Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 11
Bezzałogowe samoloty i samochody pobudzają wyobraźnie ale niedawne przewidywania co do ich szybkiej popularyzacji się nie spełniły. W Chinach i w Rosji prywatne firmy są rzekomo gotowe do uruchomienia bezpilotowych aero - taxi.
Brakuje jednak infrastruktury fizycznej i prawnej. Latające obiekty muszą być łatwe do identyfikacji. Muszą mieć ubezpieczenie cywilne od szkód, które mogą spowodować. Powietrzne taksówki to jednak malutka nisza, wręcz margines.
Rozprzężonym sterowanie obiektów latających ( Noninteractive Control ) zajmiemy się dalej.
Okazuje się że „trywialne” optymalne ustalanie tras samolotów może obniżyć emisje CO2 z lotów do 16% ale średnio mniej. Wiatry na dużych wysokościach mają decydujący wpływ na to, jak szybko samolot przelatuje przez Atlantyk i ile paliwa zużywa. O silnych wiatrach na dużych wysokościach wiadomo od dawna i pomysł aby je uwzględniać wydaje się trywialny.
"W każdym danym momencie istnieje cienka granica pomiędzy 'trywialne', a 'niemożliwe'. Odkrycia w matematyce dokonywane są na tej granicy".
Andriej Kołmogorow (1903-1987), Pamiętniki,1943.
Ogromną pracę przewozową wykonuje transport morski. Według „Review of Maritime Transport 2019” UNCTAD na morski transport przypadało w 2018 roku ponad 80 % wolumenu przewozów w światowych obrotach towarowych ( 11 mld ton ) oraz ponad 70 % ich wartości. Równolegle z handlem międzynarodowym rozwijał się transport morski. Przewieziono m.in. 152 mln sztuk ekwiwalentu kontenerów 20 stopowych TEU o wadze 1,6 mld ton.
Koszty transportu morskiego stanowiły średnio 15 % wartości importowanych towarów, dlatego że większą część towarów stanowiły tanie surowce. Tam gdzie porty były mało zautomatyzowane koszt średnio wynosił aż 21%.
Statki zużywają ogromne ilości paliw. Rozwiązaniem dla dużych jednostek mogą być reaktory jądrowe a dla mniejszych żagle.
Heavy Fuel Oil ( po polsku mazut albo paliwo pozostałościowe ) może być brudny i statek ma automatyczny system z wirówką do jego oczyszczenia. Czynione są wysiłki aby zmniejszyć zasiarczenie tych paliw i podnieść ich jakość.
Załogi statków od dekad zmniejszano szeroko stosując automatyzacje.
Stowarzyszenia SAE International wyróżnia 6 poziomów automatyzacji w coraz bardziej autonomicznych pojazdach:
0.Brak automatyzacji
1.Asysta kierowcy
2.Częściowa automatyzacja
3.Warunkowa automatyzacja
4.Wysoka automatyzacja
5.Pełna automatyzacja
Przy poziomach 0,1,2, człowiek jako kierowca monitoruje środowisko jazdy i decyduje. Przy poziomach 3,4,5 zautomatyzowany system kierowania monitoruje środowisko jazdy. Oczywiście jazda na autostradzie jest zadaniem łatwym przy jeździe w mieście zwłaszcza gdy trwają roboty drogowe i istnieją objazdy. Zadanie dodatkowo komplikują trudne warunki pogodowe. Pierwsze prawdziwie autonomiczne będą oczywiście samochody luksusowe.
W rozwój technologi jazdy autonomicznej inwestują oczywiście wiodące koncerny samochodowe ale też wypożyczający samochody Uber i producent mikroelektroniki Intel. Firmy badają temat autonomicznej jazdy samodzielnie lub wspólnie ale także kupują udziały w firmach zajmujących się automatyzacją pojazdów.
Niedługo liczba sensorów w luksusowych pojazdach sięgnie setki. Liczba samochodowych systemów jest coraz większa co ma duży wpływ na wiele sektorów gospodarki wytwarzających elementy do samochodów.
Mający już swoje lata samochodowy ECU ( Engine Control Unit ) steruje m.in. wtryskiwaczami i systemem zapłonu. Moduł posiada wbudowane interfejsy do wszystkich użytych sensorów. Używanie w konstrukcji coraz wydajniejszych mikrokontrolerów pozwoliło na użycie lepszych ale bardziej skomplikowanych funkcji i dodanie różnych funkcjonalności.
