modul_2

modul b Senzori i obrada signala

OKT 2009

MEHATRONSKI SISTEMI 2009/10 Prof.dr Petar B. Petrovi, Mainski fakultet univerziteta u Beogradu

1

OKT 2009


2

Senzoriimehatronskisistem HMI Mehaniki sistemmodel sistema, dinamiki odziv, simulacija LED, LCD, CRT, TFT, interaktivni digitalni displeji

Senzoriprekidai, tasteri, potenciometar, fotoelektrini pretvarai, merne trake, termoparovi, , p , akcelerometri, MEMs, ...

Kondicioniranje i interfejs ulazadiskretni sistemi, pojaivai, filteri, ADC, filteri ADC inteligentni sistemi MEMs, ...

Digitalni upravljaki sistemlogika kola, mikrokontroler, PLC, upravljaki algoritmi, komunikacija i umreavanje

Aktuatorisolenoidi, servo motori, l idi t i korani motori, elektromagnetne sklopke, elektromagnetni ventili pneumatski i hidraulikih instalacija

Kondicioniranje i interfejs izlazaDAC, PWM, pojaivai i snani tranzistorski izlazi

Digitalni interfejsiRS232, RS485, CAN, Profibus, Profibus EthernetOKT 2009


3

Uokviruovogmodularazmatrajusesenzorskisistemineophodnizainterakcijudigitalnog raunarasanjegovimokruenjem.Dabiseostvarilainterakcijasaokruenjemneophodanjerad sadigitalnimianalognimsignalimakojisedovodenaulazneiizlazefizikekanaledigitalnog raunara,kaoiradsafizikimkanalimakojiomoguavajuumreavanje,odnosnodigitalnu komunikacijusadrugimmikroprocesorskimsistemima,ukljuujuiinteligentnesenzoreiHMI (HumanMachineInteraction)sistemezaintrakcijuoperatorasamehatronskimsistemom. Materijakojaseobradjujeuokviruovogmodulaobuhvatasledeeceline b1: Principelektrinihmerenjaneelektrinihveliina,poluprovodniciikondicioniranje signala; b2: Diskretnisignali,digitalniulazniiizlaznikanali,digitalnisenzoriiaktuatori; b2 Di k t i i li di it l i l i i i l i k li di it l i i i kt t i b3: Analognisenzori; b4: Analognisignaliiakvizicijasenzorskihsignalaprimenomkompjuteraanalogno/ digitalnaidigitalno/analognakonverzija,osnovedigitalneobradesignala(DFT,FFT, STFT,frekventnispektar,filtracija); b5: Sistemivetakoggledanja; b6: Digitalniinterfejsiumreavanjedigitalnihraunara.

OKT 2009


4

b1:

elektrinamerenjaneelektrinihveliina, poluprovodniciikondicioniranjesignala

OKT 2009


5

Mernisistemi stukturaKljunisadrajveinemehatronskihsistemajemernisistem,kojisesastojiiztriosnovna elementa: elemenatkojiprevodinekufizikuveliinuuelektrinu elemenat koji prevodi neku fiziku veliinu u elektrinu elemenatkojiobezbedjujeuslovezaradpretvaraaivriprimarnuobradu signalakojegeneriepretvara; Sistemzaakviziciju vripreuzimanjesenzorskihsignalainjihovomemorisanje,opciono,vrise konvertovanjeudigitalnioblik,prikaziprosledjivanjepodatakanekom konvertovanje u digitalni oblik prikaz i prosledjivanje podataka nekom drugomdigitalnomsistemu. Uzavisnostiodkonkretnogsluajaprimene,navedenigradivnielementisenzorskogsistemase sreuuvrlorazliitimoblicimauzprimenurazliitihtehnologijaitehnikihreenja. sreu u vrlo razliitim oblicima uz primenu razliitih tehnologija i tehnikih reenja Upraksisevrloestopoistoveujepojampretvaraaipojamsenzora,ilikombinacijepretvara kondicioneripojamsenzora. Pretvara Kondicioner

Pretvara

Kondicioner

Akvizicioni sistem

OKT 2009


6

Mernisistemi principfunkcionisanjaOsnovniprincipfunkcionisanjasenzorskihsistema, kojiseirokoseprimenjujuuindustrijskoj praksi,zasnivasenaelektrinommerenjuneelektrinihveliina.Veinasenzoraspadauklasu mehatronskihsistema.Mehanika,elektronikai,posebnokodsavremenihsenzora,softver,su simbiotskispregnutiujednufunkcionalnonerazdvojucelinu. simbiotski spregnuti u jednu funkcionalno nerazdvoju celinu Skloppretvaraasetakoprojektujedasajednestraneobezbedjujefunkcijudirektneiliindirektne reakcijenafizikuveliinukojasemeri,asadrugestraneobezbedjujeprevodjenjetereakcijeu nekuelektrinuveliinu,kaotojenapon,strujailinaelektrisanje. neku elektrinu veliinu kao to je napon struja ili naelektrisanje Polaznizadatakuprojektovanjusenzorajepaljivizborskupafizikihveliinakojeeobezbediti prevodjenjefizikeveliinekojasemeriunjojkomplementarnuelektrinuveliinu.Ovaveza moradabudetakoizabranadauvekobezbedjujedeterministikuzavisnost,datazavisnostbude mora da bude tako izabrana da uvek obezbedjuje deterministiku zavisnost da ta zavisnost bude linearnailisapoznatimzakonomnelinearnezavisnosti,senzitivnost(osetljivost),robusnost (neosetljivosti)naporemeajeistabilnost.

OKT 2009


7

Naprimer,kodmerenjasilekaojedneodosnovnihmehanikihveliina,pretvaratreba projektovatitakodameripomerajelastinestrukturenakojudelujesilaijiseintenzitetmeri. Dakle,silasenemeridirektno,veindirektno,prekopomerajaelastinestrukturekojinastajekao posledicadejstvasile. Bitnojeovdedatavezabudelinearna,iliukolikotonijemogue,ondadajenelinearnizakon preslikavanjaaprioripoznat.Pretvarakojiuovomkonkretnomsluajuregistrujepomeraj,treba daizvrikonverzijupomerajaunekuelektrinuveliinu.Ovdepostojivelikibrojmogunosti. Ukolikosenaprimer,pomerajdeformabilnestrukturepoveesanekimelektrinimprovodnikom, ondaeitajprovodniktakodjedabudedeformisan.Izfizikejepoznatodajeotpornekog provodnikadefinisanrelacijom R=ro*L/S,gdejesaLoznaenaduinaprovodnika,saSnjegov poprenipresek,akonstantarooznaavaspecifinuotpornostkaofizikukarkateristiku materijalaodkogajeprovodnikizradjen. Deformisanjemprovodnikadolazisimultanodopromenenjegoveduineipoprenogpreseka. Ovepromeneseodvijajuuopozitnomsmeru,odnosnokadaseduinapoveavasmanjujese poprenipresekiobrnuto.Ovose izuavauokviruotoprnostimaterijala.Promenomduinei presekamenjaseiotpornost.Natajnainsedeformacijaobjektanakojidelujenepoznatasila prevodiupromenuotporapretvaraakojijemehanikipovezansatimobjektom.Ovimje konverzijaostvarena.Promeneneelektrineveliinekaotojesilauovomsluaju,indirektnose prevodeupromenuotpora.Promenaotporaselakomoeprevestiupromenunaponakaojedne odosnovnihelektrinihveliinakojasemeriirokomlepezomtehnika.OKT 2009


8

NepoznatasilaFijise intenzitetmeri

F

A

Provodniku neoptereenomstanju

Deformabilniobjekatna kojidelujenepoznata j j p silaF,stanjesanultim optereenjem

M A M

Lo LB

Provodniku optereenomstanju

BStanjedeformabilnog Stanje deformabilnog objektapodoptereenjem Generalizovani G li i sistemoslanjanja

Zbogsmanjenjaduineprovodnikapoveavaseotpor.Poveanjeotporajeproporcionalno poveanjuduine,odnosnoproporcionalnodeformacijiobjektanakojidelujesila.Ukolikosu poveanju duine, odnosno proporcionalno deformaciji objekta na koji deluje sila. Ukoliko su deformacijelinearnozavisneodsileHukovzakon:sigma=E*epsilon,epsilon=delta_L/Lo, sigma=F/S,ondasledidaepromenaotporatakodjebitilinearnozavisnaodsile,odnosno: F=E*S*delta_L/Lo=G*(Ro R)=G*delta_R,priemujesaGoznaenanekazbirna konstantakojauzimauobzirspecifinuprovodnostpretvaraa,geometrijskasvojstvaisvojstva konstanta koja uzima u obzir specifinu provodnost pretvaraa, geometrijska svojstva i svojstva materijalaodkogajeizradjendeformabilniobjekatnakojidelujenepoznatasila.OKT 2009


9

Konverzija neelektrine fizike veliine u elektrinu dalje namee potrebu reavanja zadatka merenja same elektrine veliine. Pored toga, promene elektrinih veliina u ovom sluaju su po pravilu ekstremno male to pored osnovnog namee i dodatne zadatke, a to je njihovo dovodjenje na nivo kojim se dalje moe pouzdano manipulisati i istovremeno, da se u tom procesu pojaanja signala pod dejstvom razliitih poremeaja ne unesu greke u merni sistem i um. Takodje, pretvara zahteva odredjene uslove za njegovo funkcionisanje. U prethodno navedenom sluaju, provodnik treba napajati naponom velike stabilnosti i neosetljivosti na razliite poremeaje koje dolaze iz okruenja, posebno neosetljivost na varijacije temperature i uticaj elektromagnetnih smetnji. Na kraju, senzorski signal mora da bude doveden na neki standardizovani nivo, koji e omoguiti njegovu dalju obradu na standardnoj opremi.

OKT 2009


10

Standarizovani naponski nivoi signala na izlazu iz kondicioniera su +/ 5V ili +/ 10V (simetrini), i 05V ili 010V asimetrini. Kada se govori o strujnom izlazu, onda tu postoje dva standarda: 020 mA i 420mA. U sluaju izlaza 420mA deo opsega od 04mA se koristi za napajanje senzora i/ili registrovanje njegove funkcionalnosti. Prevodjenje strujnog u naponski izlaz se realizuje uvodjenjem redno vezanog otpornika odredjene vrednosti koja se bira tako da pad napona na tom otporniku bude jednak eljenom naponskom opsegu. Tako na primer, ukoliko elimo da kondicioner sa strujnim izlazom 420mA konvertujemo u naponski 010 V sledi da je R = U / I = 10 / 0.016 = 625 Ohm (pretpostavlja se da je ulazna otpornost kondicionera vrlo velika).

42 20mA

+ Kondicioner -

+ RU=+/ 10V

-

Sistemza akviziciju

U sluaju strujnog izlaza 4 do 20mA, korisni opseg od 16 mA se deli na negativni deo analognog senzorskog signala: 4 do 12 mA i pozitivni deo analognog signala: 12 do 20 mA. Dakle ekvivalent nultom nivou signala koji generie pretvara je jednak 12 mA. Analogno, naponski interval 0 do 5V odgovara negativnom, a 5 do 10V pozitivnom signalu pretvaraa; Nulti nivo je na 5V.

APR 2007

INENJERSKA KIBERNETIKA 2006/07 Prof.dr Petar B. Petrovi, Mainski fakultet univerziteta u Beogradu

11

Prethodno navedeni zahtevi reavaju se primenom elektronike, bazirane na tehnologiji poluprovodnika. Aktivnim poluprovodnikim elementima kondicionira se pretvara i tako obezbedjuje osnovna funkcija senzorskog sistema. Znaaj aktivnih poluprovodnikih elemenata je sutinski za savremene senzorske sisteme. Taj znaaj se prostire ire, na ukupnu tehnologiju mehatronskih sistema, tako da se slobodno moe konstatovati da mehatronski sistemi kakve danas poznajemo ne bi postojali bez tehnologije aktivnih poluprovodnikih elemenata za kondicioniranje i kasnije procesiranje senzorskih signala.

