Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
CControls
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Rozwiązanie problemów ze sterownikami dla przekaźników 3,3-woltowych

Kubald 04 Sie 2012 23:17 3830 0
  • Przekaźnik jest to przełącznik elektryczny, który może znajdować się w dwu stanach: otwartym bądź zamkniętym. Kiedy przekaźnik nie łączy, żaden prąd nie płynie przez niego, więc obciążenie doń podłączone nie jest zasilane. Z kolei kiedy przekaźnik jest załączony, obwód staje się zamknięty, prąd przepływa przez przekaźnik i zasila źródło. Typowy przekaźnik używa elektromagnesu do mechanicznej zmiany stanu kotwicy. W wielu różnych aplikacjach przemysłowych spotykane są również inne metody przełączania przekaźników. Typowa aplikacja przekaźnika wynika z potrzeby sterowania danego obwodu przez niskonapięciowe sygnały, gdzie niezbędna jest również pełna separacja galwaniczna pomiędzy sterowanym a sterującym obwodem. Kolejna potrzeba stosowania przekaźników pojawia się w momencie, gdy jednym sygnałem sterującym należy sterować kilka obwodów.

    Pierwsze przekaźniki przełączające powstały ponad sto lat temu i znalazły zastosowanie w długodystansowych układach telegraficznych, gdzie przychodzący sygnał musiał być przekazany do innego, sąsiedniego obwodu. Takie zastosowanie spowodowało, że przekaźniki stały się wszechobecne i szeroko stosowane w centralach telefonicznych i następnie we wczesnych komputerach do wykonywania operacji logicznych.

    Stycznik jest rodzajem przekaźnika, który może wytrzymać duży przepływający prąd niezbędny do bezpośredniego sterowania silnika elektrycznego lub innych obciążeń. W większości aplikacji telekomunikacyjnych i w elektronice użytkowej stosowane są przekaźniki niskiej mocy. Dwa główne typy tychże to przekaźnik elektroniczny (Solid State Relay) i elektromechaniczny. Przekaźniki SSR są przełącznikami elektronicznymi, w których brak jest ruchomych elementów i w których „niewielki” sygnał sterujący jest w stanie przełączać duże prądy lub napięcia. Przekaźniki elektromagnetyczne wykorzystują elektromagnes do otwierania i zamykania styków. Kiedy na cewkę przekaźnika podawane jest napięcie, styki są zwierane i powoduje to przepływ prądu przez przekaźnik. W obu przypadkach czujnik odpowiada na odpowiedni sygnał wejściowy (sygnał sterujący): układ przełączający przyłącza zasilanie do obciążenia i pewien mechanizm sprzęgający pozwala na zwieranie styków za pomocą sygnału sterującego. Przekaźniki mogą być zaprojektowane do przełączania zarówno prądów zmiennych jak i stałych.

    Potrzeba stosowania przekaźników na napięcie 3,3V

    W elektronice użytkowej, jak np. klimatyzatorach, pralkach czy buforach drukarek przekaźniki są stosowane do połączenia niskonapięciowej części elektronicznego sterownika z wysokonapięciową i wysokoprądową stroną elementów wykonawczych. Przekaźniki znajdują też często zastosowanie w zautomatyzowanych urządzeniach testowych, gdzie niezbędne jest stosowanie przełączników niedrogich i o bardzo niskiej rezystancji. Obniżanie poziomu napięcia zasilania, aby osiągnąć wyższe prędkości przełączania i większą wydajność jest głównym tematem dotyczącym różnorakich analogowych i cyfrowych części urządzeń i ich finalnych zastosowań. Napięcie zasilania układów wynoszące 5V było powszechnie stosowane w poprzedniej dekadzie. Obecnie prym wiodą układy zasilane napięciem 3,3V, także te na 1,8V zyskują na popularności. Zastosowanie przekaźników podąża tym samym szlakiem, lecz jednak w wolniejszym tempie. Przekaźniki 12-woltowe zostały zastąpione 5-woltowymi w zeszłej dekadzie, lecz ciągle pozostają w użyciu. Jednak przekaźniki na napięcie 3,3V łatwo nadrabiają zaległości.