Opracowanie i produkcja kontrolerów do zastosowań wbudowanych jest rentowna i to z reguły wysoko rentowa. Mankamentem a jednocześnie plusem jest konieczność zatrudnienia wysoko kwalifikowanych inżynierów od sprzętu i inżynierów - programistów
Tradycyjnie więc koncerny nowoczesnych państw mają mieć nowoczesną, rentowną produkcje a kraje peryferyjne mają ją kupować w samochodach i innych wyrobach same sprzedając na rynku światowym wyroby o niskiej rentowności. Idea podziału pracy jest więc tradycyjna.
Energia generowana przez wiatraki i ogniwa słoneczne jest niekontrolowalna i w systemie muszą dla równoważenia bilansu dodatkowo funkcjonować regulowane elektrownie cieplne o podobnej mocy maksymalnej jak źródła odnawialne lub akumulatory energii elektrycznej. Bloki jądrowe są w zasadzie nieregulowalne i pracują jako podstawa systemu energetycznego. Po szybkim wyłączeniu reaktora energetycznego z uwagi na powstające i ustępujące zatrucie rdzenia ponownie można go uruchomić po ca 21 godzinach. Elektrownia jądrowa wymaga niezawodnego systemu przesyłowego i jest totalnie niekompatybilna z „zieloną” energetyką. Regulacja mocy elektrowni cieplnych a także częste rozruchy i odstawianie bloków sprawia ze pracują ze znacznie mniejszą sprawnością niż optymalna a zmiany temperatur i ciśnień powodują zmęczenie materiałów i przedwczesne starzenie się kotłów i turbin oraz powiększoną zawodność. Wszystko to sprawia że zabawa w zieloną energetykę jest bardzo kosztowna.
Najtańszym akumulatorem energii są elektrownie wodne pompowo - szczytowe ale w Polsce poza paroma miejscami, nie ma ich gdzie zbudować. Tak samo jest w wielu innych krajach.
Technologia produkcji akumulatorów Litowo jonowych jest doskonalona a cena 1 kWh w dużych jednostkach zmierza do 100 dolarów. Spadek cen był więc ogromny i ostatnio trochę wyhamował. Pamiętać należy też o przyszłym koszcie utylizacji toksycznego złomu.
Przy trwałości akumulatorów 1000 pełnych cykli koszt jednorazowego przechowania 1 KWh energii wynosi 100/1000 czyli 0.1 dolara za KWh czyli więcej niż dostają obecnie elektrownie za wyprodukowanie jednej kilowatogodziny. Do tego dojdzie koszt inverterów i sieci energetycznej. Polskie gospodarstwo domowe zużywa około 2000 KWh energii rocznie czyli niewiele przy państwach bogatych.
Akumulator magazynujący energie na jeden dzień dla polskiego gospodarstwa ma mieć pojemność 2000/365 czyli 5.5 KWh ale pamiętać należy że dni bezwietrzne potrafią występować po sobie ! Tesla oferuje obudowany Power Wall czyli akumulator z inwerterem ale jest on prawie 10 razy droższy niż sam akumulator w ilościach wielko hurtowych !
O ile zmagazynowanie niewielkiej ilości energii dla gospodarstw domowych nie wygląda tragicznie to próba zmagazynowania energii dla przemysłu od razu 80 - 90% przemysłu wykończy cenami energii.
Straty energii elektrycznej w przesyle i dystrybucji zależą m.in. od odległości elektrowni do odbiorców oraz wielkości skupisk odbiorców. W USA straty w przesyle i dystrybucji liczone jako różnica sprzedanej ilości energii na rachunkach wytwórców i sprzedanej wszelkim „konsumentom” wynosi 6%. Liczba ta jest bardzo podatna na błędy licznych pomiarów a także na kradzież energii, która mimo iż traktowana jest jako przestępstwo występuje nieomal wszędzie.
W Europie straty przesyłu i dystrybucji winny być mniejsze bowiem dystanse do przesyłu i jego rozproszenie są mniejsze.
Transformatory energetyczne w przesyle i dystrybucji są zwymiarowane na szczytową moc a jałowy pobór mocy rośnie wraz z ich mocą nominalna. Wiatraki i ogniwa słoneczne cechuje bardzo duży stosunek mocy szczytowej do średniej. Zagospodarowanie tej rozproszonej generacji energii wymaga mocnej rozbudowy sieci energetycznych i zwiększenia sumy zainstalowanych mocy transformatorów energetycznych czyli zwiększenia jałowego poboru mocy systemu. Szacunki wskazują że straty energii w przesyle i dystrybucji w „zielonym” systemie mogą się w najgorszym razie prawie podwoić w stosunku do systemu z dużymi konwencjonalnymi elektrowniami przy dużym udziale skupionych odbiorców. Oferowane coraz częściej transformatory energetyczne ( także rdzenie ze szkieł metalicznych ) o zmniejszonych stratach jałowych są oczywiście znacznie droższe niż typowe. Magiczne hasło „Smart Grid” oznaczające inteligentne zarządzanie siecią ma trochę straty obniżyć.
