Mieszkanie i ogrzewanie: OPA i Mikrokontroler
Scalony Wzmacniacz Operacyjny ( OPA - Operational Amplifier) jest podstawowym ukladem w analogowej automatyce przemyslowej. W automatyce cyfrowej - programowej jest uzywany w ukladach kondycjonerow sygnalow z wszelkich sensorow i ukladach wyjsciowego sygnalu analogowego.
W technice analogowej OPA sumuje i odejmuje sygnaly, calkuje i rozniczkuje sygnaly, filtruje sygnaly. Wraz z elementami nieliniowymi wykonuje funkcje nieliniowe. Specyficznym OPA jest komparator. Komputery analogowe i hybrydowe wyszly juz uzycia.
Wzmacniacze operacyjne moga byc samodzielnymi ukladami scalonymi lub w skomplikowanym ukladzie elementem duzej calosci. Takie wzmacniacze wbudowane sa z reguly mocno uproszczone i bardzo uproszczone.
Pierwsze lampowe wzmacniacze operacyjne zastosowano w analogowych komputerach wspolpracujacych z radarami przeciwlotniczymi pod koniec II Wojny. Wyliczaly one ustawienia armat przeciwlotniczych a pozniej wyznaczaly nawet trajektorie lotu sterowanej rakiety przeciwlotniczej. Ale juz pod koniec lat trzydziestych w lampowych analizatorach rozniczkowych czyli maszynach analogowych krystalizowala sie idea wzmacniacza operacyjnego jako "building block" lub "cegly do budowy muru".
Pierwszy komercyjny modul K2-W dwulampowego ( obydwie lampy sa typu 12AX7 czyli europejskie podwojne triody ECC83 ) wzmacniacza operacyjnego wprowadzila firma Philbrick w 1952 roku. Parametry wzmacniacza byly mierne. Bardzo duzy byl dryft wejsciowego napiecia niezrownowazania. Modul wymagal klopotliwych dobrze stabilizowanych napiec zasilajacych +300V i -300V.
Wzmacniacz skladal sie z wejsciowego stopnia (niby) roznicowego, stopnia wzmocnienia napieciowego i wyjsciowego wtornika. Jest to od lat typowa konfiguracja wzmacniacza operacyjnego. W stopniu wzmocnienia napieciowego zastosowano z wyjscia dodatnie sprzezenie zwrotne celem podniesienia wzmocnienia. To rozwiazani wyszlo z uzytku. Przesuwnik poziomu ( nie ma komplementarnych lamp elektronowych typu P ! ) wykonano na neonowce. Wzmacniacz mial wzmocnienie stalopradowe 10 000, pasmo 100 KHz i po nagrzaniu dryft 5 mV na dzien. Zakres napiecia wyjsciowego wynosil -50..50V. Regulowane napiecie niezrownowazenia przekraczalo pol volta. W kolejnych modyfikacjach poniesiono wzmocnienie, pasmo i rozszerzono zakres napiecia wyjsciowego do -100..100V.
Na poczatku lat szescdziesiatych pojawily sie drogie tranzystorowe modulowe wzmacniacze operacyjne. Pierwszy monolityczny wzmacniacz operacyjny uA702 z 1963 roku w szokujaco wysokiej cenie 300 dolarow mial tylko 9 tranzystorow wylacznie NPN. Mial male napiecie niezrownowazenia i jego dryfty ( lepszy model tylko 2 uV/C ) ale duzy prad wejsciowy, bardzo maly zakres wejsciowych napiec wspolnych, maly zakres napiecia i pradu wyjsciowego. Ale z kompensacja wyprzedzajaca uklad mial szerokie pasmo i pracowal nawet z sygnalem Video !
Pierwszym prawie pelnowartosciowym wzmacniaczem operacyjnym byl uklad uA709 z 1965 roku z dwoma marnymi tranzystorami PNP. Klopotliwa byla zewnetrzna kompensacja czestotliwosciowa az trzystopniowego ukladu.
NB. Od lat norma jest rozwiazanie dwustopniowe wzmacniacza z wejsciowym stopniem roznicowym, stopniem napieciowym z kompensacja czestotliwosciowa Millera i wyjsciowym wtornikiem emiterowym. Wzmacniacze trzystopniowe jak precyzyjny uA725 ( 1969 ) i jego nastepca OP07 ( 1975 ) sa powolne. Najszybsze jest rozwiazanie jednostopniowe ( to kaskoda ) wzmacniacza. Wejsciowa para roznicowa pracuje w kaskodzie WE-WB z tranzystorami komplementarnymi z wyjsciowym wtornikiem.
Wzmacniacze operacyjne maja termiczny dryft napiecia niezrownowazenia oraz termiczne dryfty pradu polaryzacji wejsc i pradu offsetu. Przy czym zmiany temperatury powodowane zmiennym wydzielaniem mocy w ukladzie z uwagi na powodowany gradient temperatury chipa daje duze wiekszy dryft niz zewnetrzne podgrzewanie przez otoczenie.
Prad offsetu i polaryzacji daje na wejsciowych rezystancjach bledy. Szum pradowy wejsc na rezystancjach przeklada sie na napiecie szumow. Przy rezystancji wejsc rownej ilorazowi dryftow termicznych napiec i pradow Re = du/dt : di/dt dryt od pradu jest rowny dryftowi od napiecia. Zatem pomniejszanie ekwiwalentnej rezystancji wejsciowych ponizej tej wartosci daje juz niewiele w redukcji bledow. Z kolei moc wydzielana w wyjsciowym wtorniku komplemetarnym OPA (OPerational Amplifier ) NPN+PNP skutkiem pradu wyjsciowego jest odwrotnie proporcjonalna do wspolczynnika skalowania rezystorow systemu. W przypadku typow ukladow bipolarnych Re rosnie wraz z malejacym pradem wejsciowych i dla ukladu super Beta LM108 sa juz duze. Typy wzmacniaczy z kompenesacja pradu wejscia jak OP07 maja jednak dryft i szum jakie wynikaja pradu kolektorow pary wejsciowej a nie pradu polaryzacji wejsc.