APR 2007

INENJERSKA KIBERNETIKA 2006/07 Prof.dr Petar B. Petrovi, Mainski fakultet univerziteta u Beogradu

12

ELEKTRONIKA Fizikeosnovetehnologijepoluprovodnika Fi ik t h l ij l d ikFizikapoznajedveosnovnegrupematerijala,kadasegovorionjihovojelektrinojprovodnosti. Postojeprovodnici,ijisespecifiniotporkreeuintervaluod10^9do10^6Ohmm(zlato, srebro,bakar,aluminijum,...).Drugugrupuinematerijalikojenazivamodielektricima,odnosno izolatorima,kojisuvrloloiprovodniciinjihovspecifiniotporsekreeuintervaluod10^8do 10^18Ohmm(keramika,guma,staklo,vazduh,polimeri,....). Medjutim,poredprethodnonavedenedveosnovnegrupe,fizikaprepoznajeitreugrupukojase posvojimsvojstvimanalaziizmedjuprovodnikaiizolatora.Tugrupumaterijalanazivamo poluprovodnicimainjihovspecifiniotporsekreeuintervaluod10^4do10^8Ohmm.U grupupoluprovodnikaspadajuelmenti:silicijum,germanijum,bor,selen, kaoivelikibroj jedinjenjametalainemetala. Specifinasvojstvapoluprovodnikapokazalasusevrlopogodnimzaprimenuuelektronici.

OKT 2009


13

Dopiranjepoluprovodnika: Poluprovodniciuistomstanjusunaapsolutnojnulineprovodni.Poveavanjemtemperature Poluprovodnici u istom stanju su na apsolutnoj nuli neprovodni Poveavanjem temperature dolazidooslobadjanjavalentnihelektrona(elektroninaspoljanjojorbiti).Oslobadjanjem valentnihelektronauatomunastajeupljina ionpostajepozitivnonaelektrisan.Natajnain nastajudvevrstenosiocanaelektrisanja:slobodnielektronikojisunegativniiupljine kojesu pozitivninosiocinaelektrisanja. pozitivni nosioci naelektrisanja Slobodnielektronsekreeiunekomtrenutkususednipozitivnonaelektrisaniatommoedaga privueitakoponovopostaneneutralan.Ova pojavasenazivarekombinacija.Lananiproces stvaranjaslobodnihelektronaiprocesrekombinacijedovodidokretanjanosiocanaelektrisanjai takopoluprovodnikpostajeprovodan. t k l d ik t j d Kodistihpoluprovodnikabrojslobodnihelektronajeuravnoteisabrojemupljina.Broj slobodnihelektronaiupljinaeksponencijalnorastesapoveanjemtemperature. Preciznimubacivanjemprimesa,odnosnoatomadrugihelemenataukristalnustrukturuistog Preciznim ubacivanjem primesa, odnosno atoma drugih elemenata u kristalnu strukturu istog poluprovodnikaremetiseravnoteanosiocanaelektrisanjaitakoznaajnomenjajunjegova elektrinasvojstva.Ovajprocessenazivadopiranje.

OKT 2009


14

PoluprovodnikNtipajepoluprovodnikkodkogasevridopiranjedonorima,usledegadolazi dopojaveveegbrojaslobodnihelektronaodbrojaupljina.Takonaprimer,akose etvorovalentnomsilicijumudodajuprimeseuoblikupetovalentnihatoma,naprimeratomi arsena,posleuspostavljanjastabilnevezesasusednimatomimasilicjuma,petivalentnielektron ostajeslobodan.Nastalaupljinauatomuarsenasenepopunjava,patakodolazidopojavevika elektrona.Potosuelektroninegativninosiocinaelektrisanja,poluprovodniksaovako izmenjenimsvojstvimasenazivapoluprovodnikNtipa. PoluprovodnikPtipajepoluprovodnikkodkogasevri dopiranjeakceptorima,usledegadolazi dopojaveveegbrojaupljinaodbrojaslobodnihelektrona.Kaoakceptori,koristeseatomikoji imajumanjevalentnihelektronaodpoluprovodnikakojisedopira.Usluajusilicijuma,dopiranje imaju manje valentnih elektrona od poluprovodnika koji se dopira U sluaju silicijuma dopiranje semoeostvarititrovalentnimatomimabora,toeposleuspostavljanjastabilnihvezasa susednimatomimasilicijumarezultovativikomupljina.Potosuupljinepozitivninosioci naelektrisanja,poluprovodniksaovakoizmenjenimsvojstvimasenazivapoluprovodnikPtipa. Dopiranjemodgovarajuomvrstomikoliinomprimesa,kontroliesevrstaikoliinanosioca D i j d j t i k lii i k t li t i k lii i naelektrisanjaunekompoluprovodniku.KodpoluprovodnikaNtipapostojiveakoncentracija negativnihnosiocanaelektrisanja slobodnielektroni.KodprovodnikaPtipapostojivea koncentracijapozitivnihnosiocanaelektrisanja upljine. Kombinovanjem,odnosnointerakcijompoluprovodnikaNtipaipoluprovodnikaPtipanastaju razliitiobliciaktivnihpoluprovodnikihelemenata.Naovimosnovamagradisesavremena elektronika.

OKT 2009


15

PRAKTINAIMPLEMENTACIJA Poluprovodnikadioda Poluprovodnika diodaSpajanjem kristala poluprovodnika Ptipa i kristala poluprovodnika Ntipa nastaje PN spoj, koji se u elektronici naziva poluprovodnika dioda. Ovaj spoj poseduje specifina svojstva . U sloju poluprovodnika koji je udaljen od P N spoja PN uspostavlja se ravnotea nosioca naelektrisanja sa relativnom provodljivou. U sloju koji je blizak PN spoju dolazi do interakcije nosioca naelektrisanja, koji u procesu rekombinacije pokuavaju da se medjusobno neutraliu. Taj sloj je siromaan nosiocima naelektrisanja, neprovodan, i u njemu se uspostavlja potencijalna razlika koja u sluaju kristala silicijuma iznosi 0 6 do 0 7 V Bitno je razlika, 0.6 0.7 V. uoiti da u prethodnoj analizi PN spoj nije polarisan, odnosno nije prikljuen na spoljanji izvor naelektrisanja. Slojuinterakciji Neutralni Neutralni sloj + + + + + + krozprocesrekombinacije stvarasepotencijalna t t ij l razlika

Neutralni sloj

Anoda

P

N

Katoda

+ + +

P

N

-

( ) (+) V() ( )OKT 2009


16

Kada se na anodu i katodu PN spoja polariu dolazi do fenomena usmerenog kretanja naelektrisanja. PN spoj je u jednom smeru provodan a u drugom smeru neprovodan za spoljanje nosioce naelektrisanja koje generie izvor.

Provodnostanje d j

Neprovodnostanje

+ + +

P

+ + +

-

N

-

Anoda

+ + +

P

N

-

Katoda

(+) V()

() V(+)

OKT 2009


17

Naponskostrujnakarakteristikaidealneistvarnepoluprovodnikediode

Oblastproboja

Oblastinverzne polarizacije

Oblastdirektne polarizacije

OKT 2009


18

Anoda

Katoda Fizikarealizacija

Simbol

Primerkomercijalno Pi k ij l raspoloivekomponente Smertokastruje Kuglica Provodno stanje Opruga Neprovodno stanje

AnalogijapoluprovodnikediodeijednosmernogventilaOKT 2009


19

Primenadiodeivarijantnioblici Ispravljai:Naizmenini(AC)izvor N i i i (AC) i napajanjaPomoutransformatorasena sekudaruostvarujeeljena vrednostnaizmeninog vrednost naizmeninog napona

Ispravljasajednom diodomDiodaproputasamojednu poluperiodu;rezultatje l i d lt t j pulzirajuinaponnaizlazu izraziteneravnomernosti

OKT 2009


20

Mosniispravljasaetiridiode Grecov ispravljaMosnakonfiguracijadiodaproputai usmeravaobepoluperiode;Uprikazanom b l d k sluajudiodaugornjojlevojgraniprovodi pozitivnupoluperioduidovodijenapluspol ispravljaa;kolounegativnojgranisezatvara krozdioduudonjojlevojgrani;Negativna j j jg ; g poluperiodanaizmeninognaponaseprovodi naekvivalentannainsapreostaledvediode; rezultatjepulzirajuinaponnaizlazumanje neravnomernosti;Izvornaizmeninestrujeje upotpunostiiskorien. u potpunosti iskorien

OKT 2009


21

PrincipfiltracijeKondenzatorakumuliranaelektrisanjeu rastuemdelupoluperiodeiprazniseu opadajuemdelupoluperiode;naponna izlazujeravnomeransapulzirajuom komponentomijiintenzitetzavisiod kapacitetakondenzatora;kapacitetod nekolikohiljadauFjeuveinisluajeva nekoliko hiljada uF je u veini sluajeva zadovoljavajui.

FiltracijapulzirajuestrujeParalelnimprikljuivanjemelektrolitikog kondenzatoranaizlazufiltrirasepulzirajua komponenta;rezultatjejednosmerninapon komponenta; rezultat je jednosmerni napon maleneravnomernosti

OKT 2009


22

StabilizacijaizlazaVariranjenaponanaizlazuispravljaamoeda V i j il i lj d seeliminieprimenomdiodeposebne konstrukcijekojasenazivaZenerdioda.Za razlikuodobinediodekojauinverznoj polarizacijineproputastrujusvedotrenutka proboja,Zenerdiodajeprojektovanatakoda uinverznojpolarizacijipostajeprovodnana odredjenomnaponu,kojijeprecizno definisan;UdirketnojpolarizacijiZenerdioda seponaakaoobinadioda;Zahvaljujui se ponaa kao obina dioda; Zahvaljujui ovakvimkarakteristikamaZenerdiodase moeiskoristiukolimazagenerisanjeprecizne naponskereference,ilizastabilizacijuizlaznog naponaispravljaa.

OKT 2009


23

Stabilisaniispravlja:

BlokdijagramNaizmenininaponseprvo trasformatoromdovodina eljenuvrednost,zatimse lj d t ti vrinjegovoispravljanje, filtracijapiulzirajue komponenteinakraju stabilizacijaodgovarajuim j g j aktivnimelektronskim sklopom;Naizalzusedobija jednosmerninaponkojije vrloblizaknaponukoji generiebaterija,bez generie baterija bez pulzirajuih visokofrekventnih komponentiibezvariranja srednjevrednosti.

OKT 2009


24

IntegrisaniregulatornaponaLM117:Primerstabilisanogispravljaasapromenljivimizlaznim naponomimaksimalnomizlaznomstrujomod1.5A.Regulatorjeopremljenzatitomodkratkog p j g j p j g spoja(izlaznopreoptereenje)izatitomodtermikogpreoptereenja. Naulazregulatoradovodimo nestabilisan,prethodnoispravljenii filtrianijednosmerninaponkojimoe davarirauintervaluV=(1.2,37) VDC.PromenljivimotpornikomR_2 preciznoreguliemointenzitet izlaznognapona,V_out,koristei dolenavedenurelaciju.

OKT 2009


25

UovojkonfiguracijiLM117regulatorsekoristizagenerisanjepreciznenaponskereference(u konkretnomsluaju10VDC).Zenerdiodauregulacionojgranieliminiegrekevrednosti j ) g jg g otpornika,kaoinjihvutemperaturnuvarijaciju(promenljiviotpornicisumanjestabilniod otpornikakonstantnevrednosti),imeseobezbedjujevisokapreciznostnaponanaizlazu. Navedeniregulatorsemoeposmatratiikaonaponskikonvertor,kojiuovomkonkretnomsluaju g p p , j j ulazninaponod15VDCkonvertujeustabilisaninaponod10VDCnaizlazusklopa.