Ceny normalnej, towarowej energii elektrycznej na giełdach wahają się w ciągu doby osiągając najwyższe wartości w szczytach energetycznych by rzadko, okresowo spaść poniżej zera !
„Zielona” energia jest niesprzedawalna na giełdzie czyli jako towar jest rynkowo bezwartościowa. Regulacje państw administracyjnie zmuszają operatorów sieci do jej akceptowania za co w efekcie końcowym płacą nabywcy energii.
W prawej ścieżce na rysunku pokazano przepływ „zielonej” energii do ładowarki i akumulatorów a z akumulatorów do elektrycznego silnika samochodu. Wysokie straty w przesyle i dystrybucji już wyjaśniono. Podane sprawności procesu akumulacji energii są bardzo optymistyczne i na razie są faktycznie gorsze.
Kilogram oleju Diesla ma ponad 44 MJ energii a benzyny 47.5 MJ podczas gdy w pełni naładowany akumulator litowo - jonowy 0.4-0.7 MJ. Gęstość energii w akumulatorze jest więc okropnie mała ! To że silnik spalinowy ma mała sprawność podczas gdy elektryczny dużą niewiele zmienia obraz sytuacji.
Metr sześcienny benzyny waży 730 kg a oleju napędowego 850 kg natomiast skroplony wodór w temperaturze -253 C waży 71 Kg a w normalnej temperaturze 0.08 kg. Do sprężenia wodoru trzeba użyć energii a do jego skroplenia jeszcze więcej energii. Także transport wodoru rurociągiem lub cysternami jest energożerny. Wodór także dyfunduje przez ścianki !
Na lewych ścieżkach pokazano sprawność poszczególnych procesów do wytworzenia sprężonego / ciekłego wodoru i dalszy jego transport by „spalić” go w ogniwach paliwowych samochodu.
Oczywiście potężna elektrolizernia wytwarzająca z nadmiarowej energii elektrycznej wodór ma dużą moc szczytową a pracuje tylko gdy jest nadmiar zielonej energii.
Końcowe wyniki sprawności wyglądają na żart idioty ale niestety nim nie są
Oczywiście energii w systemie zacznie brakować w szczytach energetycznych modyfikowanych natężeniem promieniowania Słońca i siły wiatru. Domowi konsumenci energii przez całą dobę płacą ta samą stawkę za kilowatogodzinę. Kosztem niewielkiej komplikacji i znikomego kosztu elektronicznego licznika energii elektrycznej mógłby on rejestrować w pamięci zużycie energii co 15 minut. Rozliczenie odbywałoby się po faktycznych kosztach energii. Urządzenia gospodarstwa domowego dla optymalnej pracy musiałyby jednak znać aktualne ceny energii i priorytet użytkownika. Przykładowo pralka rozpoczęłaby prać dopiero po godzinie 22 lub wyjątkowo później lub nawet następnego dnia. Narażony na niedogodność domownik musiałby mieć więcej zapasowych skarpet, podkoszulków ... ale nie pociągnęłoby to żadnych kosztów jako że rzadziej używane miałyby dłuższy żywot.
Lodówka przed szczytem energetycznym trochę obniżyłaby swoją temperaturę aby nie brać drogiej energii w szczycie ale oszczędność zniweczy otwieranie lodówki. Najważniejsze jednak aby była to lodówka energooszczędna. Jednak naczynia w zmywarce nie powinny za „długo” czekać aby brud mocno nie przywarł a bakterie nie rozwinęły nadmiernie.
Algorytmy oszczędności nie powinny jednak uczynić „Nosa dla tabakiery”
Oczywiście ładowanie akumulatora samochodu elektrycznego odbywałoby się tylko przy cenie energii poniżej ustalonej przez użytkownika lub innym algorytmem. Pewnie od czasu do czasu trzeba by do pracy udać się komunikacją miejską, rowerem lub piechotą !
Oszczędności energii w szczycie południowym poczynione w gospodarstwie domowym nie rozwiążą jednak problemu energii dla przemysłu.
Umieszczone na domu ogniwa słoneczne pracujące na lokalny system mają ogromną zaletę w czasie blackoutu czy wojny. Akumulator pojemności 1 KWh jest zupełnie wystarczający do zapewnienia oświetlenia ( w zimie oszczędnego ), pracy pompy wody ze studni ( ścieki szare zagospodarowane na miejscu ! ), zasilenia odbiornika radiowego czy nawet TVC z anteną satelitarną i Laptopa.