    Wymagania i wyzwania dla projektów z przekaźnikami na 3,3V

    Obecnie sterowniki 12-woltowych przekaźników mogą być także zastosowane do sterowania przekaźnikami 5-woltowymi. Jednak ze względu na duże wartości VOL i VCE(SAT), sterowniki przekaźników starszej generacji nie mogą współpracować z przekaźnikami na 3V. Ze względu na małą liczbę produkowanych sterowników niskonapięciowych przekaźników, konieczne jest stosowanie urządzeń opartych na elementach dyskretnych. Typowy sterownik przekaźnika na elementach dyskretnych składa się z jednego lub kilku MOSFETów połączonych równolegle wraz z diodami i rezystorami. Tranzystory MOSFET zawierają w swym podłożu „diodę” przewodzącą w odwrotnym kierunku niż sam tranzystor, wobec tego jeden MOSFET nie może zablokować przewodzenia prądu w obu kierunkach. Dla prądów zmiennych dwa tranzystory typu MOSFET są połączone „plecami”, ze źródłami złączonymi razem i drenami przyłączonymi do obu stron obciążenia wyjściowego. „Diody” są połączone w taki sposób, aby blokować przepływ prądu wstecznego, kiedy przekaźnik jest wyłączony. Kiedy przekaźnik jest załączony obydwie bramki są spolaryzowane dodatnio względem źródła przez fotodiodę. Typowym postępowaniem jest zapewnianie dostępu do „wspólnego” źródła tak, że kilka tranzystorów MOSFET może być połączonych równolegle, jeśli przełączane są prądy stałe. Tego typu sieć tranzystorów jest stosowana celem przyspieszenia zmiany stanu przewodzenia tranzystora podczas zaniku sygnału sterującego.

    Stosowanie elementów dyskretnych w takich rozwiązaniach niesie pewne niedogodności, związane z wyższym kosztem i ograniczeniami przestrzeni na płytce drukowanej. Niepożądana dyssypacja energii ma miejsce kiedy niskonapięciowe rozwiązania są „przeładowane” dużą ilością elementów dyskretnych, wyższą, niż ta, która stanowi jeszcze motywację do zastosowania w układzie niskonapięciowych przekaźników. W aplikacjach telekomunikacyjnych i elektronice użytkowej zwykle stosowane jest od czterech do siedmiu przekaźników, łączonych szeregowo bądź równolegle. To komplikuje projekt płytki drukowanej jeszcze bardziej. Projektant obwodu musi oszacować finalną liczbę przekaźników jeszcze w czasie projektowania, co czyni liczbę stosowanych elementów nieprzewidywalną. Proces oszacowania w czasie projektowania urządzenia polega na wyliczeniu wszystkich permutacji napięć przekaźników i może spowodować skomplikowanie projektów niezbędnych do zaspokojenia potrzeb wszystkich docelowych aplikacji. Konieczność jednoczesnego przełączania prądów zmiennych i stałych może stanowić dalsze utrudnienia w procesie projektowania. Projektant musi stworzyć kilka rozwiązań, aby „pokryć” obszar wszystkich możliwych aplikacji albo stworzyć jeden rozległy i skomplikowany projekt, który będzie uniwersalny dla wszystkich rozwiązań. Przy jednoczesnym przełączaniu prądów zmiennych i stałych istnieje również konieczność uwzględnienia w projekcie kontroli zakłóceń pochodzących z elementów indukcyjnych, najpewniej z zastosowaniem kondensatorów. Finalnie, kwestia czy elementy dyskretne będą zastosowane tylko dla jednego czy też wszystkich różnych napięć sterujących związanych razem powodują wykładniczy wzrost skomplikowania projektu. Projektanci muszą z góry zadecydować, jakie zastosować tranzystory, diody i rezystory, określić napięcia i moce dla wszystkich tych elementów i określić, czy dane urządzenie będzie służyło do przełączania prądów zmiennych czy stałych.

    Wszystkie te problemy, które można napotkać podczas projektowania sterowników i urządzeń opartych na 3,3-woltowych przekaźnikach, razem z przyszłą koniecznością stosowania niższych napięć i wzięciem pod uwagę inicjatyw ekologicznych prowadzą do stworzenia bardziej zintegrowanych rozwiązań, które będą mogły współpracować zarówno z przekaźnikami SSR i elektromechanicznymi w urządzeniach, gdzie jednocześnie będą przełączane prądy stałe i zmienne. Aby uniknąć tych wyzwań w czasie projektowania, rekomendowane jest użycie układu scalonego implementującego wszystkie te czynniki jednocześnie.

    Konstrukcja sterowników bazujących na elementach dyskretnych

    Oprócz skomplikowanych wyzwań projektowych i ograniczeń finansowych, projektanci muszą z góry rozważyć i rozwiązać kilka innych kwestii. Dwie główne kwestie to: czas niezbędny do wytworzenia płytki drukowanej i niezawodność stosowanych elementów dyskretnych. Im więcej elementów jest niezbędnych, tym więcej połączeń na płytce jest potrzebnych; dodatkowo konieczna jest ponowna weryfikacja projektu, aby zapewnić odpowiednią jakość – zwiększa to czas poświęcony na zaprojektowanie i zbudowanie różnych odmian urządzenia. Ponadto, w elementach dyskretnych nie jest możliwe wbudowanie obwodów zabezpieczających przed wyładowaniami elektrostatycznymi. To może powodować awarie urządzenia, ryzyko podniesienia wartości EFR (Early Failure Rate) lub MTBF (Mean Time Between Fails). Wreszcie, projektant musi rozważyć wszelkie kwestie operacyjne, wynikające z łańcucha dostaw potrzebnych do zapewnienia dostępności różnorodnych elementów dyskretnych, ewentualności dalszych zmian bądź ulepszeń i możliwości utrzymania ciągłej produkcji urządzenia.

    Dobieranie właściwego układu scalonego dla projektu

    Aby wybrać odpowiedni układ scalony, łączący wszystkie zalety i eliminujący wszystkie wyżej opisane problemy, poniższe warunki muszą zostać spełnione:
    *Obsługa wielu wartości napięcia zasilania przekaźnika (1,8; 3,3; 5V) z zachowaniem niskiej wartości VOL (0,4V) niezbędnej dla niskonapięciowych układów,
    * Kompatybilność z mikroprocesorem i układami logicznymi,
    * Obecność wewnętrznego zabezpieczenia indukcyjnego z możliwością eliminacji zbędnych dźwięków w czasie pracy (związanych z niskonapięciowymi przekaźnikami z cewką elektromagnetyczną),
    * Zdolność do jednoczesnego używania różnych napięć wejściowych i wyjściowych.
    * Niskie wartości prądów upływowych wejść i wyjść dla zapewnienia niskiego poboru prądu (zgodność z Energy Star / CE ERP-Lot 6)
    * Wbudowane zabezpieczenia przeciw wyładowaniom elektrostatycznym.

    Typowa implementacja dla każdego z kanałów sterownika przekaźnika została pokazana na poniższym rysunku 1.

    Rys. 1.
    Rozwiązanie problemów ze sterownikami dla przekaźników 3,3-woltowych

    Typowa aplikacja dla 3,3- oraz 1,8-woltowych przekaźników została pokazana poniżej, na rysunku 2.

    Rys. 2.
    Rozwiązanie problemów ze sterownikami dla przekaźników 3,3-woltowych

    Kiedy pojawia się potrzeba stosowania sterownika dla 3,3-woltowych przekaźników, wybrany w tym celu układ scalony powinien pozwolić również na stosowanie przekaźników 1,8-woltowych poprzez zapewnienie niższej wartości VOL, odpowiedniej dla przekaźników 3,3- oraz 1,8-woltowych. Układ scalony powinien mieć również odpowiedni interfejs logiczny, kompatybilny z większością nowych, opartych na technologii CMOS, mikrokontrolerów i procesorów. Układ powinien także cechować się wysoką wydajnością prądową, kiedy przekaźnik jest załączony i niskim prądem upływowym, kiedy przekaźnik jest wyłączony. Pozwala to zredukować pasożytnicze zużycie energii i jest w zgodzie z ogólnoświatowymi ideami ekologicznymi.

    Układ scalony o niższym poborze prądu niż podobny układ zbudowany w oparciu o elementy dyskretne, z wbudowanym tłumikiem (snubberem) RC służącym redukcji szumu indukcyjnego (jak na 1. rysunku), pozwalający jednocześnie i równolegle korzystać z różnych napięć wejść i wyjść niezbędnych w projekcie aplikacji jest najlepszym wyborem. Poza oczywistym przeznaczeniem do sterowania przekaźnikami, układ scalony powinien znajdować zastosowanie w szeroko rozumianych aplikacjach przemysłowych. Rozwiązania układowe dla silników krokowych (rysunek 3.), układów logicznych (rysunek 4) i stałoprądowego sterowania diodami LED pomagają efektywnie pod względem kosztów produkcji wytwarzać wydajne układy scalone.

    Rys. 3.
    Rozwiązanie problemów ze sterownikami dla przekaźników 3,3-woltowych

    Rys. 4.
    Rozwiązanie problemów ze sterownikami dla przekaźników 3,3-woltowych

    Układ ULN2003LV od TI jest przykładem nowej generacji sterowników przekaźników, które są przeznaczone do sterowania 3,3- i 1,8-woltowymi przekaźnikami w wielu urządzeniach.

    Podsumowanie

    Obniżanie bariery napięcia zasilania, aby osiągnąć większe prędkości przełączania i wyższą wydajność prądową jest głównym tematem dotyczącym wielu analogowych i cyfrowych rozwiązań układowych jak i finalnych aplikacji takowych. Sterowniki przekaźników starszej generacji nie są przystosowane do współpracy z przekaźnikami zasilanymi napięciem 3,3 bądź 1,8V. Bez zastosowania specjalizowanego sterownika, w urządzeniach muszą być obecne obwody sterujące przekaźnik zbudowane z elementów dyskretnych, co zwiększa koszt urządzenia, wymaga większej przestrzeni na płytce drukowanej i powiązane z tym problemy dotyczące jakości urządzenia. Zaproponowane rozwiązania bazują na uniwersalnym układzie scalonym, który niezawodnie steruje przekaźnikami niskonapięciowymi w różnych konfiguracjach zasilania i sygnałów wejściowych – jednocześnie pozwalając obniżyć koszty urządzenia, zaoszczędzić miejsce na płytce drukowanej i pozostać w zgodzie z ekologią. Aby dowiedzieć się więcej o omawianych sterownikach przekaźników, proszę odwiedzić stronę producenta.

    Źródło


    Fajne! Ranking DIY
  • CControls