OKT 2009


26

U dole navedenoj konfiguraciji LM117 regulator se koristi za automatsko generisanje niza p prethodno definisanih naponskih vrednosti koje se biraju preko digitalnih ulaza koji se dovode na p j j p g j bazu NPN tranzistora u kolu sa zajednikim emiterom. U zavisnosti od izabranog kanala R2 otpornik se sumira sa paralelno vezanim otpornikom u kolektorskoj grani tranzistora. Dobijena vrednost odredjuje napon na izlazu u skladu sa prethodno navedenom relacijom koja definie izlazni napon. Vrednost otoprnika R2 odredjuje najvei naponski nivo na izlazu, koji se generie p p j j j p , j g kada su svi kontrolni ulazi nepobudjeni. Treba primetiti da je dozvoljena kombinacija kontrolnih ulaza to moe da generie vrlo veliki broj naponskih vrednosti na izlazu.

OKT 2009


27

U ovom sklopu LM117 regulator se koristi za regulaciju napona i struje. Na ulaz se dovodi 35 V DC neregulisani napon a na izalazu se generie regulisani napon od 1.2 di 30 V DC. Regulacija izlaznog g p g g p g j g napona ostvaruje se promenljivim otpornikom R8. Pored regulacije napona, regulie se i struja, ija je vrednost nezavisna od optereenja na izlazu (potroa). Regulacija se ostvaruje otpornikom R2. Paralelno vezan tranzistor MJ4502 radi u kolu sa zajednikom bazom, dakle ima jedinino naponsko pojaanje, a njegova funkcija je da obezbedi dodatni strujni kapacitet na izlazu p p j j , j g j j j p regulisanog sklopa.

OKT 2009


28

Optoelektronikediode Poluprovodnicisugeneralnoosetljivinasvetlostimogudaemitujufotone.Ovasvojstvasekoriste koddiodazagradnjutrispecijalnasluaja:1)LEDdioda(LightEimitingDiode),2)Fotodiodai 3)Poluprovodnikalaserskadioda. LEDdidodeimajuirokuprimenuuHMIsklopovima,aliiuspecijalnimsklopovimakojisekoriste LED didode imaju iroku primenu u HMI sklopovima ali i u specijalnim sklopovima koji se koriste zagalvanskuizolaciju,kojajevrloznaajnazapovezivanjemikroprocesorskihsistemasa okruenjem.LEDdiodeseodlikujuvelikimstepenomiskorienjaivrlobrzimradom,toihini gotovoidealnimoptikimizvoromzamnogeaplikacije.

Anoda KonstrukcijaLED diode di dOKT 2009

Katoda

ElektrinisimbolLEDdiode29


PrimertipinogkolazanapajanjeLEDdiode.VrednostotporaRseproraunavatakodanapon V_Lnepredjedozvoljenuvrednost.LEDdiodaemitujesvetlostkadajedirektnopolarizovana.U p j j j j p sluajuinverznepolarizacijeLEDdiodaneprovodistrujuineemitujesvetlost.

PrimerserijskevezeLEDdioda. Primer serijske veze LED dioda Zadatak:pokikakodaseprimenomLEDdiodesignalizira stanjeispravljaa(radi/neradi,islicno).MEHATRONSKI SISTEMI 2009/10 Prof.dr Petar B. Petrovi, Mainski fakultet univerziteta u Beogradu

OKT 2009

30

TranzistorPronalazak tranzistora je oznaio tihi poetak nove ere u razvoju elektronike. Moe se bez preterivanja konstatovati da je pronalazak tog majunog elementa u korenu izmenio nau civilizaciju, stvarajui uslove za razvoj kompjutera, informacionih i komunikacionih tehnologija, globalnih radio i TV komunikacija digitalnih upravljakih sistema CNC maina alatki industrijskih komunikacija, sistema, alatki, robota i industrijske automataizacije najirih razmera. Tranzistor je pronadjen u Bell Laboratories, USA, 1947.

Laboratorijskverzijaprvog (takastog)tranzistora

Patentnispiskojimjezatien pronalazaktranzistora

Prvikomercijalni tranzistor

OKT 2009


31

BipolarnitranzistorTranzistorjeaktivnapoluprovodnikakomponentakojasesastojiizkombinacije3dopiranasloja poluprovodnikaPiNtipa.Zasvakiodovatrislojavezujesepojednametalnaelektroda,kojese nazivajubaza,emiter ikolektor. Emitergenerienosiocenaelektrisanja(slobodneelektroneiliupljine),kolektor l k (l b d l k l l ) k l k prikuplja/privlai/sabiranosiocenaelektrisanja,abazajeupravljakaelektroda. Bazajesvojnazivdobilapotometojeuprvobitnojkonstrukcijitakastogtranzistoratajsloj p p poluprovodnikabioizvedenkaovelikikristalgermanijumanakojisuprikljueniemitorikolektor. g j j p j Tajkristaljesluiokaomehanikabazasklopaprvobitnogtranzistoraiodatlepotienazivzaovu elektrodukojisedodanaszadrao.Slojpoluprovodnikakojiimafunkcijubaze,vrlojetanakiima debljinuodsamoparmikrona.

OKT 2009


32

BipolarnitranzistorseizvodiuPNPiliNPNkonfiguraciji.UpraksisenajeeprimenjujuNPN tranzistori.DaljeobjanjenjeprincipafunkcionisanjabiesprovedenonatranzistoruNPNtipa.

OKT 2009


33

Kaotojeprethodnonavedeno,NPNtranzistorsesastojiiztripoluprovodnikasloja.Madasu kolektoriemiterizvedeniizpoluprovodnikaNtipa,uemiterjeprocesomdopiranjaubaenavea koliinadonora,takodaemiterikolektornisumedjusobnozamenljivi. SaV_BEjeoznaennaponizmedjubazeiemitera, dokjesaV_CEoznaennaponizmedjukolektorai emitera.Sledeerelacijedefiniuosnovneodnose l d l d f d izmedjunaponaistrujenaelektrodamatranzistora:

Smerovitokastrujeipolarizacijaelektrodaprikazani sunanavedenojslici,priemuvai:

OdaklesledidajePNspojbaza kolektorinverzno polarisan,dokjePNspojbazaemiterdirektno polarisan. polarisanOKT 2009


34

UciljurazumevanjafunkcijeNPNtranzistora,prvosepolaziodPNspojaemitera.Potojeovaj spojdirektnopolarisan(V_B>V_E)slobodnielektronisekreuizNslojaemiterakaPslojubaze. PNspojkolektorajeinverznopolarisan(V_C>V_B)utomspojunormalnopostojislojkojije neprovodan,kaoikodinverznopolarizovanediode.Ipak,zbogtogatojedebljinaPslojabaze vrlomala,nekolikomikrometaraizbogtogatojeNslojemiterajakodopiran,veinaelektrona posedujedovoljnoenergijedaprobijetajneprovodanslojipredjeuNslojkolektorabez rekombinacijeupljinaPslojabaze. Potojesmerstrujesuprotanodsmerakretanjaslobodnihelektrona,rezultatprethodno opisanogprocesajedastrujamalogintenzitetaI_Bteeodbazekaemiteruidastrujavelikog intenzitetaI_Cteeodkolektorakaemiteru.Ovaslabastrujabazeimaosobinudautiena intenziteta I C tee od kolektora ka emiteru Ova slaba struja baze ima osobinu da utie na intenzitetjakekolektorskestruje,priemuvaisledeaaproksimativnarelacija:

kojaukazujedajekolektorskastrujaproporcionalnastrujibazesakoeficijentomproporcije,u ovomsluaju,koeficijentompojaanjabeta.Proizvodjaiuvekoznaavajuovajkoeficijent proporcijesah_FE,anjegovatipinavrednostjeoko100,madamoeznatnodavarirau zavisnostiodvrstetranzistora.Faktorpojaanjajejakozavistanodtemperatureiradnognapona. i ti d t t it F kt j j j j k it dt t i d Naosnovuprethodnogsledidasetranzistormoedaiskoristikaopojaivaslabihsignalakoje generiurazliitipretvarai,aliikaodigitalniprekidakojislabimpobudnimimpulsimaprekida jakeizlaznestruje.OKT 2009


35

TranzistorukolusazajednikimemiteromUkolikoseemiteruzemljiinabazudovedeulazninapon,dobijasetranzistorskokolosa Ukoliko se emiter uzemlji i na bazu dovede ulazni napon dobija se tranzistorsko kolo sa zajednikimemiterom.KarakteristikaovogkolanajboljesepokazujenaV_CE I_Cdijagramu (zavisnostkolektorskestrujeodkolektorskognapona),akojisemoeiscrtatizarazliite konstantnevrednostiintenzitetastrujebazeI_B.Takosedobijafamilijakrivihkojaopisujerad tranzistoraukolusazajednikimemiterom. tranzistora u kolu sa zajednikim emiterom Nanavedenomdijagramumoguseuoititrioblasti,odnosnotrireimaradatranzistora:1)reim ukomejetranzistoruneprovodnom(zakoenom)stanju kolektorskastrujaI_Cjejednakanuli, 2)aktivnireimukomejekolektorskastrujalinearnoproporcionalnastrujibazei3)reim zasienjaukojemjekolektorskastrujazavisnasamoodspoljanjegotporakolektorskegraneR_C k k l k k d l k l k k (tranzistorsepraktinonalaziukratkomspoju),podrazumevajuipostojanjestrujebazeI_B dovoljnoginteziteta.

OKT 2009


36

Kadasetranzistornalaziuaktivnomreimuradaondaonfunkcioniekaopojaavaanalognih signala.Tranzistoruaktivnomreimujelinearanifaktorpojaanjaodredjujeodnosizlaznog naponaukolektorskomkolu,V_CE,iulaznognaponaV_BEukolubaze. Saaspektamehatronike,radtranzistorauaktivnomreimuznaajanjepresvegazarad senzorskihsistema,kojiusvompretvarakomblokugeneriuvrlomalenaponskesignale,reda veliinemilivolta,aestoimanje,kojisemorajupojaatidabisedovelinanaponskinivo veliine milivolta a esto i manje koji se moraju pojaati da bi se doveli na naponski nivo upotrebljivzaupravljakimikroprocesorskisistem.Ovakvenaponskesignalenazivamo analognim.Onisukontinualniivremenskipromenljivi.Radsaanalognimsignalimapredmetje istraivanjairazvojaposebneoblastielektrotehnikekojasenazivaanalognaelektronika. Savremenaanalognaelektronikabaziranajenaprimenioperacinihpojaivaa,kojisuosnovni S l l kt ik b i j i i i ih j i k ji i gradivniblokovivelikefunkcionalnefleksibilnosti,izvedenikaointegrisanisklopovisavelikim brojemtranzistoraiostalihpasivnihelemenata.Operacionipojaivaiserazmatrajuuposebnom nastavnombloku. Tipianoblikanalognogsignala

V

tOKT 2009


37

Poredprimeneuradusaanalognimsignalima,tranzistorsemoeefikasnoprimenitiiuradusa diskretnimsignalima.Tadatranzistorradikaoprekida. Uprekidakomreimurada,tranzistormoedasenadjeudvaekstremnastanja.Uneprovodnom reimuizlazninaponjejednakV_CE,aureimusaturacijenaponsekodsilicijumskihtranzistora sputana0.2V,praktinonanaponskinivonegativnepolarizacijesklopa.Prekidakokolokoje ilustrujeovakvufunkcijutranzistoraprikazanojenanarednojslici. ilustruje ovakvu funkciju tranzistora prikazano je na narednoj slici

Kadaseaktiviraprekidaukolubaze,slabasruja protiekrozLEDBkojapoinjeblagodasvetli,dok protie kroz LED B koja poinje blago da svetli dok istovremenoLEDCukolukolektoraponedasvetli velikimintezitetom,toukazujedajestrujakojakroz njuprotievelikogintenziteta.Ukolikobiseumesto otpornikaod10KOhmugradio promenljiviotpornik, otpornika od 10 KOhm ugradio promenljivi otpornik ondabivariranjemovogotporadolodo proporcionalnepromenekolektorskestrujetobise manifestovalokrozpromenuintenzitetakojimsvetli LEDCdioda.Naravnoovovaisamoukolikose LED C dioda Naravno ovo vai samo ukoliko se tranzistornadjeuaktivnomreimurada,usuprotnom onbiseponaaokaoprekida,pabiLEDCimalasvoja dvabinarnastanja,svetli/nesvetli.

