Mikroelektronika a villamossági eszközökben XIII.
2015/9. lapszám | Porempovics József | 6481 |
Figylem! Ez a cikk 10 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Folytatva az előző cikkben megkezdett, érzékelőkkel rendelkező moduláris eszközök belső világába történő betekintést, most egy viszonylag népszerű és gyakori eszköz, az alkonykapcsoló áramköri alapmegoldásait tekintjük át.
Az alkonykapcsolóknál a fényérzékelő elhelyezkedése alapján két alaptípus terjedt el. Egyik típus a beépített fényérzékelővel rendelkező alkonykapcsoló, melynek telepítése nem a szekrénybe szereléshez van tervezve, hanem közvetlenül a külső térbe, így a fényérzékelő, a feldolgozó áramkör és a kapcsolóeszköz (relé) is egybe van építve, vezetékezni is ennek megfelelően kell (fázis–nulla–kapcsolt). A másik típus a moduláris, DIN sínre rögzíthető alkonykapcsoló, melynél a fényérzékelőt két vezetékkel kell az érzékelés helyétől az elosztószekrényig vezetékezni, minden más be- és összekötés a szekrényben oldható meg. Mindkettőnek van előnye és hátránya. A kültéri változatnál csak három vezetéket kell bekötni, viszont az elektronikai áramkör – beleértve a beállító szerveket is – ki van téve a külső tér időjárási viszontagságainak, esőnek, hidegnek és melegnek, ráadásul a beállítás módosításához – ami egyébként ritkán szükséges – esetleg létrát is kell használni. A kültéri alkonykapcsolók éppen az előzők miatt min. IP54, de inkább magasabb védettségűek. A moduláris, beltéri változatoknál ugyan legalább kettővel több vezetéket kell bekötni (érzékelő), de bármikor cserélhető, átállítható vagy módosítható a vezérlés logikája. Nem túl nagy hátránya, hogy az érzékelő és a modul közötti vezetékezés hossza korlátozott, ami pl. 50 méter is lehet egyes típusoknál, így az alkalmazások többségénél elegendő. Az érzékelőt viszont mindkettőnél időnként ugyanúgy takarítani kell, hiszen a fényáteresztő védőburkolat alatt egy fényérzékeny elektronikai alkatrész lapul, mely a legtöbb esetben fotoellenállás (LDR = Light Dependent Resistor), ritkábban fototranzisztor vagy fotodióda. A fényérzékenység állandósága nagyban függ a fényáteresztő védőburkolat tisztaságától, illetve annak öregedéssel szembeni ellenálló képességétől, ami a nagy hőmérsékletingadozásoktól és az UV sugárzástól is felgyorsulhat. A burkolatok anyagának megválasztásával a gyártók lassíthatják ezeket a folyamatokat.
1. ábra:A fotoellenállás az alkonykapcsolók tipikus fényérzékelője. Egy félvezető elektronikai alkatrész, melynek ellenállása a megvilágítás mértékétől függ. Sötétben nagyobb, világosban kisebb az ellenállása. 1a. rajzjel; 1b. fotoellenállás
Az 1. ábrán egy tipikus fotoellenállás és kapcsolási rajzjele látható, valamint egy táblázat, mely bemutatja a megvilágítás és az ellenállás közötti összefüggést. Hogy a jelentések se maradjanak ki: a megvilágítás SI mértékegysége a lux, mely az 1 m²-re eső fényáramot (lumen) jelenti. Látható, hogy nagyobb megvilágításhoz a fotoellenállás alacsonyabb ellenállása tartozik, tehát fordított az összefüggés, ami a fotoellenállás működéséből fakad. A fotoellenállás egy két kivezetéses félvezető alkatrész, mely pl. Kadmium-szulfidból (CdS) készül. A félvezető anyagának töltéshordozói sötétben nem vagy alig mozognak, így két kapcsa között nincs vagy nagyon kicsi az elektromos vezetetés, ezért viszonylag nagy ellenállást képvisel. Fény hatására gerjesztést kapnak a töltéshordozók, és a megvilágítás nagyságának megfelelően beindul a töltéshordozók rendeződése, a fotoellenállás vezetni kezd, tehát csökken az ellenállása.
