VIDI Project X #69:
Primjena Vidi X mikroračunala za upravljanje trošilima napajanih gradskom mrežom

Raznim poluvodičkim komponentama i sklopovima moguće je vršiti finu regulaciju napona za trošila napajana iz gradske mreže


Mikroračunala mogu obavljati vrlo složene softverske zadatke, mogu primati informacije putem senzora, ali isto tako mogu komunicirati sa stvarnim svijetom i uz pomoć izvršnih članova vršiti fizičku interakciju. Softverske zadatke rješava procesor i njegov kapacitet određuje brzinu izvođenja pojedinih operacija, ali i njihov mogući broj. Arhitektura procesora definira karakteristike procesora koje su konstantne, i tu se ne može više postići, možda overclock koji je riskantan. Različite vrste senzora komuniciraju s procesorom pomoću raznih komunikacijskih kanala (SPI, I2C, itd.), a oni određuju maksimalan broj članova u grani i maksimalnu brzinu prijenosa informacija između senzora i procesora. Izvršni članovi čine elemente koji vrše interakciju računalnog svijeta sa stvarnim. Pod izvršne članove (aktuatore) ubrajaju se: koračni motori, pojačala snage, pneumatski motori, hidraulični motori, regulacijski ventili itd. Mikroprocesori u današnje vrijeme rade na poprilično malim naponskim razinama (uobičajeno 3 ili 5 V) pa kontrola izvršnih članova napajanih s gradske mreže (230 V) može predstavljati problem. Impulsi koje generira mikroprocesor nisu dovoljno snažni za upravljanje ikakvim elementima osim malih elektroničkih komponenti poput tranzistora. Korištenjem tranzistora može se izraditi tranzistorska sklopka pomoću koje će se upravljati s relejem, no ovaj način pruža samo mogućnost uključivanja/isključivanja trošila. Raznim poluvodičkim komponentama i sklopovima moguće je vršiti finu regulaciju napona za trošila napajana iz gradske mreže. Ovaj način je puno kompliciraniji od prvog i potrebno je bogato znanje iz raznih područja elektrotehnike da bi se složio sustav regulacije i upravljanje trošilom.

 

 

Tranzistorska sklopka:

Tranzistori su aktivni poluvodički elementi s tri elektrode, a dijele se na bipolarne i unipolarne. Kod FPGA pločica i mikroračunala najčešće se koriste bipolarni tranzistori koji mogu biti PNP i NPN tipa. Elektrode ovih tranzistora su emiter, baza i kolektor. Teorija rada tranzistora na poluvodičkoj razini neće se iznositi zbog njezine kompleksnosti. Tranzistor možemo zamisliti kao ventil koji provodi struju od emitera prema kolektoru u slučaju PNP, a od kolektora prema emiteru u slučaju NPN, dok je na bazu doveden određeni napon koji će uzrokovati protjecanje struje baze. Tako mali naponski impuls kojeg daje mikroprocesor može zatvoriti strujni krug veće naponske razine. Na primjer, s impulsom od 3 V može se zatvoriti krug u kojem je trošilo (relej) spojeno na napajanje od 5 ili čak 12 V. Tranzistor će voditi dok je god na bazu tranzistora dovedena visoka razina napona, a u trenutku prelaska s visoke na nisku naponsku razinu na bazi, tranzistor ne provodi, tj. između emitera i kolektora ne teče struja. Važno je napomenuti da je tranzistor komponenta koja struju provodi samo u jednom smjeru, i po tome se NPN i PNP razlikuju. U sustavima je moguće koristiti oba tipa, ali ako u postojećem sustavu zamijenimo tip, tranzistor trebamo spojiti reverzno.

 

Shematski prikaz tranzistorske sklopke i releja za upotrebu s Vidi X pločicom

 

Primjer tranzistorske sklopke za VIDI X.

