Barion Pixel

Villanyszerelők Lapja

Vezérléstechnika

Mikroelektronika a villamossági eszközökben XII.

2015/7-8. lapszám | Porempovics József |  5065 |

Figylem! Ez a cikk 7 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

Környezetünk jellemzőit és azok változásait érzékszerveinkkel érzékeljük, és sok esetben fel is dolgozzuk valamilyen szubjektív folyamat során, pl. ha fázunk, akkor befűtünk, ha huzat van, bezárjuk az ablakot, ha esik az eső, esernyőt tartunk a fejünk fölé stb. Az ember így akár egy komplett szabályozási körként is felfogható, annak minden elemét magunkban hordozzuk (érzékelő, jelfeldolgozó, beavatkozó stb.), sőt annál sokkal többet is, hiszen a gondolkodás, az emlékezés, az elemzőképesség és sok más, csak az emberre jellemző tulajdonság szuperszámítógéppé varázsol bennünket.

Érzékelők

Persze nem mindenre tudunk vagy akarunk figyelni, nagyon sok dolgot nem pontosan érzékelünk, értelmezünk, pl. nem hallunk ultrahangot a fülünkkel, nem látunk az infravörös fénytartományban, de jó pár egyszerűbb dolgokban sem vagyunk profik, így pl. egy szoba hőmérsékletét is csak saccolni tudjuk, ami persze sok esetben bőven elegendő. Egyre kényelmesebbek is vagyunk, szeretjük, ha bizonyos dolgok maguktól megoldódnak, önállóan működnek, ezért különböző automatikákat találunk ki céljaink eléréséhez, ilyen pl. napjaink slágere, az „intelligens otthon”.

A kényelmünket és a tőlünk pontosabb, megbízhatóbb működést célzó modern auto-matikák többsége elektronikus eszköz, és néhány nagyon egyszerű szabályozó kivételével szinte kizárólag digitális működésű, tehát tartalmaz valamilyen jelfeldolgozó processzort, mikrovezérlőt, sőt sokszor igény a számokkal, szimbólumokkal történő digitális kijelzés is. Környezetünk jellemzői viszont – melyeket mérve és feldolgozva szeretnénk folyamatokat automatizálni – ősidők óta analóg jelek, ráadásul a legtöbb esetben nem is villamos jelek. Tehát az analóg jeleket digitálisan kell feldolgoznunk, ami csak úgy lehetséges, ha az analóg, nem villamos jellegű környezeti jellemzőt (pl. hőmérséklet) először valamilyen elektronikusan értékelhető jellemzővé (pl. elektromos ellenállás) alakítjuk, melyből aztán analóg villamos jelet formálunk (pl. egyenfeszültség).

Környezetünk analóg jeleit a modern eszközök digitális formában, bináris számsorrá alakítva képesek feldolgozni. A valóságban egy szenzor tartalmazhatja akár a rajzon feltüntetett összes elemet, de vannak univerzálisan használható jeladók is, melyek pl. csak analóg jelet (pl. 0 (1) - 10 V DC) szolgáltatnak a kimenetükön, a digitalizálás a felhasználó minőségi, pontossági igénye szerint történhet, egyedi megoldásokkal.