A 2. ábra egy ilyen fotoellenállással szerelt külső érzékelős tipikus moduláris alkonykapcsolót mutat be. Nyilván itt nem a vezérlő teljesíti a megfelelő IP védettséget, hanem az érzékelő burkolata, mely a példában szereplő típusnál IP56. Az alkonykapcsoló előlapján két beállító potenciométer található, egyik a kimenet kapcsolásának megvilágítási határát állítja, másik a kihagyhatatlan késleltetést, ami a felvillanó, rövid idejű fényhatásokkal szembeni védelmet biztosítja. A DIP kapcsolókkal a mérési tartomány és az üzemmód választható ki. A bemutatott eszköz bekötésénél találunk egy kapcsolóhoz használható sorkapcsot is, mely a működési diagramból kiolvasva a kimenet letiltását, blokkolását végezheti el, ha be van kötve („A1” potenciálját kapcsolja). Ez lehet egy kézi kapcsoló, de letilthatjuk valós időre is, pl. egy kapcsolóóra kimenetével, így alkonyatkor bekapcsol a világítás, de pl. éjfél után már kikapcsol, mert nincs szükség éjszaka az üzlet kirakatát akkora fénnyel megvilágítani, energiatakarékossági okokból.ű
2. ábra:Moduláris kivitelű alkonykapcsoló külső fényérzékelővel és blokkoló bemenettel 2a. Alkonykapcsoló fényérzékelő 2b. Alkonykapcsoló vezérlő 2c. Alkonykapcsoló bekötése 2d. Alkonykapcsoló működése
Az alkonykapcsolás valós időben történő tiltása vagy engedélyezése egyébként másképpen is megoldható, léteznek erre speciális eszközök vagy megoldások, a teljesség igénye nélkül talán segít a megfelelő megoldás kiválasztásában az alábbi rövid lista:
1. alkonykapcsoló blokkoló bemenettel + kapcsolóóra,
2. digitális alkonykapcsolóval egybeépített kapcsolóóra,
3. asztronómiai programot is tartalmazó kapcsolóóra.
Az asztronómiai kapcsolóórához hozzá kell tenni, hogy a valós idejű kapcsolások mellett nem csak alkonyra, hanem virradatra is tud kapcsolni. Igaz, mindezt a csillagászati napkelte és napnyugta alapján teszi, tehát pl. a borultabb égboltot nem veszi figyelembe, mert nincs fényérzékelője. Jól jöhet olyan helyeken, ahol nincs lehetőség vezetékezni az elosztószekrény és a külvilág között.
A kis kitérő után nézzük meg, hogyan lehet egy fotoellenállás ellenállásjelét fogadni, feldolgozni elektronikai eszközökkel. Mivel tulajdonképpen ellenállás méréséről van szó, kézenfekvő, hogy ugyanazt a technikát alkalmazzuk, amit az előző cikkben tárgyalt hőmérsékletérzékelők esetében tettünk, vagyis az egyszerű feszültségosztót. A feszültségosztó kimenete így a megvilágításnak megfelelő egyenfeszültség lesz, melyet az alkonykapcsolók többféle módon, alapvetően analóg vagy digitális formában dolgoznak fel.
Virradat- és alkonykapcsoló. A két egyszerű kapcsolás akár meg is építhető amatőr célokra és elemmel, akkumulátorral is működtethető. Minden alkatrésze kapható kereskedelmi forgalomban.
Egyenfeszültségről működő, akár hordozható formában is megépíthető kapcsolások láthatók a 3. ábrán. Az első egy virradatkapcsoló, melynél a fotoellenállás ellenállása – az előzőkben tárgyalt működésénél fogva – alaphelyzetben (sötétben) olyan nagy értékű, hogy nem képes a kapcsoló tranzisztort kinyitni. Ha a megvilágítás nő, vagyis virrad, akkor a fényellenállás ellenállása csökken, így pozitívabb feszültség kerül a tranzisztor bázisára. Amikor a bázisfeszültség eléri a tranzisztor nyitási küszöbét, melyet a potenciométerrel beállítottunk, kinyit a tranzisztor, ezzel GND-re (0 V-ra vagy testre) húzza a kollektorát, és behúz a kimeneti relé.
Az alkonykapcsolónál a fotoellenállás ellenkező potenciálra van beépítve, így a báziskört a negatív potenciál felé húzza, ezért alaphelyzetben, vagyis nappali fénynél elég kicsi az ellenállása ahhoz, hogy zárva tartsa a tranzisztoros kapcsolót. Sötétedéskor a fotoellenállás ellenállása nő, a feszültségosztó miatt a bázisfeszültség egyre nagyobb lesz. Amikor eléri a kapcsolási szintet, akkor a tranzisztor kinyit. A tényleges alkonykapcsolók persze nem a fenti áramkörrel működnek, hiszen nincs pl. késleltetés a két tranzisztoros kapcsolásban, bár az is hozzátervezhető viszonylag könnyedén (pl. NE555 IC-vel). Másik probléma a megvilágítás mérésének tartománya és annak linearitása, melyet az analóg működésű alkonykapcsolóknál általában egy külön kapcsolóval lehet megválasztani (pl. 1-100 és 100-50 000 lx), digitális alkonykapcsolónál ezt az eszköz szoftvere is képes megoldani.