Kako je Vidi X baziran na ESP32 mikrokontroleru, visoke razine digitalnih izlaza daju impuls od 3 V. U pomoć takvog naponskog impulsa potrebno je, koristeći tranzistorsku sklopku i relej, uključiti trošilo napajano gradskom mrežom (svjetlo nazivnog napona 230 V). Impuls kojeg generira mikrokontroler ne može dati struju veće jakosti od 40 mA u trenutku (peak), stoga je razumno za očekivati da će biti potrebne i neke dodatne komponente pomoću kojih bi taj maleni impuls iskoristili za uključivanje većeg trošila. Primjer tipičnog tranzistora korištenog kod Arduino projekata je 2N2222. Tranzistor je bipolarni NPN tipa, a može raditi kao pojačalo male snage ili kao sklopka. Radi pri velikim brzinama, a dizajniran je za srednje struje, srednje napone i male snage. Maksimalna struja kolektora iznosi 800 mA, a tranzistor dolazi u raznim pakiranjima poput TO-92, SOT-23 i SOT-223. U ovom se slučaju koristi TO-92 pakiranje, što je standardno pakiranje za male tranzistore. Da bismo ograničili struju baze tranzistora, trebamo dodati otpor, uzevši u obzir da je digitalni impuls iznosa 3 V, dok adekvatni otpor za bazu iznosi 680 Ω. Za napajanje releja potrebno je koristiti eksterno napajanje koje može biti ispravljač ili baterija jer mikroprocesor ne može isporučiti dovoljno električne energije nužne za pokretanje releja (potrebno je 70 mA po releju). Zbog primjene tranzistorske sklopke, napajanje releja ne ovisi o veličini naponskog impulsa mikrokontrolera, a zbog lakšeg odabira napajanja, korišteni su releji nazivnog napona 5 V (napajanje Vidi X pločice je baterijsko ili putem USB-a). Obavezno treba staviti diodu spojenu u paralelu sa zavojnicom releja, i to zaporno polariziranu da bi blokirala utjecaj napona induciranog u zavojnici. Poluvodički elementi su vrlo osjetljivi na takve stvari jer bi struja potekla u suprotnom smjeru od predviđenog za NPN tranzistor.

 

VIDI X smo preko dvokanalne ploče s relejima spojili na trošilo

 

Opto-izolator:

Tranzistori nisu jedine elektroničke komponente koje mogu raditi kao sklopke; osim njih postoje i opto-izolatori, komponente koje vrše zadaću sklopke kao i tranzistor, ali uz to nude i galvansko odvajanje. To znači da su dva strujna kruga fizički nepovezana i zato je moguće zaštiti ulazni i izlazni strujni krug od međusobnih utjecaja. Unutar kućišta opto-izolatora nalaze se LED-ica i fototranzistor. Uključivanjem LED-ice emitira se svjetlost koja je usmjerena prema fototranzistoru. Fototranzistor reagira na svjetlost i uključuje ili isključuje strujni krug kao i u prethodnom slučaju, samo što na ovaj način nemamo nikakav pobudni signal na bazi, a ovaj tip tranzistora sadrži dvije elektrode izvedene na kućištu. Osim fototranzistora, moguće je upotrijebiti i fotodiodu ili fotootpornik, ali je njihovo vrijeme reakcije nešto veće, stoga je fototranzistor bolja opcija. Priključi li se na ulaz prevelik napon s obzirom na nazivni, opto-izolator će biti uništen, ali neće uništiti mikrokontroler! Također vrijedi i u suprotnom smjeru. Takav tip elemenata koristi se u industrijskim računalima, takozvanim PLC-ima (programmable logic controllers).
Gotove ploče s relejima kakve je moguće uobičajeno vidjeti kod Arduino projekata koriste opto-izolatore kao komponente za uključivanje/ isključivanje releja.