A villamos jellé történő átalakításhoz a mérendő környezeti jellemző tulajdonságaira érzékeny elektronikai alkatrészt használunk, pl. termisztort, mint érzékelőt, melynek elektromos ellenállása hőmérsékletfüggő. Az így kapott ellenállást már viszonylag egyszerű módszerekkel, pl. feszültségosztóval egyenfeszültséggé alakíthatjuk. A mérendő jellemzővel valamilyen karakterisztika szerint összefüggő villamos jelet egy úgynevezett analóg-digitál átalakító segítségével digitális adatokká alakítjuk, bitekre, azaz kettes számrendszerű számokká konvertáljuk (pl. 9 °C = 1001 a kettes számrendszerben). A kapott digitális adatot, – mely a mért jellemző aktuális értékét megadó bináris szám – a jelfeldolgozó számítógép felhasználja a további műveletekhez, szabályozásokhoz a programozott algoritmus szerint. (Az analóg és digitális közötti különbségről már volt szó a lap régebbi számaiban, ezért itt ezt nem fejtegetjük.) Az 1. ábra elméleti síkon vezet végig a leírt folyamaton, de nézzük meg a gyakorlatban is. Az egyik leggyakrabban mért és feldolgozott környezeti jellemző a hőmérséklet, ezért egy termisztoros hőmérsékletérzékelővel kiépített konkrét termosztát, moduláris szabályozó áramköri kialakítását vizsgáljuk. A 2. ábrán látható egy modul méretű termosztát mindent tartalmaz, ami egy egyszerű, átlagos hőmérsékletszabályozóhoz szükséges. A bekötési rajz szerint a tápfeszültség és a relékimenet megfelelő csatlakoztatásán kívül csupán a megfelelő külső hőmérséklet-érzékelőt kell odavezetni, majd beállítani a kívánt hőmérsékletet és üzemmódot… és már működik is az automatikus szabályozás.

Jelen esetben a hőmérsékletérzékelő egy 12 k /25 °C névleges értékű NTC termisztor. Az NTC egy ellenállás típusú hőmérsékletérzékelő, mely nevének megfelelően (Negative Temperature Coefficient = negatív hőmérsékleti együttható) a hőmérséklet változásával fordított irányban változtatja ellenállását: ha emelkedik a hőmérséklet, akkor csökken az ellenállása és fordítva. Egy tipikus NTC karakterisztikáját a 3. ábra táblázata szemlélteti, összehasonlítva a Pt100 érzékelővel. Az alapkülönbség azonnal szembetűnő (lásd a képaláírást).

Az érzékelő által szolgáltatott elektromosan feldolgozható jellemző az elektromos ellenállás, illetve annak változása a hőmérséklet függvényében. A 4. ábra a legegyszerűbb áramköri megoldást mutatja a jel feldolgozására. Az ábra szerint az R1=12 k -os ellenállás és a névlegesen szintén 12 k -os NTC termisztor egy feszültségosztót alkot, melynek kimeneti feszültsége a névleges 25 °C-on éppen a Vref referencia feszültség fele, amit a két ellenállás csatlakozási pontján lehet mérni. A hőmérséklet változásával természetesen változik az NTC ellenállása, ezzel a feszültségosztó kimenetének feszültsége is, így a két ellenállás közös pontján a jól ismert feszültségosztó képlettel számolható Uki=Vref x RNTC/ (R1+RNTC) érték mérhető. Ez a feszültség az érzékelő lineáris tartományában egy függvény alapján kiértékelhető.

A lineáris tartomány az érzékelő karakterisztikájának az a része, ahol az ellenállás változása arányos a mérendő hőmérséklet változásával, ami egyben azt is jelenthetné, hogy csak ebben a tartományban használható egy adott érzékelő. A valóságban – éppen a digitális jelfeldolgozásnak köszönhetően – a lineáris tartományon kívüli értékek is az általános alkalmazásokhoz kellő pontossággal mérhetők, ugyanis a computer (mikrovezérlő) programjában ezeket a tartományokat fel lehet osztani kisebb részekre, ahol még lineáris a változás, de más-más függvény szerint, így a program másként, az éppen adott tartománynak megfelelően számolja ki és korrigálja a bemeneti jelből konvertált digitális adatokat.