OKT 2009


38

Naosnovuprethodnoopisanogtranzistorskogkolasazajednikimemiterom,moeseizvesti upravljakodigitalnokolokojeaktuiraelektromagnetnirelej.Kadajetranzistoruneporvodnom stanjunaponskipotencijalnakrajevimasolenoidajejedenak,takodaonnegeneriemagnetno poljeineprivlaikotvukojaaktuiraprekidakisklopreleja.Ukonkretnomsluajuuspojuebiti kontaktiCOM/NC,dokeuotvorenomstanjuostatikontaktNO.Kadasenaulaztranzistora dovedeupravljaksignal,tranzistorepreiustanjezasienja,toezaposledicuimatirazlikuu naponskompotencijalunakontaktimasolenoidareleja,takodaeongenerisatimagnetnopolje, kojeeprivuikotvuiuspostavitinovokontaktnostanje:spojizmedjuCOM/NOiraskinutaveza izmedjuCOM/NC.Dabisespreilopreoptereenjekolektorskegranetranzistorausled indukovanekontraelektromotornesilenanamotajusolenoidarelejakadaseoniskljuuje(rizik odnaponskogprobojazbogprevelikogkolektorsktognaponaV_CE),paralelenotomnamotaju prikljuenajejednadiodakojakratkospajanamoteajesolenoidaiusmerena kakojeprikazano.

OKT 2009


39

Funkcijadiodezaprenaponskuzatitukodizlazaoptereenihinduktivnimpotroaem.

OKT 2009


40

Tranzistorukolusazajednikimemiteromsemoeupotrebitizaaktuiranjeizlazamehatronskog sistemaukomeseupravljakafunkcijaostvarujepomoumikrokontrolera.Upravljakisignalkoji generiemikrokontrolernasvojimizlaznimportovimapojaavasebipolarnimtranzistorom,ime seomoguavaaktuiranjeizlazakojizahtevajuznaajnoveustrujuodonekojumikrokontroler moedagenerie.

Ukolikosejednimtranzistoromnemoedagenerie Ukoliko se jednim tranzistorom ne moe da generie potrebnasnaga,ondasedvatranzistoramogu kaskadnodaveuuspojukojisenazivaDarlington spoj.MEHATRONSKI SISTEMI 2009/10 Prof.dr Petar B. Petrovi, Mainski fakultet univerziteta u Beogradu

OKT 2009

41

Kao i kod dioda, poluprovodnika struktura tranzistora osetljiva je na svetlost. Korienjem ovog efekta izgradjeni su specijalni foto tranzistori, koji umesto elektrino aktuirane baze upravljaku struju dobijaju od fotoelektrinog efekta (izvor svetlosti se fokusira na bazu tranzistora). Foto tranzistor za razliku od fotodioda imaju znaajno veu osetljivost, tako da mogu da reaguju na vrlo male intenzitete svetlosti u vidljivom ili nevidljivom delu spektra. Kombinujui foto diodu i foto tranzistor dobija se jedan vrlo znaajan sklop koji ima veliku primenu u gradnji mehatronskih sistema. Taj sklop se naziva optoizolator, ili mnogo ee optokapler (prema engleskom terminu optocoupler), a njegova funkcija je da galvanski razdvaja dva elektrina kola, ime se tite osetljivi delovi elektronskog upravljakog ili senzorskog sistema od razliitih smetnji ukljuujui i naponska preoptereenja/proboje koja mogu da dovedu do smetnji, njihovog razaranja. U ovom sluaju galvanska izolacija je primenljiva samo kada se radi sa digitalnim signalima.

Galvanska izolacija analognih signala se ostvaruje primenom transformatora. Drugi, savremeniji nain, baziran je na digitalnim sklopovima kojima se analogni signal aproksimira irinski modulisanim (PWM) digitalnim signalom.

OKT 2009


42

Tipinakonfiguracijaulaznogkanalaprogramabilnogautomata(PLC)sagalvanskiizolovanim tranzistorskimulazom.Ovakvakonfiguracijaostavljamogunostslobodnogizborazajednikog izvoda,kojimoedabudemasailipluspotencijalizvorakojimsenapajajusenzorikojise prikljuujunaulazPLC.DabiseostvarilaovafunkcijaLEDoptoizilacionielementmoradasadri dveLEDdiodeuantiparalelnojvezi diak.

OKT 2009


43

Tipinakonfiguracijaizlaznogkanalaprogramabilnogautomata(PLC)sagalvanskiizolovanim tranzistorskimizlazomsazajednikommasom(uengleskojtehnikojliteraturiseizlazisa zajednikommasomnazivajusinktypeoutput).Ukolikoseiznekograzlogazahtevadazajedniki izvodbudepozitivnogpolariteta,zajednikiizvor,(sourcetypeoutput),ondasemora rekonstruisatielektrinaemaizlaznogmodula.Ovovaisamozasluajutranzistorskihizlaza.Kod relejnihizlazakojisutakodjegalvanskiizolovani,ovoogranienjenevaijersepolaritetkontakata relejaproizvoljnobira.

OKT 2009


44

Primerrelejnogdigitalnogizlaza:

OKT 2009


45

Funkcijuulaznogiliizlaznogkanalanekogdigitalnogupravljakoguredjajamoemoshvatikao funkcijupredkidaa.Utomsluajukodulazailiizlazasazajednikommasomtajekvivalentni prekidaobezbedjujeputkamasijednosmernogizvoranapajanja,dokusluajuulazailiizlazasa zajednikimizvorom,ekvivalentniprekidaobezbedjujeputkapozitivnompolujednosmernog izvoranapajanja.

OKT 2009


46

Konceptzajednikog(common)vodakodulaznih(prikazanonasliciispod)iizlaznihkanala digitalnogupravljakogsistema.

OKT 2009


47

TranzistorkaologikielementTranzistorukolusazajednikimemiteromsemoeiskoristitikaologikiinvertor,odnosnokao Tranzistor u kolu sa zajednikim emiterom se moe iskoristiti kao logiki invertor odnosno kao sklopkojinasvomizlazugenerienaponskikomplementulaza.Postojerazliitatehnikareenja ugradnjilogikihsklopovakojisubaziraninatranzistorima.Razvojemtehnologijeizrade poluprovodnikihsklopovaevoluiralasuitehnikareenja,uvekunapredjujuiperformanseu odnosunaprethodnugeneraciju(veabrzinarada(pribliavanjeidealnomlogikomelementu), odnosu na prethodnu generaciju (vea brzina rada (pribliavanje idealnom logikom elementu) manjapotronjaenergije,jednostavnijaijeftinijaproizvodnja,pakovanjevelikegustine,...). RazvojtranzistorskihlogikihelemenatazapoeojesaRTLtehnologijom(resistortransistorlogic), zatimjesledilaDTLtehnologija(diodetransistorlogic),pazatimTTLtehnologija(transistor transistorlogic)kojajejouvekirokorasprostranjenaipredstavljajedanodindustrijskih transistor logic) koja je jo uvek iroko rasprostranjena i predstavlja jedan od industrijskih standarda.

LogikielemenatinvertoraOKT 2009

LogikiNANDelemenat48


PrimerNPNtranzistoraBC107,BC108iBC109

OKT 2009


49

OKT 2009


50

UnipolarnitranzistorUnipolarnitranzistorjetranzistorsaefektompolja,odnosnoFETtranzistor(FieldEffect Transistor). MadakaoiusluajubipolarnogtranzistoraFETtranzistorimatrielektrode,principnakomese zasnivafunkcijaovogtranzistorajepotpunodrugaiji,akaoposledicatoga,FETtranzistor f k d k l d posedujeodredjenespecifineosobinekojegainevrlopogodnimzagradnjumehatronskih sistema.Posebnoseizdvajajuvrlovelikaulaznaotpornost,brzinaradaimogunostradasa strujamainaponimavelikogintenziteta,uzslabuzavisnostizlaznestrujeodizlaznognapona.U tehnolokomsmislu,unipolarnitranzistorjejednostavnijiijeftinijizaproizvodnju. Navedene h l k l l d f d d osobinepredstavljajunjegoveosnovneprednostiuodnosunabipolarnitranzistor. PostojevelikibrojrazliitihkonstruktivnihoblikaFETtranzistora.Uokviruovogkursarazmatraju sedveosnovnegrupe:1)spojniFETtranzistorii2)FETtranzistorisaizolovanimgejtom. Navedene grupeFETtranzistoraseizvodekaoNikaoPkanalFETtranzistori.

OKT 2009


51

Spojni FET tranzistor - JFETJFET(JunctiongateFieldEffectTransistor )jenajjednostavnijioblikFETtranzistora.Sastojiseiz JFET (Junction gate Field Effect Transistor ) je najjednostavniji oblik FET tranzistora Sastoji se iz monokristalnogpoluprovodnikogblokanaijimkrajevimasuizvedenedvemetalneelektrode. Oveelektrodenosenazivsors idrejn elektrodaifunkcionalnisuekvivalentniemiteruikolektoru kodbipolarnogtranzistora.Treaelektrodanosinazivgejt iimaupravljakufunkciju,kaotojeto sluajsabazomkodbipolarnogtranzistora.Gejtslojseizvodioddopiranogpoluprovodnika sluaj sa bazom kod bipolarnog tranzistora Gejt sloj se izvodi od dopiranog poluprovodnika bogatognosiocimanaelektrisanjaijijepotencijalsuprotanodpotencijalamonokristalnogbloka zakojisevezujusorsidrejnelektrode.KodJFETkonstruktivnogoblika,gejtelektrodaostvaruje PNspojsamonokristalnimblokom,odakleidolazinjegovnaziv,kojisenanemjezikumoe prevestikaospojnitranzistorsaefektompolja. prevesti kao spojni tranzistor sa efektom polja Slojpoluprovodnika dopiranPnosiocima nalektrisanja Drejn Monokristalni poluprovodnikiblok dopiranNnosiocima naelektrisanja

NGejt

P

P

PoluprovodnikiPNspoj SorsOKT 2009


52

Osiromaena neprovodna d zona Gejt

Drejn

N P +V_GG(+)

Nosiocinaelektrisanjasekreuodsorselektrode ( (izvor)kadrejnelektrodi(ukonkretnomsluajutosu ) j ( j V_DD(+) slobodnielektroni).Koliinanosiocanalektrisanja ulovljenajeveliinomneprovodnogpoljakojeoko V_DS sebeformiradrejnelektroda(slinoefektukodPN spojapoluprovodnikediode). p j p p ) + tojeveipotencijaldrejnelektrode,veejeipolje njenoguticajanamonokristalniblok,imesesmanjuje povrinapoprenogpresekaprovodnogkanala,a samimtimikoliinanalektrisanjakojeseprenosisa samim tim i koliina nalektrisanja koje se prenosi sa sorsnadrejnelektrodu.Naovajnaingejtelektroda regulieizlaznustrujuI_SD.

V_GS Provodnazona

V_SS() Sors

SimbolNkanalJFETa

SimbolPkanalJFETa

Kodnavedenogsimbola,gejtelektrodajepomerenakasorselektroditooznaavadasorsidrejn elekrodanisuzamenljive.Ukolikosedrejnelektrodanalazinasredini,ondasusorsidrejn elekroda nisu zamenljive Ukoliko se drejn elektroda nalazi na sredini onda su sors i drejn elektrodazamenljive(birajuseposlobodnomizboru).OKT 2009


53

IzlaznakarakteristikaJFETtranzistora.