Jednak z powodu niedziałania kanalizacji dla ścieków fekalnych potrzeba WC budki lub awaryjnego szamba.
Energia elektryczna była kiedyś towar luksusowym dla bogatych i te czasy raczej nie wrócą. Niemniej bardzo wysokie podatki od paliw silnikowych były i są podstawowym wpływem w europejskim modelu podatkowym. Ponieważ energia elektryczna nie była obłożona podatkami jest to „naprawiane”
Automatyka narodziła się długo przed elektroniką. Powolną przemysłową automatykę binarną długo realizowano na przekaźnikach a później na modułach tranzystorowych a później na scalonych układach logicznych. W 1968 roku Dick Morley zaproponował Modicon czyli Modular Digital Controller czy prymitywny PLC z pamięcią programu i procesorem. PLC osiągnęły znaczny poziom doskonałości i niezawodności. Wyjścia dla prądu zmiennego realizowane są trwałymi optotriakami a dla stałego układami scalonymi z ochroną zwarciową i przepięciową. W drogich wykonaniach specjalnych wejścia binarne są okresowo testowane a wyjścia raportują swój stan. Do programowania PLC stosowany jest schemat drabinkowy i języki strukturalne. PLC mają zalety i wady. PLC w żadnym razie nie użyjemy w roli ECU bowiem sposób ich programowania ma potężne ograniczenia. Tylko niektórzy producenci PLC oferują oprogramowanie pozwalające umieścić w pamięci PLC okresowo wołany kod wykonawczy programu z asemblera lub kompilatora C do wykonania przez PLC ale i tak dużej części peryferii (praktycznie większości ) mikrokontrolera nie można użyć. Długi okres funkcjonowania urządzeń PLC na rynku dowodzi że grono użytkowników chce łatwego programowania i użycia wiedząc że system PLC jest mocno ograniczony w swojej roli. Jednak producent maszyny jej system kontrolny wykona ma mikrokontrolerze lub nawet na miniaturowym komputerze PC a nie na PLC.
W przypadku automatyki a w tym PLC ma być tak jak z nowoczesnym systemami samochodu i maszyn – kraje peryferyjne mają kupować drogą automatykę od zachodnich koncernów.
Ciepła pierwotnie dostarczają paliwa kopalne ( także drewno), reakcje jądrowe w reaktorach energetycznych, reakcje egzotermiczne oraz Słońce. Szlachetną energie elektryczną można przetworzyć na inne rodzaje energii, także ciepło. Wymienniki ciepła realizują wymianę ciepła między mediami. Pompy ciepła jednocześnie chłodzą i grzeją pobierając ciepło z niższej temperatury i oddając przy wyższej. Operowane serwonapędami zawory regulują strumienie ciepła w paliwie lub medium. Także pompy z regulowanymi napędami ( silniki zasilane z falowników lub stratne regulowane sprzęgła hydrokinetyczne ) mogą dostarczać zmienne strumienie substancji.
W dalszych ćwiczeniach dotyczących regulacji temperatury pokazano jakość regulacji różnych systemów.
A.Na jednym końcu paska blachy zamontowano opornik mocy nagrzewający blachę a na drugim końcu różne sensory temperatury zamontowane tak by różnice temperatur między sensorami były małe. Zakłócenie wprowadza regulowany wentylator od zasilacza komputera PC i autotransformator regulujący sieciowe napięcie zasilania.
Dla komfortu zastosowano transformator bezpieczeństwa 230 / 42V.
Opornik mocy jest sterowany Mosfetem sygnałem PWM lub tyrystorem fazowo lub grupowo przez mikrokontroler lub „przekaźnikiem” dwupołożeniowo przez PLC.
Zakłóceniem które może być kompensowane ( synchroniczne z napięciem sieciowym próbkowanie przetwornikiem A/D wyprostowanego i zgrubnie odfiltrowanego napięcia zasilania 50 Hz lub napięcia circa RMS na oporniku mocy do regulacji kaskadowej ) lub eliminowane w regulacji kaskadowej jest zmiana napięcia sieciowego autotransformatorem. Regulowany wentylator i temperatura otoczenia są zakłóceniami wprost niemierzalnymi. Różnica w jakości regulacji podstawowych a kaskadowej i z kompensacją zakłóceń jest widoczna gołym okiem. Przy tym regulacja temperatury zajmuje średnio wydajnemu 32 bitowemu mikrokontrolerowi drobny ułamek czasu !
B.”Grzejnikiem” jest laboratoryjny palnik Bunsena nagrzewający płomieniem metalowy przedmiot. Sensorami są tylko termopara K i pirometr laserowy.
