TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU Tietotekniikan koulutusohjelma Sulautetut järjestelmät Tutkintotyö Markku Autio MIKROKONTROLLERIOHJATTU VIRTALÄHDE Työn ohjaaja Työn teettäjä Tampere 008 yliopettaja Matti Ilmonen Tampereen ammattikorkeakoulu
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU Tietotekniikka Sulautetut järjestelmät Markku Autio Mikrokontrolleriohjattu virtalähde Tutkintotyö 7 sivua + liitesivua Työnohjaaja yliopettaja Matti Ilmonen Työnteettäjä Kesäkuu 6.0.008 Hakusanat mikrokontrolleri, regulaattori, virtalähde TIIVISTELMÄ Tutkintotyön aiheena oli mikrokontrolleriohjattu virtalähde. Tavoitteena oli suunnitella ja valmistaa virtalähde, josta saadaan ulos 5 8 V ja 0 A. Tarkoituksena oli tehdä virtalähde, jota voidaan käyttää koekytkentöjen jännitteen syöttöön. Laitteeseen suunniteltiin ohjauskortti, joka optisesti erotetun ohjausväylän ja A/Dmuuntajan avulla pystyy ohjaamaan analogista regulaattorikorttia. Optisen erotuksen ansiosta regulaattorikortille ei heijastu mikrokontrollerin aiheuttamia häiriöitä. Ohjauskorttiin asennettiin LCD-näyttö ja kaksi pulssianturia, joiden avulla ulostulojännitettä ja virranrajoituksen suuruutta säädetään. Regulaattoriksi löytyi ominaisuuksiltaan hyvä L00-regulaattori, jonka jänniteulostulo ja virranrajoitus ovat vastuksilla säädettävissä. Regulaattorin virran kasvattamiseksi asennettiin rinnalle tehotransistori, jonka läpi osa virrasta kulkee.
TAMPERE UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Information technology Embedded systems Autio, Markku Microcontroller controlled power supply Thesis 7 pages + appendixes Thesis Supervisor Principal Lecturer Matti Ilmonen Commissioning Company Tampereen ammattikorkeakoulu May 6.0.008 Keywords microcontroller, regulator, power supply ABSTRACT Topic of this thesis is microcontroller controlled power supply. A goal was to design and manufacture a power source that s output is 5 8 V and 0 A. The purpose of this power supply is to be source of a circuit model. Controller card was designed for this device and it controls regulator card with optically separated bus and monitors it with ADC s. When the bus is optically separated, the microcontroller s unwanted signals can t disturb the regulator. A LCDdisplay and two pulse sensors was installed on the controller card for adjust output voltage and current limit. L00-regulator was good choice for the regulator card because its output voltage and current limit can be set with external resistors. A power transistor was installed parallel with regulator to boost up the output current
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ (7) SISÄLLYSLUETTELO JOHDANTO... VIRTALÄHTEET.... Kaupalliset virtalähteet.... L00-regulaattori... KYTKENNÄN SUUNNITTELU...6. Ohjauskortti...6.. Käyttöjännitteiden regulointi...6.. Mikrokontrolleri...8.. Nestekidenäyttö..... Pulssianturit ja ohjauslaitteet.....5 Optoerottimet...7..6 A/D-muunnin ja ohjausväylä...8. Regulaattorikortti...9.. Muuntaja, tasasuuntaus ja jännitteen suodatus...9.. Regulaattorikytkentä ja ohjaus..... Kytkennän tilan monitorointi... YHTEENVETO...6 SÄHKÖISET LÄHTEET...7
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ (7) SANASTO A/D-muunnin D/A-muunnos H FE Atmel Dallas semiconductor Maxim-ic Optoerotin E = LED IR RISC LCD Analogia-digitaalimuunnin (engl. ADC) Digitaalisesta analogiseksi muunnos Transistorin virtavahvistuskerroin Yhdysvaltalainen puolijohdevalmistaja Yhdysvaltalainen puolijohdevalmistaja Yhdysvaltalainen puolijohdevalmistaja, omistaa nykyisin Dallas semiconductorin Kaksi eri sähköjärjestelmää optisesti erottava laite Tulos pyöristettynä E-sarjan mukaiseksi Light-Emitting Diode eli valodiodi International Rectifier, yhdysvaltalainen puolijohdevalmistaja Reduced Instruction Set Computer, suunnittelufilosofia, jossa konekielen käskyt pyritty pitämään yksinkertaisina Liquid Crystal Display eli nestekidennäyttö
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ (7) JOHDANTO Tutkintotyön aiheena on mikrokontrolleriohjattu virtalähde. Tarkoituksena oli suunnitella ja rakentaa virtalähde, jota voidaan käyttää erilaisten koekytkentöjen jännitteensyöttöön. Alla olevassa kuvassa on virtalähde esitettynä lohkokaaviokuvana. Kuva Virtalähteen lohkokaavio Kuvasta nähdään, että muuntajalta syötetään 8 V:n vaihtojännite regulaattorikortille ja ulostulojännite on säädettävissä välillä 5 8 V ja virranrajoitus välillä 0 - A. Suunnittelun ensimmäisessä vaiheessa suunniteltiin ohjauskortti, jota käytetään ulkoisen regulaattorikortin ohjaukseen. Koska ohjauskortti on digitaalinen, niin sen ohjaukset täytyy optisesti erottaa, jotta digitaaliset signaalit ja kellotus eivät aiheuttaisi häiriöitä analogiseen puoleen. Seuraavaksi suunniteltiin regulaattorikortti, jolla muuntajan antama vaihtojännite tasasuunnataan ja vakavoidaan. Regulaattorin jännitteen säätämiseen käytetty vastus toteutettiin D/A-muuntimella, jolloin ohjauskortilta tuleva dataväylä voi ohjata ulostulojännitettä. Useissa virtalähteissä virranrajoitus on toteutettu jännitettä alentamalla, joten virranrajoitus päätettiin toteuttaa ohjelmallisesti, jolloin toista D/A-muunninta ei tarvita. Sen sijaan laitteen ulostulovirtaa ja -jännitettä täytyy mitata.