IzlaznakarakteristikaJFETtranzistorakojadefiniestrujudrejnaufunkcijinaponadrejnaza razliitenivoepobudegejta.Uoavajusetriregiona:1)regionukomenepostojiprovodnikanal tranzistorjezakoen,2)linearniregionukometranzistornormalnofunkcioniei3)region j zasienja.OKT 2009


54

FET tranzistor sa izolovanim gejtom - MOSFET tranzistorMOSFET(MetalOxideSimiconductorFieldEffectTransistor )jenajeeprimenjivanioblikFET MOSFET (Metal Oxide Simiconductor Field Effect Transistor ) je najee primenjivani oblik FET tranzistora.Sastojiseizmonokristalnogpoluprovodnikogbloka (podloga) naijimkrajevimasu izvedenedvemetalneelektrode.KaoikodJFETtranzistoraoveelektrodenosenazivsors idrejn elektroda.Pododredjenimuslovima,zavisnoodnaponanaupravljakojgejt elektrodi,formirase provodnopodrujeizmedjusorsidrejnelektrodekojesenazivakanal.ZarazlikuodJFET provodno podruje izmedju sors i drejn elektrode koje se naziva kanal Za razliku od JFET tranzistora,izmedjugejtaikristalnogpoluprovodnikogblokapostojitanakizolacionislojizradjen odsilicijum dioksida(odatleipotienazivovogFETtranzistora).Principfunkcionisanjagejt elektrodejetakodjedrugaiji,naponskimpotencijalomgejtautiesenakoncentraciju raspoloivihnosiocanaelektrisanjaupodrujuizmedjusorsidrejnelektrode,imeseostvaruje raspoloivih nosioca naelektrisanja u podruju izmedju sors i drejn elektrode ime se ostvaruje regulacionafunkcija.

OKT 2009


55

SimbolFETtranzistorasaizolovanimgejtom

CMOSFETsakanalomPtipa

CMOSFETsakanalomNtipa

CMOSFETobogaen

CMOSFETosiromaen

FETtranzistorsaizolovanimgejtomjenajeeupotrebljavaniobliktranzistoraugradnji elektronskihsklopova.

OKT 2009


56

IzlaznakarakteristikaMOSFETtranzistora.

OKT 2009


57

MOSFETtranzistorukoluprekidaa. MOS FET t it k l kid

OKT 2009


58

MOSFETtranzistorpovezannaizlazniterminalmikrokontrolerakojijeizvedenkaobipolarni tranzistorsaotvorenimkolektorom.OtpornikR_pkojiseeksternododajenakolektorskugranu, tranzistor sa otvorenim kolektorom Otpornik R p koji se eksterno dodaje na kolektorsku granu kaopullupotpornik.Kadaseizlaznitranzistormikrokontroleranalaziuzakoenomstanju, prekootpornikaR_psenagejtMOSFETtranzistoradovodiTTLnaponskipotencijalod5VDC,koji prevodiMOSFETtranzistoruprovodnostanje.PrevodjenjemMOSFETtranzistorauprovodno stanje,drugikrajpotroaasedovodinanultinaponskinivoitimeseaktuira.Kadaseizlazni stanje drugi kraj potroaa se dovodi na nulti naponski nivo i time se aktuira Kada se izlazni tranzistormikrokontroleranadjeustanjuzasienja,gejtelektrodaMOSFETtranzistorasedovodi nanultinaponskinivo,imeseonprevodiuzakoenostanjeisamimtimsepotroadeaktuira. ObratitipanjunatodasepotroanapajanaponomV_s,uoptemsluajurazliitimod5VDC.

OKT 2009


59

Operacionipojaiva Svojekorenevodiizanalognihdigitalnihkompjuteragdejekorienkaouniverzalnimodulza Svoje korene vodi iz analognih digitalnih kompjutera gde je korien kao univerzalni modul za izvodjenjerazliitihmatematikihoperacija. Operacionipojaivajediferencijalnipojaivakojiviestotinaputa(do10.000)pojaavarazliku napona(diferencija)kojisedovodenanjegovadvaulaza(vrlovelikiulazniotpor).Izvodiseu napona (diferencija) koji se dovode na njegova dva ulaza (vrlo veliki ulazni otpor) Izvodi se u oblikuintegrisanogkola.Uzavisnostioddopunskihkomponentiostvarujuserazliitelinearnei nelinearnefunkcije.Imaogromnuprimenljivostupraksi.Posebnoseizdvajajuprimeneza pojaanjeanalognihsenzorskihsignala(instrumentacionipojaivai),kojezahevajuizuzetnu linearnostivrlonizaknivouma. linearnost i vrlo nizak nivo uma

Operacionipojaiva:simbol Sastojiseizpetpolova.Dvaulaza(invertovanii neinvertovani),jedanizlazidvapolazanapajanje. neinvertovani) jedan izlaz i dva pola za napajanjeOKT 2009


60

b2: b2

diskretnisignali,digitalniulazniiizlazni di k t i i li di it l i l i i i l i kanali,digitalnisenzoriiaktuatori

OKT 2009


61

Okruenje mikrokontrolera koji upravlja radom jednog mehatronskog sistema gotovo bez izuzetka sadrzi senzorske i aktuacione elementa koji se u svom radu ponaaju diskretno Primer su granini diskretno. prekidai za inicijalizaciju ili dojavu krajnjih pozicija jedne servoupravljane ose. Primer su sklopke i releji za aktuiranje elektromotora ili elektromagnetnih ventila. Takodje, primer su i razliiti tasteri ili signalni elementi na komandnim tablama HMI uredjaja koji su diskretne prirode. Rad sa diskretnim signalima ove vrste se najee u argonu naziva radom sa digitalnim izlazima ili ulazima, na osnovu prirode ulazno/izlaznih portova mikrokontrolera preko kojih se komunikacija/interakcija ove vrste ostvaruje sa realnim okruenjem. Mada na prvi pogled trivijalan, rad sa digitalnim ulaznoizlaznim kanalima jednog mikrokontrolera poseduje odredjene specifinosti koje se moraju uzeti u obzir. Te specifinosti su posledica fizikih svojstava diskretnih senzorskih elemenata (senzor ovde treba shvatiti u jednom vrlo irkom smislu) i aktuacionih elemenata elemenata. U okviru ove nastavne celine bie obradjeni: 1)mehaniki prekidai, 2)senzori sa digitalnim izlazom i 3)elektromagnetni releji. Takodje, u ovkiru ove celine bie posebno razmatrani digitalni senzori za merenje linijskog i ugaonog pomeraja.

OKT 2009


62

Mehaniki prekidai:U kontekstu mehatronskih sistema pod mehanikim prekidaima podrazumevamo ulazne uredjaje koji se sastoje iz mehanizma koji na mehanikom principu prekida ili uspostavlja elektrino kolo. Mehaniki prekidai se svrstavaju u dve velike klase: 1)monostabilni tasteri koji imaju jedno stabilno stanje u kome se prekida nalazi uvek kada nije aktuiran nekom mehanikom silom i 2)bistabilni preklopnik koji ima dva stabilna stanja u koja prekida prelazi dejstvom spoljanje mehanike sile. U praksi se sreu preklopnici i sa veim brojem stabilnih stanja, odnosno veim brojem poloaja takve prekidae nazivamo selektorima (od rei selekcija, to znai izbor neke logike funkcije koja se ostvaruje uspostavljanjem neke od moguih elektrinih veza). Na osnovu elektrinog stanja u kome se nalaze kada nisu meahniki aktuirani, prekidae delimo na 1)normalno otvorene u nekatuiranom stanju je elektrina veza razdvojena i 2)normalno zatvorene u neaktuiranom stanju elektrina veza je uspostavljena. Prekidai se jos mogu klasifikovati prema broju polova, odnosno veza koje se sinhrono uspostavljaju i raskidaju. Tako imamo jednopolne, dvopolne i viepolne. Na primer, prekida koji se koristi za ukljuivanje i iskljuivanje trofaznog napajanja se po pravilu izvodi kao tropolni (tri faze R, S, T) ili etvoropolni kada se raskida i nulti provodnik.OKT 2009


63

Primerisimbolikihoznaka najeekorienihtipova najee korienih tipova prekidaa. Univerzumprekidaapored razliitihfunkcionalnihoblika razliitih funkcionalnih oblika sadriivrlovelikibroj konstrukcionihoblikaitehnikih reenja,kakomehanizma uspostavljanjairastavljanja uspostavljanja i rastavljanja kontakata,takoimehanizama mehanikeaktuacije,sveucilju zadovoljenjavrloirokogspektra moguihprimena. moguih primena Poredtoga,mehanikiprekidai semogurazlikovatipo kapacitetu,odnosnopostruji kapacitetu odnosno po struji kojumogudaproveduiradnom naponu.

Simbol

Deskripcija Jednopolnibistabilninormalno otvoreniprekida Jednopolnimonostabilninormalno Jednopolni monostabilni normalno otvoreniprekida jednopolni normalnootvorenitaster Jednopolninaizmeninibistabilni Jednopolni naizmenini bistabilni prekida Dvopolnibistabilninormalnootvoreni prekida Dvopolninaizmeninibistabilni prekida

Jednopolnietvoropoloajniselektor

OKT 2009


64

MehanikiprekidaizaprimenuuindustrijskojautomatizacijiMehaniki prekidai koji se koriste u industrijskoj automatizaciji svrstavaju se u dve iroke klase: 1. RunoaktuiranimehanikiprekidainamenjenizaizgradnjuHMIsklopova(razliiti oblicikomandnihtabli)i ) 2. Graniniprekidainamenjenizaregistrovanjeprisutnostiidojavukrajahodanekog pokretnogmehanizma. Poredgeometrijskihkarkateristika,kaotosuveliina,nainugrdnje,nainaktuacije,otpornost g j , , g j , j , p naspoljanjeuticaje,kodspecifikacijeiizboraprekidaabitnojedefinisati,radninapon,radnu struju,brojukljuivanjaujedinicivremenaivrstuoptereenja.

OKT 2009


65

Anatomija runo aktuiranih prekidaa za primenu u industrijskoj automatizacijiHMI prekidai za industrijsku automatizaciju se sreu u dva osnovna dimenziona standarda. Ovi standardi su su odredjeni otvorom za ugradnju na komandni panel. To je standard sa nominalnim prikljunim otvrom od 16mm i standard sa prikljunim otvorom j p j p j 22/25 mm. Ovi prekidai se izvode kao modularne konstrukcije, koje se sastoje iz aktuacionog modula ( (razliiti mehanizmi runog aktuiranja), modula elektrinog preklopnog mehanizma i modula g j ), g p p g nosee strukture sa mehanizmom za ugradnju i uvrivanje. Prekidai nominalnog prikljunog otvora d16 su kompaktni minijaturni prekidai za ogranieni prostor ugradnje.

OKT 2009


66

Primer1:Obrtnimehanikiprekidad22

Modularnakonstrukcijaprekidaaobezbedjujeveliku varijantnostfunkcijamehanikeaktuacijeielektrinihfunkcija. Nanavedenojslici,prikazanajepotpunakonfiguracijakoja d l k k f k poredaktuacionogmodula(prikazanugornjemdelu)imodula elektrinogpreklopnogmehanizmakojijeprikazanusklopusa modulomnoseestrukture,imaimodulzasignalizacijustanja p pomouodgovarajuegsvetlosnogizvora. g j g gOKT 2009


67

Prikazdetaljaugradnjeprekidaaukontrolnipanel

OKT 2009


68

Varijantnioblicibrojapoloajaobrtnog aktuacionogmehanizma g Aktuacionimehanizamseizvodikao dovopoloajniikaotropoloajni. Koddvopoloajnogmehanizmamoguesu dvevarijante:bistabilnaimonostabilna. Kodtropoloajnogmehanizmamoguasu p j g g etirivarijantnaoblika.Varijantniobliksatri stabilnastanja,varijantniobliksajednim stabilnimstanjemusredinjempoloajui dvamonostabilnapolozaja,varijantnioblik p j , j sadvastabilnaijednimmonostabilnim bocnimstanjemulevojidesnojformi. Naovajnainsemoerealizovativelikibroj j j varijantnihoblikakomandovanja,kojieu sebisadratiintuitivnostisigurnostzaneki specifinikontekstprimen.