Dla bezpieczeństwa są obecne dwa alarmy gazu w powietrzu. Serwozawór gazu jest regulowany regulatorem krokowym. Sekwencja zapłonu i nadzór płomienia to inny temat.
C.W tematach złożonych zimowym źródłem ciepła jest kaloryfer ze sterowanym serwozaworem. Źródłem jest także elektryczny kaloryfer olejowy i termowentylator. Źródłem gorącej pary wodnej jest otwarty ( wyłącznik termiczny nie zadziała ) czajnik napełniony wodą
Wszystkie sensory temperatury są mniej lub bardziej nieliniowe. Tylko dla scharakteryzowania sensora liniowego wystarczające są wartości offsetu i czułość.
Użyto jednocześnie sensorów analogowych:
1.Dioda. Współczynnik temperaturowy napięcia Ud w temperaturze pokojowej wynosi dla małych gęstości prądu -2.2 mV spadając dla dużych gęstości do -1.4 mV/C. Czułość diody wzrasta przy malejących temperaturach. Połowiczną linearyzacja zapewnia odpowiednia rezystancja obciążenia. Nie jest sensorem ratiometrycznym.
2.Tranzystor połączony jako dioda ( C z B ) jest bardziej liniowy niż dioda. W zastosowaniu miejscowym na PCB bez kabla połączeniowego sam może wzmacniać kilkanaście razy sygnał.
3.NTC. Zachowanie termistora NTC dobrze opisuje znane z fizyki równanie Steinhart–Harta. W zakresie 0-100C aproksymacja tym równaniem ma dokładność rzędu 0.02%. Uproszczony współczynnik względnej zmiany oporności NTC może wynosić ca 4%/C ( zawsze zawiera się w przedziale 3-4.5 %/C ) a więc są to elementy czułe ale mocno nieliniowe. Najlepsza dokładność w środku zakresu uzyskuje się zasilając termistor przez rezystor o wartości NTC ze środka zakresu temperatur. Linearyzacja programowa nie jest skomplikowana ale im dalej od środka zakresu tym gorsza jest całościowa dokładność. Zaletą NTC współpracującego z mikrokontrolerem z przetwornikiem A/D jest prostota dołączenia. NTC jest ratiometryczny.
4.KTY. Sensory te podobne są do NTC ale bardziej liniowe. Wykazują anomalie w funkcji prądu zasilania, które trzeba omijać
5.LM35. Trójkońcówkowy sensor ma wyjście napięciowe 10mV/C
6.AD590. Dwukońcówkowy sensor ma wyjście prądowe w skali Kelvina o czułości 1uA/K począwszy od 0K
7.PT100. Platynowa RTD o czułości 0.385%/C jest popularna z racji swojej stabilności i dokładności. Linearyzacje kwadratową można łatwo wykonać sprzętowo jak i programowo. Praktycznie zawsze konieczne jest zastosowanie konfiguracji trój lub cztero przewodowej dla eliminacji błędu od rezystancji przewodów.
8.Termopara K ma stosunkowo dużą czułość 40.4 uV/C. Jest dość liniowa i tania. Przy szerszym zakresie mierzonych temperatur wymaga programowej linearyzacji. Wszystkie TC wymagają kompensacji zimnego końca.
9.Pirometr laserowy. Wadą użytego typu jest stosunkowo szeroki kąt widzenia.
Sensory cyfrowe:
10.Układ DS16B20 w obudowie TO92 ale może pracować tylko z dwoma końcówkami Prosty interface 1-Wire. Dokładność 0.5C.
11.Termometr kwarcowy. Do starego polskiego miernika dodano interface komunikacyjny.
O stałej czasowej sensora decyduje głównie jego obudowa pewnie izolująca go od medium. Aby pokazać jak szybka jest termopara:
-Wkładamy ją szybko do czajnika z gorącą wodą
-Do rezystora drutowego przymocowano termoparę K. Po podaniu rezystorowi drutowemu krótkiego impulsu potężnej mocy momentalnie się on nagrzeje a wraz z nim sprzężona termopara.
-Termopara momentalnie nagrzeje się włożona w płynne lutowie
Sprawdzenie.
Różnym zjawiskom fizycznym z elementami skupionymi opowiadają takie same lub bardzo podobne równania różniczkowe. Program do modelowanie układów elektronicznych można także wykorzystać do „mechaniki”, hydrauliki i przepływu ciepła po to by równolegle modelować sprzężone zjawiska.
Kolumny w tabeli odpowiadają różnym dziedzinom fizyki a wiersze ogólnej nazwie danej kategorii fizycznej lub nazwie prawa. Wypełnij tabele.
Dla naprowadzenie jeden wiersz jest wypełniony.