A hőmérsékletnek megfelelő feszültségjel tehát beérkezik a mikrovezérlő egyik portjára – konkrétan egyik kivezetésére. A mikrovezérlők úgynevezett port lábainak működése programozottan kiválasztható: lehet digitális vagy analóg bemenet, illetve digitális kimenet (némelyik analóg kimenet vagy PWM). Ebben az esetben a hőmérsékletérzékelő jelét fogadó port lábat természetesen analóg bemenetként kell programozni, így a mikrovezérlőben lévő elektronikus kapcsoló (multiplexer) a chipen kiképzett analóg-digitál átalakító mintavevő/tartó áramkörére kapcsolja a bemeneti pontot. A mintavevő/tartó áramkörre azért van szükség, hogy az analóg-digitális átalakítás idejére egy állandósult bemeneti jel álljon rendelkezésre. A mintavételezett és tárolt analóg érték már a tényleges analóg-digitál konverterre kerül, ahol megtörténik a digitalizálás.

Az analóg-digitál átalakítók működésére nem térünk ki, a konvertálás módszerei nem kapcsolódnak közvetlenül a témához. Néhány adat azonban fontos lehet, bár az itt bemutatott moduláris termosztát alkalmazásánál nem feltétlen szükségesek ezek az információk.

A kétféle ellenállás típusú hőmérsékletérzékelő közötti alapkülönbség, hogy az NTC egy termisztor – negatív együtthatóval, a Pt100 pedig egy termo-ellenállás – pozitív együtthatóval. Másik markáns különbség, hogy az itt szereplő NTC Celsiusonkénti ellenállás-változása nagyságrendekkel nagyobb, mint a Pt100-é, éppen ezért a Pt100-at feltétlen kalibrálni kell a vezetékek miatt, míg ennél a viszonylag nagy ellenállást képviselő NTC-nél egy átlagos vezetékezés ellenállása nem számottevő tényező a mérés befolyásolásában.

A teljesség igénye nélkül: egy A/D átalakítónál alapvetően felmerülő egyik ilyen adat a mintavételi frekvencia, ami a konverzió gyorsaságát határozza meg, és főként gyorsan változó jelek mérésénél, feldolgozásánál feltétlenül figyelembe veendő, pl. digitális oszcilloszkóp vásárlásakor. Egy másik alapjellemző a felbontás, azaz hány biten adja vissza a konverter az analóg értéket. Vegyünk pl. egy 8 bites átalakítót, mely 28=256 biten képes megadni egy analóg jel digitális értékét. Tehát például, ha 0… 60 °C közötti tartományban mérünk az NTC-vel, akkor ezt a 8 bites átalakító 60/256= 0,234375 °C felbontással, 256 részre (digitális értékre) képes konvertálni, így 0,234375 °C a legkisebb kiértékelhető hőmérsékletváltozás. A bemeneten ennek megfelelően pl. 0...5 V DC feszültségtartománynál 5/60=83 mV feszültséget jelent 1 °C hőmérsékletre (lineáris tartományt feltételezve), illetve 5/256=0,01953125 V feszültséget jelent bitenként. A mikrovezérlő programja ennek megfelelően rendeli össze a valós hőmérsékletet a hozzá tartozó digitális értékkel, melyet aztán további programozott feldolgozás követ.

Ilyen lehet a különböző korrekciós műveletek kiszámítása, illetve az egész szabályozás végcéljának végrehajtása. A termosztát hőmérséklet beállító potenciométerének szintén analóg jelét be kell olvasnia, digitális értékre kell konvertálni, hogy összehasonlítható legyen a mért értékkel. A két bináris szám (mért és beállított hőmérséklet) összehasonlításakor a program természetesen figyelembe veszi még a hiszterézist – ami ugyancsak potenciométeren állítható, tehát ezt is konvertálni kell –, majd az eredménytől függően kiküldi a mikrovezérlő kimeneti, relét működtető lábára a relé be- vagy kikapcsolási jelét, és a 2. ábra szerint vezérli a funkciójelző piros LED-et is.

A következő részben egy alkonykapcsoló fényérzékelésének és egy folyadékszint-szabályozó szintérzékelésének tipikus módszereit vizsgáljuk meg elektronikai oldalról is megközelítve.

Elektronika