Gigantyczny koncern Raytheon jest prawdopodobnie najbardziej zaawansowanym technologicznie wsrod czolowki amerykanskich gigantow zbrojeniowo – cywilnych. Juz przed II Wojna produkowal wyrafinowane lampy elektronowe , w tym mikrofalowe. Jako jeden z pierwszych rozpoczal produkcje tranzystorow, takze na rynek. Nieomal cala jego technologiczna produkcja jest podwojnego zastosowania - cywilnego i militarnego.
Nowoczesne urzadzenia miltarne sa z reguly skomplikowane. Minikomputer ( niezbyt szybki ) sterujacy rakiety Pershing II ma 215 wejsc / wyjsc binarnych z czego czesc stanowi rezerwa oraz 36 wejsc / wyjsc analogowych o roznym czasie obslugi. Komputer na podstawie informacji z platformy zyroskopowej steruje serwomechanizmami lotek rakiety aby dokladnie trzymac ja na zaprogramowanej trajektorii lotu do celu. Oprogramowanie diagnostyczne z kolei pozwala na biezaco oceniac stan urzadzen rakiety. Komputer prowadzi tez sekwencje startowa, uzbraja takze jadrowa glowice bojowa i dba wraz z pomocniczym systemem o gwarancje wylacznie autoryzowanego uzycia glowicy jadrowej. Panuje nad caloscia systemu. Wymieniona ilosc I/O dobrze jest porownac z podanymi przez Zdzislawa Trybalskiego ( "Urzadzenia i uklady regulacji automatycznej" ) ilosciami I/O w roznych obiektach przemyslowych. Uzmyslawia to jak bardzo wyscig zbrojen powoduje powstawanie coraz bardziej zloznego uzbrojenia i jak mocno obciaza budzety panstw. Z drugiej strony w zdrowej gospodarce prace badawczo - rozwojowe w sektorze woijskowym sa jak najbardziej uzyteczne w sektorze cywilnym.
W koncernach wojskowo - cywilnych personel opracowujacy urzadzenia wedruje po dzialach i projektach i sila rzeczy nastepuje wymieszanie rozwiazan stosowanych w urzadzeniach cywilnych i wojskowych.
Step Controller stanowi serce ukladu omawianego autopilota dedykowanego do malych i srednich jednostek oceanicznych.
W ukladzie regulacji steru (ang rudder) statku nieomal zawsze stosuje sie dwa duze silowniki hydrauliczne przestawiajace stopniowo ster w lewo lub prawo. Dwa sterowane binarnie elektro-serwo-zawory reguluja doplyw hydraulicznego oleju pod duzym cisnieniem jako miedium roboczego do prawego lub lewego silownika. Nie wolno uruchamiac jednoczesnie obu silownikow. Elektroserwozawory hydrauliczne sa szeroko stosowane miedzy innymi w obrabiarkach CNC oraz lotnictwie. Zawory o duzej czulosci , duzej liniowosci i malej histerezie sa dwustopniowymi skomplikowanymi urzadzeniami o wysokiej cenie. Moga pracowac tylko w instalacji z bardzo czystym olejem co implikuje koniecznosc stosowania bardzo wysokiej jakosci pomp zasilajacych , silownikow i filtrow co rzutuje na bardzo wysoka cene urzadzen i zarazem bardzo wysokie koszty eksploatacji. Zaniedbania eksploatacyjne prowokuja zas ryzyko katastrofy lub conajmniej kosztownej awarii i przestoju. Szeroko temat sterowanych zaworow hydraulicznych traktuje literatura tyczaca CNC i lotnictwa.
Dlatego tez w ukladach sterowych stosuje sie takze elektroserwozawory jednostopniowe. Sa one malo czule , nieliniowe ale nie stwarzaja nieomal zadnych klopotow eksploatacyjnych pracujac niezawodnie dziesiatkami lat.
