Mikroelektronika a villamossági eszközökben X.
Jelfeldolgozás
2015/4. lapszám | Porempovics József | 4973 |
Figylem! Ez a cikk 9 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A vezérlő- és szabályozóeszközök elektronikái sokféle külső és belső jelet, környezeti eseményt dolgoznak fel. Ezeket az úgynevezett környezeti változókat, vagyis külső és modulon belüli jeleket különféle áramköri elemekkel és megoldásokkal kell a mikrovezérlő alacsony feszültségű és áramú be- és kimeneteihez, konkrétan a chip kivezetéseihez illeszteni, melyre az előző cikkben már egyszerű példákkal is utaltunk.
A külvilág jelei sokszor nem is elektromos jelek, így az illesztés azzal kezdődik, hogy a környezeti változót villamos jellé kell alakítani, majd az így kapott villamos jelet a mikrovezérlő számára is alkalmas elektromos jelszintre és jelformára kell konvertálni.
Az 1. ábrán a jelillesztések szempontjából megközelítve látható, mely pontokon van szükség a jelek átalakítására és formálására, hogy a mikrovezérlő a saját értelmezési tartományában (feszültség, áram) kapja meg a szükséges információkat a jelfeldolgozáshoz. A chip-kimenetként programozott kivezetéseiről levehető jeleknek pedig a kimeneti meghajtó fokozatokat, teljesítmény MOSFET tranzisztorokat, triakot vagy éppen reléket kell tudniuk vezérelni. A rajzon jelzett környezeti változó a vezérlő-, szabályozómodul funkciójának megfelelő külső jellemzőt jelenti, ami egyébként sokféle lehet, de két főcsoportba sorolhatjuk:
- villamos jelek,
- nem villamos jelek.
A két csoport természetesen különböző szempontok alapján tovább bontható. A gyártók termékkínálata és a leggyakoribb mérendő, feldolgozandó környezeti jelek figyelembevételével pl. a következő csoportok képezhetők (csak a gyakorlatban leginkább előforduló jellemzőkre):
I. Villamos jelek
- Vezérlő kontaktusok, nyomógombok, kapcsolók kezelése (pl. időrelé-indítás, dimmer nyomógomb stb.)
- feszültségfigyelés:
- AC vagy DC,
- AC 1-fázis, AC 3-fázis,
- fázissorrend,
- fáziskiesés,
- fázis-aszimmetria,
- túlfeszültség,
- alacsony feszültség,
- min. – max. szintek („ablak”).
- áramfigyelés
- AC vagy DC,
- áram-határérték („megy – nem megy” kapcsolók),
- min. – max. szintek („ablak”).
- Teljesítménymérés és -figyelés:
- villamos energiafogyasztás,
- cosφ figyelése (szivattyúvédelem!).
II. Nem villamos jelek
- Hőmérsékletszabályozás:
- Fűtés–hűtés szabályozás,
- differenciál-hőmérsékletkapcsolók,
- motorhőmérséklet-figyelők (PTC),
- kapcsolószekrény kényszerszellőztetése.
- Páratartalom-szabályozás:
- párásítás,
- szárítás.
- Fényérzékelés:
- alkonykapcsolók (világítás, redőnyök stb.),
- virradatkapcsolók (napellenzők stb.),
- megvilágítás-szabályozók.
- Mozgás- és jelenlétérzékelés:
- PIR (passzív infra),
- mikrohullámú,
- ultrahangos,
- infrasorompó.
- Folyadékszint- és vízárérzékelés (vízár – pl. csőtörés; vezetőképes folyadékokra):
- folyadékszint-szabályozó (töltés vagy ürítés),
- folyadékszint-kapcsoló,
- folyadék- (víz) érzékelés.
A felsorolás és csoportosítás nem teljes, főleg azokat a jellemzőket tartalmazza, melyekhez gyártanak megfelelő és jó ár/érték arányú eszközöket, elsősorban moduláris kivitelben, ezért kapcsolódnak a cikk témaköréhez. Levonható az a következtetés is, hogy sokféle bemeneti jelet kell illeszteni egy-egy moduláris készülék elektronikájához, de ez szerencsére nem olyan nagy probléma, mint amilyennek látszik. Nézzük sorban, hogyan oldható meg az egyes jelek átalakítása a mikrovezérlő számára is felhasználható formára.
Nyomógombok és kapcsolók elektronikával történő kezelésekor a kontaktusok két állapotát, vagyis zárt és nyitott helyzetét kell megkülönböztetni a fogadó elektronikának. Az előző cikkben bemutatásra került néhány megoldás, igaz, itt a belső elektronika saját jelszintjeivel illesztettük a kontaktust, konkrétan egy tápfeszültségre felhúzó ellenállás nyitott kontaktusnál megadja az alap jelszintet a bemeneten, a nyomógomb kontaktusának zárása pedig a másik potenciál szintjére „lehúzza” a bemenetet (pl. GND), így megkülönböztetve a zárt és nyitott kontaktusállapotokat.