OKT 2009


69

Prethodnonavedenevarijantnoblikeprateodgovarajuekontaktneemeelektrinihpreklopnika kojisekaojednopolnimoduliugradjujuuteloprekidaa.Naraspolaganjustojetriugradnamesta j j p g j j p p g j j g ukojasemoguugraditidvapreklopnamodula(normalnootvoreniinormalnozatvoreniswitch block)imodulsvetlosnesignalizacije(lampsocket)kojiseulaeucentrlnupoziciju. Koddvopoloajnogmehanikogobrtnog prekidaamoguejeugraditijedan preklopnimodul,ilialternativnodva preklopnamodula.Kodtropoloajnog prekidaaugradjujusetripreklopna modula(moguekonfiguracijesu prikazaneutabeliispod).

OKT 2009


70

Primer2:Pritisnimehanikiprekidad22Ovojeoblikprekidaakojisemasovnoprimenjujeu industriji.Uodnosunaprethodnonavedeniprimer, razlikapostojisamouaktuacionommehanizmukoji sesemjednogizuzetkaizvodikaomonostabilni.Na desnojstranidatjeprikazmoguihvarijantihformi pritisnogdugmeta,kojisuprilagodjenikonkretnom sluajuprimene.Osnovnakarkateristikakojasevarira odnosisenazatituodsluajnogaktuiranja,patako postojenezatieni,deliminozatieniipotpuno zatienioblicikrunogikvadratnogprofila.Prekida moedabudeopremljenelementomzasvetlosnu signalizaciju.Izborzatiteodsluajnogaktuiranja trebauskladitizazahtevomvidljivostisignalizacije.

OKT 2009


71

Poredprethodnonavedenemonostabilneforme,postojii bistabilnaformakojajepopravilunamenjenazatakozvanu SVESTOPfunkciju.Svestopfunkcijajenamenjenazaekscesne situacije,odnosnosituacijehavarijeineregularnograda meahtronskogsistema,kadasemorabrzoreagovatiiblokirati daljiradsistema.Aktuacionimodulseizvodiuoblikupeurke, saposebnimmehanizmomzadeaktiviranje(prekidamorada ostaneuaktuiranomstanjunekogranienodugo,dotrenutka kadaseproblemeleiminie).Oviprekidaiseuvekizvodekao normalnozatvoreni,takodaseaktuiranjemraskidaelektrina veza.Naovajnainseobezbedjujelogikasigurnost.Prekida jeuvekcrvenebojeapodlogajestandardizovanogoblikaiuvek uteboje.

OKT 2009


72

Prikazmodularnekonstrukcijepritisnog prekidaa.

OKT 2009


73

Detaljiugradnje

Matricalokacijeprekidaa:

Izvodjenjeotvora

A_min=45ili A min = 45 ili 55mm

Debljinapanela1do5mm

B_min=50,61,ili 60,70mmu zavisnostiod karkateristika preklopnihmodula

OKT 2009


74

Primer3:Obrtnimehaniki prekidad16 prekida d16Ovaveliinaprekidaaspadau minijaturneprekidaezaugradnju j p g j nakomandnetablevelikegustine pakovanja.Prekidaisumodularne gradnjeisastojeseizaktuacionog modulaielektrinogmodula.Za g razlikuodprekidaanominalne veliine22mm,kodovevrste prekidaaprovodnicisespajaju lemljenjem,apostojiispecijalno oblikovanipreklopnimodulkojise moeugraditinatampanuplou (jednostavnijeipouzdanijeoienje)

OKT 2009


75

ProblemnestabilnostiuprelaznomreimradaprekidaaZbogmehanikeaktuacije,kretanjekontakataseostvarujepozakonimamehanike,atadaseu prelaznomreimuuspostavljanjailiraskidanjakontakatamoepojavitiodskakivanje.Madaseova pojavadeavauvrlokratkomvremenu,samonekolikomilisekundi,tojevremenskiintervalkojije zaradsavremenihmikroprocesorskihupravljakihsistemavrlodug,takodasistemmoeda umestojednogciklusauspostavljanjailiraskidanjakontakta,registrujeveibrojovakvih uzastopnihciklusa,tomoedastvorivelikeproblemesaaspektalogikogfunkcionisanja upravljakogsistema.Ovajseproblemnaengleskomnazivabouncing,aproceduranjegovog reavanjadebouncing. j g

OKT 2009


76

Postojetrinainazareavanjeproblemaodskakivanjakontaktprekidaauprelaznomreimu rada: 1. Elektronskafiltracijaanalognimelementima 2. Elektronskafiltracijadigitalnimelementima 3. Softverskafiltracija Filtracijaprimenomelektronskihkolasaanalognimelementimabaziranajenaposebnom logikomkolukojesadripozitivnupovratnuspregu.Pozitivnapovratnaspregaunosihisterezis kojimsepotiskujubrzepromeneizazvaneodskakivanjemkontakataprekidaailiumomkojije prisutanukorisnomsignalu.Nadijagramuispodprikazanjeoriginalnianalognisignalkojisadri nestacionarnukomponenturazliitedinamike. Uobliavanjeovogsignala,odnosnonjegovoprevodjenje udvadiskretnastanja(naponskanivoa),mogueje j ( p ), g j ostvaritikomparatorskimkolomijejeponaanjeizraeno dijagramomA.Alternativno,uobliavanjesemoe ostvaritikolomkojesadrihisterezis,anjegovoponaanje j jeizraenonadijagramuB.Zarazlikuodkomparatorskog j g p g kolakojeuvekreagujenaprelazakkroznekizadatinivo (crvenaisprekidanalinija),kolosahisterezisomreagujena dvarazliitanivoa,imesepostiemnogokvalitetnijioblik uoblienogsignala.Ovokolosenazivamitovokida g g (Schmitttrigger).OKT 2009


77

mitovokida Histerezisnapetljaovogkolaprikazanajenadijagramuispod.KadaulaznisignaldostignenivoT, tadasenaizlazukolagenerienekinaponskinivo+M.Tajnaponskinivosezadravabezobzirana fluktuacijuulaznogsignalasvedotrenutkakadaulaznisignalnepredjeispoddonjegraniceT.U tomtrenutkusenivoizlaznogsignalaprevodinadrugustabilnuvrednostM.Daljafluktuacija ulaznogsignalaseneeodraavatinagenerisaniizlazsvedotrenutkakadonnedostignegornji granininaponskinivo(+T),kadaovokoloprelaziustanjekojegenerievisokinaponskiizlaz (+M).Oiglednojedakolomitovogokidaaposedujedvastabilnadiskretnastanjakojasu upravljanakontinualnimanalognimsignalomnanjegovomulazu.Ovakvanaponskakarakteristika senazivahisterezis,adijagramhisterezisnapetlja. Elektrinisimbolmitovogokidaa

OKT 2009


78

Daljesenavodifizikarealizacijaovogkolaprimenomoperacionogpojaivaasapozitivnom povratnomspregom.Kolopotiskujesvevarijacijeulaznogsignalauintevalu Vsat [R2 /(R2 +R1)]. sat Naovajnainkolomitovogokidaaspreavapojavuviestrukogokidanjakojesesreekodrada komparatora.

vout = vref + vR 2 + v R1 v R1 = vR 2

v + = vref + vR 2

R1 (vout vref ) R1 + R 2 R2 (vout vref ) = R1 + R 2

vR 2 =OKT 2009

R2 ( Vsat vref ) v + = vref + R2 ( Vsat vref ) R1 + R 2 R1 + R 279


Ukolikojepotrebnodaseintevalhisterezisnepetljedovedenanekidrugireferentninaponrazliit od0V,ondasenaneinvertujuuulazdiferencijalnogpojaivaadovodieljenireferentninapon V_ref,imesehisterezisnapetljatransliranadruginaponskinivo,zadravajuiusvemusvoje ponaanje.

OKT 2009


80

Efikasnaprimenamitovogokidaazahtevaprethodnufiltracijuulaznogsignala,kakobise eliminisaliekstremne fluktuacijekojeprateprelazniproces.KondenzatorC1kojijeparalelno vezannaulazumitovogkolafiltrira(potiskuje)visokeharmonikeuobasluaja,ikodotvaranjai kodzatvaranjaprekidaa.Preostaleniskofrekventnefluktuacijenaponadaljeuspeno kompenzujeimtovokida,imesedobijauobliensignaldobredinamike.UsluajuotvorenogprekidaanaponseprekootpornikaR1idiode U sluaju otvorenog prekidaa napon se preko otpornika R1 i diode D1dovodinaulazitovogokidaaitakosegenerieviinaponski nivonaizlazu.Dabiseovajprelazostvarioutokraemvremenu primenjenajediodakojomsepremoavaotpornikR2itako skraujevremepunjenjakondenzatoraC1. Usluajuzatvorenogprekidaa,kondenzatorsepraznipreko otpornikaR2,imesenaulazumitovogkolagenerienaponski nivoispoddonjegraniceokidanja,togenerieniinaponskinivo nanjegovomizlazu. j g

PrekidaotvorenPrekidazatvoren P kid t P kid tOKT 2009


81

Mehaniki granini prekidaZa rada mehatronskih sistema od posebnog znaaja su mehaniki prekidai koji su aktirani delovima mehanizma ijim se radom upravlja. Ove prekidae nazivamo graninim prekidaima zato to oni po pravilu registruju neke diskretne granine poloaje u koje se moe nai mehanizam mehanike strukture upravljanog sistema. p j g Granini prekidai se po pavilu izvode kao monostabilni. Generiki oblik prekidaa ove vrste prikazan je na navedenoj slici. Radi se o takozvanom mikro prekidau, koji se odlikuje vrlo malim hodom pobudnog mehanizma potrebnim za prelazak iz jednog u drugo stanje. Ovakva konstrukcija je neophodna zbog ostvarivanja dovoljne mehanike osetljivosti aktuacionog sklopa na male pomeraje, ime se dalje ostvaruje potrebna mehanika preciznost. Mikroprekidai se zapravo odlikuju malim radnim hodom i specijalim elastinim mehanizmom koji akumulira energiju tokom aktuacionog hoda do trenutka kada se dostigne kritina granica kada on naglo prelazi u stanje uspostavljanja ili raskidanja kontakta.OKT 2009


82

Uzavisnostiod konstrukcijemehanike konstrukcije mehanike aktuacionogsklopa prekidaaostvarujuse razliiteprekidake karkateristike.Kvalitetni mikroprekidaiimaju histerezisnupetljukoju ostvarujemitovokida, takodaseproblem nestabilnostitipa nestabilnosti tipa odskakivanjauvelikoj merireavaveu samompreklopnom mehanizmu.

OKT 2009


83

Detaljradnogdelapreklopnog mehanizmaprekidaa. h i kid

OKT 2009


84

Mehaniki prekidai su jedan od najkritinijih elemenata mehatronskih sistema i od njihove pouzdanosti najee zavisi pouzdanost sistema u celini Da bi se ostvarila visoka mehanika celini. robusnost, modul mikroprekidaa se ugradjuje u masivno, hermetiki zaptiveno kuite, koje titi osetljiv preklopni sklop od mehanikog preoptereenja, vlage, kontaminacije, temperaturnih oscilacija i svih drugih neeljenih uticaja sredine.

OKT 2009


85

OKT 2009


86

Viepolni krajnji prekidai za primenu kod maina alatki, robotici i industrijskoj automatizaciji Kod neke linerane ili obrtne ose, gotovo bez izuzetka potrebno je obezbediti informaciju da je kliza ili obrtni zglob dostigao neki od dva ekstremna poloaja, kao i da se nalazi u nekom inicijalnom poloaju od koga se dalje vri referenciranje pomeraja du ose po kojoj se kretanje ostvaruje. Minimalna konfiguracija u ovom sluaju se sastoji iz dva prekidaa ugradjenih u j g j j j p g j zajedniko kuite. Situacija u kojoj se dojavljuje inicijalni poloaj zahteva tri prekidaa, odnosno troplni prekidaki modul/blok.