Pobierana przez wzmacniacz operacyjny moc rosnie troche szybciej niz liniowo z napieciem lub rosla w starszych ukladach wrecz kwadratowo. Wraz z napieciem zasilania rosnie zakres sygnalu wyjsciowego ale rosna tez dryfty temperaturowe. W przypadku OPA z wejsciem JFet lub Mostet prad wejsc podwaja sie co 10C przyrostu temperatury rosnac w przedziale temperatur 25-125 C 1000 razy. Tam wiec gdzie wejsciowy prad wzmaczniacza jest krytyczny trzeba uzyc niewielkich napiec zasilania aby uklad sam sie nie nagrzewal. Nie wolno tez mocno obciazac wyjscia ukladu. Samo - nagrzany element jest zmienne chlodzony pradami powietrza co daje wejsciowe quasi szumy o malej czestotliwosci. Tak wiec gdy chcemy wzmacniac bardzo male prady z sensora elektrometrycznego ( o bardzo duzej rezystancji ) napiecie zasilania OPA JFet lub Mosfet musza byc male co zreszta nie stwarza zadnych przeszkod dlatego ze najlepszya jest w kilku powodow konfiguracja wzmacniacza logarytmicznego z tranzystorem gdzie duze zasilanie nie jest w ogole potrzebne bowiem zakres napiecia wyjsciowego podanego do emitera tranzystora logarytmujacego z uziemiona baza jest bardzo maly. Gdy dla odmiany wzmacniamy bardzo male napiecie z termopary (o malej rezystancji ) odpowiedni OPA musi byc zasilany malym napieciem aby uniknac termicznego dryftu napiecia wejsciowego.
Na wykresie pokazano sumaryczny wejsciowy blad wzmacniaczy LM707, 101 i 108 w funkcji rezystancji widzianej przez wejscia. Postep byl duzy.
Spozniona ere masowej produkcji wzmacniaczy operacyjnych JFet rozpoczela sie wraz z rownoleglym technologicznym usunieciem wad procesu momolitycznego BiFet z tranzystorem P-JFet w Texas Instrument, ktory wypuscil standardowe uklady TL081/2/4 i National Semiconductor z pojedynczymi ukladami LF155/6/7, LF153 i wielokrotnymi LF411/2/4, LF441/2/4. Wczesniej produkowane wzmacniacze z wejsciem JFet byly niskiej jakosci i w dodatku drogie co poskutkowalo bardzo mala popularnoscia. O ile standardowe wzmacniacze operacyjne JFet pobieraja okolo 1.8 mA pradu zasilania to serie malomocowe jak TL061/2/4 lub LF441/2/4 pobieraja okolo 150-200 uA pradu. Pasmo ukladow LF155/6/7 wynosi 2/5/20MHz ( ostatni tylko ze wzmocnieniem K>5 ) ale kosztem poboru pradu zasilania 2/5/5 mA.
Prad polaryzacji wejsc wzmacniaczy z wejsciem JFet wynika z uplywu wejsciowych diod ochronnych i pradu bramek i dla typow standardowych wynosi przy temperaturze Tj=25C ( a wiec nizszej temperaturze otoczenia o czym trzeba pamietac ! ) i zasilaniu +-15V, okolo 30-50 pA i troche spada przy mniejszych napiecach zasilania. Prad jonizacji zderzeniowej bramki JFet rosnie wraz z napieciem Ugd i moze przybrac katastrofalnie duze wartosci. Prad ten w OPA zalezy wiec od wejsciowego napiecia wspolnego. Dla ukladu LF441/2/4 z typowa wejsciowa para P-JFet dla napiec wejsciowych bliskich napieciu zasilania V- przy temperaturze Tj=25C prad polaryzacji wynosi 5 pA by przy napieciach bliskich V+ wzrosnac do 60pA. Dla ukladow rodziny LF155/6/7 pokazano efekt zastosowania chlodzacego radiatorka na ukladzie. Popelniajac bledy w stosowaniu ukladow OPA BiFet otrzymamy rezultaty gorsze niz z bipolarnym ukladem SuperBeta.
Dla ukladow BiFet konieczna jest praca z jak najmniejszym, optymalnym napieciem zasilania i gdy krytyczny jest prad wejsc z napieciem wspolnym ( dla typow P-JFet ) bliskim zasilaniu V- ale z napieciem wspolnym jednak zapewniajacym juz normalna wartosc parametru CMRR.
W czesci ukladow BiFet prad polaryzacji wejsc malo zalezy od napiecia wspolnego.
Obecnie kazdy swiatowy koncern mikroelektroniczny produkujacy uklady analogowe ma w ofercie wzmacniacze operacyjne z wejsciem JFet i sa one niewiele drozsze od popularnych typow bipolarnych. Wzmacniacze operacyjne o bardzo dobrych parametrach oferuje firmy Analog Device i Burr Brown oraz Precision Monolitics z USA. Niestety sa one bardzo drogie.
