В.Н. Гололобов |
Экскурсия по электронике |
257 |
Глава 12. Автоматика, и зачем она нужна
Осень приносит не только ненастье и дожди, появляются новые версии операционных систем, установленных на моем компьютере. Меня давно устраивают и прежние, но укоренившаяся привычка ожидать перемен в графической оболочке, правильнее в Linux ее называть «оконный менеджер», заставляет меня обновлять текущую версию. Графическая оболочка, буду называть ее так, больше остального интересует обычного пользователя, каким являюсь я. Linux предлагает ее в разных вариантах, временами я просматриваю их, но пользуюсь, как правило, одной, которая устанавливается по умолчанию. Что я хотел сказать, когда заговорил об операционной системе? Она тоже, как и чайник, как и обогреватель, подвержена автоматике. Есть ее раздел, который называется «автоматическое обновление». Для меня автоматика больше ассоциируется с физическими предметами: датчиками, управляющими устройствами, исполняющими устройствами и т.д. Даже в том, что я предпочитаю называть оконный менеджер графической оболочкой, сказывается мое пристрастие к «железу». Для меня название «оконный менеджер» больше подошло бы устройству, которое автоматически отслеживает количество углекислого газа в комнате, и при его превышении заданной нормы открывает окно для проветривания или включает вентиляцию. И пусть этот менеджер следит за освещенностью. Когда становится темно, закрывает шторы на окне. Вот такой «оконный менеджер» мне понятен.
Как некогда паровые машины избавили людей от монотонного физического труда, так автоматика избавляет от монотонного «умственного» труда. Наверняка у вас дома много устройств, которые делают что-то автоматически. По случаю осени у меня в комнате стоит электрический обогреватель. Старые электрические обогреватели (калориферы) включались в розетку, грелись, и вам, время от времени, приходилось их выключать, затем по мере остывания воздуха в комнате вновь включать. Современные обогреватели избавляют вас от необходимости следить за температурой в комнате. По тому же принципу действует сегодня и электрический утюг, и электрический чайник, и, что у меня порой вызывает удивление, электрическая гирлянда, которую в скором времени предстоит водружать на елку. Что же изменилось в обогревателе с «древних» времен?
Обогреватель-автомат или простые устройства автоматики
Сам обогреватель – это большой резистор, который, как мы давно знаем, при протекании по нему тока нагревается. Мы можем даже сказать, что на нем рассеивается: P = U2 /R, мощность. И этому сопротивлению безразлично, переменный это ток с действующим значением напряжения U, или постоянный с тем же напряжением. Мы это давно знаем.
Нам не составит труда нарисовать схему из выключателя и сопротивления. Это будет схема «старинного» обогревателя. И, думаю, не составит труда заменить выключатель устройством управления, для которого мы готовы составить функциональное описание:
измерять температуру воздуха; при ее значении ниже величины А, включать обогреватель;
при ее значении выше величины Б, выключать обогреватель.
Дополнительно можно определить, что значения А и Б должны допускать изменение, то есть, устанавливаться вручную. Это добавит функциональной гибкости нашему устройству.
Кроме того, мы уже знаем, что на изменение температуры реагируют многие электрические элементы: резисторы, проводники и полупроводники. Последние реагируют очень хорошо, заставляя нас выбирать схему включения транзисторов с учетом возможных
В.Н. Гололобов |
Экскурсия по электронике |
258 |
температурных «передряг». Выберем в качестве чувствительного к температуре элемента разновидность резистора, которая называется терморезистор. Скорее всего он будет изготовлен из полупроводникового материала, но для нас представляет интерес не это, а то, что его сопротивление меняется при изменении температуры гораздо интенсивнее, чем сопротивление обычного резистора. В качестве сигнала, несущего информацию о температуре, выберем падение напряжения на этом терморезисторе, который включим последовательно с обычным резистором в цепь источника постоянного тока. Получается обычный делитель напряжения. И мы твердо знаем, что напряжение на датчике (терморезисторе) пропорционально его сопротивлению.
Если бы можно было параллельно этому терморезистору включить реле, предполагая, что оно включится, когда напряжение достигнет нужной величины, то мы могли бы контактами реле включать нагревающий элемент. Схема была бы простой. Но так, скорее всего, не получится. Посмотрим, что нам мешает.