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ (7) VIRTALÄHTEET Virtalähde on elektroninen laite, josta saadaan ulos halutun suuruista ja tasattua jännitettä. Useimmissa virtalähteissä on myös jännitteen ja virranrajoituksen säädöt.. Kaupalliset virtalähteet Kaupalliset virtalähteet ovat nykyisin hakkuriperiaatteella toimivia. Niiden sisääntulojännitettä katkotaan ja tällä tavalla regulaattorin sisääntulojännite pidetään alhaisena. Kaikki virta kulkee kelan läpi suotokondensaattorille ja kelan magneettikenttään varastoituneella energialla korvataan katkaistu sisääntulovirta. Hakkurivirtalähteen hyötysuhde on hyvä, mutta sen tuottamat häiriösignaalit on vaikea poistaa. Lineaarisessa virtalähteessä sisääntulojännite tasataan esimerkiksi regulaattorilla, ja sisään- ja ulostulon välinen jännite-ero jää regulaattoriin. Tämä aiheuttaa sen, että regulaattoriin jää suuri tehohäviö ja virtalähteen hyötysuhde huononee. Lineaarisen virtalähteen hyviä puolia on sen antama tasainen jännite ja yksinkertainen toteutus.. L00-regulaattori L00 on yksiosainen jänniteregulaattori, jonka jännitteen ja virranrajoituksen suuruus on säädettävissä. Alla olevassa kuvassa on yksinkertaisin L00 regulaattorin kytkentä. Kuva L00 regulaattorin kytkentä //
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 5 (7) Ulostulevan virranrajoitus on kuvan mukaan seuraavanlainen: I V 5 O( MAX ) = () R jossa V 5- = regulaattorin jalkojen 5 ja välinen jännite, joka on tyypillisesti 0,5V Ulostulojännitteensäätö tehdään vastuksien R ja R jännitejaolla kuvasta poimitun kaavan mukaan: R V = + O Vref () R jossa V ref = regulaattorin jalan jännite, joka on tyypillisesti,77 V Regulaattorin L00 jännitesäätö voidaan tehdä säätämällä vastuksen R tai R arvoa. Regulaattori pyrkii pitämään referenssijännitteen,77 V. Säätämällä vastuksen R arvoa alaspäin siinä kulkeva virta kasvaa. Sama virta kulkee myös vastuksen R kautta, jonka jännitehäviö suurenee. Tästä syystä myös ulostulon jännite kasvaa. Sama tapahtuisi myös R:sta säätämällä, kun R:n arvo on vakio. Virran rajoitus on toteutettu regulaattorin sisäisellä erovahvistimella, joka tarkkailee jalkojen ja 5 välistä jännitettä. Jos jännitehäviö näiden kahden pisteen välillä ylittää 0,5 V (vastuksen R yli oleva jännite), niin regulaattori pudottaa ulostulojännitettä niin kauan, että pisteiden välinen jännite on taas alle 0,5 V. L00 regulaattorin tärkeimmät ominaisuudet: // Säädettävä virranrajoitus A:iin asti Säädettävä ulostulojännite,85 V:sta ylöspäin Pieni virrankulutus lepotilassa (,ma)
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 6 (7) KYTKENNÄN SUUNNITTELU Laitteeseen suunniteltiin kaksi lohkoa; ohjauskortti, jolla ohjataan ja monitoroidaan regulaattorikortin toimintoja, sekä regulaattorikortti, jossa on jännitteen reguloimiseen ja säätämiseen tarvittavat kytkennät.. Ohjauskortti Ensimmäiseksi työssä suunniteltiin laitteen ohjauskortti. Ohjauskortin mikrokontrolleriksi valittiin Atmelin valmistama ATmega, jonka ympärille kytkentä suunniteltiin... Käyttöjännitteiden regulointi Ohjauskortilla tarvittavat jännitteet ovat +5 V ja + V. Jännitteiden muodostamiseen käytetään 78-sarjan regulaattoreita. L7805 reguloi +5 V:n ja L78 + V:n jännitteet. Viiden voltin käyttöjännite tarvitaan kontrollerin sekä muiden oheislaitteiden käyttöjännitteeksi ja + V:n jännite tuulettimelle. Diodi D puoliaaltotasasuuntaa 8 V:n vaihtojännitteen +5 V:n tasajännitteeksi. ~8 Vac IN CON D N007 F T 5 ma C 0u C 50n U L7805/TO0 VIN GND VOUT C u D_VCC + 5V C 50n C5 0u C6 50n U L78/TO0 VIN GND VOUT C7 u D_VCC + V C8 50n Kuva Käyttöjännitteiden regulointikytkentä
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 7 (7) Sulakkeen koko määräytyy tarvittavasta virrasta, jota kytkennän laitteet vievät seuraavasti: Tuuletin n. 00 ma LCD näyttö n. 50 ma Optoerottimet n. 00 ma Mikrokontrolleri ja muut oheislaitteet n. 50 ma Yhteensä laitteet tarvitsevat virtaa noin 00 ma, joten sulakkeeksi valittiin 5 ma:n hidas sulake. Hidas sulake tarvitaan, jotta kondensaattoreiden käynnistyksessä ottama virta ei polttaisi sitä. Kytkennän tasasuunnatun jännitteen suodattavat kondensaattorit C ja C5 mitoitettiin seuraavan kaavan avulla. C I T L = () U HUR jossa I L = kytkennästä ulos otettava maksimivirta U HUR = jännitteen maksimivaihtelu T = tasasuunnattavan jännitteen jaksonaika Kytkennästä otetaan maksimissaan 5 ma:n virta ulos ja tasasuunnattavan jännitteen jaksonaika selviää seuraavasta kaavasta. T = () f jossa f = verkkovirran taajuus Verkkovirran taajuus on 50 Hz, jolloin jaksonajaksi tulee: T = = 0 ms 50Hz Jännitteen maksimivaihtelu määräytyy regulaattorin L78 minimisisääntulojännitteestä, jolla V:n käyttöjännite säilytetään. Datalehdestä selviää, että minimijänni-