Ćwiczenie
1.Krzywa magnesowania blachy elektrotechnicznej transformatora jest silnie nieliniowa. Przejściowy prąd załączenia transformatora zależy od kombinacji resztkowego namagnesowania rdzenia i kąta fazowego załączenia napięcia dla transformatora. Z reguły prąd rozruchu ma bardzo dużą wartość.
Przy podaniu do transformatora mocy 400 VA napięcia sieciowego przez kondensator 1.41 uF ( czyli trzy kondensatory 0.47 uF połączone równolegle ) zniekształcone napięcie na nim wynosi około 240 V (oscyloskop dołączony do izolowanego uzwojenia wtórnego ) zaś napięcie na kondensatorze wynosi aż 420 V.
Napięcie do transformatora mocy 400 VA podano przez szeregowy kondensator 100 uF / 450 Vac i bezpiecznik automatyczny 3A, który w miarę szybko rozłącza obwód chroniąc transformator przed zniszczeniem bowiem pobierany prąd przekracza 12 A. Oczywiście napięcie na transformatorze jest jeszcze bardziej zniekształcone.
Gdy kondensator jest zbocznikowany rezystorem bezpieczeństwa który go powoli rozładuje po wyłączeniu rzadko udaje się załączyć transformator także że bezpiecznik od razu nie zadziała. Natomiast bez tego rezystora nigdy się to nie udaje. Dlaczego ?
2.Przy stałych Ic i Uce w części „pentodowej” charakterystyki wyjściowej napięcie Ube tranzystorów bipolarnych spada wraz z temperaturą Tj. Przy małej gęstości prądu współczynnik termiczny tego napięcia wynosi -2.2 mV/C a przy dużej spada do 1.4 mV/C. Transkonduktancja tranzystora ( pomijając rezystancje rozproszenia bazy ) jest proporcjonalna do prądu kolektora. Dla tranzystora Darlingtona jest ona w przybliżeniu dwukrotnie mniejsza. Skutkiem zjawiska Earlyego charakterystyka jest nachylona tym mocniej im mniejsze jest napięcia Ua wynoszące 20 - 200 V. Własności wzmocnieniowe tranzystora mocno spadają już w pobliżu obszaru nasycenia.
W skupionym modelu termicznym bardzo mała pojemność cieplna struktury tranzystora połączona jest z metalem obudowy o dużo większej pojemności cieplnej rezystancją termiczna Rthjc. Z kolei metalowa obudowa tranzystora przez niewielką rezystancje podkładki łączy się z radiatorem ( jeśli jest zastosowany ) o dużej pojemności cieplnej odprowadzającym swoją rezystancją ciepło do otoczenia. Różnica pojemności cieplnej struktury a radiatora jest ogromna !
W modelu przeliczono pojemności cieplne na farady a oporności na Ohmy dzięki czemu łatwo jest różnymi programami zamodelować obserwowane praktycznie zjawisko - Dodatnie elektrotermiczne sprzężenie zwrotne w tranzystorze. Do eksperymentu celowo wybrano tranzystor Darlingtona ( można z nim użyć zasilacza bez precyzera z dzielnikiem rezystorowym o rozsądnej wartości ) o dużym obszarze SOA. Rthjc obudowy TO218 wynosi 35C/W zaś Rthjc=0.667 C/W a Pmax=150 W.
Do C-E podano napięcie 30V z zasilacza o charakterystyce krzyżowej z ograniczeniem ustawionym na 1.5A. Do B-E podano poprzez dzielnik napięcie z drugiego zasilacza.
Podnosząc napięcie Ube tranzystor zaczyna przewodzić. Ponieważ transkonduktancja tranzystora będąca wzmocnieniem w elektrotermicznej pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego rośnie proporcjonalnie z prądem kolektora do pewnej wartości prądu sprzężenie zwrotne jest zbyt słabe do wywołania niestabilności.
W stanie ustalonym temperaturze Tc=90C przy temperaturze pokojowej 20C odpowiada w tranzystorze wydzielana moc 2 W. Mocy 2W odpowiada przy napięciu 30V prąd 66.6.. mA.