Egy időrelé indítójele vagy egy fényerőszabályozó vezérlőgomb bemenete a belső, áramkörök védelme és az egyértelmű bekötés miatt legtöbbször egyáltalán nem használja közvetlen formában a belső alacsony feszültségű, egyenáramú tápegységet, illetve a mikrovezérlő tápfeszültségét, ha mégis, akkor több áramköri elemen át leosztva, konvertálva és formálva juttatja el a bemenetre a külső feszültségjelet. Mivel a kontaktust, nyomógombot kívülről kell illeszteni, ezért általában a bekötött tápfeszültség valamelyik potenciálját kell a vezérlő bemenetre kapcsoltatni a kontaktussal. Ha megnézzük pl. egy időrelé vezérlő bemenetének bekötési rajzát, akkor látjuk, hogy még az sem mindegy, melyik tápfeszültség-bekötési pont potenciálja kerül a vezérlő bemenetre (2. ábra). Ez azért van így, mert a kontaktust fogadó bemeneti áramkör alaphelyzetében éppen a másik bekötött potenciálpont által meghatározott feszültségen van (mint az említett példánál a felhúzó ellenállással), tehát nyitott kontaktusnál is van feszültség a bemeneten, csak éppen a másik potenciálpontról leosztva. Ez egyben azt is jelenti, hogy a bemenet közvetlen, galvanikus kapcsolatban állhat a hálózati feszültséggel, érintése életveszélyes lehet.
Más a helyzet az előző cikkekben említett galvanikusan leválasztott bemenetekkel, ahol az optikai csatolóval rendelkező bemenetnek mindkét potenciálját kívülről kötjük be, így tudható, hogy a bemeneti csatlakozópont milyen feszültségen van (törpefeszültséggel is vezérelhetünk), és érintésvédelmi szempontból kockázati tényező-e. Ugyancsak védettnek tekinthető a bemenet, ha maga a modul belső tápegysége galvanikusan leválasztott a vezérlő áramkörtől. Az ilyen bemenetek egyébként is jellemzően úgynevezett „szárazkontaktusokat” fogadnak (potenciálmentes), tehát a bekötendő nyomógomb vagy kapcsoló nem közvetíthet külső jeleket, illetve valamilyen külső érzékelő köthető a bemenetre, melynek eleve leválasztottnak kell lennie (pl. folyadékszint-szondák medenceszint-szabályozásnál). Az előző cikkekben tárgyalt buck konverteres tápegység történetesen nem ilyen.
A 3. ábrán egy bemeneti nyomógombot fogadó áramköri részlet látható a bemeneti védelemmel, jelillesztéssel és jelformálással együtt. Egy adott eszköz funkciójának megfelelően természetesen nem csak nyomógombot lehet így illeszteni, hanem kapcsolót vagy bármilyen külső kontaktust is, pl. vezérlőjelet, ami egy másik vezérlőeszköztől érkezik. A kontaktus zárásakor és nyitásakor különböző folyamatok indulhatnak el az eszközben, ami csupán szoftver kérdése. Egy multifunkciós időrelénél pl. a kiválasztott funkciónak megfelelően indulhat az időzítés a START gomb felfutó vagy lefutó élére, de program kérdése az is, hogy impulzussal vagy állandó zárt kontaktussal működik egy-egy funkció.
A bemenetet kezelő áramkör működésének ismertetését a mikrovezérlő bemenete felől kezdjük, ami a 3. ábra jobb alsó részén látható. Alaphelyzetben a PNP tranzisztor zárva van, tehát nem vezet, így a kimeneten a 10 kOhm-os ellenállással „lehúzott” GND, azaz nulla volt jelenik meg. A GND potenciál, mint a belső áramkörök nulla potenciálja már értelmezhető a mikrovezérlő számára is, hiszen a saját GND-je is ugyanez a potenciál, tehát alapállapotban, amikor a nyomógomb nincs lenyomva, GND (0 V) van a mikrovezérlő bemenetén. Az áram útját a zöld nyíl jelzi. Ha a nyomógomb kontaktusa záródik, akkor a jelillesztőkön keresztül a PNP tranzisztor kinyit, tehát vezetni fog, mégpedig a belső áramkörök pozitív +Vdd tápfeszültségét kapcsolja rá a mikrovezérlő bemenetére – ezt a pirossal jelzett áramút mutatja. Tehát a mikrovezérlő bemenetének GND pont 0 V-os feszültsége (logikai „0”) jelenti a program számára az alapállapotban lévő nyitott kontaktusú nyomógombot, a Vdd feszültség pedig, mint logikai „1” érték, a zárt kontaktust, vagyis a gombnyomást.
