Wzmacniacz. Automatyka

Wzmacniacz. Automatyka

Dość wysokie są wymagania na elektroniczny integrator w regulatorach PI-PID ( samodzielny układ różniczkujący jest podobny do całkującego z odwróceniem pozycji elementów R i C ), w komputerach analogowych i hybrydowych, w przetwornikach analogowo – cyfrowych A/D z podwójnym / wielokrotnym całkowaniem, w chromatografie gazowym.

Wymagane stałe czasowe całkowania w przemysłowych regulatorach PI-PID dochodzą do godziny co sprawia trudności w ich budowie. Integratory ( także różniczkowanie ) zbudowane są one na wzmacniaczu operacyjnym o bardzo małym prądzie polaryzacji wejścia.

Kondensatory charakteryzowane są:

-pojemnością w funkcji częstotliwości,

-upływnością,

-stratnością w funkcji częstotliwości,

-szeregową rezystancją i indukcyjnością w funkcji częstotliwości ESR, ESL, -współczynnikiem zmiany pojemności w funkcji temperatury,

-absorpcją dielektryczną szczególnie istotną w układach próbkująco pamiętających S/H.

Ferroelektryczne kondensatory ( są fizycznie najmniejsze z kondensatorów ceramicznych ) nie mogą być stosowane bowiem ich parametry są nędzne. Kondensatory mikowe mają zbyt małą pojemność.

Z foliowych i naparowanych kondensatorów polistyrenowych, polipropylenowych, poliestrowych, poliwęglanowych i papierowych, stosowane mogą być tylko w odpowiedzialnych układach integratorów kondensatory polistyrenowe i polipropylenowe.

Wielkość kondensatora zależy od wytrzymałości dielektryka czyli wymaganej grubości folii dla danego napięcia znamionowego i jego przenikalności elektrycznej.

Kondensatory polipropylenowe są fizycznie mniejsze od polistyrenowych i mają wyższą maksymalną temperaturę pracy 105C w porównaniu z 85C. Oba gatunki są jednak większe i droższe niż kondensatory poliestrowe. Temperaturowe współczynniki pojemności kondensatorów polipropylenowych ( są katalogowo podawane ) nie są duże a polistyrenowych zbliżone są do zera i są one chętnie stosowane w filtrach LC i obwodach LC generatorów.

Największa pojemność stosowana w układach integratora ( układu różniczkującego ) regulatora PI-PID nie przekracza 15-22 uF co często wynika z gabarytów obudowy regulatora i braku miejsca na większe rozmiarem kondensatory bądź większą ich ilość do równoległego połączenia. Koszt kondensatorów odgrywa mniejsza rolę.

Integratory o znacznie mniejszych stałych czasowych są stosowane w wielu systemach elektronicznych. Przykładowo w przetworniku napięcia na częstotliwość V/F i generatorze funkcyjnym gdzie scałkowany prostokąt staje się sygnałem piłokształtnym.

Analogowy komputer może być mechaniczny, pneumatyczny, hydrauliczny, elektryczny i elektroniczny. Przelicznik artyleryjski był mechanicznym komputerem. Skomplikowany był mechaniczny przelicznik celownika na pokładzie samolotu bombowego.

Niemiecka rakieta balistyczna V2 miała żyroskop pionowy i poziomy oraz akcelerometr. Przelicznik mechaniczny wyliczał ustawienia 4 sterów zewnętrznych V2 i 4 organów sterujących wewnętrznych. Specjalne ekipy USA i ZSRR zajęły materiały naukowe i techniczne oraz wielką ilość części do rakiet V2 oraz personel. W materiałach była analiza dynamiki i sterowania rakiety pokazująca macierz cosinusów do wyliczania ustawienia sterów z sygnałów żyroskopów. Inżynierowie z USA i ZSRR byli zaskoczeni tym jak daleko zaszła nauka i technika rakietowa w III Rzeszy.

Także zawstydzająco innowacyjne i nowoczesne były przechwycone niemieckie okręty podwodne.

W USA dość szybko zastosowano militarne przeliczniki elektroniczne natomiast przykładowo radziecki zestaw przeciwlotniczy ZSU 23-4 mający 4 dobre działka kalibru 23 mm i radar, ma skomplikowany przelicznik z krzywkami, potencjometrami, silnikami elektrycznymi...