Podnosząc a następnie zmniejszając napięcie Ube ustalamy taki prąd Ic lub odrobinę inny z nagrzanym do circa 90C tranzystorem. Przy odrobinie wprawy znajdziemy taki prąd kolektora który będzie się wolno zmieniał, także przy niższych temperaturach Tc. Jeśli ochładzająco delikatnie dmuchniemy na tranzystor to prąd i temperaturą zaczną spadać – to efekt motyla czyli w matematyce bifurkacja. Jeśli natomiast na tranzystor trochę gorąco dmuchniemy suszarką lub napięcie Ube troszkę podniesiemy to prąd zacznie wykładniczo rosnąć i zasilacz szybko przejdzie na stabilizacje prądu a napięcie Uce mocno się obniży. Całość zachowania tłumaczy dodatnie elektrotermiczne sprzężenie zwrotne z transkonduktancją i dUbe/dTj jako wzmocnieniem, efekt Earlyego i i pogorszenie własności tranzystora przy małych napięciach Uce. Przy prądzie 1.5A napięcie Uce spadnie na tyle że choć temperatura Tj przekroczy 125C to tranzystor jest bezpieczny. Gdy ograniczenie prądu zasilacza ustawimy na 3A to tranzystor mocno się przegrzeje ale nie uszkodzi. Gdyby nie mocne pogorszenie własności tranzystora w pobliżu nasycenia tranzystor by się sam ochronił.
Należy porównać przebiegi zarejestrowane oscyloskopem z efektami modelowania. Zgodność powinna być znakomita.
W scalonych i dyskretnym wzmacniaczach operacyjnych i wzmacniaczach mocy klasy AB zachodzi potrzeba stabilizacji prądu spoczynkowego w komplementarnym wtórniku emiterowym stopnia końcowego mocy w sytuacji gdy w wysterowanych tranzystorach wydzielana jest spora moc nagrzewająca struktury, obudowy i radiatory.
Dodatnie sprzężenie elektrotermiczne jest osłabiane szeregowym ujemnym sprzężeniem zwrotnym rezystorami w emiterach Re. Gdy wzrostowi temperatury Tj nie towarzyszy wzrost wzmocnienia prądowego tranzystora także rezystor umieszczony szeregowo w bazie Rb działa stabilizująco.
Na pokazanym schemacie hybrydowego wzmacniacza dużej mocy STK4048XI rezystory Re są na zewnątrz układu a rezystory Rb to R10 i R11. W aplikacji miedzy bazami dano kondensator elektrolityczny dający z rezystorami bazowymi stałą czasową podobną jak krótka stała czasowa z maleńkiej pojemności cieplnej struktury tranzystora i oporności do metalu obudowy tranzystora. Kompensacja ta jest wysoce niedoskonała z racji nieliniowości wzmocnienia tranzystorów i funkcji mocy strat w miarę wysterowania. Rezystory Re zmniejszają moc wyjściową i powiększają zniekształcenia ale nie można z nich zrezygnować.
Przy wysterowaniu prąd spoczynkowy wzmacniaczy hybrydowych i dyskretnych z reguły wzrasta czyli punkt pracy przesuwa się bardziej w stronę A w klasie AB. Dla wzmacniaczy najwyższej jakości opracowano pomysłowe metody stabilizacji prądu spoczynkowego.
Innowacyjny układ monolityczny TDA7250 ( Patent - „Very Low Distortion Automatic Quiescent Current Control ...” ) steruje w każdym kanale dwa wyjściowe komplementarne wtórniki na tranzystorach mocy Darlingtona w kolektorach których dano rezystory 0.15 Ohm. W każdym kanale w układzie dwa komparatory o progu 10 mV, którym podano spadki napięć na tych rezystorach sterują integrator wyznaczający prąd spoczynkowy obu tranzystorów tak że jest on obniżany gdy obydwa komparatory detekują napięcia powyżej 10 mV.
W wentylatorze na napięcie 12V zastosowano uproszczony silnik BLDC z hallotronem dostarczającym informacji wbudowanemu prościutkiemu systemowi komutacji.
Charakterystyczne są pulsacje pobieranego prądu silnika umożliwiające pomiar obrotów oscyloskopem ale próg trigger trzeba zmieniać wraz z napięciem zasilania silnika. Teoretycznie jest możliwy pomiar prędkości.
Stosując rezystor nieśmiertelny stabilizator LM317 zamienia się w źródło prądowe o wydajności 1.25V / R. Odchylenie od przeciętnego napięcia 1.25V jest też miarą jakości technologi produkcji. Z reguły jest ono znacznie mniejsze niż graniczne wartości podane w katalogach. Z zastosowanym konkretnym rezystorem 3.3 Ohm i egzemplarzem LM317 źródło ma zmierzoną wydajność 375 mA czyli nieomal taką jaką oczekiwano. Układ posiada ochronę obszaru pracy bezpiecznej SOA tranzystora wykonawczego. Przy spadku napięcia na układzie aż DU=40V prąd graniczny wynosi 0.45A a przy mniejszych spadkach jest większy. Czyli obszar SOA jest szeroki i zabezpieczenie się nie aktywuje. Maksymalna robocza temperatura struktury układu wynosi Tjmax=125 C. Układ ma dodatkowo zabezpieczenie temperaturowe działające przy Tj około150 C. Oporność termiczna złącze – otocznie Rthja dla obudowy TO220 układu LM317 podawana jest w granicach 50-65 C/W. Masa metalu, plastiku... obudowy TO220 z typowym chipem wraz z jednostkowymi pojemnościami cieplnymi są w załączniku. Można wyliczyć „stałą czasową”.