Рис. 12.1. Самая простая схема обогревателя-автомата?
Пока температура не достигла нужной величины, напряжение на резисторе R2 было бы ниже напряжения срабатывания реле, его контакты (нормально замкнутые) замыкали бы цепь нагревателя, а нагреватель нагревал бы воздух в комнате и, вместе с ним, терморезистор. Когда температура воздуха достигает нужной величины (то есть, сопротивление R2 увеличивается достаточно), реле включается и отключает нагреватель. Если бы такая схема работала, было бы очень хорошо (вообще-то, это не невозможно), но что вызывает сомнения? Во-первых, сопротивление терморезистора при нагревании может не увеличиваться, а уменьшаться. В этом случае говорят, что ТКС отрицателен (температурный коэффициент
В.Н. Гололобов |
Экскурсия по электронике |
259 |
сопротивления). Но это не главное.
Термосопротивление приходится выбирать с учетом параллельного его включения с сопротивлением обмотки реле, при этом желательно, чтобы его величина была много меньше сопротивления обмотки. Мало того, его сопротивление должно меняться очень сильно, иначе разница в падении напряжения, скажем, при 18 и при 250С будет почти неизменной. Попробуем обойти возникшие проблемы, но прежде хочу сознаться, что решение, даже проще нарисованного мной, есть, и давно известно, и давно используется. Это биметаллические контакты. Две плоские пластины из разных металлов с разным температурным коэффициентом расширения соединены своими плоскостями так, что при нагреве этот «бутерброд» изгибается в одну сторону. При остывании эти пластины восстанавливают первоначальную геометрию. Таким образом, при нагревании, снабдив один конец контактом, можно отключать нагреватель, а при остывании включать. Думаю, что так устроен автомат утюга. Знаю, что так работает прерыватель в елочной гирлянде, где биметаллическая пластина нагревается протекающим по ней током.
Такие простые решения вызывают у меня восторженное удивление человеческой изобретательностью, но, как правило, такие решения не бывают универсальны. Давайте найдем решение, которое способно решить и проблему нагревателя, и, если понадобится, проблему включения вентиляции, и включения освещения, и т.д. Я не исключаю, что мы не найдем наилучшее решение в данной главе, тогда будем искать его в следующих.
Предыдущие главы мы посвятили рассмотрению усилителей. Применим полученные знания к решению задачи. Очень удобный усилитель получается из операционного усилителя, хотя и не обязательно использовать его. Здесь выбор может быть продиктован разными обстоятельствами, в частности, стремлением к унификации элементной базы, стоимостью компонент, опытом работы. Остановимся пока на операционном усилителе.
Хотя об операционном усилителе я выше упоминал достаточно часто, я мало говорил о том, как с ним работать в программе Qucs или аналогичных программах. Как правило, эти программы создаются зарубежными авторами, которые используют модели элементов, производимых в их стране. Сегодня любителю доступны эти компоненты, и если у него возникают сомнения, он может использовать именно те компоненты, которые имеются в наличии в программе. Кроме того, есть справочники по элементной базе, в которых можно найти варианты замены зарубежных операционных усилителей, как и других элементов, на отечественные. И, наконец, большая часть экспериментов, которые приводятся в книге, предназначена для получения качественных, а не количественных, результатов. Что не исключает и возможности получения количественных результатов, но в этом случае нужно проводить не только моделирование схемы за компьютером, но обязательное повторение на макетной плате. Сравнение результатов даст тот опыт применения компьютерного моделирования, который поможет определять в каждом конкретном случае, требуется ли макетирование схемы. Только долговременный опыт работы с конкретной программой может дать все ответы на все вопросы.
Но вернемся к схеме обогревателя.
В.Н. Гололобов |
Экскурсия по электронике |
260 |
Рис. 12.2. Применение операционного усилителя в автомате-нагревателе
Операционный усилитель, включенный в мост, образованный двумя делителями напряжения R1R2 и R3R4, дает нам избавление от нескольких проблем. Подбором резисторов мы можем задавать нужные температурные значения, при которых происходит срабатывание. Даже небольшие изменения сопротивления датчика, благодаря большому коэффициенту усиления напряжения, могут использоваться для управления реле. Меняя подключение входов мы можем инвертировать работу реле по отношению к направлению изменения сопротивления. И начальное значение сопротивления датчика повлияет только на величину сопротивлений моста.