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 8 (7) te on,6 V. Muuntajalta saatava 8 V:n vaihtojännite on tasasuunnattuna 5 V, joten maksimijännitteen vaihtelu on: 5 V-.6 V = 0, V Sijoittamalla arvot kaavaan saadaan laskettua kondensaattorien arvot. 5 ma 0 ms E C = = 0,0006057 = 0 µf 0, V Kondensaattorit C, C, C, C6, C7 ja C8 poistavat häiriöitä ja tasaavat jännitettä entisestään. Niiden arvoja ei erikseen mitoiteta. Kondensaattoreiden C, C, C5 ja C6 jännitteen keston tulee olla vähintään 5 V, joten niiden jännitteen kestoksi valittiin 5 V. Kondensaattoreille C, C, C7 ja C8 jännitteen kestoksi riittää 6 V... Mikrokontrolleri Laitteen tarvitsema mikrokontrolleri määräytyi vaadittavien toimintojen mukaan. Seuraavassa on listaus vaadituista ominaisuuksista: LCD näytön ohjaus, vaatii kahdeksan I/O porttia Vähintään kolme A/D-muunninta 0 optoerotettua ohjausporttia Sisääntulot pulssiantureille, vaatii neljä I/O porttia Sopiva mikrokontrolleri löytyi Atmelin valmistamista 8-bittisistä RISCmikrokontrollereista. ATmega-mikrokontrollerin keskeisimmät ominaisuudet ovat seuraavat: // kt:n Flash muisti 0-6 MHz:n kellotaajuus (myös mahdollisuus käyttää sisäistä oskillaattoria) 9 keskeytystä, ulkoista käyttöjännite,5-5,5 V I/O porttia -kanavainen pulssinleveysmodulaattori 0-bittinen 8-kanavainen A/D-muunnin
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 9 (7) Kytkennässä päätettiin käyttää ulkoista oskillaattoria, koska sisäisen kellotuksen käyttö olisi pitänyt aktivoida ohjelmallisesti, mikä olisi hankaloittanut ohjelmiston suunnittelua. Kuva ATmega-mikrokontrollerin jalkajärjestys // Yllä olevasta kuvasta voidaan huomata pulssinleveysmodulaatiokanavat (OC) pinneissä, 8, 9 ja, sekä A/D-muuntimen (ADC) pinneissä 0. Oskillaattoriksi valittiin 8 MHz:n kideoskillaattori, jonka rinnalle asennettiin mikrokontrollerin datalehden määräämät pf:n kondensaattorit.
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 0 (7) Analogisen vertailijan referenssi säädetään sääätövastuksen R9 avulla, kuten alla olevasta kuvasta voidaan nähdä. D_VCC + 5V C9 00n C0 X p 5 6 7 8 9 8 MHz PB0/(XCK/T0) PB/(T) PB/(INT/AIN0) PB/(OC0/AIN) PB/(SS) PB5/(MOSI) PB6/(MISO) PB7/(SCK) RESET XTAL VCC 0 IC ATMega-DIP0 0 PA0/(ADC0) 9 PA/(ADC) 7 PA/(ADC) 8 PA/(ADC) 6 PA/(ADC) 5 PA5/(ADC5) PA6/(ADC6) PA7/(ADC7) AREF AVCC 0 C 00n R9 0k C p 5 6 7 8 9 0 XTAL PD0/(RXD) PD/(TXD) PD/(INT0) PD/(INT) PD/(OCB) PD5/(OCA) PD6/(ICP) PD7/(OC) GND GND PC7/(TOSC) PC6/(TOSC) PC5/(TDI) PC/(TDO) PC/(TMS) PC/(TCK) PC/(SDA) PC0/(SCL) 9 8 7 6 5 Kuva 5 Mikrokontrollerin peruskytkentä Muita mikrokontrollerin peruskytkennän komponentteja ovat käyttöjännitteet sekä 00 nf:n kondensaattorit käyttöjännitteiden ja maiden välillä. Kondensaattoreiden tehtävä on poistaa häiriötä käyttöjännitteistä. A_VCC + 5 V ja ovat analogiselta laitteelta syötettyjä ja D_VCC + 5 V ja ovat mikrokontrollerin digitaalisia käyttöjännitteitä.
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ (7).. Nestekidenäyttö Virtalähteen käyttöliittymä päätettiin toteuttaa x 6 merkkisellä nestekide- eli LCD näytöllä. Kuva 6 Nestekidenäytön jalkajärjestys Näytön jalkajärjestys on seuraavan taulukon mukainen: Taulukko Nestekidenäytön jalkojen symbolit ja toiminnot Jalka/nro Symboli Toiminto Vss GND Vdd +V tai +5V Vo Kontrastin säätö RS H/L rekisterin valintasignaali 5 R/ W H/L lue/kirjoita-valinta 6 E H L Sallinta signaali 7 DB0 H/L ohjausbitti 8 DB H/L ohjausbitti 9 DB H/L ohjausbitti 0 DB H/L ohjausbitti DB H/L ohjausbitti DB5 H/L ohjausbitti DB6 H/L ohjausbitti DB7 H/L ohjausbitti 5 A/Vcc +,V taustavalolle 6 K Taustavalon maa Nestekidenäytön ohjaukseen tarvitaan vain ohjausbittejä 0 -, koska näytöltä ei lueta tietoja. Näytön kontrastin säätö tarvitsee 0 5 V:n jännitteen.