Az analóg alkonykapcsolók szinte mindegyike úgynevezett műveleti erősítővel van felépítve. A műveleti erősítő ma már integrált áramkör (IC), elnevezése onnan ered, hogy először számítási műveletekhez alkalmazták a kapcsolástechnikáját korabeli számítógépeknél, főleg a hadiiparban. Nagy feszültségerősítésű különbségerősítő áramkörök, nagy bemeneti és kis kimeneti ellenállással és sok más olyan jellemzővel rendelkeznek, ami széles körben használhatóvá teszik őket pl. analóg jelek feldolgozásához, jelformáláshoz vagy akár komparátorként jelek összehasonlítására. A két bemenet két feszültségének összehasonlítási képessége kifejezetten alkalmassá teszi pl. fotoellenállás jelének fogadására és alkonykapcsoló készítésére – egyik bemeneten a fotoellenállás által leosztott feszültség, másik bemeneten a potenciométerrel beállított referenciafeszültség, ami tulajdonképpen a kapcsolási határértéket adja meg. A 4. ábrán egy ilyen műveleti erősítővel kialakított moduláris alkonykapcsoló elektronikájának egy részlete látható.
Moduláris alkonykapcsoló elektronikájának részlete. Az analóg áramkörrel gyártott alkonykapcsolók többsége műveleti erősítővel dolgozza fel a fényérzékelő analóg jelét. Komparátorként használva mind a kapcsolási szint beállítása, mind a bekapcsolási késleltetés megoldható ezzel az analóg áramkörrel.
Elektronikailag csak a szükséges mértékben részletezzük az áramkör működését, logikailag viszont végigmegyünk a feldolgozás folyamatán. A használt műveleti erősítő IC tokozata két önálló műveleti erősítőt tartalmaz, erre utal az U1A és U1B jelölés. Az U1A műveleti erősítő egyik bemenetére (3) a fotoellenállás kerül, néhány illesztő és szűrő, jelformáló alkatrészt követően. A műveleti erősítő másik (2) bemenetére egy feszültségosztó kapcsolódik, melynek egyik eleme a kapcsolási szint beállítására szolgáló előlapi potenciométer. Az UA1 összehasonlítja a két bemenet feszültségszintjeit, és a különbségnek megfelelően változtatja a kimenet (1) feszültségét a testpont és a tápfeszültséghez közeli potenciálok között.
Ha a megvilágítás csökken (sötétedik), akkor a fotoellenállás ellenállása egyre nagyobb lesz, tehát egyre kevésbé húzza testpotenciálra a bemenetet. Amikor a két bemenet közötti különbség átbillen, vagyis a beállított szint fölé kerül az érzékelő bemenete, akkor közel a Vcc tápfeszültségre kapcsol a kimenet (1), és a P2 potenciométeren keresztül elkezdi tölteni a 220 µF értékű elektrolit kondenzátort (bekapcsolás- késleltetés). Ha a kondenzátor feltöltődé-sekor az U1B erősítő 5. bemenetének a feszültsége meghaladja a 6. bemenet referencia feszültségét, akkor a kimenet (7) közel Vcc feszültségre vált (0 V-ról), és ezzel a jellel már kapcsolható a kimeneti relé egy tranzisztoros kapcsoláson keresztül. A P2 potenciométerrel a késleltetés időtartama állítható, általában 0- 2 perc között.
Ha sötétedés után a bekapcsolt eszköz érzékelője olyan mértékű nem kívánatos, rövid idejű megvilágítást kap (fényvillanás), ami egyébként kikapcsolná a kimenetet (mintha nappal lenne), akkor az első erősítő kimenete erre az időre közel a testpontra kapcsolódik, kis kimeneti ellenállásán és a potenciométeren át elkezd kisülni a C4 kondenzátor. Amennyiben a fényvillanás, mint zavarjel rövidebb idejű, mint a kondenzátor kisülésének időtartama (P2-vel beállítva), akkor a kimenet visszaáll Vcc feszültségre, és visszatölti a kondenzátort, a kimenet így figyelmen kívül hagyja a zavarjelet. Ha hosszabb idejű a megvilágítás növekedése, akkor elvileg nappal van, a kondenzátor kisül, az U1B bemenet (5) feszültsége alacsonyabb lesz a referencia feszültségnél, a kimenet kikapcsol. A műveleti erősítők egyébként itt ún. Schmitt-trigger kapcsolásban is vannak, ami azt jelenti, hogy hiszterézissel kapcsolnak be és ki, vagyis más feszültségértéken kapcsol be és máson ki, amivel egy stabilabb állapotváltás érhető el.
A digitális működésű alkonykapcsolók mikrovezérlői legegyszerűbben az előző részben tárgyalt kapcsolás szerint tudják fogadni a fotoellenállás jelét. Az ehhez kapcsolódó kapcsolási rajzban a termisztor helyett berajzolva (feszültségosztó) már csak a programtól függ, hogy a fotoellenállás karakterisztikájának megfelelően, alkonykapcsolóként működjön az eszköz, ne pedig termosztátként.
A következő részben a folyadékszint-érzékelés, szabályozás lesz a téma.
