalne v minimalno lego brez našega

sprotnega nastavljanja (avtomatiĉno).

U1A

LM324N

3

2

11

4

1

R122k

R21.0M

R322k

C1

100nF

C20.1uF-POL

XLV1

Output

V112 V

V212 V

POS12

Neg12

POS12

POS12

R41M _LIN

Key = A

50%

Neg12

J1

Key = Space

XFG1

A

A

R510K _LIN

Key = B 50%

J2

Key = B

J3

Key = B

(A) (B)

Neg12

POS12

C31.0nF

R610k

R74.7k

Q1

BC547A

R12

1.0M

R13

68k

R11

100k

C5

330nF

U4

LM555CN

GND

1

DIS7

OUT 3RST4

VCC

8

THR6

CON5

TRI2

C410nF

R810k

R962

LED1

U1B5

6

11

4

7

U1C10

9

11

4

8

U1D12

13

11

4

14

POS12


POS12

R10

1M _LIN

Key = C

50%


53

Slika 63: Stikalo v poziciji B

Slika 64: Nastavljanje potenciometra v poziciji B

Vezje je sestavljeno iz dveh preostalih ojaĉevalnih sklopov LM324: prvi deluje kot

integrator, drugi pa kot primerjalnik s histerezo (Schmitt – trigger).

Slika 65: Generator trikotne oblike

U1B5

6

11

4

7

R510K _LIN

Key = B 50%

comp_in

comp_outJ3

Key = Space

J2

Key = Space

u2

pos12

neg12

V112 V

V212 V

pos12

neg12

trikot

(A) (B)

U1C10

9

11

4

8 U1D12

13

11

4

14

R12

1.0M

R13

68k

R11

100k

C5

330nF

trikot

V1

V+

Vc

Vout=Vo+, Vo-


54

Analiza delovanja vezja

Ţe pri obravnavi primerjalnika smo ugotovili, da je njegov izhod lahko le v stanju

out 0 0V V oz. V , odvisno od vrednosti napetosti na + in – vhodu: v > v oz. v v . Torej

je izhod Vout v stanju 0V v nekem ĉasu T1 in v stanju 0V

v nekem ĉasu T2 (slika 66).

Zaradi povratne vezave pride napetost izhoda ,0V na vhod integratorja. Kot vemo se pri

integratorju v ĉasu T1,2 kondenzator polni s konstantnim tokom iC1,2. Ĉe upoštevamo še

zvezo med tokom in napetostjo na kondenzatorju,

velja ,

1,20

1,2

vVconst

C

C

di C

R dt

.

Zato ima napetost na kondenzatorju VC in s tem na izhodu integratorja V1 odsekoma

linearen potek s ĉasom, brez nezveznosti – torej obliko lepih trikotnih pulzov (slika 66).

Izraĉun amplitude 131 011

V VR

R

in amplitude 131 011

V VR

R

.

Slika 66: Ĉasovni potek signalov integratorja in schmitt – proţilnika

V enem ĉasovnem intervalu, T1 ali T2, se napetost na kondenzatorju spremeni za

+ 131 1 0 011

v V V V .CR

VR

Doloĉitev ĉasa T1: kot smo videli, se v ĉasu T1 kondenzator nabija s tokom iC1 in se zato

naboj na kondenzatorju spremeni za C C1 1Q i T . Ob upoštevanju zapisanih enaĉb je ĉas


55

C 5 C 0 0 13

1 C 12 5

C1 110 12 0

0 0 13

2 12 5

110

v V v ,

V

V .

Q C V RT R C

i RR V

V RT R C

RV

Perioda oscilacij T oz. frekvenca je enaka :

0 0 0 0 131 2 12 5

110 0

V V V V1

V V

RT T T R C

f R

Ker imamo simetriĉno napajanje operacijskega ojaĉevalnika 0 0 0V V V !

Tedaj se izrazi poenostavijo 131 2 12 511

2R

T T T R CR

. Pulzi so torej simetriĉni.

Frekvenca oscilacij f je enaka 13

12 5 11

1 1

2 4

Rf

T R C R .

Slika 67: Trikotni signal za poĉasno opazovanje nihanja membrane

Zgornja slika prikazuje trikotno obliko signala, ki smo jo dobili z uporabo primerjalnika s

histerezo in integratorja. Ta trikotni signal smo peljali na stikalo B primerjalnika.

Frekvenco s katero smo opazovali nihanje membrane smo izraĉunali iz zgoraj navedenih

enaĉb.


56

4.4 Stroboskopsko statično opazovanje s PLL zanko

Aplikacijo bi bilo moţno še nadgraditi s PLL zanko (fazno zaklenjena zanka). Katere

naloga bi bila samodejno prilagajanje dolţine bliska. Na izhodu primerjalnika bi dobili

impulze, katere bi potem zgladili z RC ĉlenom. Napetost z filtra bi nato peljali na VCO, ki

bi nam generiral frekvenco v odvisnosti od napetosti. Z VCO – ja bi naprej peljali vlak

pulzov, na Johnsonov števec, ki bi ga uporabili za delitev frekvence z 10. Njegove izhode

pa bi izkoristili za proţilno vezje. In sicer tako, da bi preko stikala omogoĉali izhode Q0 –

Q9. Te pa preko prilagoditvenega vezje peljali na proţilno vezje in na LED diode.

Slika 68: Statiĉno opazovanje s PLL

Slika 69: Izbira ĉasa bliska

VCONizko -

frekvenčni

filter

Primerjalnik

Delilnik

frekvence

/10

fvhfizh=fvh*10MIKROFON

CP0


57

5 SKLEP

Namen diplomske naloge je bil naĉrtovanje stroboskopske naprave za opazovanje vrteĉih

in gibajoĉih delov elektromehanskih aktuatorjev z moţnostjo meritve frekvence in

odmikov. Poudarek je bil na opazovanju gibanja membrane zvoĉnika. Na ta naĉin je bilo

mogoĉe sklepati o njegovem normalnem delovanju. Za osvetljevanje smo uporabili

svetleĉe LED diode.

Naĉrtali in izdelali smo lastno stroboskopsko napravo, katere naloga je bila:

Upoĉasnjeno opazovanje gibanja membrane zvoĉnika pri razliĉnih amplitudah in

frekvencah,

opazovanje membrane v toĉno doloĉenem poloţaju in med obema skrajnima

legama.

Ta naloga bi se lahko tudi nadgradila, vendar je zaradi obseţnosti ostala le pri razmišljanju

in snovanju vezja, ni pa bila tud testirana. Zamisel je bila kako bi v primeru ko nimamo

dostopa do elektriĉnega signala, ki vzbuja zvoĉnik ali drugi senzor potrebno doseĉi

sinhronizacijo med signalom elektromehanskega aktuatorja in impulznim krmiljenjem

LED diode. To lahko doseţemo s PLL vezjem.


58

6 LITERATURA

1) D. Fefer, A. Jegliĉ, Elektroakustika, Fakulteta za elektrotehniko, raĉunalništvo,

Ljubljana, 1993

2) J. Millman, A. Grabel, Microelectronics, Mc Graw-Hill Book Company, New York,

1987

3) U. Tietze, Ch. Schenk, Electronic circuits: Design and applications, Springer – Verlag,

Berlin/Heidelberg, 1991

4) R. Babiĉ, Operacijski ojaĉevalniki, Fakulteta za elektrotehniko, raĉunalništvo in

informatiko, Maribor, 2001

5) Roland. E. Best, Phase – locked loops, McGraw – Hill, 1984

6) M. Solar, Osnove elektronike, zapiski predavanj, Fakulteta za elektrotehniko,

raĉunalništvo in informatiko, Maribor

7) P. Šuhel, Operacijski ojaĉevalnik v sistemih, D design, Mengeš, 1995

8) http://www.google.si/url?sa=t&source=web&ct=res&cd=1&ved=0CAkQFjAA&url=h

ttp%3A%2F%2Fhrcak.srce.hr%2Ffile%2F61894&rct=j&q=primjene+stroboskopa&ei

=YoEmS7_BDozCsAb6_eX1Bw&usg=AFQjCNHdzoy-Ib3F15G--

3bRDykAEKgLSQ

9) www.fairchildsemi.com/ds/LM/LM555.pdf

10) http://web.mit.edu/6.933/www/Fall2000/edgerton/www/stroboscope.html

11) http://homepages.which.net/~paul.hills/Circuits/Stroboscope/Stroboscope.html

12) http://books.google.com/books?id=SCmbzIVChFQC&pg=PA14&dq=Joseph+Antoine

+Ferdinand+Plateau&lr=&hl=sl#v=onepage&q=Joseph%20Antoine%20Ferdinand%2

0Plateau&f=false

http://www.fairchildsemi.com/ds/LM/LM555.pdfhttp://web.mit.edu/6.933/www/Fall2000/edgerton/www/stroboscope.htmlhttp://homepages.which.net/~paul.hills/Circuits/Stroboscope/Stroboscope.htmlhttp://books.google.com/books?id=SCmbzIVChFQC&pg=PA14&dq=Joseph+Antoine+Ferdinand+Plateau&lr=&hl=sl#v=onepage&q=Joseph%20Antoine%20Ferdinand%20Plateau&f=falsehttp://books.google.com/books?id=SCmbzIVChFQC&pg=PA14&dq=Joseph+Antoine+Ferdinand+Plateau&lr=&hl=sl#v=onepage&q=Joseph%20Antoine%20Ferdinand%20Plateau&f=falsehttp://books.google.com/books?id=SCmbzIVChFQC&pg=PA14&dq=Joseph+Antoine+Ferdinand+Plateau&lr=&hl=sl#v=onepage&q=Joseph%20Antoine%20Ferdinand%20Plateau&f=false


59


60

7 PRILOGE

Seznam prilog:

A. Vsebina priloţene zgošĉenke

B. Slike

C. Ţivljenjepis


61

A. Vsebina priloţene zgošĉenke

Diplomska naloga v .pdf formatu

B. Slike

Slika 70 : Tiskano vezje stroboskopske naprave


62

Slika 71 : Sprednja stran plošĉice

Slika 72 : Spodnja stran plošĉice


63


64

C. Ţivljenjepis

Ime in priimek: Draţen Djukić

Rojstni podatki: 26. 07. 1984

Šolanje: 1991 – 1999 3. Osnovna šola Celje

1999 – 2004 Srednja elektro in kemijska šola, Celje, smer

elektronika

2004 – 2009 Fakulteta za elektrotehniko, raĉunalništvo in

informatiko, smer elektronika, Maribor.

Naslov študenta:

Draţen Djukić

Savinova 4

3000 Celje

E – mail: [email protected]

stroboskopska naprava - connecting repositories · 2017. 11. 27. · zaradi tega so stroboskopi za...

Documents