Mozna je sterowac binarnie jak w omawianym autopilocie badz analogowo co wymaga linearyzacji ich charakterystyki a zwlaszcza uwzglednienia duzej strefy nieczulosci. . Linearyzacje taka stosuje sie przykladowo do takich zaworow kontrolujacych silowniki w rozmaitych dzwigach i manipulatorach.
Kat wychylenia steru podany jest do conajmniej dwoch sensorow polozenia kata jako ze sa to systemy z redundacja o podwyzszonej niezawodnosci. Jako ze zawory sterowane sa binarnie zmiana polozenia steru nie jest w pelni ciagla ale ziarnista. Jednak przy odpowiedniej strefie nieczulosci zauwazalne straty jakosci regulacji praktycznie nie wystepuja.
Elektroserwozawory sa w autopilocie zalaczane tranzystorami darlingtona mocy N30 i N31 typu TIP121. Przy wylaczaniu tranzystorow energia pola magnetycznego cewek zaworow ( a takze dlugich przewodow polaczeniowych jako ze Autopilot jest na mostku a ster kilkanasie metrow pod nim) jest rozladowywana bezpiecznie przez chroniace tranzytory warystory R77 i R78 typu S14K25. W oznaczeniu warystora S14 oznacza srednice szeregu warystorow a K25 prog napiecie AC ochrony. Zastosowanie tranzystorow mocy pozwolilo powiekszyc niezawodnosc urzadzenia poprzez eliminacje klopotliwych przekaznikow. Widac wiec ze odejscie od przekaznikow stalo sie norma a nie wyjatkiem. Delikatnie sterowane tranzystory Darlingtona mocy przelaczaja wzglednie powoli nie generujac przewodami polaczeniowymi klopotliwych zaklocen.
Tranzystory sa zas sterowane przerzutnikiem trojpolozeniowym wykonanym na dwoch komparatorach N21/3 i N21/4 z poczwornego ukladu komparatorow typu LM339. Zastosowano najprostszy regulator krokowy o charakterystyce proporcjonalnej z sensorem polozenia organu wykonawczego czyli steru. Jest on sterowany z glownego niezaleznego nieliniowego regulatora PID
Tranzystory N26 i N27 tworzace przerzutnik RS uniemozliwiaja jednoczesne wlaczenie obu tranzystorow mocy co mogloby doprowadzic do stopniowego lub natychmiastowego uszkodzenia zaworow i silownikow.
Dwa przerzutniki Schmidta wykonano na komparatorach N21/3 i N21/4. Dodatnie sprzezenie zwrotne a zatem histereze uzyskano podajac sygnal wyjsciowy rezystorami R50 i R51 na wejscia dodatnie komparatorow. Rezystorami zas R39/5 i R39/8 podano zas sygnal wyjsciowy z regulatora PID.
Jako sensory polozenia katowego zastosowano syncho-resolvery po polsku zwane selsynami. Jako sensor polozenia steru rownie dobrze moze byc stosowany roznicowy transformator polozenia LVDT (ang Linear varaiable Differential Transformer) Resolvery jak i roznicowe transformatory sa bardzo precyzyjne, twale i malo podatne na zabrudzenie. Sygnal wyjsciowy z resolvera sprzegnietego ze sterem czyli sygnal sprzezenia zwrotnego (na schemacie oznaczenie rudder feedback) jest poprzez zlacze 8 podane do filtru srodkowoprzepustowego wykonanego na wzmacniaczu N5/2. Potencjometr R14 sluzy do regulacji czestotliwosci srodkowej i przesuniecia fazy a przy tym nie zmienia on wzmocniania filtru. Takze w pozostalych dwoch torach wspolpracujacych z resolverami zastosowano identyczne filtry srodkowoprzepustowe. Filtry dodatkowo poprawiaja odpornosc na zaklocenia ktore z uwagi na dlugosc okablowania moze byc sporym problemem.