 

Shema opto-izolatora: na slici je jasno vidljivo da su ulazni i izlazni strujni krug galvanski odvojeni, to jest fizički nisu spojeni. Logičko stanje prenosi se svjetlosnim putem između dvaju krugova. Ova komponenta funkcionira samo u jednom smjeru

 

Ploča s relejima (Arduino):

Iako nigdje nije striktno naglašeno da je takav tip ploče napravljen za Arduino, najviše se koriste s njim. Prednost takvih ploča je njihovo jednostavno korištenje jer nema nikakvog lemljenja, samo je potrebno jumper žicama povezati s Arduinom. No, kod složenijih ili personaliziranih projekata, potrebno je raditi individualni uređaj za koji možda neće trebati tako veliki broj releja ili je pak ograničenih dimenzija. Tada su najbolje rješenje eksperimentalne pločice ili tiskane pločice, što znači da je potrebno izraditi tranzistorske sklopke kako je već navedeno u prethodnim točkama. Takve pločice namijenjene su za rad s 5 V eksternim napajanjem (nazivni napon releja) i digitalnim impulsima od 5 V koje daje mikrokontroler. Vidi X može isporučiti samo 3.3 V te korištenje takvih ploča izravno nije moguće. Jedna od opcija je zamjena otpornika na tiskanoj pločici koji „jede“ višak napona na ulazu u opto-izolator. Ovaj način je efikasan, ali može biti pravi izazov za nešto manje vješte majstore jer je u pitanju otpornik površinske SMD montaže. Za takvu zamjenu potrebna je fina lemilica male snage s vrlo tankim vrhom, pinceta i, naravno, mirna ruka. Odgovarajući otpornik takvog pakiranja teže će se pronaći na nekim otpadnim tiskanim pločicama, stoga je potrebno takav kupiti u specijaliziranoj trgovini. Druga opcija je upotreba logic level convertera. Kao što mu ime i govori, ovaj sklop konvertira logičke (naponske) razine u jednom ili oba smjera (ovisno o tipu). U ovom slučaju to će biti 3.3 V i 5 V, oba smjera. Sklop je moguće nabaviti za nekoliko kuna i koristiti u mnogo slučajeva s Vidi X pločicom, pogotovo pri korištenju senzora namijenjenih Arduinu.

 

Dvokanalna ploča s relejima

 

Pretvarač logičkih razina

Kao što je već napomenuto, mnoštvo sklopova i senzora nije prilagođeno radu s mikrokontrolerima s naponskim razinama različitim od 5 V. Zato se koristi takozvani pretvarač logičkih razina (logic level converter) kako bismo informacije prebacili s 5 V na 3.3 V ili obratno. Tako ćemo pružiti mogućnost rada s većim spektrom dodataka za našu Vidi X pločicu. Pretvarač sadrži nekoliko kanala, a najčešće su u pitanju četiri. Pinout je vrlo jasan jer se sa svake strane pločice nalazi šest priključnih mjesta: četiri su rezervirana za podatke (HV za 5 V razinu i LV za 3.3 V razinu, s pripadnim brojevima od 1 do 4), jedno mjesto je rezervirano za GND, a jedno za napajanje (LV za 3.3 V razinu i HV za 5 V razinu).

 

Pretvarač logičkih razina proizveden u e-radionici

 

Osnovnu verziju koda pronađite na https://github.com/VidiLAB-com/Vidi-X/tree/master/ploca_s_relejima

PRIJTELJI PROJEKTA

bez kojih sve ovo ne bi bilo moguće.

SVA PRAVA PRIDRŽANA - VIDI TO 2020.

Niti jedan dio ovog web site-a ne smije se u bilo kojem obliku ili radi bilo koje namjene reproducirati bez prethodne pismene suglasnosti izdavača, Svi tekstovi objavljeni na www.vidi-x.com pripremljeni su s osobitom pažnjom i kontrolirani na više razina. Redakcija www.vidi-x.com međutim, ni u kojem slučaju ne može odgovarati za moguće štete bilo kakve vrste nastale na osnovu savjeta, tekstova, slika ili drugog redakcijskog ili oglašivačkog materijala objavljenog na www.vidi-x.com ili na drugi način datog od strane zaposlenika ili suradnika izdavača.