Pierwszy elektroniczny analogowy, lampowy komputer skonstruowano w USA przed wojną. Podstawową jednostką był wzmacniacz stałoprądowy jako sumator i zbudowany na jego postawie integrator. Stąd właśnie wzięła się nazwa wzmacniacz „operacyjny” jako że wykonywały „operacje” całkowania i sumowania. W maszynach lampowych sygnał miał zakres -100...100V a w scalonych ma zakres -10...10V. Z uwagi na duże niezrównoważenie wejścia w dokładnych maszynach analogowych stosowano skomplikowany wzmacniacz lampowy z przetwarzaniem sygnału.

W prostych i tanich dydaktycznych maszynach analogowych wzmacniacz operacyjny ( prosta maszyna ma ich 10 ) był wykonany na jednej lampie – pentodzie z triodą !

Sygnał z maszyny analogowej pracującej w cyklu 50 Hz (tak jak odchylanie pionowe w TV ) można obserwować na oscyloskopie lub na wielkoekranowym 24' analogowym monitorze – odbiorniku TV widocznym w całej sali wykładowej. Prymitywna przystawka zamieniająca odbiornik TV w powolny oscyloskop – monitor opisana jest w „Nowoczesna Zabawki”, J. Wojciechowski, dla majsterkowiczów. Schemat pokazano tylko dla ilustracji idei przetwarzania.

Sporządzony może być papierowy wykres na rejestratorze.

Komputer analogowy połączony z komputerem (cyfrowym) zwany maszyną hybrydową jest wydajnym narzędzie do symulacji i optymalizacji. Największa seryjna maszyna analogowa do zestawu hybrydowego ma m.in. 64 ( sterowane logicznie ) integratory. Komputer ( oczywiście cyfrowy) według programu ustawia analogowe „potencjometry” ( są to dwu lub czterokwadrantowe mnożące przetworniki D/A ) zmienianych w czasie optymalizacji parametrów dynamicznych i statycznych oraz stany początkowe i brzegowe oraz parametry bloków nieliniowych maszyny analogowej i uruchamia symulacje, która może trwać mniej niż 10 ms co wymaga już pewnego pasma od wzmacniaczy >1MHz i ekranowych przewodów na tablicy połączeniowej. Większość niezmienianych parametrów jest raz ustawiona „ręcznymi” potencjometrami. Wyniki symulacji i funkcji celu poprzez multiplexer i przetworniki Analogowo / Cyfrowe A/D komputer zapisuje do swojej pamięci i po zmianie parametrów przeprowadza kolejną symulacje. Generalnie optymalizacja jest tym trudniejsza im więcej jest parametrów do odgadnięcia. Znalezienie minimum / maksimum funkcji celu może wymagać dziesiątków tysięcy symulacji a nawet ponad 100 tysięcy ! Komputery hybrydowe stosowano w programach Apollo, projektowaniu odrzutowca Concorde i wszelkich zaawansowanych pracach poszukiwawczo – projektowych w lotnictwie, militariach, kosmosie ale też w złożonych zastosowaniach cywilnych.

Stosowanie komputera hybrydowego nie ma sensu gdy chcemy przeprowadzać niewielkie ilości symulacji. Wystarczy wtedy zwykły, cyfrowy komputer.

Po wojnie w USA stworzony hydrauliczny komputer symulujący system gospodarczy !

Genialny Elmer Sperry już w 1911 roku na podstawie obserwacji pracy sternika statku wykonał skomplikowany adaptacyjny (!) regulator PID ( nazwa ta pojawiła się dużo później ) do automatycznego trzymania kursu statku z użyciem żyrokompasu.

W 1932 roku koncern Foxboro rozpoczął produkcje pneumatycznych regulatorów PI i już przed wojną regulatorów PID. W 1942 roku J. Ziegler i N. Nichols z firmy Taylor Instruments Companies opracowali wygodne reguły strojenia regulatorów PI oraz PID. Praca dotyczyła regulatorów pneumatyczne stosowanych w łodziach podwodnych ale wyniki badań opublikowano dopiero po wojnie.

Z uwagi na nieliniowość systemu pneumatycznego w standardzie 3-15 psi standardowy sygnał zerowy ma niezerową wartość ( 3 psi ) fizyczną. Na przełomie lat pięćdziesiątych i sześćdziesiątych opracowano względnie tanie przetworniki ciśnienia na prąd i prądu na ciśnienie. Skala ciśnień 3-15 psi zamieniła się w praktyczny sygnał pętli prądowej 4-20mA czyli z tak zwanym żywym zerem. Można było rutynowo skomponować kompletny system pneumatyczno – elektroniczny.