Sygnal z filtru jest podany na jednopolowkowy szeregowy detektor synchroniczny wykonany na tranzystorze N12 typu TCH99 sterowany prostokatnym sygnalem z generatora i dalej podany na jednobiegunowy dolnoprzepustowy filtr na z R19 i C21. Dedykowany do detektorow synchronicznych tranzystor TCH99 produkcji Raytheon ma unikalnie duze napiecie przebicie Ueb, rzedu 15V co znakomicie upraszcza wykonanie detektora. Jest tez stosunkowo szybki. Nie dysponujac takimi tranzystorami mozna uzyc alternatywnie w projekcie tranzystory JFet. Sygnal jest dalej wzmocniony i filtrowany w ukladzie odwracajacym ze wzmacniaczem N5/1. Potencjometr N28 sluzy do zerowania ukladu.
Wreszcie sygnal "stalopradowy" sprzezenia zwrotnego jest podany do przerzutnika trojpolozeniowego poprzez rezystory R39/1 i R39/2.
Szerokosc strefy histerezy przerzutnikow jest stala natomiast regulowana jest potencjometrem R43 nazwanym jako "hunt" czyli polowanie odleglosc progow obu przerzutnikow czyli strefa nieczulosci. Przy zbyt malej odleglosci czyli nieczulosci nastepuje czeste lub ciagle naprzemnienne wlaczanie zaworow obu kierunkow czyli owo polowanie. Polowanie jest szkodliwe i musi byc wyeliminowane Jednak duza nieczulosc takze nie jest pozadana.
W ukladach wykorzystujacych „serwopotencjometr” strefa histerezy jest zazwyczaj niewielka z uwagi na dynamiczny ekwiwalent histerezy wprowadzony przez elektromechaniczne komponenty calej petli regulacji i wynosi okolo 10-30%. Natomiast w regulatorze z odtwarzaniem zmiennej stanu optymalna jest histereza bliska 50% calej peli histerezy i nieczulosci.
W regulatorze z odtwarzaniem polozenia serwomechanizmu po wlaczeniu zasilania i resecie stan integratora ukladu odtwarzania jest zerowy. Niezerowe jest po Resecie (moze byc) polozenie steru co powoduje ze wybrano uklad z serwopotencjometrem. Wlasnie rozbierznosci miedzy pozycja odtwarzana a rzeczywista sa motywacja do stosowania serwopotencjometru tam gdzie jest to wada.
Jak juz wczesniej wskazano regulator trojpolozeniowy pracujacy z sensorem polozenia (w peli sprzezenia zwrotnego) organu wykonawczego moze byc tylko typu proporcjonalnego P jak w omawianym autopilocie. Natomiast regulator z odtwarzaniem stanu zmiennej stanu polozenia organu wykonawczego moze byc z latwoscia zmodyfikowany do typu PI i taki wlasnie typ dominuje w zastosowaniach przemyslowych.
Z punktu widzenia glownego watku dokumentu omawianie autopilota mozna byc zakonczyc jednak z uwagi na nieomal 100% szczelna blokade informacyjna tematu autopilotow stosowanych takze przeciez w lotnictwie i rakietach samosterujacych i ciekawych zastosowanych rozwiazanich poswiecimy jej jeszcze chwile uwagi. Autopilot jest obecnie urzadzenie dojrzalym i ustabilizowanym technicznie. Jednak zaledwie w kilku krajach swiata poziom technologii sterowania sprowadzil automatyczne sterowanie ruchomych obiektow do poziomu "rutyny". W autopilotach cyfrowych stosuje sie identyczny algorytm regulacji co wynika z przyzwyczajenia ludzkiej obslugi oraz z tego ze regulacja analogowa zapewnia bardzo dobre rezultaty. Najnowsze autopiloty wyposazone sa w algorytm adaptacji co zwalnia obsluge z przelacznia parametrow regulatora klasycznego autopilota. Stosowany jest algorytm MRAC - Model Reference Adaptive Control.