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ (7) Nestekidenäyttö kytketään mikrokontrollerin porttiin B, koska tässä portissa ei ole muissa oheislaitteissa tarvittavia ominaisuuksia. D_VCC + 5V 0k R5 CON5 TO LCD DISPLAY 5 6 7 8 9 0 5 6 NOT CONNECTED Q BC 57 R7 R R8 D_VCC + 5V FROM MOSI IN FROM MISO IN FROM SCK IN 0 k FROM PB R6 0k TO LCD BL FROM RESET IN C0 C X p p 00n IC ATMega-DIP0 0 PB0/(XCK/T0) PA0/(ADC0) 9 PB/(T) PA/(ADC) 7 PB/(INT/AIN0) PA/(ADC) 8 5 PB/(OC0/AIN) PA/(ADC) 6 6 PB/(SS) PA/(ADC) 5 7 PB5/(MOSI) PA5/(ADC5) 8 PB6/(MISO) PA6/(ADC6) PB7/(SCK) PA7/(ADC7) 5 6 7 8 9 0 D_VCC + 5V C9 PD0/(RXD) PD/(TXD) PD/(INT0) PD/(INT) PD/(OCB) PD5/(OCA) PD6/(ICP) PD7/(OC) VCC 0 9 RESET XTAL AREF 8 MHz AVCC 0 XTAL GND GND PC7/(TOSC) PC6/(TOSC) PC5/(TDI) PC/(TDO) PC/(TMS) PC/(TCK) PC/(SDA) PC0/(SCL) 9 8 7 6 5 Kuva 7 Nestekidenäytön kytkentä mikrokontrolleriin Säätövastuksella R5 säädetään näytön kontrasti. Vastuksella R6 asetetaan näyttö kirjoitustilaan, kun kontrolleria ohjelmoidaan. Mikrokontrollerin ohjelmointi tapahtuu portin B pinneistä 5 7. Näytön täytyy olla kirjoitustilassa, jotta se ei syöttäisi dataa ulos ja sotkisi ohjelmointia.
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ (7) Näytön taustavaloa ohjataan transistorilla Q. Taustavalo kuluttaa virtaa n. 0 0 ma, joten sen virtaa rajoitetaan Ω:n vastuksella. Transistorin Q tyyppi on BC57B ja sen maksimikantavirta on 00 ma, joten se kestää taustavalon kuluttaman virran helposti. Taustavalon virta lasketaan seuraavan kaavan mukaan: I BL D = Vcc _ + 5V V R7 BL V CE jossa D_Vcc +5V = +5 V:n käyttöjännite V BL = taustavalon kynnysjännite V CE = transistorin Q kollektoriemitterijännite saturaatiossa (5) Kun tähän kaavaan sijoitetaan arvot, saadaan virraksi 5 V, V 0, V I BL = = 0, 08 A Ω Kun tiedetään, että transistorin Q minimivirtavahvistus H FE on 90, niin transistorin kantavirta lasketaan seuraavan kaavan mukaan: I BL 0,08 A I B = = = 0, 0005 A (6) H 90 FE Tämän avulla saadaan laskettua transistorille kantavastuksen arvo, kaavalla: R Vcc V = I BE 8 (7) B jossa V BE = transistorin Q kantaemitterijännite Mikrokontrollerin käyttöjännitteen alaraja on,5 V, joten laskussa käytetään tätä arvoa.,5 V 0,6 V E R8 = = 0 = 0 kω 5 µa
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ (7) Taustavaloa ohjaava transistori on kytketty yhteen mikrokontrollerin pulssinleveysmodulaatiolähtöön, joten taustavalon kirkkautta voidaan säätää ohjelmallisesti. Pulssinleveyttä säätämällä säädetään transistorin johtamisaika... Pulssianturit ja ohjauslaitteet Laitteen jännitteen- ja virranrajoituksensäätöön käytetään pulssiantureita. Pulssianturissa on yksi maahan tai käyttöjännitteeseen kytkettävä jalka ja kaksi ulostuloa, joiden avulla saadaan tietää, kumpaan suuntaan ja kuinka nopeata akselia pyöritetään. Kuva 8 Pulssianturi // Pulssianturin pyörityssuunnan saa selville kokeilemalla, kumpi ulostulo antaa ensimmäisenä positiivisen pulssin. Nopeus taas saadaan selville pulssien toistonopeudesta. Mikrokontrollerin nopeus täytyy olla riittävä, jotta nopeasti pyörivän pulssianturin signaaleja ehditään tulkita. Tässä tapauksessa pulssianturi antaa 0 pulssia per kierros, joten nopeudella kierros/sekunti pulssien jaksonaika on /0 s eli 50 ms. Mikrokontrollerille ei tämä nopeus tuota ongelmia. Ongelmallista on se, että jompikumpi ulostuloista saattaa jäädä ylätilaan ja kontrolleri tulkitsee anturin pyöriväksi, mutta tämä ongelma on ohjelmallisesti ratkaistavissa.