Zdaniem autora przyszlosc nalezy jednak do niskonapieciowej technologi CMOS z systemowym autorownowazeniem. Niestety przy bardzo malych napieciach zasilania Vcc w technologiach o duzej rozdzielczosci teoretycznie psuje sie opornosc wyjsciowa Mosfeta co stworzy tam gdzie potrzebne jest wzmocnienie stalopradowe >100 dB koniecznosc zastosowania znacznie trudniejszego rozwiazania 3 stopniowego OPA oraz stopni w ukladzie kaskody.
Optymalny dobor wartosci rezystorow sygnalowych bierze poda uwage: blad oraz szumy od pradu polaryzacji lub offsetu, nagrzewanie sie OPA i rezystorow skutkujace bledami, obnizanie wzmocnienia OPA i podnoszenia bledu przy pracy z duzym wzmocnieniem i malym sygnalem jak z termopar. W tym ostatnim przypadku moze byc wymagane od OPA wzmocnienie stalopradowe powyzej 120 dB. Przy relatywnie duzych pradach wyjsciowych z powodu marnych wlasciwosci tranzystorow PNP wzmacniacz gorzej zachowuje sie z pradem wplywajacym do wyjscia niz wyplywajacym.
Zbyt duze wartosci rezystorow stwarzaja dla odmiany podatnosci na prady uplywu plyty drukowanej PCB i szumy oraz przecieki wszedobylskiego sieciowego pola elektromagnetycznego 50/60 Hz.
Wielkie zaklocenia sygnalow podanych dlugimi przewodami moga degradowac lub uszkadzac pracujace uklady. Zaleta wiekszych rezystancji w torach sygnalowych jest pewna ochrona bez dodatkowych elementow ochronnych jak bezpieczniki, obudowane iskierniki ceramiczne, neonowki, diody, diody Zenera, warystory i termistory PTC....
Wejsciowy prad offsetu OPA jest 2 do 25 razy mniejszy niz wejsciowy prad polaryzacji. Zapewniajac identyczne rezystancje na obu wejsciach OPA minimalizuje sie blad od wejsciowego pradu polaryzacji chociaz w konfiguracji odwracajacej daje to wzrost szumow. Sensory "elektrometryczne" ( grupa sensorow o bardzo malym pradzie wyjsciowym ) maja bardzo duza i nieustalona rezystacje wewnetrzna i wspolpracuje z nimi wzmacniacz transkonduktancyjny, najlepiej logarytmiczny. Wejscie dodatnie OPA jest uziemione i istotny jest prad polaryzacji a nie prad offsetu.
W przypadku niesprecyzowanej rezystancji zrodla sygnalu i uzycia wzmacniaczy bipolarnych stosowano dawniej z dobrym skutkiem kompensacje pradu wejsciowego OPA - Aplication Note 3, Drift Compensation Techniques for Integrated DC Amplifiers, National Semiconductor. Prad polaryzacji wzmacniaczy LM101/107 maleje w funkcji temperatury tak jak napiecie Ud na diodzie spolaryzowanej bardzo malym pradem.
Wejsciowe napiecie i prad niezrownowazenia sa glownie skutkiem roznic w scalonych parach elementow ale takze efektem prymitywnego projektu OPA. Wzmacniacz uA/LM 741 z idealnie takimi samymi elementami jest niestety troche niezrownowazony !
Napiecie niezrownowazenia pojedynczych wzmacniaczy z reguly mozna zerowac dodatkowym potencjometrem. Uklady wielokrotne nie maja pinow do funkcji zrownowazenia. Zmniejszanie nim napiecia niezrownowazenia OPA z jednakowym prawdopodobienstwem zmniejsza temperaturowy dryft napiecia lub w czesci ukladow zwieksza dryft ! Gdy wiec pozadany do projektu "precyzyjny" uklad OPA jest za drogi lub niedostepny mozna droga selekcji wybrac z dostepnych ukladow, uklady OPA ktorym rownowazenie zmniejsza dryft i rownowazyc je ! Pomyslowa realizacja trudnego testu selekcyjnego ukladow jest prostsza niz mozna by oczekiwac. Wykorzystuje ona efekty samonagrzewania chipa ukladu OPA po podaniu mu napiecia zasilania.
W starawym ukladzie precyzyjnym uA/LM/MAA 725 dyft termiczny napiecia niezrownowazenia 2uV/V spada po zrownowazeniu wejscia potencjometrem do okolo 0.6 uV/C. Na wykresie pokazano jak wskutek samonagrzewania dryft wejsciowy zmienia sie okolo 15 uV ( 15uV/C : 0.6 uV/C = 25 C ) stabilizujac sie w ciagu 1.5 minuty
Nasladowcze procesory mimo iz musza byc w 100% zgodne sprzetowo i programowo z oryginalem roznia sie konstrukcja.
W systemach automatyki z najczesciej stosowane sa sygnaly unipolarne jako 0/4-20 mA czy 0-10V. Ale sygnal wytwarzany przez wyjsciowy przetworniki DAC komputera systemu CNC czy robota podany do serwomechanizmu jest bipolarny jak -10...+10V i oznacza wielkosc zadanago pradu podanego do wykonawczego silnika.
Obecnie symetryczne zasilanie +-15V wydaje sie anachroniczne. Z drugiej strony nie ma popularnych wzmacniaczy operacyjnych zasilanych tylko napieciem 5V ( tym co mikrokontroler ) dajacych wyjsciowy sygnal 0-5V ( podany w koncu do przetwornika ADC mikrokontrolera ) oczywiscie z malymi marginesami.
W analogowym licencyjnym regulatorze Honeywell Vutronic – Eftronic wzmacniacz operacyjny wykonujacy funkcje PID zasilany jest napieciem 0-24V bowiem regulatory ( glownie do przemyslu chemicznego z barierami Zenera zasilania i obwodu dla bezpieczenstwa ) te nie maja indywidualnego zasilacza sieciowego i zasilone sa napieciem z instalacji 24V. Sygnaly wejsciowe odniesione sa do potencjalu O V ale sygnal wytworzony przez wzmacnicz sygnalu bledu ( jest na tranzystorach a nie jest scalony ) dla wzmacniacza operacyjnego odniesiony jest do wytworzonego napiecia odniesienia 3.3 V. Mozna powiedziec ze wzmacniacz zasilany jest napieciami -3.3V oraz +20.7V. Asymetria ta jest przydatna bowiem sygnal wyjsciowoy regulatora jest tylko dodatni i przetworzony na prad w wyjsciowym standardzie 4-20 mA. Stosowanie asymetrycznego zasilania pozwala uzyskac wiekszy sygnal wyjsciowy w jednym kierunku. Zauwazny ze przy zasilaniu takim jak w tym regulatorze wzmacniacze BiFet LF441/2/4 maja bardzo maly (<3 pA) wejsciowy prad polaryzacji.
Dawniej wzmacniacz - wzmacniacze operacyjne integratora i rozniczkowania PI/PID wykonywano dokladajac wejsciowa pare roznicowa JFet do zwyklego wzmacniacza bipolarnego tak jak we wspomnianym Vutronic – Eftronik. Pozniej stosowano wzmacniacze z wejsciem JFet. Z uwagi na wymagane maksymalnie duze stale czasowe Ti i Td stosowane sa rezystory 150 MOhm a nawet wieksze 1 GOhm. Sygnal dla integratora jest skalowany przed nim i skalowany za nim. Wprowadzany ekwiwalentnym pradem wejsciowym blad jest odwrotnie proporcjonalny do uzytego zakresu napiecia wyjsciowego. Powiekszenie napiecia zasilania z jednej strony zmniejsza ten blad ale skutkiem wiekszego napiecia i nagrzewania szybko zwieksza prad wejsciowy. Istnieje wiec optimum wielkosci napiecia zasilania dla integratora. Oczywiscie wzmacniacze malomocowe slabo sie nagrzewaja i dlatego sa spotykane w integratorach.
Wielkosc napiecia zasilania OPA wynika miedzy innymi ze standardu sygnalu wyjsciowego. Przy sygnale 10V odpowiednie jest napiecie zasilania 15V.
Chociaz czesc OPA moze pracowac z napieciem zasilania +-22V to nie jest to polecane z uwagi na niezawodnosc choc moze byc konieczne gdy wymagane sa duze sygnaly wyjsciowe.
Pasmo sygnalow z sensorow w systemach automatyki jest dosc waskie. Stosowane jest proste filtrowanie dolnoprzpustowe LP dla usuniecia sygnalow emitowanych siecia energetyczna i sygnalow radiowych ... ale tylko "przy okazji" bez etatowych filtrow. To znaczy dolozony jest filtujacy kondensatorek do istniejacego juz rezystora sprzezenia zwrotnego lub dany w miejscu sygnalu od GND.
Tam gdzie system zbudowany jest wokol mikrokontrolera czy mikroprocesora z peryferiami mozna do polowicznie odfiltrowanych sygnalow ( na przyklad wyprostowane przebiegi sieciowe )zastosowac probkowanie synchroniczne w szczycie odfiltrowanego sygnalu gdy jest najwiekszy i ma on najmniejsze zmiany.
O ile pomiar - odczyt przez czlowieka lub ADC - komputer sygnalu stalego ( = wolnozmiennego ) z duza skladowa zmienna daje duze bledy aliasingu to analogowa ( takze programowa ale inaczej ) petla sprzezenia zwrotnego moze zareagowac drganiami subharmonicznymi. Jest osobny temat o duzym znaczeniu praktycznym a w Polsce prawie nieznany
Wzmacnicze operacyjne sa w systemach automatyki chetnie stosowane jako komparatory. Szybkie etatowe komparatory sa wyjatkiem a nie regula. Sa glownie stosowane w aproksymujacych przetwornikach analogowo cyfrowych ADC i w ukladach klasyfikacji szybkich impulsow na przyklad w fizyce jadrowej.
Logika rodziny CMOS4000 moze byc bezposrednio sterowana wyjsciami wzmacniaczy opracyjnych pracujacych jako komparatory. W tym wypadku stosowane jest wspolne napiecie zasilania +-7.5 V czyli razem 15 V. Bardzo proste jest tez uzycie cyfrowych sygnalow w czesci analogowej takiego systemu.
Wzmacniacze operacyjne jako komparatory nie maja silnych sklonnosci do samowzbudznia sie przy przelaczaniu wyjscia jako ze na tle komparatorow sa powolne.
Typowym zastosowaniem OPA jako komparatora w regulatorze PI-PID jest detekowanie przekroczenia ustawionych dopuszczalnych granic sygnalu wyjsciowego regulatora. Gdy OPA ma duzy dopuszczalny sygnal roznicowy na wejsciu, niepotrzebne sa elementy ochronne co upraszcza uklad i pozwala w jednym module – PCB zrealizowac wiecej funkcjonalnosci.
Na pierwszym przykladowym schemacie pokazano jak OPA A1 i A2 typu LM101A jako komparatory ( zmniejszono w stosunku do typowej pojemnosci 30 pF dla wzmocnienia petli G=1 kondensatory kompensacji czestotliwosciowej do 10 pF aby podwyzszyc szybkosc przelaczania wyjscia ) bezposrednio steruja przerzutniki D typu 4013.
Na drugim schemacie sygnaly z bramek NAND 4011 podano do dwojnikow RD do sumowania do wejscia OPA A3 w ukladzie nieodwracajacego wzmacniacza. Zastosowano wspolne zasilanie +-6V czyli z punku widzenia ukladow logicznych 12V.
System analogowej ( takze DDC ) automatyki Teleperm C Siemensa jest oferowany od 1974 roku ale kolejne doskonalsze elementy wprowadzono do oferty znacznie pozniej. Uzyto w nim pojedynczych, podwojnych i poczwornych wzmacniaczy operacyjnych bipolarnych i JFet, ukladow CMOS rodziny 4000 oraz roznych ukladow innych firm jak na przyklad ESM firmy SGS czy S Siemensa. Moga byc alternatywnie uzyte pojedyncze wzmacniacze operacyjne w obudowie DIL8 lub w drozszej metalowej obudowie TO ale z odpowiednio uformowanymi koncowkami dla zgodnosci z obudowa DIL. Uzywane sa tranzystory w obudowach metalowych TO18 i TO39 lub plastikowych. Uzyto miniaturowych przekaznikow montowanych na PCB m.in. w obudowie DIL, montazowych potencjometrow ceramicznych i miniaturowych 10 obrotowych oraz warystorow. W obwodach sygnalowych uzyto rezystorow o tolerancji 1% oraz w wiekszych obudowach dokladnych rezystorow 0.1%. W sumie uzyta baza podzespolow jak na 1974 rok i pozniej byla bardzo nowoczesna. Foliowe kondensatory sa w stosunkow malych prostopadlosciennych obudowach. Uzyte nowoczesne trzyrzedowe ( rzedy oznaczane sa na schematach jako b, d, z ) zlacza szufladowe zapewniaja bardzo dobry kontakt i wysoka niezawodnosc. Elementy na dwustronnej PCB ulozone sa rzedami w charakterystyczny dla automatycznego rozmieszczania i projektowania sciezek sposob. Calosc modulu pokryta jest bezbarwnym lakierem ochronnym co zapewnia znakomita ochrone przed degradujacym wplywem srodowiska. Oczywiscie potencjometry i inne elementy sa przed lakierowaniem zabezpieczone. Gdy elementy nie mieszcza sie na module o standardowym wymiarze stosowane sa na nim sztywno zamontowane poprzeczne plytki drukowane o niewielkiej wysokosci.
Wspolczesny, nowoczesny mikrokontroler jest kompletnym mikrokomputerem wraz z przetwornikiem ADC i DAC.
Caly czas rosna wydajnosci procesorow i mikrokontrolerow oraz spadaja ceny jednostkowe pamieci. Na to wielki wplyw na rozpowszechnienie technologi cyfrowej – programowej.
Potezny Texas Instrument juz w 1971 roku wyprodukowal w latwej technologii PMOS 4 bitowy mikrokontroler na ktorym wtedy zbudowano kalkulator, ktory zatrzasl rynkiem i spowodowal dlugotrwale potezne obnizki cen kalulatorow. Natomiast komercyjne mikrokontrolery rodziny TMS1000 ( maja okolo 18 tysiecy tranzytorow ale raczej miejsc na nie w ROM i PLA ) produkowane sa od 1974 roku. Na tle procesorow 8 i 16 bitowych procesor w TMS1000 jest prymitywny i bardzo powolny co wynika z malej czestotliwosci taktowania 300 KHz i 6 cykli zegara na wykonanie kazdego rozkazu. Program jest w pamieci ROM ukladu i z tego wzgledu ( znaczny koszt przygotowania masek >10 tysiecy dolarow za zestaw, dla konkretnego programu - zamawiajacego ) produkuje sie tylko dosc dlugie serie tych mikrokontrolerow na zamowienie klienta – wlasciciela programu. W 1980 roku wyprodukowano ich okolo 30 mln sztuk w cenie okolo 2 dolarow. Mikrokontrolery te stosowane sa glownie w sprzecie AGD i urzadzeniach samochodowych. Japonskie koncerny masowo produkowaly 4 bitowe mikrokontrolery do sprzetu RTV a dla odbiornikow TVC z funkcja OSD - On Screen Display ale przeszly na modele 8 bitowe. W tym przypadku perferia sa bardziej skomplikowane niz sam procesor. Podobnie jest w 8 bitowych mikrokontrolerach 80552 Philips bedacych mikrokontrolerem Intel 8051 z rozbudowanymi peryferiami. W pierwszych bardzo zlozonych odtwarzaczach Compact Disc zastosowano az rekordowe 5 mikrokontolerow !
Powodem tego pozornie dziwnego stanu rzeczy jest popularnosc i dobra opinia jak zdobyl juz mikrokontroler 8051 i TMS1000 i inne oraz dostepnosc narzedzi oraz wiedzy i doswiadczenia konstruktorow.
TMS1000 bez przetwornika ADC w pralce, lodowce, zmywarce, kuchence... portami z rezystorami jako prosciutki dwubitowy DAC podaje napiecie do komparatora pracujacego z termistorem w petli dwustanowej regulacji temperatury. Inny taki "DAC" wyznacza szybkosc i kierunek pracy napedu pralki przy praniu i wirowaniach.
W pierwszych sterownikach logicznych PLC prosciutki procesor byl jedno - bitowy. Realizujac programowo funkcje drabinki przekaznikow faktycznie pracuje sie z pojedynczymi bitami. Stad rozkazy procesorow 8 i 16 bitowych pracujace od razu na poszczegolnych bitach moga dac szybki sterownik PLC.
Elektronika kontrolera zbudowanego wokol nowoczesnego mikrokontrolera jest dosc prosta. Elektronike ultranowoczesnego DR20 umieszczono na dwoch plytkach drukowanych. Na pierwszej frontowej z przyciskami i wyswietlaczami LED znajduje sie mikrokontroller 80535 w obudowie PLCC68 ( taktowany tanim rezonatorem ceramicznym 12 MHz a nie kwarcem ) oraz latch 74HCT373 demultiplexujacy adres dla pamieci programu Eprom 27256 ( czesc pamieci jest niewykorzystana ). Do sterowania LEDow sluza dwa 13 bitowe rejestry przesuwne sterowane przez procesor szeregowo typu TEA1017. Dane konfiguracyjne zawiera "szeregowa" pamiec EEprom typu 24C02 o pojemnosci 256 bajtow. Pewny sygnal Resetu wytwarza uklad TL7705. Na plytce tej umieszono mikroswitche przyciskow ktore naciskane sa przez operatora przez foliowy front oraz wyswietlacze LED. Oczywiscie lepszy byby mikrokontroler bardziej rozbudowy w obudowie o wiekszej ilosci pinow, rzedu 100, bez dodatkowych ukladow peryferyjnych.
Na drugiej plytce PCB znajduje sie zasilacz siecowy (+5V, +24V, Vref ) zasilany z transformatora sieciowego 50/60Hz o napieciach 2x14Vac oraz uklad kondycjonujacy wejsc analogowych wykonany na poczwornym wzmacniaczu operacyjnym LM324 i podwojnym TA2453 oraz dwa przekazniki wykonawcze. Uklad hybrydowy na podlozu ceramicznym to zasilacz impulsowy 5V.
Liczba ukladow jest wprost znikoma na tle contollerow wykonanych na bazie procesorow a nie mikrokontrollerow z rozbudowanymi peryferiami.. Regulator dostarcza odporne na zwarcie zasilanie 24Vdc do petli pradowych sensorow 0-4/20mA a jego wyjscie jest zabezpieczone nadpradowo.
Szybkosc transmisji interface szeregowym V28 wynosi 300-9600 bodow. Wysylane sa wartosci zmiennych a przyjmowane parametry i struktury wykonawcze.
Mikrokomputer a mikrokontroler w szczegolnosci moze realizowac dosc zlozone algorytmy do optymalizacji funkcjonalnosci urzadzen. Algorytmy logiczne sa bardzo szybkie.
W budynku oprocz kontrolera CO – CWU, wentylacji mechanicznej i rekuperatora sa tez inne budynkowe zastosowania dla mikrokontrolerow.
Bardzo wazne jest inteligente sterowanie, automatyczne przejscie do awaryjnego modu pracy i diagnozowanie windy ( takze zdalne ) w wiezowcu. Pojecia "winda" czyli dzwig osobowy jest bardzo pojemne. Poczawszy od starego, prymitywnego urzadzenia do szybkobieznej windy z regulowanym numerycznie silnikiem napedu DC sterowanym inwerterem tyrystorowym w eleganckim "drapaczu chmur". Winda jest elementem systemu przemieszczania sie osob wchodzacych do i wychodzacych z wysokiego budynku.
Windy sa drogie a nawet bardzo drogie. W polskich wiezowcach mieszkalnych budowanych z wielkiej plyty stosowane sa dwie przestarzale windy z uwagi na zawodnosc i mala predkosc poruszania sie kabin. Powinna byc ze wzgledow ekonomicznych jednak tylko jedna winda.
Kazdy system masowej obslugi, a sa nimi windy, winien miec algorytm pracy zmieniany przy przeciazeniu za duzym ruchem do obslugi. W dni / miesiace / lata parzyste, winda przy przeciazeniu moze obslugiwac tylko pietra parzyste a w dni / miesiace / lata nieparzyste tylko pietra nieparzyste co powinno byc zrozumiale sygnalizowane. Dodatkowo dla informacji przycisk nieobslugiwanego akurat pietra moze sie palic tylko przy nacisnieniu i gasnac po puszczeniu przycisku. Mieszkancy jadac do mieszkania winni wysiasc pietro nizej i dojsc na swoje pietro a wychodzac z domu zejsc pietro nizej do windy. N.B. Pietra do 4 wlacznie w ogole nie powinny byc przez winde obslugiwane, podobnie jak ostatnie pietra skoro domy czteropietrowe nie maja wind.
Polskie windy sa okropnie przestarzale. Mikrokontroler poza zmiana algorytmu przy "przeciazeniu ruchem" windy ( przy przeciazeniu masa pasazerow, winda nie moze w zadnym wypadku ruszyc ! ) , moze tez adaptacyjnie optymalizowac prace napedu tak aby oszczedzajac energie stawac na pietrach. Miedzy prymitywem a inverterem jest na przyklad eleganckie, proste i tanie, proporcjonalne hamowanie dynamiczne pradem stalym i szybkie rozruchowe przelaczanie biegow dwubiegowego silnika asynchronicznego. Proste jest modulowanie PWM ( mikrokontrolery maja modulatory PWM ) rezystancji w wirniku asynchronicznego silnika pierscieniowego ( jest drozszy i bardziej zawodny niz zwykly silnik asynchroniczny ) dla regulacji rozruchowego momentu napedowego. I tym podobne. W nowoczesnych szybkobieznych zachodnich windach tyrystorowy serwomechanizm DC pracuje podobnie jak w maszynach CNC czy robotach. Stad i adekwatnie wysoka cena takiego rozwiazania
Wezwanie obslugi do uszkodzenia wymaga kanalu komunikacyjnego o czym jest dalej.
W windach czesto stosowana jest przekladnia slimakowa - worm drive, gdzie worm to robak a nie slimak. Napedzany silnikiem slimak ma gwint trapezowy. Kolo zebate ma zeby srubowe, wklesle w przekroju wzdluznym. W przekladni tej wystepuje tarcie i jej sprawnosci (!) sa niskie czym przekladnia ta sie mocno rozni od innych przekladni. Przekladnia ma jeden wzor na sprawnosc w normalnym kierunku napedu i drugi wzor dla sprawnosci w kierunku hamowania. Ta druga sprawnosc moze byc ujemna co oznacza samochamownosc w okreslonym zakresie. Samochamownosc nie oznacza bynajmniej przy braku zasilania silnika natychmiastowego staniecie windy a nawet zerwania brutalnie przeciazonej liny. Sprawnosci przekladni slimakowej zaleza od kata wzniosu gwintu i "kata tarcia". Im wieksza samochamownosc przekladni slimakowej tym mniejsza jest glowna sprawnosc tej przekladni. Stad prawdopodobienstwo niepozadnego zdarzenia trzeba minimalizowac takze innymi metodami aby przekladnia slimakowa miala sensowna sprawnosc.
Waga przeciwagi kabiny z pasazerami ma spory wplyw na konsumpcje energi elektrycznej przez winde i winna byc optymalizowana.
Znaczna funkcjonalnosc moze miec system domofonu popularnego na zachodzie od lat. Konsolka domofonu winna byc w przedsionku bloku lub chociaz pod eleganckim okapem dla gosci chroniacym ja przed deszczem. Po zdalnym otwarciu elektrycznego zamka drzwi przez wezwanego domownika rownolegle powinna byc wezwana ( integracja systemow ) winda ( powyzej 4 pietra ) aby oszczedzic na czasie oczekiwania na nia. Gdy jest po zmroku ( taniutki fotorezystor jako czujnik ) zapalane jest na wlasciwy czas ( wejscie na okreslone pietro ) swiatlo na klatce schodowej. Stawajaca na pietrze winda winna zapalic na okres kilkudziesieciu sekund swiatlo po zmroku.
Otwarcie drzwi wejsciowych kluczem na klatke po zmroku takze winno na staly okres ( nie wiadomo na ktore pietro czyli jak dlugo idzie lokator ) zalaczyc oswietlenie klatki schodowej. Zbyt dlugie otwarcie drzwi wejsciowych ( taniutki przelacznik "krancowka " jako sensor lub kontaktron z magnesem umocowanym na drzwiach lub dowolny inny sensor) przy braku autoryzacyjnego klucza blokujacego ( ten sam co do zamka drzwi ) w domofonie winno wszczac alarm. Domofon w mieszkaniu moze przyciskiem zapalac na okreslony czas swiatlo na korytarzu aby po zmroku obejrzec podejrzanego goscia wizjerem i upewnic sie przed wyjsciem z mieszkania ze na klatce schodowej nikogo nie ma. Dzwonek do drzwi lokatora po zmroku takze winien zalaczyc na okreslony czas oswietlenie na korytarzu. Domofon w mieszkaniu moze miec przycisk "Napad", ktory trzeba nacisnac gdy bandyta usiluje zerwac zalozony dla bezpieczenstwa lancuch drzwi ( rownolegle tez przyciski sa w mieszkaniu w pokojach – instalacja juz oplatna ) ale wymaga to w skutecznym rozwiazaniu oprocz glosnego alarmu akustycznego i swietlnego kanalu komunikacji zewnetrznej. Przycisk jest jednorazowego uzytku i elementy plastikowe po silnym wcisnieciu przycisku ulegaja uszkodzenie po to aby nie bylo watpliwosci ze przycisk zostal uzyty. Przycisk wymga wymiany lub specjalistycznej naprawy. W miastach III Rzeszy uliczne przyciski "Pozar" naciskalo sie po zbiciu ochronnej szybki urzadzenia. Uszkodzenie urzadzenia czyli huliganskie zbicie szybki bylo zagrozone spora grzywna lub wiezieniem. Do systemu pozarowego - alarmowego wykorzystywano kable telefoniczne.
Zapobieganie przestepstwom jest zawsze duzo tansze niz likwidacja szkod wynikajacych z nich. Co prawda dieta wieznia nie jest droga ale koszty sadownictwa, prokuratury, milicji i personelu wiezienia sa duze a budynek trzeba zbudowac i utrzymywac a w tym ogrzewac.
Wedlug rocznika statystycznego najczestsze przestepstaw to kradziez, kradziez z wlamaniem i kradziez z wlamaniem do obiektu spolecznego. Za alimenciarzami jest kradziez rozbojnicza i wymusznie rozbojnicze. Zabojstw, pobic i gwaltow jest na tym tle bardzo malo. Wiezienie jeszcze nikogo nie poprawilo a za to wszytkich demoralizuje i deprawuje.
Centralny mikrokomputer milicji po odebraniu precyzyjnego tekstowego meldunku od mikrokomputera bloku o wlamaniu lub napadzie moze wyszukac najblizej mieszkajacych funkcjonariuszy milicji, LWP i wszelkich sluzb i jednym syntezatorem ( tani TMS5220) glosu automatycznie wezwac ich telefonicznie na miejsce zdarzenia. Niezaleznie od tego na miejsce kierowany jest najblizszy radiowoz dokonujacy rutynowego patrolu. Komputer powinien dyzurnemu podac / wybrac telefony nablizszych sasiadow aby interweniowali.
Technika ilosc kradziezy z wlamaniem moze mocno obnizyc i uczynic jest bardzo ryzykownymi.
Zwrocmy uwage ze systemy bezpieczenstwa maja byc jak najmniej uciazliwe dla chronionych i jak najbardziej "niebezpieczne" dla zlodziei i bandytow. Jesli ktos nie czuje sie zagrozny po prostu nie uzbraja funkcji Alarmu.
Masowo produkowany lancuch do drzwi w komplecie z drzwiami i framuga jest tani a jego przemyslowa produkcja i instalacja nieporowanie tansza niz pozniejsze samodzielne "grzebanie" lokatora.
Podswietlany komunikat na konsoli domofonu "Prosze mowic" jest zapalany po czasie kilku sekund ustalonym indywidualnie dla kazdego lokatora lub w prostszym rozwiazaniu jeden czas jest dla wszystkich. W ten sposob osoba w mieszkaniu idac do glosnego domofonu ( z glosnikiem ) wie kto przyszedl i od razu naciska przycisk zamka co oszczedza obu osobom czas na rozmowe gdy chce osobe wpuscic lub nie reaguje i w ten sposob nachodzacy ( wlamywacz ) nie wie czy ktos jest w domu !
W kazdym mieszkaniu moze byc czujka piroelektryczna ( ruchu czlowieka ) antywlamaniowa. W tym przypadku funkcje bezpieczenstwa systemu ( domofon ma dostarczac bezpieczenstwo ) musza byc rozbudowane. Przed wyjsciem z mieszkania nalezy Alarm uzbroic a po przyjsciu natychmiast rozbroic.
Polozenie kabli ( razem z telefonicznym ) i instalacja "inteligentnego" ( slowo to jest naduzywane ) "domofonu" - Alarmu sa bardzo malymi kosztami w calym bilansie kosztow budowy nowego bloku. Masowo produkowany domofon - Alarm jest tani a masowa produkcja pozwoli zastosowac tani mikrokontroler z ROM ustalanym maska. Z mikrokrokontrolerem moze byc uzyta solidna, niezniszczalna dotykowa "klawiatura" tylko numeryczna plus dwie cyfry LED a nie tyle przyciskow ile jest mieszkan w wiezowcu. Stale oszczedne oswietlenie konsoli domofonu po zmroku moze zapewnic swietlowka mocy 8 W lub oswietlenie zalaczane tanim sensorem podczerwieni ( tanie sensory PIR uzywane sa juz w masowych zachodnich systemach antywlamaniowych ) wykrywajacym obecnosc czlowieka po zmroku. Zatem system oswietlenia budunku i domofonu sa mocno zwiazane z winda. Zaleta osobnych ale wspolpracujacych systemow jest powiekszona w pewnym stopniu ( niekoniecznie duzym przy odpowiedniej konstrukcji ) niezawodnosc ale systemy te maja rezerwy. Zamiast windy mozna tez uzyc schodow i zapalic swiatla nasciennym wylacznikiem.
N.B. Konwencja sygnalu binarnego NC - Normal Closed skutecznie nadzoruje ciaglosc przewodow sygnalowyhc ale jest bardziej energozerna. Prad nadzoru moze byc jednak rozsadny podobnie jak napiecie zasilania. Oczywiscie system "bezpieczenstwa" musi miec funkcjonalnosc samonadzoru sprawnosci. GND systemu nie jest z niczym polaczone ( dla bezpieczenstwa przed porazeniem jest polaczone z PE sieci przez warystor ) i nadzorowa jest opornosc izolacji systemu ( w tym przewodow ) do zbrojenia domu polaczonego z Ziemia.
Obecnie komunikacja kontrolera bloku z centralnym mikrokomputerem moze sie odbyc praktycznie tylko po normalnej linii telefonicznej. Z uwagi na przesuniecie czestoliwosci oraz mocno nieliniowe przesuniecie fazowe wystepujace w systemie Telefoni Nosnej przy komunikacji miedzymiastowej ( nie jest tu potrzebna ) konieczne jest uzycie modemu a szybkosc komunikacji jest mala. Ale tu komunikacja miedzymiastowa jest niepotrzebna. Proby polaczenia dwoch komputerkow ZX Spectrum zestawianym lokalnym polaczeniem telefonicznym wypadaja srednio. Powodem sa wystepujace zaklocenia impulsowe, ktorych w ogole nie powinno byc. O ile w polaczeniach miedzymiastowych przekraczanie dopuszczalnego poziomu sygnalu powoduje bardzo silne intermodulacje czyli szumy to przy polaczeniu lokalnym centralami nie PCM ze sprawnymi symetrycznymi przewodami nie ma to znaczenia. Co najwyzej przesterowany - nasycony jest system PCM E-10 ale na inne polaczenia nie ma to zadnego wplywu.
O ile interface komunikacyjny kontrolera musi byc prosty o tyle interface centralnego mikrokomputera nie musi byc prosty. System moze byc asymetryczny i miec programowy - cyfrowy adaptacyjny filtr odksztalcajacy charakterystyke opoznienia i amplitudowa danego lacza telefonicznego. Wybor komunikacyjnych kodow kanalowych jest spory ale optymalny wymaga przeprowadzenia wielu eksperymentow.
Bez rozwazania tematu zauwazmy jedynie ze telefoniczny kanal komunikacyjny kontrolera bloku do centralnego komputera miasta / osiedla jest stosunkowo drogi. Totez najwazniejszy kontroler w duzym bloku moglby miec taki kanal a pozostale kontrolery mogly byc korzystac z niego jako posrednika do kontaktu ze swiatem. I tak natychmiastowy komunikat do wyslania jest w przypadku "Napad / Wlamanie" a w przypadku windy "Uwiezieni pasazerowie". Mniej pilne komunikaty dotycza usterek ale nie totalnych !
Te pomysły są nawet teraz do realizacji ! Genialne.
OdpowiedzUsuń