Bardzo podobne rozwiazania stosuje sie takze do stabilizacji polozenia morskich platform wiertniczych. Rozmaite modyfikacje algorytmu PID sa i wydaje sie ze bardzo dlugo pozostana koniem roboczym technologi sterowania. Obecny poziom technologii cyfrowej jest zupelnie wystarczajacy do implementacji autopilotow. Natomiast nieprzyjemnym problemem, wrecz nocnym koszmarem dreczacym konstruktorow urzadzen od ktorych wymaga sie duzej niezawodnosci jest sprawa utraty przez program sciezki logicznej zwana popularnie zawieszaniem sie programu. Watchodg jest zaledwie poczatkiem uzyskania satysfakcjonujacego rozwiazania.
W autopilocie stosowany jest algorytm PID z dodatkowa nieliniowoscia zwiekszajaca wzmocnienie przy duzych poziomach wyjscia. Otoz jak wiadomo z modelu poruszajacego sie statku duze wychylenia steru dziala silnie hamujaco na ruch statku i to hamowanie oraz spadek predkosci powoduje spadek wzmocnienia calej petli regulacji w ktorej obiektem jest statek. Spadek wzmocnienia jest kompensowany owym zwiekszonym wzmocnieniem nieliniowego ukladu.
Ujemne wejscie wzmacniacza operacyjnego N49 pracujacego w konfiguracji odwracajacej jest punktenm sumowania sygnalu proporcjonalnego przychodzacego rezystorem R103, sygnalu zrozniczkowanego kondensatorem C42 oraz sygnalu scalkowanego w integratorze na wzmacniaczu N42 przychodzacego rezystorem R104. Nieliniowsc wzmocnienia zapewniaja diody N46 o raz N47 pracujace w petli sprzezenia zwrotnego.
Warto zwrocic uwage na wagi opornikow ktorymu sumuje sie czesc proporcjonalna i calkujaca. Dzieki dwukrotnie mniejszej wadze calkowania czesc proporcjonalna zawsze moze zdominowac calkowanie. Jest to istotne bowiem zakresy sygnalow sa przeciez ograniczone.
Diody N48 i N49 wraz z potencjometrem R202 sluzacym do nastawiania maksymalnego wychylenia steru pozwalaja ustawiac maksymalne napiecie na wyjsciu regulatora PID.
Integrator wykonano w nietypowej konfiguracji nieodwracajacej co pozwala uzyskac zgodnosc faz sygnalow P , I, oraz D . Wzmacniacz operacyjny wraz z rezystoprami polaczono w konfiguracje Howland Current Source W tej konfiguracji rezystory R89/1, R89/2, R89/3 i R89/4 musza miec mala tolerancje aby zbudowany z nich mostek "wzmacniacza instrumentalnego" na ktorym bazuje integrator byl zrownowazony. Kondensatorem integratora sa rowniolegle polaczone kondensatory C39,C40 i C41.Integrator ten nie potrzebuje dodatkowego ogranicznika calkowania bowiem po wejsciu wyjscia wzmacniacza w stan nasycenia zatrzymuje sie calkowanie dalsze zwiekszanie poziomu napiecia na kondensatorze integratora zachodzi juz jak w ukladzie inercyjnym RC i jest wzglednie malo szkodliwe. . Jest to ogromna zaleta tego rozwiazania. Wada jest dwukrotnie wiekszy dryft w stosunku do integratora w konfiguracji odwracajacej. Jednak wobec zastosowania wzmacniaczy BiMos o bardzo malych pradach wejsciowych i jeszcze mniejszym ich dryfcie wada ta jest bez znaczenia. Wspomniany juz specjalny tranzystor N38 typu TCH99 sterowany sygnalem z ukladu Reset (kolektor tranzystora N37) zeruje stan kondensatora integratora po wlaczeniu zasilania urzadzenia. Przy niewielkiej jednak dodatkowej komplikacji system mozna wykonac takze na znacznie gorszych , popularnych wzmacniaczach operacyjnych.