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 5 (7) Pulssianturin ulostulot on piirretty aika-akselille alla olevassa kuvassa. Kuva 9 Pulssianturin ulostulot Pulssianturit kytkettiin portin D bitteihin 0 ja sekä ja. Muita ohjauslaitteita portissa D ovat koteloon kiinnitettävät mikrokytkin S, merkinanto LED D, Dallas semiconductorin valmistama digitaalinen lämpötila-anturi DS80 sekä tuulettimen ulostulo. Alla olevasta kuvasta selviää miten ne ovat kytketty kontrolleriin. In D_POT- Out Out R9 560 R D_VCC + 5V 5 6 7 8 9 0 PD0/(RXD) PD/(TXD) PD/(INT0) PD/(INT) PD/(OCB) PD5/(OCA) PD6/(ICP) PD7/(OC) GND GND PC7/(TOSC) PC6/(TOSC) PC5/(TDI) PC/(TDO) PC/(TMS) PC/(TCK) PC/(SDA) PC0/(SCL) 9 8 7 6 5 D_POT- R0 In Out Out 0k S 9 0 6 7 8 RED D 5 CON6 DS80 Temperature Sensor R 9k Q BC 57 R.5k NOT CONNECTED D_VCC + V Q TIPC +V 00mA OUT NOT CONNECTED Kuva 0 Ohjauslaitteiden kytkentä
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 6 (7) Kytkintä S käytetään virranrajoituksen palauttamiseen ja LED valoa virranrajoituksen ilmaisuun. LED valon kynnysjännite on noin,5 V ja sen läpi kulkee 5 ma:n virta. Näillä arvoilla saadaan laskettua tarvittava etuvastus:,5 V,5 V E R 9 = = 600 Ω = 560 Ω 5 ma Lämpötila-anturilla tarkkaillaan regulaattorikortin jäähdytyslevyn lämpötilaa, tuulettimella, joka tulee kiinni liitäntään transistorin Q alapuolella, pyritään jäähdyttämään sitä, mikäli lämpötila kasvaa liian suureksi. Tuuletin kuluttaa maksimissaan 00 ma virtaa, joten sitä ei voida ohjata suoraan kontrollerin ulostulolla, vaan se täytyy puskuroida transistoreilla. Ohjaavaksi transistoriksi valittiin suuritehoinen TIP C. Transistorin virtavahvistuskerroin on kuitenkin niin pieni, että sitä ohjaamaan laitettiin BC 57 -transistori. Transistorista Q kollektorivirta on maksimissaan 00 ma ja sen virtavahvistuskerroin on minimissään 5. Transistorin kantavirta lasketaan kaavan mukaan, mutta tässä tapauksessa virran I BL tilalla on kollektorivirta I C. 0,00 A I B _ Q = = 0, 006666 5 A Transistorin Q vaatima kantavastus lasketaan seuraavalla kaavalla: R = jossa D _ VCC D VCC V + V V I B _ Q BE _ Q V CE _ Q _ + = + V käyttöjännite V BE _ Q = transistorin Q kantaemitterijännite V CE _ Q = transistorin Q kollektoriemitterijännite saturaatiossa (8)
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 7 (7) Kun kaavaan sijoitetaan arvot, niin kantavastukseksi saadaan V 0,6 V 0, V E R = = 695 Ω =,5 kω 6,666 ma Transistorin Q kollektorivirta saadaan laskettua kaavaa 6 soveltamalla: I V 0,6 V 0, V =,5 kω C _ Q = 0,0075 A Transistorin Q virtavahvistus on 90, joten sen kantavirta on kaavan mukaan: 0,0075 A I B _ Q = = 0,000087 A 90 Kantavastus saadaan laskettua kaavalla 5:,5 V 0,6 V E R = = 659 Ω = 9 kω 8,7 µa..5 Optoerottimet Regulaattorikortin ohjaamiseen varattiin mikrokontrollerin portti C ja portin A pinnit 6 ja 7. Jos digitaalisella mikrokontrollerilla halutaan ohjata analogista laitetta, niin häiriöiden välttämiseksi analoginen ja digitaalinen käyttöjännite täytyy erottaa toisistaan. Tähän tarkoitukseen käytettiin optisesti analogisen ja digitaalisen sähköjärjestelmän erottavaa optoerotinta. Optoerottimen sisääntulossa on valodiodi ja ulostulossa fototransistori. Mikrokontrollerilla syötetään valodiodille 0 ma virta, jolloin se syttyy piirikotelon sisällä palamaan. Valo synnyttää fototransistorissa tarvittavan kanta-emitterijännitteen ja avaa transistorin. Alla olevassa kuvassa on esitetty portin C pinneihin 0 - liitetty optoerotin ILQ. Pinneissä - 7 löytyy samanlainen kytkentä. Portin A pinneissä 6 ja 7 on optoerottimena käytetty ILCT, joka on ominaisuuksiltaan samanlainen kuin ILQ, mutta siinä on vain kaksi kanavaa.
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 8 (7) RESET 5 6 7 8 9 0 XTAL XTAL PD0/(RXD) PD/(TXD) PD/(INT0) PD/(INT) PD/(OCB) PD5/(OCA) PD6/(ICP) PD7/(OC) GND GND AREF AVCC 0 PC7/(TOSC) PC6/(TOSC) PC5/(TDI) PC/(TDO) PC/(TMS) PC/(TCK) PC/(SDA) PC0/(SCL) 9 8 7 6 5 R9 C 0k 00n R0 R9 R8 R7 R6 R5 R R 70R 70R 70R 70R 70R 70R 70R 70R U ILQ TO OPTO OUT TO OPTO OUT TO OPTO OUT TO OPTO OUT R 00k R 00k R 00k R.5k D_VCC + V Q TIPC R 00k Kuva Optoerottimen kytkentä Optoerottimen valodiodien kynnysjännite on,5 V ja minimi virta 0 ma. Näiden arvojen avulla voidaan laskea tarvittavat etuvastukset:,5 V,5 V E R = = 5 Ω = 70 Ω 0,0 A Analogisella puolella olevat 0 kω vastukset luovat tarvittavan kantavirran transistorin avaamiseksi. Optoerottimen toiminta voidaan näin testata ilman regulaattorikorttia...6 A/D-muunnin ja ohjausväylä Mikrokontrollerin portissa A on 8-kanavainen 0-bittinen A/D-muunnin, josta käytetään kanavia 0-5. Portin A pinnejä 6 ja 7 käytetään analogisen kortin ohjaukseen. Tiedonvälitys ohjauskortin ja regulaattorikortin välillä tehdään 0-johtoisella lattakaapelilla. Alla olevassa kuvassa on optoerotin ILCT, portti A ja lattakaapelin kytkentä.