Какие еще преимущества дает применение усилителя? Большую универсальность (или гибкость решения). В данном случае мы «строим» обогреватель-автомат. Но если в качестве датчика мы используем не терморезистор, а фоторезистор – элемент, сопротивление которого зависит от освещенности, то, не меняя схемы, я даже не исключаю, что сопротивления моста могут сохранить свои значения, мы можем включать контактами реле не нагреватель, а светильник. В этом случае мы получим автоматическое управление освещением. Применив датчик, меняющий сопротивление при возросшей концентрации углекислого газа, мы получим автоматическое управление вентиляцией.
Проведем два эксперимента, которые позволят оценить возможности полученного решения.
В.Н. Гололобов |
Экскурсия по электронике |
261 |
Рис. 12.3. Первый эксперимент со схемой автомата Напряжение на реле 20 В. Изменим значение терморезистора с 900 Ом на 1.1 кОм.
Рис. 12.4. Выходные значения при изменении температуры
Меняя значения резистора R2, не 900 Ом, а 950 Ом или 955 Ом, мы можем получить представление о чувствительности схемы, и сможем выбрать терморезистор, для которого в справочнике приводится параметр температурного коэффициента сопротивления.
Схема получилась достаточно универсальная, но решили ли мы все задачи? Не уверен.
За счет гистерезиса самого реле, разницы между напряжениями включения и выключения, мы могли бы получить некоторую устойчивость, но операционный усилитель нивелирует этот эффект. А проблема может выглядеть так: при достижении заданной температуры напряжение на датчике может колебаться около точки перевала, что заставит реле «вибрировать» вместо четкого включения, которое может и не произойти. Для температуры это может быть связано с движением воздуха, для других датчиков с колебаниями других параметров около точного значения.
Именно по этой причине лучше задаваться двумя температурами – включения и
В.Н. Гололобов |
Экскурсия по электронике |
262 |
выключения. Но как это реализовать?
Частично «погасить» проблему можно добавлением на выход операционного усилителя RC-цепи. Резистор включается последовательно с реле, а конденсатор параллельно реле. Для эксперимента мы изменим схему, заменив операционный усилитель генератором одиночного импульса. Генератор «смоделирует» поведение операционного усилителя при достижении заданной температуры с возможным «откатом» к исходному положению.
Рис. 12.5. Эксперимент с «затягиванием» переходов
Собственно, мы добавили фильтр на выходе усилителя, который «обрезает» высокие частоты (быстрые колебания напряжения) и пропускает низкие частоты (редкие перемены состояния). Резистор R2 – это сопротивление обмотки реле. Как видно из диаграммы, напряжение на реле возрастает не стразу, включение произойдет через некоторое время. И выключение (добавьте гистерезис реле) тоже.
Дальнейшее совершенствование схемы, направленное на стабилизацию ее работы, потребует некоторых изменений. Думаю, вы сами увидите разницу:
В.Н. Гололобов |
Экскурсия по электронике |
263 |
Рис. 12.6. Продолжение работы над схемой автомата-обогревателя
Большинство терморезисторов имеют отрицательный ТКС, то есть, их сопротивление уменьшается при увеличении температуры, поэтому входы операционного усилителя поменялись местами. Фильтр, показанный выше, я из схемы эксперимента убрал – его работа
вданный момент не будет видна, а схему он загромоздит.
Ярешил использовать дополнительную (нормально разомкнутую) пару контактов реле для достижения цели. Один из резисторов «разбит на две части», при включении реле его контакты замыкают нижнюю часть этого резистора, R6. В первоначальном варианте переключения происходили при значениях резистора R2 равных 995 и 1005 Ом. Это можно проверить еще раз, удалив соединение с контактами реле.
Рис. 12.7. Значения величины резистора при переключении первоначальной схемы
Теперь, это видно на рисунке 12.6, при сопротивлении 950 Ом (более высокая температура) напряжение на выходе схемы все еще остается высоким, поддерживая реле включенным.