Do regulacji wzmocnienia petli regulacji zastosowano potencjometr R203. Natomiast nie ma regulacji stalych czasowych rozniczkowania i calkowania ! Mimo iz jest to przeciez regulator PID. Natomiast potencjometr R204 nazwany "counter rudder" jednoczesnie zwieksza rozniczkowanie i zmniejsza calkowanie. Jest to standardowa funkcja w autopilotach.
Dlaczego tak uczyniono?
Potrzebne jest krotkie wyjasnienie.
W regulatorze minimalnowariancyjnym staramy sie uzyskac bezkompromisowo jak nalepsza regulacje. Nie bierzemy pod uwage kosztu akcji sterujacej. A koszt ten bywa niebanalny. W wypadku maszyny sterowej po prostu szybciej ulegnie zuzyciu urzadzenie. Nalezy wiec korzytac z niego z umiarem i rozsadkiem. Zwiekszymy takze zuzycie drogiego paliwa.
W wazonym regulatorze minimalnowariancyjnym bierzemy pod uwage koszt akcji sterujacej co z drugiej strony "uspokaja" takze regulacje czyniac ja mniej rzutka.
Mocne wychylenie steru hamuje statek co w dramatyczny sposob znajduje swoj wyraz w zwiekszonym zuzyciu paliwa ! Jednak nawet takze samo poruszanie sterem zwieksza zuzycie paliwa.
Tak wiec to warunki pogodowe oraz okolicznosci trajektori po ktorej porusza sie statek dyktuja rodzaj wybieranej dynamiki. Jesli chcemy aby statek szybko reagowal dajemy wiecej rozniczkowania i jednoczesnie mniej calkowania. Jesli chcemy z kolei aby statek wykonywal tylko delikatne, gladkie ruchy dajemy mniej rozniczkowania a wiecej calkowania. Dlatego wlasnie zamiast dwoch niezaleznych , osobnych regulacji stalych czasowych rozniczkownia i calkownia zastosowano jedna regulacje zalezna , sprzezona.
Sygnal bledu obecny na wyjsciu wzmacniacza N11/1 jest podany do regulatora PID poprzez regulowany filtr z dynamicznie nieliniowa strefa nieczulosci. Jest to filtr pierwszego rzedu z kondensatorem C35 i regulowanymi nieliniowymi sieciami rezystorow.
W polozeniach "1" i "2" przelacznika oznaczonego "yawing" (chodzi o powolny ruch myszkujacy jak wykonuje statek) mamy filtr liniowy z rezystorami R57, R58, R59. W pozostalych polozeniach przelacznika sygnal bledu jest dzielony rezystorami dolaczonymi do przelacznikow oraz spolaryzowanymi rezystorami R49 i R61 i podany do diod N23 i N24. Uklad ten wprowadza regulowana strefe nieczulosci. A wiec dopiero sygnal wiekszy od wybranej przelacznikiem strefy nieczulosci pojawia sie na polaczonych katodach i anodach diod i dalej poprzez rezystor R60 zostaje podany do kondensatora filtru.
Nieliniowosc sluzy do lekcewazenia niewielkich odchylek toru statku powodowanych zmiennie wiejacymi wiatrami. Godzimy sie na niewielka manipulacje toru statku przez zmienny wiatr bowiem w warunkach otwartego oceanu zwalczanie odchylek generowanych przez wiatr jest czystym marnotrawstwem paliwa.
Z kolei tam gdzie statek musi sie poruszac precyzyjnie w ogole nie dajemy strefy nieczulosci i wybieramy mala stala czasowa filtru wygladzajacego.
Wszystkie stale czasowe sa rzekomo bardzo dobrze dopasowane do parametrow malych- srednich statkow oceanicznych.
W jaki sposob wytwarzany jest sygnal bledu kursu .