Po zasileniu źródła prądowego napięciem 25V pobierany prąd 375 mA po silnym nagrzaniu układu zaczyna maleć do circa 90mA z czego przy temperaturze otoczenia 22C wynika że oporność cieplna Rthja wynosi ca 58 C /W czyli jest w połowie podawanych wartości granicznych. Po dmuchnięciu na układ pobierany prąd wzrasta – skonstruowaliśmy anemometr termiczny.
Ciepło od gorącego układu LM317 odbiera konwekcyjnie ( lub z wymuszeniem przepływu wentylatorem ) powietrze i ciepło oddawane jest też promieniowaniem podczerwonym jak widać na wyświetlaczu termokamery. Zwrócić należy uwagę na prawidłowy sposób posługiwania się pirometrem laserowym. Współczynnik przejmowania ciepła początkowo szybko rośnie wraz z prędkością wymuszonego nadmuchu by rosnąć coraz wolniej z szybkością. Rośnie on też wraz z różnicą temperatur obudowa ( radiator ) a otoczenie czyli rośnie z oddawaną mocą. Doskonale widać to na wykresach oporności termicznej radiatorów, która spada wraz z oddawaną mocą czyli wzrostem temperatury i prędkością wymuszonego chłodzenia.
N.B. Tematu przejmowania ciepła dotyczą różne empiryczne wzory i budując model można by z nich korzystać. Optymalizacją budowy radiatora się też nie zajmujemy.
W naszym obiekcie regulacji przy wejściowym napięciu zasilania wentylatora V , wyjściowy sensor - anemometr pobiera prąd A: 4 V– 0.11 A, 5 – 0.16, 7- 0.21, 9 – 0.25, 11 – 0.27, 13 – 0.29, 15 V – 0.31 A. Zatem system jest nieliniowy statycznie i jest też nieliniowy dynamicznie ponieważ stała czasowa sensora – anemometru spada z prędkością powietrza bowiem Rthja maleje wraz szybkością strumienia powietrza z wentylatora.
Zastosowany PLC ma tylko analogowe wejścia 2 AI o zakresie 0-10V. Napięcie z rezystora 3.3 Ohm anemometru termicznego wzmocniono więc dla wejścia PLC wzmacniaczem operacyjnym trochę mniej niż 8 razy ( 10 V / 1.25V ) dla zachowania marginesu. PLC ma tylko wyjścia binarne i w najprostszym programowo rozwiązaniu konieczne jest zastosowanie dodatkowego nietaniego modułu przetwornika cyfrowo / analogowego D/A o wyjściu 0-10V. Sygnał z wyjścia D/A wzmocniono 1.5 raza wzmacniaczem operacyjnym „mocy” i podano do wentylatora.
W rozwiązaniu bez przetwornika D/A zastosowano w PLC programowy regulator krokowy a jego dwa wyjścia binarne sterują zewnętrzny integrator ( tak jak powszechnie w przemyśle robi to całkujący actuator ), którego wyjście 0-10V podano do wzmacniacza mocy sterującego silnik wentylatora.
Alternatywnie zastosowano analogowy regulator PI na jednym wzmacniaczu operacyjnym mocy to znaczy analogowy regulator jest dużo prostszy niż interface do PLC !
Wartością zadaną jest prąd na wyjściu sensora będący nieliniową miarą szybkości strumienia powietrza z wentylatora.
Załadowany do PLC program jest zwykłym ( lub krokowym ) regulatorem PI.
Ponieważ najwolniej pracujący wentylator daje prąd wyjściowy sensora 0.11 A a stojący 0.09 A widać uzasadnienie pracy systemu z oscylacjami przy wartościach zadanych w tym zakresie. Wydaje się że prosty program PLC działa gorzej niż regulator analogowy a zwłaszcza w wersji krokowej z symulatorem całkującego aktuatora !
Ulepsz program PLC ( linearyzacja statyczna i dynamiczna, PID, inne pomysły ) aby w całym zakresie wartości zadanej uzyskać dobrą odpowiedź obiektu.
Bardzo ciekawe ćwiczenia z obszernymi i inspirującymi wprowadzeniami do tematu
OdpowiedzUsuńWitam
UsuńAle ciekawsze dopiero będą !