U izvesnim situacijama, kada postoje neke dodatne karakteristine pozicije du upravljane ose, koriste se viepolni prekidai ove vrste sa 4 ili vie polova. Osnovna odlika ovih prekidaa je mehanika robusnost i veliki broj radnih ciklusa koji se kree u intervalu od 10^6 do 10^7.

OKT 2009


87

Tipine elektrine karakteristike preklopnog modula koji se koristi kod viepolnih prekidaa. Sklop preklopnika se po pravilu izvodi kao naizmenini prekida. Korisnik uvek moe da bira jednu od opcija, normalno otvoreni i normalno zatvoreni kontakt. Ovo nije pitanje slobodnog izbora, ve se radi o vrlo strogim funkcionalnim zahtevima koji e biti obrdjivani u modulu kursa Mehatronskih sistema koji se odnosi na servoregulisane ose.

OKT 2009


88

Tipineelektrineelektromehanike karakteristikeviepolnihprekidaaza p primenuugradnjimainaalatkiisline g j industrijskeautomatizacije. Trebauoitirazlikuizmedjubroja mehanikihielektrinihciklusa.Broj j elektrinihciklusauslovljenjevrstom elektrinogkolakojeseprikuljuujena kontakteprekidaa.Ukolikoseradio istootpornomkolu,ondajeelektrino p , j optereenjemaloiprekidamoeda izdriekstremnovelikibrojciklusa. Nasuprottome,ukolikojekolo induktivnogtipa,ondasuprelazne g p , p pojavezbogstrujasamoindukcijevrlo intenzivneitodovodidomehanike erozijekontakataidrastinog skraivanjavekaprekidaa.Reenje j p j ovogproblemajemogueuvodjenjem korekcijeimpedanseprimenom kondenzatorailislinihkompenzacionih elemenata,kojiapsorbujuporemeaje j p j p j ovogtipa.OKT 2009


89

OKT 2009


90

Primervarijantnihoblikagraninihmikroprekidaazaugradnjuusistemaindustrijske atomatizacijeirazliitemehatronskesisteme: atomatizacije i razliite mehatronske sisteme: Prekidajedimenzionisanzaradninaponod250VACimaksimalnustrujuod15A.Odlikujuse vrlopreciznimpreklopnimmehanizmomsavelikomponovljivou.Radnivek2*10^7ciklusa.

Kontaktnakonfiguracije

OKT 2009


91

Varijantniobliciaktuacionogmehanizma simbolikiprikaz

OKT 2009


92

OKT 2009


93

OKT 2009


94

Taktilni prekidai Primer mehanikih prekidaa koji registruju mehaniki kontakt sa okruenjem. Primenjuju se u robotici za spreavanje kolizije robota sa okruenjem ili identifikacije prisutnosti i poloaja nekog objekta u radnom prostoru robota.

OKT 2009


95

Rid relej Rid relej je jednostavan prekidaki alement koji se sastoji iz dva kontakta izradjena od magnetnog materijala. Kada se rid relej nadje u bliskom magnetnom polju kontakti se pomeraju i uspostavljaju elektrinu vezu.

OKT 2009


96

Senzori sa diskretnim izlazom:U ovu klasu spada jedan vrlo irok spektar senzorskih sistema kod kojih su pretvaraki blok i blok za kondicioniranje izvedeni kao analogni senzorski sistem. Specifinost je u tome to se u bloku za kondicioniranje nalazi sklop komparatora, ili mitovog okidaa pomou koga se u spoljanji svet alje samo inofmacija da je neka fizika veliina koja se registruje pretvaraem iznad ili ispod odredjene vrednosti. Na ovaj nain analogni senzor se pretvara u diskretni senzor. Ovakav senzor nazivamo beskontaktnim prekidaem. Na ovom principu se mogu realizovati beskontaktni prekidai koji se aktiviraju magnetnim poljem, optikim signalom, pritiskom, protokom, temperaturom, .... praktino svim fizikim veliinama koje su konvertovane u analogne elektrine signale, a zatim kolom za diskretizaciju prevedene u diskretne signale.

OKT 2009


97

Induktivni beskontaktni prekidaiU ovom sluaju se radi o modifikaciji induktivnih senzora k su obradjeni u okviru nastavne l d dfk d k h koji b d k celine koja se odnosi na analogne senzore, koji registruju udaljenost ciljane povrine nekog metalnog objekta. Ugradnjom k d j kpomparatorskog sklopa registruju se samo predmeti k ji su na di k kl i j d i koji distanci manjoj od i j j d neke prethodno definisane vrednosti. Na ovaj nain, induktivni senzor se pretvara u diskretni senzor, koji se aktivira ukoliko se metalni objekat nadje u njegovoj blizini. Ovakav senzor nazivamo beskontaktnim prekidaem ili samo senzorom prisustva. Induktivni senzori su najee primenjivana vrsta beskontaktnih senzora u industrijskoj praksi. Izuzetno su robusni, nemaju pokretnih delova i potpuno su imuni na sve oblike kontaminacije. Mogu da funkcioniu potopljeni u ulju, vodi, masti, .... Izvode se u cilindrinom obliku, u vidu zavrtnja, koji se ugradjuje u pokretnu ili nepokretnu k d k l k konstrukciju maine. Bilo koji metalni deo maine koji se nadje u zoni osetljivosti bie registrovan. Najee se primenjuje senzor nazivnog prenika M12.OKT 2009


98

OKT 2009


99

Induktivni senzori se izvode u dva osnovna oblika: oklopljeni i neoklopljeni. Kod oklopljenih senzora solenoid koji se nalazi na vrhu senzora je bono obavijen metalnim prstenom tela senzora, ime se magnetno polje usmerava na eonu stranu, to pojednostavljuje ugradnju, ali istovremeno i smanjuje osetljivost. Uslovi ugradnje ova dva tipa induktivnih senzora navedeni su u tabeli ispod.

OKT 2009


100

Pored uticaja okolnih metalnih povrina, kod ugradnje treba uzeti u obzir medjusobni uticaj magnetnih polja ukoliko se dva ili vie senzora nalaze u neposrednoj blizni. Navedena tabela daje osnovna ogranienja po ovom osnovu.

OKT 2009


101

Osetljivost senzora na prisustvo metalne mete zavisi od njegovog nominalnog prenika, odnosno od prenika solenoida i intenziteta magnetnog polja koje on emituje u okolni prostor. Granine krive su parabolinog oblika i formiraju parabolini konus u odnosu na glavnu osu senzora. Standardna meta izradjena je od mekog elika, ima kvadratni oblik ija stranica zavisi od prenika tela senzora i debljine 1 mm (za sluaj oklopljenog senzora M12 mere mete su: 12x12x1mm).

OKT 2009


102

Osetljivost senzora uslovljena je vrstom materijala. Uticaj vrste materijala prikazan je na dijagramu ispod i ogleda se u redukciji distance na kojoj senzor moe da registruje prisustvo standardne mete. Trajanje ciklusa ukljuivanja i iskljuivanja senzora zavisi od njegovog nominalnog prenika. Za senzor prenika M12 jedna kompletna sekvenca ukljuivanja i iskljuivanje iznosi 1 msec, odnosno senzor moe da radi sa 1 kHz frekvencijom.

OKT 2009


103

OKT 2009


104

Optiki beskontaktni prekidaiU ovom sluaju se k l koristi f fotoelektrini efekat poluprovodnika za generisanje informacije o l k f k l d k f prisutnosti nekog objekta u odredjenom prostoru. Optiki seznor se uvek sastoji iz emitera, odnosno izvora svetlosti i prijemnika u kome se svetlosna pobuda prevodi u elektrini signal, k ji se d lj primenom k l b d di l k i i i l koji dalje i komparatora ili i mitovog okidaa prevodi u dva diskretna stanja prekidakog tipa.

OKT 2009


105

U zavisnosti od naina kako se emituje i prima svetlosni snop postoje tri vrste optikih prekidaa: 1. Optiki prekidai sa presecanjem svetlosnog zraka transmisivni (through beam), 2. Optiki prekidai sa spekularnom refleksijom emitovanog svetlosnog zraka (retro reflective), i 3. Optiki prekidai sa difuznom refleksijom eitovanog svetlosnog zraka (difusereflective). p p j g g ( f f )

OKT 2009


106

Optiki senzori dobijaju na znaaju ukoliko se iskoriste optiki svetlovodi koji se izvode primenom optikih vlakana. Na ovaj nain mogua je minijaturizacija i ugradnja senzora u ekstremno p j g j j j g j ogranien prostor. Primenom razliitih difuzora i optikih elemenata (soiva), mogue je fromirati tackasti snop izuzetno malih dimenzija ili optiku zavesu, korienjem cilindrinog soiva koje takasti izvor svetlosti prevodi u linijski.

OKT 2009


107

Primernekihodstandardnih oblikasondisaoptikim p vlaknima.Dimenzijesu minijaturnearezolucijakod pojedinihmodelaznaajno ispod1mm,toomoguava p , g radsanajsitnijimdetaljimai njihovoprecizno prepoznavanjeuvrlokratkom vremenskomintervalukojise j merimilisekundama. Simbiozaoptikeielektronike krozrazliiteformeanalognihi g digitalnihsenzorskihsistema otvorilajejedanirok istraivakorazvojniprostor kojisenazivaoptronikaikojije j p j j sastavnideomehatronike.

OKT 2009


108

Elektromagnetni releji Elektromagnetni relej je mehaniki prekida koji je aktuiran elektromagnetnim mehanizmom. Preklopni sklop prekidaa se po pravilu izvodi kao monostabilni preklopnik sa razliitim konfiguracijama kontakata. Aktuacioni sklop se izvodi pomou solenoida koji privlai kotvu izradjenu od elika dobrih feromagnetnih svojstava. Ovako generisano kretanje kotve dalje se j g j g j j koristi za aktuaciju preklopnog mehanizma. Prekida u formi elektromagnetnog releja je vrlo pogodan za primenu u gradnji mehatronskih sistema, zato to se elektrini izlazni signal koji generie mikrokontroler direktno, ili indirektno preko nekog pojaavakog medjusklopa izvedenog p primenom poluprovodnika, korist za aktuaciju solenoida releja. p p j j Elektromagnetni relej ima dve vrlo znaajne osobine: 1)galvanska izolacija upravljakog sistema od sistema aktuatora i 2)pojaavanje komandnih signala upravljakog )p j j g p j g sistema, sa praktino neogranienim energetskim limitima. Elektrina ema je prikazana na priloenoj slici. Uoavaju se dva upravljaka prikljuna terminala A1 i A2, preko kojih se p j p j p j pobudjuje solenoid. Aktuator se prikljuuje na izlazne terminale oznaene sa 11 i 12 koji su povezani sa kontaktima preklopnog mehanizma prekidaa koji je mehaniki pogonjen poteznim mehanizmom koji je povezan sa kotvom solenoida. Ova veza je oznaena isprekidanom linijom.OKT 2009


109

ematski prikaz konstrukcije elektromagnetnog releja: Opruga Kotva Preklopnimehanizam sakontaktima 14(NC)11 (COM)

Izlaz

A1 Ulaz A2 Solenoidsajezgromodmekog Solenoid sa jezgrom od mekog gvodja elektromagnet Monostabilnielektromagnetni aktuacionisistem Vreme mehanikog odziva releja je reda veliine 5 do 50 ms, pri emu postoji asimetrija kod privlaenja i p j p j j j otputanja kotve. Otputanje kotve je uvek znaajno sporije.OKT 2009

12 (NO)


110

Primer elektromehanikog releja koji se koristi kao interfejs programabilnog automata za vezu sa razliitim vrstama aktuatora. U osnovi ovo je zatitni relej koji galvanski odvaja osetljiv upravljaki sklop od robusnih objekata povezanih na njegovoj periferiji. Ovakav sistem interfejsa je industrijski standard i sastoji se iz kuita na kome se nalaze prikljuni kontakti i modula releja koji je brzo izmenljiv. Na kuitu se nalazi LED dioda za signalizaciju statusa releja.OKT 2009


111

Primer viepolnog releja za aktuaciju veeg broja potroaa, viefaznih aktuatora ili rastavljanje i spajanje kola sa viepolnim vezama.

OKT 2009


112

Poluprovodniki relej (Solid state relay) Umesto mehanikog sistema aktuacije mehanikih kontakata, moe se ista funkcija ostvariti g j , j primenom poluprovodnika velike snage. Ulazno kolo je galvanski odvojeno od izlaznog kola, ugradnjom para otpiki spregnutih poluprovodnikih elemenata foto dioda i fototranzistor. Relej ovog tipa ima mnogo bru reakciju, pa se njegovo vreme odziva meri delovima milisekunde ili milisekundama. Takodje, odsustvo mehanikih kontakata eliminie problem mehanikih otkaza. j p Za razliku od mehanikog relaja, poluprovodniki relej ne moe u potpnosti da galavanski razdvoji izlazne kontakte, to u odredjenim situacijama predstavlja problem.

OKT 2009


113

Relejna pobuda pneumohidraulikih ventila Sila koju generie solenoid moe se po analogiji sa elektromagnetnim relejom iskoristiti za aktuiranje pneumatskih i hidraulikih razvodnika. Ovako aktuirane elemente za regulaciju toka fluida nazivamo elektromagnetnim razvodnicima. U sluaju malih nazivnih dimenzija razvodnika aktuacija se izvodi direktno, dok se kod veih nazivnih mera elektromagnetom pogoni pilot ventil, j g p g p koji dalje pojaava aktuacionu silu i tako omoguava pogonjenje velikh razvodnih ventila.

OKT 2009


114

Pneumatskoventilskoostrvo Mehatronskisklopkojidanaspredstavaljaindustrijskistandardudomenupenumatskih upravljakihiaktuacionihsistema.Elektromagnetnaaktuacijarazvodnikaomoguavapreciznoi efektivnoupravljanjefunkcijompneumatskeinstalacije.Elektriniipneumatskisignalise agregatirajuitimesepojednostavljujeinstalacijaiodravanje.

OKT 2009


115

Tipinakofiguracijaizlaznogkanalaupravljakogsistemazapobudusolenoidareleja.Izlazni tranzistortrebadabudetakodimenzionisandaobezbedidovoljnustrujuzanapajanjesolenoida. Proizvodjairelejauvekspecificirajunominalninapon,najeejeto24VDC/ACili240VAC,i strujukojupovlainamotajreleja.Tastrujasekreeuintervaluodnekolikomiliamperazamale releje,padonekolikodesetinaamperausluajurelejasaglomaznimmehanizmomsklopa preklopnika.

OKT 2009


116

ENKODEREnkoderi predstavljaju jednu iroku klasu digitalnih senzorskih sistema koji se koriste za merenja linijskih i ugaonih pomeraja. Ve iz samog naziva se vidi da se radi o isto digitalnim sistemima, koji kodiraju (engleski encoding) ugaonu ili linijsku poziciju, korienjem odgovarajuih elektromehanikih sklopova, koji e biti razmatrani u okviru ove nastavne celine. Generalno,enkoderiseklasifikujuudvevelikegrupe: 1. Inkrementalnienkoderi,i 2. Apsolutnienkoderi. Inkrementalni enkoderi mere relativni poloaj u odnosu na neku unapred poznatu inicijalnu koordinatu (ugaonu ili lnijsku). Apsolutni enkoderi mere apsolutnu poziciju, koja je definisana konstruktivnim reenjem sklopa u okviru koga funkcioniu funkcioniu. Pored enkodera, u praksi se jo primenjuju obrtni davai koji se nazivaju rezolveri.OKT 2009


117

Merenje brzine: Diferenciranjem signala koji generie enekoder odnosno deljenjem ugaonog ili linijskog enekoder, inkrementa sa vremenom koje je proteklo za njegovo izvrenje, dobija se informacja o tekuoj brzini. Za ove nemene se jo koriste uredjaji koji se nazivaju tahogeneratori.

Tanost i prilagodljivoast: Zbog svog specifnog konstrukcionog oblika, enkoderi nemaju osobinu nagomilavanja greke, i takodje, njihova tanost nije uslovljena veliinom mernog opsega (maksimalni ugaoni ili linijski pomeraj), to je od posebnog praktinog znaaja. Alternativni analogni sistemi nemaju ovo svojstvo, tako da u savremenim servoregulacionim mehatronskim sklopovima, poev od maina alatki, robota, pa do lansera raketa, digitalni enkoderi predstavljaju nezamenljivu komponentu. Razliita konstruktivna reenja omoguavaju veliku upotrebnu fleksibilnost, u smislu mogunosti ugradnje u vrlo razliitim konstrukcijama.OKT 2009


118

Konstrukcija: Enkoderi se najee izvode korienjem optikih i magnetnih elektromehanikih pretvaraa pretvaraa. Dominantna tehnologija u savremenoj industrijskoj praksi je bazirana na optoelektronskim pretvaraima. Optiki enkoderi poseduju optike elemente, foto diode i foto tranzistore, od kojih je jedan izvor a drugi ij d i prijemnik. P d optikih elemenata enkoder sadri i masku na k j j se nalaze prozirna i ik Pored tikih l t k d d i k kojoj l i neprozirna polja. Ova polja naizmenino prekidaju optiki put izmedju izvora i prijemnika. Veliina ovih polja je u direktnoj srazmeri sa mehanikom rezolucijom enkodera. Izvorsvetlosti o s et ost (poluprovidnika diodaililaser)

Maska

Poluprovodniki fotosenzitivni elemenatOKT 2009

1 2

Optikamaska Sklopizvoraiprijemika119


ApsolutnienkoderApsolutnienkoderposedujenparalelnihkanalakojigeneriuodgovarajuibinarnikodpovezansa Apsolutni enkoder poseduje n paralelnih kanala koji generiu odgovarajui binarni kod povezan sa nekomgeometrijskomrazmerom.Ukolikoseradiomerenjuugaonogpomeraja,ondasekodiraju ugaoniinkrementi. KodiranjesepopraviluizvodiGrayovimbinarnimkodomuciljurazreavanjeproblemastabilnosti oitavanja. Navodiseprimerobrtnogenkoderakodkogajeugaonapozicijakodiranasa4binarnakanala. Zbogjednostavnostiugaonizapisjeprikazanuortogonalnimpravolinijskimkoordinatama.Sa etiribinarnakanalamoguejekodirati2^4 =16pozicija,toznaidajeugaonarezolucijaovog g j p j j g j g enkodera22.5deg.

=OKT 2009

360 360 = = 22.5 n 2 16120


Primena Grayovog ciklinog koda ima vrlo veliki praktini znaaj zato to za razliku od prirodnog binarnog koda kod ovog koda decimalno susedni kodovi su istovremeno i logiki susedni, odnosno razlikuju se samo na jednoj kodnoj poziciji. Ipak, primena apsolutnog enkodera koji generie Gray ov kod na svom izlazu ne iskljuuje primenu prirodnog binarnog koda u njegovom okruenju. Zato je neophodno ralizovati konvertor Grayovog u binarni kod i obrnuto.

B0 = (1,2,5,6,9,10,13,14) B2 = (4,5,6,7,8,9,10,11)

B1 = (2,3,4,5,10,11,12,13) B3 = (8,9,10,11,12,13,14,15)Minimizacijom i primenom E ILI operatora, sledi: Mi i i ij i ExILI t l di

B0 = G3 G2 G1 G0 B1 = G3 G2 G1 B2 = G3 G2 B3 = G3OKT 2009


121

B0 = G3 G2 G1 G0 B1 = G3 G2 G1 B2 = G3 G2 B3 = G3

Iz navedenog skupa minimiziranih logikih jednaina koje predstavljaju analitiku formulaciju kombinacione mree konvertora koji prevodi Grayov u prirodni binarni kod:

Analogno, ova mrea se dalje kaskadno proiruje za konvertore sa veim brojem senzorskih kanala. kanala

Konvertorprirodnog Konvertor prirodnog binarnogkodauekvivalentni Grayovkod.

OKT 2009


122

Pretnodnonavedenaema kodiranjaseprevodiurealni kodiranja se prevodi u realni krunioblik. Prepoznavanje greke: Grayov kod poseduje jednu vrlo znaajnu osobinu: paritet koda je direktno povezan sa najniim bitom njegovog binarno kodovanog ekvivalenta uvek kada je broj bitova u Grayovom kodu paran najnii bit binarno kodovanog ekvialenta ima nultu vrednost. Apsolutni enkoderi ne zahtevaju inicijalizaciju. U svakom trenutku, kada se mehatronski sistem aktivira, oitavanjem trenutne pozicije sa kodnog diska enkodera istovremeno se oitava i stvarna pozicija mehanizma. Prethodna tvrdnja vai samo ukoliko mehanizam ima ugaoni opseg pomeranja manji od 360 stepeni. U suprotnom, ugradjuje se poseban brojaki mehanizam koji jo registruje i puni broj obrtaja. Nedostatak apsolutnih enkodera je poveanje broja kanala sa poveanjem rezolucije (smanjenje ugaonog kvanta). U praksi se najee sreu enkoderi sa 8 do 12 kodnih kanala. Savremeni trendovi u domenu gradnje apsolutnih enkodera baziraju se na direktnom upisu binarnokodirane koorinate na korespodentnu fiziku lokaciju. Ove tehnologije su zasnovane na tehnoligiji zapisa velike gustine digitalnih podataka na optikim medijumima za uvanje podataka. Ovom tehnologijom se postiu fizike rezolucije od 2^25.OKT 2009


123

OKT 2009


124

OKT 2009


125

InkrementalnienkoderInkrementalnienkoderiradenaprincipugenerisanjapovorkeimpulsaijimsebrojanjemizraunava Inkrementalni enkoderi rade na principu generisanja povorke impulsa ijim se brojanjem izraunava ugaonipomeraj.Zatoseinkrementalnienkoderiestonazivajubrojakimenkoderima. Generalno,postojedvevrsteenkodera: 1. Enkoderisadiskretnimgeneratoromimpulsa, g p 2. Enkoderisaanalognimgeneratoromimuplsaiinterpolatorom. Inkrementalnienkoderisesapodjednakomjednostavnouizvodekaoobrtniikaolinijski.Zbog brojakogkarakteraradaovevrsteenkodera,maksimalnaduinailiugaokojisemeriogranienje samokapacitetombrojaa. k it t b j Detekcijasmera:Upraksiseprimenjujuenkoderikojiimajudvageneratoraimpulsa,odnosnodva kanalakojasufaznopomerenazapi/2.Prepoznavanjemkojikanalprednjaimoeseprepoznatii smerrotacije.UobiajenojedaseovikanalioznaavajuvelikimslovimaAiB. Referenciranje:Porednavedenihkanalakojigeneriupovorkuimpulsa,postojiitreikanalkoji sadrisamojednaimpulspoobrtaju.Tojereferentnikanalkojimseoznaavalokacijainicijalne, odnosnonultetakeodkojesevribrojanje.UobiajenojedaseovajkanaloznaavaslovomZ(od engleskogzero).Uproceduriinicijalizacijemehatronskogsistema,sprovodiseisekvencakoja engleskog zero). U proceduri inicijalizacije mehatronskog sistema, sprovodi se i sekvenca koja omoguavadaseidentifikujereferentni(nulti)impuls,imeseresetujepripadajuibrojaitako definiekoordinatnipoetakkonkretneose.

OKT 2009


126

EnkoderisadiskretnimgeneratoromimpulsaKod ove vrste enkodera signal koji generie fotoelektrini senzor se kolom mitovog okidaa uobliava u pravogaonu, diskretnu formu.

OKT 2009


127

Ukoliko nije potrebno registrovanje smera, na primer u sluajevima kada se sistem kree iskljuivo u jednom, unapred pozna

Documents

modul_2