W zyrokompasie ustawionym dokladnie na osi statku w jego czesci o stabilizowanym polozeniu znajduje sie resolwer zasilany z generatora autopilota od strony uzwojenia jednofazowego. Ten resolver jest uzwojeniem trojfazowym polaczony (na schemacie zlacza 27,28,29) z uzwojeniem resolvera pokazanego na schemacie urzadzenia sluzacego do nastawiania kursu jednostki. Zatem na jednofazowym wyjsciu tego resolwera otrzymujemy roznice ustawien resolwerow czy blad kursu. Napiecie to podano jak zwykle do filtru srodkowoprzepustowego na wzmacniaczu N11/3 i dalej wzmocniono we wzmacniaczu napiecia zmiennego na N11/2. . Dalej sygnal podano do detektora synchronicznego na specjalnym tranzystorze N1 i dalej do filtru dolnoprzepustowego na wzmacniaczu N11/1.
Stad sygnal jest podany do filtru z dynamiczna nieczuloscia oraz do dwupolowkowego prostownika aktywnego na wzmacniaczach N8/2 i N8/1. Zbyt duza wartosc bezwzgledna bledu kursu uruchamia komparator ukladu N21/1 i powoduje zadzialanie alarmu. Poziom przy ktorym zostanie podniesiony alarm ustala potencjometr R20 oznaczony jako "alarm". Alarm ma czesc dzwiekowa i optyczna i typowa logike dzialania , potwierdzania alarmu i jego kasowania. Jako ze temat systemow Alarmowycha zwlascza ich logicznej State Machine mocno odbiega od watku sprawe ta pomijam. Sygnaly alarmowe sa takze wyprowadzone do centralnych systemow alarmowych.
Autopilot posiada wlasne zrodlo zasilania resolverow . Na komparatorze N21/2 wykonano generator sygnalu prostokatnego. Czestotliwosc mozna regulowac potencjometrem R54. Sygnal ten po podzieleniu czestotliwosci przerzutnikami JK CMOS serii 4000 w ukladzie N28 jest juz idelanie symetryczny a zatem pozbawiony parzystych harmonicznych co jest istotne. Sygnal jest podany na odwracajacy integrator z ogranicznikami poziomu na wzmacniaczu N5/4 zbuforowanym tranzystorami mocy N43 i N44. Integrator wytwarza zatem liniowo opadajce i narastajace zbocza a amplituda plateu jest od gory i dolu ograniczana diodami N39 i N40 wraz z towarzyszacymi rezystorami. Wytworzony jest zatem sygnal niby sinusoidalny o znieksztalceniach okolo 3%.
Gdyby sygnal byl idealnie sinusoidalny zbedne bylyby odbiorcze filtry srodkowoprzepustowe chociaz dodatkowo podnosza one odpornosc na zaklocenia. Wejscia filtrow stanowia rezystory 51.1 K a wiec przypadkowe podanie tam w sytuacji uszkodzenia (na przyklad zmiazdzenia kabla kiedy powstaja liczne zwarcia ) okablowania nawet dosc wysokich napiec nie uszkodzi Autopilota.
Czesc sygnalowa analogowa i cyfrowa urzadzenia jest zasilana napieciem 15V ze stabilizatora N13-7815C. Wtornik na wzmacniaczu operacyjnym N5/3 wytwarza virtual ground (to jest poziom odniesienia wszystkich sygnalow w czesci analogowej) na poziomie polowy napiecia zasilajacego czyli 7.5V. Zatem mozna rzec ze czesc sygnalowa jest zasilana napieciem +7.5V i 7.5V w stosunku do virtual ground.
Zwrcocmy uwage ze przy takich zasilaniach zbedne sa interface pomiedzy ukladami analogowymi i cyfrowymi CMOS rodziny 4000.
Wzmacniacze operacyjne CA3140 wykonane w technologi BiMOS katalogowo maja przy napieciu zasilania 5V prad polaryzacji wejsc rzedu 2 pA a przy napieciach -15..+15V 5pA. Faktycznie moga byc one mniejsze ale pomiar jest trudny. Doskonale nadaja sie do budowy integratorow i ukladow rozniczkujacych.