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 9 (7) FROM PA6/(ADC6) FROM PA7/(ADC7) 0k R5 R0 70R R 70R ANALOG BUS U5 ILCT TO PA0/(ADC0) FROM OPTO TO PA/(ADC) 5 6 FROM OPTO TO PA/(ADC) 7 8 FROM OPTO TO PA/(ADC) 9 0 FROM OPTO TO PA/(ADC) FROM OPTO5 TO PA5/(ADC5) FROM OPTO6 5 6 FROM OPTO7 7 8 FROM OPTO8 9 0 D_VCC + 5V R R C9 CON7 00k 00k 00n IC ATMega-DIP0 R6 0k 0 PB0/(XCK/T0) FROM ANALOG BUS PIN IN PA0/(ADC0) 9 PB/(T) FROM ANALOG BUS PIN 5 IN PA/(ADC) 7 PB/(INT/AIN0) FROM ANALOG BUS PIN 7 IN PA/(ADC) 8 TO LCD BL PB/(OC0/AIN) FROM ANALOG BUS PIN 9 IN 5 PA/(ADC) 6 6 PB/(SS) PA/(ADC) FROM ANALOG BUS PIN IN 5 7 PB5/(MOSI) PA5/(ADC5) FROM ANALOG BUS PIN IN 8 PB6/(MISO) PA6/(ADC6) TO OPTO 9 PB7/(SCK) PA7/(ADC7) TO OPTO 0 FROM RESET IN 9 RESET Kuva Optoerottimen ILCT ja analogisen väylän kytkennät VCC 0. Regulaattorikortti Regulaattorikortin suunnittelussa lähdettiin liikkeelle regulaattorin valinnasta, jonka ympärille yksinkertainen kytkentä suunniteltiin... Muuntaja, tasasuuntaus ja jännitteen suodatus Laitteen virransyöttöön käytetään 00 W:n muuntaja, joka antaa ulostuloihin x8vac. Tasasuunnattuna jännitteen huippuarvo on seuraavan kaavan mukainen: Uˆ = Vac (9) jossa Vac = vaihtojännitteen tehollisarvo Sijoittamalla arvot kaavaan saadaan jännitteeksi huippuarvoksi U ˆ = 8 Vac = 5,5 V Tasasuuntaussillaksi valittiin IR:n valmistama 8 ampeerin tasasuuntaussilta, tyypiltään KBPC80. Tasasuuntaussillan diodien maksimikynnysjännite on V per diodi.
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 0 (7) Regulaattorin minimijännitehäviö on V ja ulostulojännite on päätetty rajoittaa 8 V:iin. Sisääntulon minimiarvo on siis = 8 V + V = 0 V Uin min Sisääntulojännite saa pudota maksimissaan seuraavan kaavan mukaan: U = Uˆ ( Uin + ) (0) Drop min U Diode _ bridge jossa U _ = diodisillan diodien maksimijännitehäviö Diode bridge Kun arvot sijoitetaan kaavaan, saadaan maksimijännitteenalenemaksi U Drop = 5,5V (0 V + V) =,5 V Tämän avulla saadaan laskettua tarvittavan suotokondensaattorin arvo, kun kytkennästä otettava maksimivirta I L on rajoitettu ampeeriin ja jaksonaika on tällä kertaa 0 ms, koska jännite kokoaaltotasasuunnataan. A 0 ms E C = = 0,008695 F = 0000 µf,5 V Tämän kokoinen kondensaattori ottaa niin paljon virtaa käynnistyksen yhteydessä, että sulakkeet palaisivat ilman ns. pehmeää käynnistystä. Pehmeällä käynnistyksellä tarkoitetaan sitä, että alussa kondensaattorien virtaa rajoitetaan vastuksella ja kun kondensaattoreiden jännite on kasvanut tarpeeksi, eli pahin virtapiikki on ohitettu, se yhdistetään diodisiltaan. Alla olevassa kuvassa on esitetty tässä työssä käytetty ratkaisu pehmeään käynnistykseen.
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ (7) R5 0k R6 00k R7 0k TO ANALOG BUS PIN 5 RELAY NC COM NO A ANALOG BUS DN007 C7 D5 FROM INA 69 OUT 0m FROM VOLTAGE DIVIDER 5 6 7 8 B FROM FILTERING CAP. 9 0 Relay_SPDT_phy NOT CONNECTED R8 0k BC57B 5 6 Q5 TO RELAY 7 8 9 0 NOT CONNECTED CON8 D 8Vac IN - + F.5 A CON 8Vac Out BRIDGE CON Kuva Suotokondensaattorin pehmeä käynnistys Alkuvaiheessa relettä RELAY ei ohjata auki, jolloin virta kulkee vastuksen R5 kautta suotokondensaattorille C7. Kun kondensaattorin jännite on noussut tarpeeksi, niin rele kytketään päälle ja kondensaattori on siten suoraan yhteydessä diodisiltaan. Vastuksien R6 ja R7 tarkoitus on pienentää jännitettä mikrokontrollerille sopivaksi... Regulaattorikytkentä ja ohjaus Jännitteen vakavoimiseen valittiin kohdassa. esitelty L00-regulaattori. Alla olevassa kuvassa on regulaattorin ja analogisen ohjausväylän kytkentä.
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ (7) U7 L00 Q6 TIP C VIN LIMIT GND REF VOUT C8 50n C9 u R9.5R W 5 R0 0. R R.k R59 0. R C0 u C 50n Power Supply Out CON9 R 0k Q7 BC57B R 0k Q8 R5 68k Q9 R7 k Q0 R9 5k Q R5 8.k Q R5.9k Q R55.k Q R57 k ANALOG BUS 5 6 7 8 9 0 5 6 7 8 9 0 R 0k R6 0k R8 0k R50 0k R5 0k R5 0k R56 0k R58 0k CON8 NOT CONNECTED F.5 A RELAY NC COM NO Q BC57B A D DN007 B Relay _SPDT_phy R 0k FROM ANALOG BUS PIN 7 IN Kuva L00-regulaattorin kytkentä Regulaattorin maksimiulostulovirta on A, joten sitä on parannettu transistorilla Q6, joka avautuu kun vastuksen R9 yli oleva jännite on yli 0,6 V. Tämä jännite saavutetaan, kun ulostulosta otetaan 0 ma:n virta. Tästä eteenpäin virta kulkee myös transistorin Q6 kautta, joten tehohäviö jakautuu sekä transistorille että regulaattorille, jotka eivät kuumene liikaa. Regulaattorin maksimiulostulovirta on rajoitettu kaavan mukaan: I 0,5 V = 0, Ω O( MAX ) =, 5 A
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ (7) Todellisuudessa kytkennästä ei oteta näin paljon virtaa ulos, vaan ulostulovirta on rajoitettu ohjelmallisesti A mikrokontrollerilla. Kun mikrokontrolleri huomaa virtaa otettavan enemmän, niin se rupeaa säätämään regulaattorin ulostulojännitettä pienemmäksi, niin kauan kuin virta on alle A tai jännite 5 V. Regulaattorista saadaan minimissään,85 volttia ulos, mutta minimijännitekin on rajoitettu ohjelmallisesti 5 V. Jos virtaa kulkee yli A ja jännite on jo minimissään, niin rele avataan ja ulostulo menee kokonaan pois päältä. Jännitteensäätöön käytetään 8-bittistä D/A-muunnosta, jossa alemman vastuksen arvoa säädetään 0 kω:n ja 50 Ω:n välillä. Säätäminen tapahtuu valitsemalla D/A-muuntimen vastuksia R, R, R5, R7, R9, R5, R5, R55 ja R57 mukaan rinnakkaiskytkentään.. Kun kaikki kahdeksan bittiä on päällä, niin vastuksien rinnakkaisresistanssi on 50 Ω ja kun kaikki on pois päältä, rinnakkaisresistanssi on 0 kω. Vastus R luo D/A-muuntimen kanssa jännitejaon, jolloin ulostulojännite on säädettävissä kaavan mukaan 00 Ω V O _ MIN =,77 V + =, 8V 0000 Ω 00 Ω V O _ MAX =,77 V + = 0, 69 V 50 Ω Ulostulojännitteen säätöalue on mitoitettu välille,8 V 0,69 V, mutta ohjelmallisesti se on rajoitettu välille 5 V 8 V. Kondensaattorit C8 - C ovat jännitteen vakavoimiseen ja häiriönpoistoon.