Az „S” bemenettől végigkísérve az áramkört, az A2-S pontok között találjuk a túlfeszültségek ellen védő varisztort. Ebben az áramkörben van egy másik varisztor is, ami a tápfeszültség- bemeneteket védi, erről volt már szó a tápegységekkel foglalkozó cikkben is. Annyit érdemes megemlíteni, hogy vannak eszközök, melyekből hiányoznak ezek a védelmi alkatrészek, ez is az eszköz- és gyártóválasztás szempontja lehet. A következő alkatrész az 1N4007 típusú szilíciumdióda, mely 1 A/700 V paraméterekkel rendelkezik, és az egyenirányítás mellett védelmi funkciókat is betölt.
Alapállapotban, amikor az „S” pontra nincs feszültség kapcsolva a nyomógomb által, az NPN tranzisztor zárva van (nem vezet), így az optikai csatoló infra diódája sem kap feszültséget. Az optikai csatoló kimeneti tranzisztora nem kap vezérlést, ezért zárva van (nem vezet), és nem tudja kinyitni a PNP tranzisztort. A PNP tranzisztort az emitter-bázis közötti ellenállás tartja a „Vdd” potenciál közelében, ezért az zárva lesz, nem vezet, így a GND potenciál kapcsolódik a mikrovezérlő bemenetére, mint logikai „0” szint. Vegyük észre, hogy az optikai csatoló diódájának katódja az „A2” tápfeszültség ponthoz kapcsolódik, ezért alapállapotban sincs galvanikusan leválasztódva az „S” bemenet, vagyis ott feszültség mérhető, érintése életveszélyes lehet.
Ha az „S” bemenetre az „A1” feszültségét kapcsoljuk, akkor az NPN tranzisztor kinyit (vezet), ezzel aktiválja az optocsatoló diódáját, melynek hatására az optocsatoló tranzisztora is vezetni fog, és rákapcsolja a PNP tranzisztorra a GND-t. Az PNP tranzisztor kinyit, ezzel a mikrovezérlő bemenetét a „Vdd” feszültségére, logikai „1” szintre húzza.
A kontaktuskezelés hardver része ezzel rendben is lenne, ám a mikrovezérlő csak akkor tud valamit kezdeni vele, ha fel van töltve, programozva a megfelelő programmal. A mikrovezérlők konkrét programozásával nem foglalkozunk, ehhez elegendő információt és segédanyagot szolgáltatnak a chipgyártók. Maga a programozás egyébként egy programozó adapter segítségével, általában USB kapcsolattal elektronikusan történik, leegyszerűsítve, be kell tölteni a mikrovezérlő programmemóriájába a bináris alakú kódokra konvertált programot. A „beégetni” szóhasználat ma már nem állja meg a helyét, régebben EPROM vagy PROM memóriák tartalmazták a programot, ahol tényleg át kellett égetni a memóriacellák kis „biztosítékjait”.
Maga a program, amit betöltünk a mikrovezérlőbe, úgynevezett elemi utasításokból áll össze, függetlenül attól, hogy esetleg fejlett programozási nyelven (pl. C) íródott-e, vagy assembly (gépi kódú) nyelven. A programírás vége mindig ugyanaz – a mikrovezérlő számára is érthető kettes számrendszerű kódokká kell konvertálni a programot. A 4. ábrán a tárgyalt bemenet egy lehetséges szoftveres kezelésének folyamatábrája látható. A mikrovezérlő folyamatosan teszteli a bemenetet, hogy változott-e a jelszintje, jelen esetben „0”-ról „1”. Ha „1”, akkor bizonyára gombnyomás történt, ezért elindul egy belső késleltetés, ami a nyomógomb kontaktusainak pergését hivatott kiszűrni. Ha a késleltetés letelte után is „1” a bemenet, akkor már biztosak lehetünk abban, hogy megtörtént a gombnyomás, elindítható a kívánt folyamat. A folyamat végén, ha a működés megkívánja, újra figyelhető a bemenet, és újra lejátszható a teljes folyamat.
Ha erre nincs szükség, akkor nincs tovább művelet, csak a teljes rendszer újraindítása hozza alapállapotba a rendszert. A nyomógomb megnyomásának figyelése fordítva is lehetséges, amikor teszteljük, hogy megnyomták-e a gombot. A nyomógomb-kontaktus zárására még nem indul el a folyamat, hanem késleltetés, majd újra figyeljük a bemenetet, hogy elengedték-e a nyomógombot és ha igen, akkor indul a tényleges funkció végrehajtása.Remélem, sikerült képet kapni egy átlagos eszköz átlagos bemenetének működéséről. A következőkben folytatjuk a bemenetek, pl. a hőmérsékletérzékelők hardveres illesztésének tárgyalását.