Autopilot posiada oczywiscie jeszcze pomocnicze podsystemy widoczne na schemacie aby byc samodzielnym urzadzeniem. Autopilot jest starannie zaprojektowany i tudno jest znalezsc w nim cos nieracjonalnego.
Z powyzszego wynika ze
-Regulator krokowy stanowi tylko czesc systemu wykonujacego konkretne zadania. Ma on dodatkowe zabezpieczenie przed wysterowaniem obu wyjsc
-Chronione warystorami wyjscie jest bezstykowe i jest ono przelaczane wzglednie wolno aby kontrolowac zaklocenia i nie prowokowac problemow.
-Sam algorytm PID jest nieliniowo modyfikowany aby uzyskac satysfakcjonujace rezultaty
-Koncowy rezultat jest wazona suma czastkowych rezultatow. Czasem nie warto stosowac zlozonych podsystemow a polepszenie koncowego rezultatu uzyskac w innej czesci systemu. Przykladem sa tu malo doskonale polowkowe szeregowe detektory synchroniczne.
Autopilot jest polaczony z serowzaworami kontrolujacymi ster poprzez zewnetrzny przelacznik pracy recznej i dlatego nie zawiera sam ani przelacznikow ani odpowiedniej logiki.
Autopilt nie jest zadnym cudem . Jest egzamplifikacja tezy "gdzie rozum spi budza sie demony".
Regulator krokowy wbudowany ASEA
Szwedzka ASEA jest wiodacym swiatowym koncernem w obszarze wytwarzania i uzytkowania energi elektrycznej. Juz pod koniec lat szescdziesiatych wyprodukowala do swoich lokomotyw m.in. wysokonapieciowe tyrystory duzej mocy. Produkuje potezne kompletne systemy mechaniczno - elektryczne - elektroniczne o bardzo wysokim stopniu komplikacji. Omawiany regulator wbudowany jest integralna czastka systemu ale w jego konstrukcji obecne sa wszystkie cechy budowy wystepujace w calym systemie.
Modul zasilany jest zmiennym napieciem trojfazowym w zwiazku z czym wymagana pojemnosc kondensatorow filtrujacych za diodowymi trojfazowymi mostami prostowniczymi jest bardzo mala co pozwolilo stosowac niezawodne kondensatory "elektrolityczne" z dielektrykiem stalym w miejsce bardzo zawodnych konwencjonalnych kondensatorow elektrolitycznych. Dwa regulatory tranzytorowe wytwarzaja napiecia +15V oraz -15V dla wzmacniaczy operacyjnych i ukladow analogowych a uklady logiczne CMOS i wspolpracujace z nimi komparatory ( sa to wzmacniacze operacyjne ) zasilane sa z pomocniczych napięć -7.5V oraz 7.5V czyli sumarycznie napieciem 15V. Zbedne sa jakiekolwiek uklady dopasowujace sygnaly wyjsciowe ze wzmacniaczy - komparatorow do ukladow logicznych. Przekazniki oraz lampki sygnalizacyjne zasilane sa niestabilizowanym napieciem okolo 25Vdc.
Kazdy typowy dwu tranzytorowy regulator napiecia +-15V ma w stopniu napieciowym diode Zenera 6.2V a wtornik emiterowy "mocy" na tranzystorze malosygnalowym. Jest to rozwiazanie typowe a stabilnosc napiec jest niezla. Zajmuje niewiele miejsca na PCB. Czy jest jednak ono wystarczajace w profesjonalnym urzadzeniu ? Rezystancja dynamiczna diody Zenera osiaga minimum przy nominalnych napieciach diod 6.2 - 6.8V a wiec stabilizacja zmian napiecia sieciowego bedzie dobra mimo prostoty ukladu. Konstrukcja ukladu nie wymaga mocno stabilnych termicznie napiec. Pobor pradu zasilania modulu jest niewielki co wynika takze z zastosowania ukladow logicznych CMOS oraz racjonalnie "duzej" wartosci rezystorow wokol wzmacniaczy operacyjnych. Dokonane wybory wyniknely zapewne z zaawansowanej calosciowej optymalizacji systemu. Generalnie funcjonalnosci w systemie sa realizowane niewielka iloscia elementow miedzy innymi dlatego ze uklady CMOS sa dosc zlozone.