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ (7).. Kytkennän tilan monitorointi Regulaattorikortilta menee analoginen väylä ohjauskortille. Väylän avulla tuodaan ohjaus releille sekä D/A-muuntimelle. Regulaattorikortilta ohjauskortille viedään jännitetasoja mikrokontrollerin A/D-muuntimelle, joka tulkitsee näiden avulla kytkennän tapahtumia. Alla olevassa kuvassa on virtalähteen ulostulon monitorointiin käytetty kytkentä. TO ANALOG BUS PIN 5 TO ANALOG BUS PIN 5 V+ Vin+ GND U8A INA69 Out Vin- R60 0k R6 0k R6 k R59 0. R C0 u C 50n Power Supply Out CON9 Kuva 5 Ulostulojännitteen ja -virran monitorointikytkentä Mikropiiri INA69 tarkkailee vastuksen R59 yli olevaa jännitettä, joka on suoraan verrannollinen ulostulovirtaan. Vastuksien R6 ja R6 jännitejaolla pienennetään ulostulojännitteen tasoa mikrokontrollerille sopivaksi. Mikrokontrollerin A/D-muuntimelle tuleva jännite kerrotaan ohjelmallisesti :llä, jotta se on verrannollinen ulostulojännitteen kanssa. A/D-muuntimelle tulevat jännitetasot, kun ulostulon säätöalue on 5 V 8 V, ovat jännitejaon mukaan seuraavat: 5 V VA / D _ MIN = kω = 0, 55V k Ω jossa V A/ D _ MIN = A/D-muuntimelle tuleva minimijännite
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 5 (7) 8 V VA / D _ MAX = kω =, 66V k Ω jossa V A/ D _ MAX = A/D-muuntimelle tuleva maksimijännite Ulostulovirran monitorointiin käytetty INA69-mikropiirin sisäinen kytkentä näyttää seuraavalta: // Kuva 6 INA69-mikropiirin sisäinen kytkentä INA69-piirin sisältämä operaatiovahvistin tarkkailee vastuksen R S jännitettä ja vahvistaa siihen syntyvän jännitehäviön kuvasta poimitun kaavan mukaan: V O I = S R S kω R L jossa V O = ulostulovirtaan verrannollinen jännitetaso I S = ulostulovirta R S = ulostulon sarjavastus R L = verrannollisenjännitetasonsäätövastus ()
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 6 (7) Ulostulovirran mittaus säädetään siten, että ulostulovirran ollessa 5A, ulostulon verrannollinen jännitetaso on 5V. Ulostulon sarjavastus on valittu 0,Ω arvoiseksi, jolloin edellistä kaavaa johtamalla saadaan laskettua verrannollisen jännitetason säätövastus: kω 5 V R L = = 0 kω 5 A 0, Ω YHTEENVETO Tutkintotyön aiheena on mikrokontrolleriohjattu virtalähde. Tarkoituksena oli suunnitella ja rakentaa virtalähde, jota voidaan käyttää erilaisten koekytkentöjen jännitteensyöttöön. Regulaattorikytkennän todettiin toimivaksi koekytkentäalustalla. Ohjauskortista tehtiin prototyyppi, joka sisälsi ATmega-mikrokontrollerin, LCD-näytön, optisesti erotettua ohjauskanavaa sekä pulssianturit. Näiden avulla ohjauskortin toiminnat voitiin testata pienemmässä mittakaavassa. Ohjauskortin mikrokontrolleriksi valittiin Atmelin valmistama ATmega ja ulkoista ohjausta varten kytkentään suunniteltiin kymmenen optisesti erotettua kanavaa. ATmega -kontrollerissa on myös 8-bittinen A/D-muunnin, joista 6 kanavaa on käytössä. Laitteen ohjaus tapahtuu LCD-näyttöä ja pulssiantureiden avulla. Ohjauskortissa on myös ulostulo tuulettimelle ja LED-valolle. Myös digitaalinen lämpömittari ja kuittauspainike suunniteltiin kytkentään. Regulaattorikortin ulostulojännite säädetään välillä,8 0,6 V. Alkuvaiheessa suunniteltu 5 8 V:n ulostulojännite rajoitetaan mikrokontrollerin ohjelmassa. Laitteeseen suunniteltu 0 A:n virranrajoitus toteutetaan myös ohjelmallisesti ulostulojännitettä säätämällä. Regulaattorikorttiin tuli myös kaksi relettä, joista ensimmäinen on ulostulon sallintaan ja toinen suotokondensaattorin pehmeään käynnistykseen.
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU TUTKINTOTYÖ 7 (7) SÄHKÖISET LÄHTEET LIITTEET // http://www.st.com/stonline/books/pdf/docs/8.pdf // http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/50s.pdf // http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ina69.pdf // http://www.elfaelektroonika.ee/cgi-bin/web_store.cgi?artnr=5-86- 0&lng=eng Liite Liite Liite Ohjauskortin jännitteiden reguloinnin kytkentäkaavio Ohjauskortin kytkentäkaavio Regulaattorikortin kytkentäkaavio
LIITE () Programming Cable In (RJ-5) 70R R 70R R 70R R NOT CONNECTED 70R R TO PB7/SCK 7 TO PB5/MOSI 8 NOT CONNECTED TO PB6/MISO TO PIN 9/RESET 6 5 U L7805/TO0 VIN VOUT Title Mikrokontrolleriohjattu v irtalähde Size Document Number Rev A Ohjauskortin jännitteiden regulointi ja ohjelmointiliitäntä.0.008 A Date: Thursday, April, 008 Sheet of GND ~8 Vac IN D N007 CON F T 5 ma C 0u C 50n U L78/TO0 VIN VOUT C u C7 u D_VCC + 5V C 50n D_VCC + V C8 50n GND C5 0u C6 50n
LIITE () TO OPTO5 OUT TO OPTO6 OUT TO OPTO7 OUT TO OPTO8 OUT CON5 9 TO PA0/(ADC0) TO PA/(ADC) TO PA/(ADC) TO PA/(ADC) TO PA/(ADC) TO PA5/(ADC5) ANALOG BUS 5 6 7 8 9 0 5 6 7 8 9 0 CON7 FROM ANALOG BUS PIN IN FROM ANALOG BUS PIN 5 IN FROM ANALOG BUS PIN 7 IN FROM ANALOG BUS PIN 9 IN FROM ANALOG BUS PIN IN FROM ANALOG BUS PIN IN TO OPTO 9 TO OPTO 0 TO OPTO OUT TO OPTO OUT TO OPTO OUT TO OPTO OUT X 8 MHz 5 6 7 8 9 0 5 6 7 8 PB0/(XCK/T0) PB/(T) PB/(INT/AIN0) PB/(OC0/AIN) PB/(SS) PB5/(MOSI) PB6/(MISO) PB7/(SCK) RESET XTAL XTAL PD0/(RXD) PD/(TXD) PD/(INT0) PD/(INT) PD/(OCB) PD5/(OCA) PD6/(ICP) PD7/(OC) IC ATMega-DIP0 PA0/(ADC0) PA/(ADC) PA/(ADC) PA/(ADC) PA/(ADC) PA5/(ADC5) PA6/(ADC6) PA7/(ADC7) 0 9 7 8 6 5 GND GND VCC 0 FROM PA6/(ADC6) FROM PA7/(ADC7) 0 5 6 5 6 7 8 9 NOT CONNECTED Q BC 57 In In D_VCC + 5V R7 R Out Out Out Out 0k R5 D_VCC + 5V FROM MOSI IN FROM MISO IN FROM SCK IN R8 0 k D_POT- D_POT- R0 70R R 70R FROM PB U5 R6 0k R9 560 R R0 0k ILCT FROM RESET IN C0 p C p D_VCC + 5V R 00k TO LCD BL R 00k D_VCC + 5V C9 00n AREF PC7/(TOSC) PC6/(TOSC) PC5/(TDI) PC/(TDO) PC/(TMS) PC/(TCK) PC/(SDA) PC0/(SCL) AVCC 0 9 8 7 6 5 R9 C 0k 00n FROM OPTO FROM OPTO FROM OPTO FROM OPTO FROM OPTO5 FROM OPTO6 FROM OPTO7 FROM OPTO8 R0 R9 R8 R7 R6 R5 R R 70R 70R 70R 70R 70R 70R 70R 70R U U ILQ ILQ R8 00k R7 00k R6 00k R5 00k R 00k R 00k R 00k 5 CON6 Q BC 57 D_VCC + V Q TIPC 6 7 8 9 0 S DS80 Temperature Sensor R 9k R.5k +V 00mA OUT Title Mikrokontrolleriohjattu v irtalähde Size Document Number Rev A Ohjauskortti 9.0.008 A Date: Tuesday, April 9, 008 Sheet of R 00k NOT CONNECTED NOT CONNECTED TO LCD DISPLAY RED D
LIITE () AC IN 0 Vac CON F FUSE F FUSE U7 L00 R60 0k R6 00k R5 0k - + D BRIDGE 5 VIN LIMIT GND REF VOUT U6 L7805 VIN VOUT 5 T Transf ormer 0Vac / x 8Vac 6 7 9 0 GND C 7u C 50n SW Power Switch C5 50n Power source / ~ Power source / ~ Power source / ~ Power source / ~ C6 7u C8 50n Q6 TIP C C9 u R9.5R W TO ANALOG BUS PIN 5 TO ANALOG BUS PIN R0 0. R R.k U8A INA69 Out R59 0. R C0 u C 50n R6 0k R6 k Vin+ Vin- GND 5 V+ Power Supply Out CON9 R7 0k TO ANALOG BUS PIN 5 RELAY NC COM NO C7 0m A B Relay _SPDT_phy BC57B Q5 DN007 D5 FROM INA 69 OUT FROM VOLTAGE DIVIDER FROM FILTERING CAP. NOT CONNECTED R8 0k TO RELAY ANALOG BUS 5 6 7 8 9 0 5 6 7 8 9 0 R 0k Q7 BC57B R 0k Q8 R5 68k R7 k Q9 Q0 R9 5k R5 8.k Q Q R R6 R8 R50 R5 0k 0k 0k 0k 0k R5.9k Q R5 0k R55.k Q R56 0k R57 k R58 0k NOT CONNECTED CON8 NOT CONNECTED 8Vac IN CON 8Vac Out CON F.5 A Q BC57B R 0k D DN007 RELAY NC COM NO A B Relay _SPDT_phy FROM ANALOG BUS PIN 7 IN Title Mikrokontrolleriohjattu v irtalähde Size Document Number Rev A Regulaattoriky tkentä 9.0.008 A Date: Tuesday, April 9, 008 Sheet of