Możliwości systemu pneumatycznego są dość ograniczone przy systemie elektronicznym zwłaszcza z mikroprocesorem. Może być on za to od razu stosowany w otoczeniu potencjalnie wybuchowym. Dobrze sprawdza się w atmosferze bardzo wilgotnej.

Mera produkuje pneumatyczny system Pnefal na licencji Siemensa z lat sześćdziesiątych. System ma sensory, regulator PI-PID, stacyjki operacyjne i sterownicze, wskaźniki, sygnalizator. System wymaga modernizacji bo zrobił się przestarzały.

Pierwsze elektroniczne lampowe regulatory PID Autronic znalazły się na rynku w 1951 roku natomiast tranzystorowe w 1959 roku a scalone w 1965 roku.

Pierwszy mikroprocesorowy kontroler P-200 z algorytmem PID sprzedawano od 1975 roku

Wrocławskie Elwro produkuje w mikro-ilościach elementy Krajowego Systemu Automatyki Intelektran z m.in. nieudanym regulatorem ciągłym PID ARC-21 ( zastosowano w nim aż 10 wzmacniaczy operacyjnych co jest nieadekwatne do osiągniętego rezultatu ! ), krokowym ARK-21 i stacyjką sterowania ADS-42.

Z uwagi na śladową produkcje Elwro ( Elwro udaje też warsztatową produkcje komputerów ) zakupiono dla Mery przemysłową licencje w 1974 od amerykańskiego koncernu Honeywell na system Vutronik nazwany u nas Eftronik dla przemysłu chemicznego. Polska chemia jest szczególnie opóźniona w produkcji tworzyw sztucznych. System Vutronik ma stacyjki DDC ( Direct Digital Control , bezpośrednie sterowanie cyfrowe ) do współpracy z komputerami GE lub bardziej uniwersalne wymagające dodatkowego interface do minikomputerów Honeywell , Ferranti i IBM czyli w Polsce nieprzydatne. Potencjometr stacyjki jest rozkazem tylko „żywego” komputera przestawiany serwosilnikiem aby nie dochodziło do zakłóceń w pracy w razie awarii minikomputera

Ilość znanych i używanych substancji chemicznych cały czas rośnie. Opracowywane są nowe metody syntezy i doskonalone metody już stosowane. Z reguły synteza produktu końcowego jest wieloetapowa.

Przemysł chemiczny wytwarza w każdym nowoczesnym kraju znaczną część dochodu narodowego. Produkuje finalnie w wielkich ilościach:

-Paliwa, oleje i smary

-Nawozy sztuczne i środki ochrony roślin

-Tworzywa sztuczne

-Farby i lakiery

-Materiały wybuchowe

-Mydła i detergenty

-W mniejszych ilościach dostarcza kilkanaście tysięcy substancji chemicznych dla przemysłu jak na przykład kwas siarkowy do akumulatorów ołowiowych

W mniejszych ilościach produkowane są też kosmetyki i farmaceutyki ale ich cena za kilogram może być bardzo wysoka

Funkcjonuje synergia między przemysłem chemicznym a innymi przemysłami. Popularny w górnictwie dostarczającym chemii ( ale też energetyce i metalurgii ) surowców jest amatol czyli synergiczna mieszanina trotylu TNT i azotanu amonu stosowanego także jak nawóz w rolnictwie. Jeśli azotanu amonu jest mniej niż 40% całości to energia właściwa wybuchu jest taka jak trotylu a amatol jest jednak tańszy. Znanych jest wiele ekonomicznych i stabilnych mieszanin materiałów wybuchowych. Amatol w czasie wojny stosowany był w bombach, pociskach... Ilość zużywanych w górnictwie materiałów wybuchowych jest bardzo duża. W kopalni i w budowanym podziemnym tunelu drogi lub metra górnicy strzałowi wiercą długie otwory w których umieszczają materiał wybuchowy kruszący wydobywane złoże lub skałę. W kopalni odkrywkowej specjalistyczna maszyna na pojeździe wydajnie wierci głębokie otwory w złożu i wlewa materiał wybuchowy kruszący złoże wydobywane ogromną koparką.

Także produkcja mikroelektroniki wymaga różnych czystych substancji chemicznych z których najważniejszy jest fotorezyst.

Vutronik z początka dekady ( system Flexel nadal jest oferowany ) stosuje tylko jeden (!) scalony wzmacniacz operacyjny uA/LM741 poprzedzony parą JFetów o prądzie polaryzacji wejścia poniżej 1 pA, jako że były one jeszcze drogie. Drugi pomocniczy wzmacniacz sygnału błędu A wykonano na 3 tranzystorach bipolarnych i JFecie jako źródle prądowym a kiepski inwerter sygnału B na jednym tranzystorze.

Jest to dojrzały, wielofunkcyjny, pełnowartościowy regulator mogący pracować w wielu konfiguracjach. Ma m.in. funkcje stacyjki sterowania Manual organem wykonawczym a przejście Auto-Manual jest bezuderzeniowe. Ma wskaźnik uchybu regulacji taki że przekroczenie wartości błędu od razu wyróżnia się w pasie regulatorów na tablicy lub w szafie. Granice sygnału wyjściowego są niezależnie nastawiane potencjometrami. Różniczkowanie wykonane jest tylko na sygnale regulowanym co jest cenne jako że zmianie wartości zadanej nie towarzyszą zróżniczkowane skoki wyjścia. Niewielkim mankamentem jest brak konfiguracji P. Może być tylko PI lub PID przy czym różniczkowanie D jest załączane bezuderzniowo co jest kolejnym atutem. Regulator można też wyprodukować tylko z częścią funkcjonalności !

Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi projektuje się w dwóch grupach.

-Bipolarny układ wzmacniacza operacyjnego ma duży prąd polaryzacji wejść i dlatego system ma o ile jest to możliwe, takie same rezystancje na obu wejściach wzmacniacza aby w bilansie błędu pojawił się czynnik z prądem niezrównoważenia a nie z prądem polaryzacji, który jest od prądu niezrównoważenia 3-10 razy większy.

-Wzmacniacz z tranzystorami JFet lub Mosfet na wejściu ma mały prąd polaryzacji i 2-5 razy mniejszy prąd niezrównoważenie ale użycie m.in. w integratorze i układzie różniczkującym identycznych wielkich ( i nie tanich ! ) rezystorów jest trudne a często gdy są one nastawiane jest niemożliwe. W bilansie błędów jest prąd polaryzacji. Toteż dążymy do tego aby był on odpowiednio mały.

W bilansie błędów integratora ze wzmacniaczem JFet lub Mosfet jest prąd polaryzacji wejścia a napięcie niezrównoważenia podzielone przez oporność wejściową daje dodatkowy prąd błędu. Stąd oporność ta powinna być jak największa ale zakres oporności dostępnych rezystorów jest ograniczony i stosuje się największa dostępną rezystancje i dzielnik rezystorowy przed nią.

Jak na wielość realizowanych funkcji schemat regulatora Vutronik jest bardzo prosty. Wszystkie regulatory Vutronik w systemie zasilane są jednym napięciem stałym 25Vdc. Zasilacz systemu może być buforowany akumulatorem 24V. Systemowo pewne zasilanie jest więc zdumiewająco proste. Preferowany jest sygnał prądowy 4-20mA zamieniany rezystorem w podstawce regulatora na napięcie 1-5V, które też może być stosowane ale nie jest rekomendowane. W środowisku wybuchowym wymagającym iskro bezpieczeństwa stosuje się proste bariery z diodami Zenera.

Zasilacz wewnętrzny regulatora wykonany z diodami Zenera jest prosty.

Monolityczna para JFetów we wzmacniaczu głównym pracuje z prądami drenów około 30 uA a jej niezrównoważenie likwidowane jest potencjometrem.

Mankamentem regulatora Vutronic jest mały zakres prądu błędu na wejściu wzmacniacza głównego odpowiedzialnego za dynamikę PI-PID. 100% błąd regulacji przy maksymalnym czasie całkowania odpowiada prądowi około 5 nA a 1% błędu to tylko 50 pA. Powiększenie tego prądu wymagałoby proporcjonalnego powiększenia pojemności kondensatorów z których największy już ma pojemność 9 uF. Układ musi być wykonany na szklano – epoksydowej płycie drukowanej dobrej jakości. Zmontowana płyta drukowana PCB po myciu i dejonizacji jest polakierowana lakierem nie absorbującym wilgoci i brudu. Są to zresztą w układach operujących słabymi sygnałami prądowymi typowe, tanie zabiegi technologiczne.

Omawianie działanie regulatora jest całkowicie poza zakresem przewodniego tematu „Wzmacniacz” Omówienie jest dostępne w „Urządzenia i układy automatycznej regulacji”, Zdzisław Trybalski, PWN 1978. Jest to jedyna taka pozycja w języku polskim a nawet w świecie podobnych książek na tak wysokim poziomie rozważań i szczegółowości jest bardzo mało. Szkoda że jej nakład jest tak mały.