W stabilizatorze napiecia dodatniego uzyto jako wtornika tranzystora 2N2222A a napiecia ujemnego tranzystora komplementarnego 2N2907A. Sa to podstawowe tranzytory w całym systemie. Rownolegle do tranzystorow rezystory odciazaja je cieplnie. Moga byc stosowane bowiem niemozliwe jest odciecie obciazenia stabilizatorow jako ze obciazenie jest na tej samej duzej plycie drukowanej PCB. Rezystory-bezpieczniki umieszczone w kolektorach tranzystorow zabezpieczaja stabilizatory przed zwarciem. Po zwarciu napiecie Uce tranzystorow jest dla nich bezpieczne przy plynacym duzym pradzie zwarcia ktory po dluzszej chwili powoduje zadzialanie rezystora - bezpiecznika. Zauwazmy ze przy stosowaniu stabilizatorow rodzin 780X i 790X i tak konieczne sa dodatkowe bezpieczniki bowiem przegrzewajace sie przy przeciazeniu stabilizatiory i tak po czasie ulegna uszkodzeniu.
Jako komparatory i wzmacniacze stosowane sa w systemie popularne uklady wzmacniaczy operacyjnych LM101 i LM107 z wewnetrzna kompensacja czestotliwosciowa i bez kompensacji z zewnetrznym kondensatorem. Uklady te sa wystarczajaco dokladne do wiekszosci zastosowan.
Sygnal bledu powstaje z zsumowanie rezystorami sygnałow zadanego R2 i obiektu R1. Podano go do aktywnego filtra dolnoprzepustowego o czestotliwosci odciecia 7Hz ( tak wynika z wartosci elementow RC ) i dobroci Q=0.6 a wiec o bardzo malym przerzucie bliski aperiodycznego na wzmacniaczu A1. Sygnal wyjściowy umownie "+1,0, -1" regulatora podany jest do integratora z "odtwarzaniem" zmiennej stanu polozenia organu wykonawczego. Uzyto ukladu wzmacniacza operacyjnego A5 Super Beta typu LM108 o bardzo malym pradzie wejsciowym polaryzacji. Odfiltrowany sygnal bledu i sygnał z tego integratora podano do sumujacego wzmacniacza A2 o regulowanym wzmocnieniu czyli strefie nieczulosci. Pozostale potencjometry sluza do nastawienia wzmocnienia regulatora oraz stalej czasowej integracji regulatora PI. Sygnał z A2 podano rownolegle do dwoch przerzutnikow z dodatnim sprzezeniem zwrotnym dla histerezy na ukladach wzmacniaczy A3 i A4 tworzacych razem układ trzypoziomowy "-1, 0, +1". Uklady te steruja wyjsciowe tranzystory V37 i V39. Uruchamiaja one dalej przekazniki i lampki sygnalizacyjne. O bezpieczenstwo ( wykluczenie destrukcyjnego i zabronionego stanu jednoczesnego +1 i -1) dba dalszy uklad. Jednoczesnie sygnały z "komparatorow" ukladu trojpoziomowego podano do stabilizujacych poziomy diod Zenera V8 i V9 wraz z szeregowymi diodami odcinajacymi i poprzez sumujace diody V6 i V7 na potencjometr z ktorego sygnal podano do integratora odtwarzajacego.
Na tej same karcie schematu jest jeszcze uklad ssytemowego nadzoru na bramkach Schmidta 4093 i liczniku 4024. Nie bierze on udzialu w samej pracy regulatora krokowego.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz