Endüstriyel Kontrol Kartı Tasarımı(1)
Endüstriyel Kontrol Kartı Tasarımı (1):
Kullanılacak Devre Elemanlarını Tanıma....
1. Optik İzolatorler
TLP 521 Opto izolatör veya optokuplör kelime anlamı olarak optik kuplaj anlamına geliyor. Kuplaj ifadesi de bir sistem içindeki iki katın birbirinden ayrılması ama aralarındaki sinyal iletişiminin devam etmesi olayı olarak açıklanmaktadır. Ayrılma fiziksel olarak gerçekleşir ama iletişim manyetik veya optik olarak devam eder. Transformatör hakkındaki bilgilerimizden, transformatörlerin yalnızca bir voltaj düşürme veya voltaj yükseltme için kullanılmadıklarını, aynı zamanda birincil taraftaki yüksek voltaj ile ikincil taraftaki düşük voltaj arasında "elektriksel yalıtım" sağladıklarını biliyoruz.
2. Uygulamada ise sıfır geçiş dedektörü (Zero Cross Detector) harici bir devre ile yapılarak şebeke alternansının sıfır geçiş anını mikrodenetleyicinin takip etmesi sağlanır ve mikrodenetleyici yaptığı matematiksel hesaplamalarla güç, voltaj kontrolü yapabilir.
Sıfır geçiş detektör devresi darbe çıkışı 0⁰, 180⁰ ve 360⁰'de yükselen oluyor. veya her 180⁰ den sonra diyebiliriz
Yukardaki diyagramdan anlaşılacağı üzere Triak ın, Sıfır geçiş palsi geldikten sonra ne kadar süre sonra tetikleneceğini hesaplayarak yük üzerindeki voltajı kontrol edebiliriz.
<TimerOne.h> Kütüphanesini buradan indirebilirsiniz...
Başka bir deyişle, transformatörler, elektromanyetik bağlantı kullanarak birincil giriş voltajını ikincil çıkış voltajından izole eder ve bütünleşik demir çekirdeklerinde dolaşan manyetik akı kullanılarak izolasyon elde edilir.
Optocoupler adı verilen çok yaygın ve değerli bir elektronik bileşen kullanarak, bir giriş kaynağı ile bir çıkış yükü arasında sadece ışık kullanarak elektriksel izolasyon sağlayabiliriz.
Opto-izolatör olarak da bilinen bir optokuplörün temel tasarımı, kızılötesi ışık üreten bir LED ve yayılan kızılötesi ışını algılamak için kullanılan yarı iletken ışığa duyarlı bir birleşenden oluşur. Hem LED hem de ışığa duyarlı bileşen, gösterildiği gibi elektrik bağlantıları için hafif sıkı bir gövde veya metal ayaklı plastik kılıf içine yerleştirilmiştir.
Bir optokuplör veya opto-izolatör, bir ışık yayıcı, LED ve ışığa duyarlı bir alıcıdan oluşur; bu, tek bir foto-diyot, foto-transistör, foto-direnç, foto-SCR veya temel işlem ile bir foto-TRIAC olabilir.
Fototransistörlü Optokuplör:
Gösterildiği gibi bir foto-transistör varsayarsak. Kaynak sinyalinden gelen akım, yoğunluğu elektrik sinyaliyle orantılı olan bir kızıl ötesi ışık yayan giriş LED'inden geçer.
Yayılan bu ışık, foto-transistörün base eklemine düşer ve normal bir bipolar transistöre benzer şekilde açılmasına ve iletime geçmesine neden olur.
Foto transistörün base bağlantısı, LED'lerin kızıl ötesi ışık enerjisine maksimum düzeyde maruz kalacak şekilde açık bırakılabilir (bağlantısız) veya anahtarlama hassasiyetini kontrol etmek için uygun bir harici yüksek değerli direnç aracılığıyla toprağa bağlanarak daha kararlı ve yanlışlara karşı dirençli hale getirilebilir. harici elektriksel gürültü veya geçici voltajlarla tetiklemenin önüne geçilmiş olur.
LED'den geçen akım kesildiğinde, kızıl ötesi yayılan ışık kesilerek foto-transistörün iletimi durdurmasına sebep olur. Foto-transistör, çıkış devresindeki akımı değiştirmek için kullanılabilir. LED'in ve ışığa duyarlı cihazın spektral tepkisi, cam, plastik veya hava gibi şeffaf olmaya bir plastikle ayrıldığı için fototransistor başka bir ışık kaynağından etkilenmez. Bir optokuplörün girişi ve çıkışı arasında doğrudan bir elektrik bağlantısı olmadığından, 10 kV'a kadar elektriksel izolasyon elde edilir.
Optokuplörler, her biri bir kızılötesi LED kaynağına sahiptir ancak farklı ışığa duyarlı yarı iletkenlere sahip dört genel tipide mevcuttur. Dört optocoupler, aşağıda gösterildiği gibi Photo-transistor, Photo-darlington, Photo-SCR ve Photo-triac olarak adlandırılır.
Optocoupler Uygulamaları:
Optokuplörler ve opto-izolatörler kendi başlarına kullanılabilir veya daha düşük bir voltaj kontrol sinyali arasında gerekli elektriksel izolasyonu sağlayan transistörler ve triyaklar gibi bir dizi diğer büyük elektronik cihazları çalıştırmak için kullanılabilir, örneğin bir Arduino veya mikrodenetleyici yardımıyla çok daha yüksek voltajlı bir yükü veya şebeke akımı kontrol etmek için kullanılabilir.
Optokuplörler için yaygın uygulamalar arasında mikroişlemci giriş / çıkış anahtarlama, DC ve AC güç kontrolü, PC iletişimleri, sinyal izolasyonu ve toprak kaçak akım döngülerinin mikrodenetleyicilerin çalışmalarını olumsuz etkilemelerini önleyecek uygulamalar sayılabilir... Donma kilitlenme reset atma gibi sorunların çözümünde kullanılabilirler.
Aşağıdaki uygulamada, optokuplör, anahtarın veya başka tipte dijital giriş sinyalinin varlığını algılamak için kullanılır. Bu, uygulamada anahtar veya sinyal elektriksel olarak gürültülü bir ortamda bulunuyor veya parazitsel etkiler var ise Optokuplörler oldukça kullanışlıdır. Çıkış, harici bir devreyi, ışığı , bir PC'ye veya mikroişlemciye giriş sinyali iletiminde kullanılabilir.
Yukardaki örnekte, harici olarak bağlanmış 270 kΩ direnç, foto-transistörlerin temel çalışma bölgesinin hassasiyetini kontrol etmek için kullanılır. Direncin değeri, seçilen foto-kuplör cihazına ve gerekli anahtarlama hassasiyeti miktarına uyacak şekilde seçilebilir. Kapasitör, opto-transistör base inin yanlış tetiklenerek istenmeyen ani yükselmeleri veya geçici olayları durdurur. (4N25 ve 6N136 Tipi için geçerlidir)
DC sinyallerini ve verilerini okumanın yanı sıra, AC güçle çalışan ekipmanın ve lambalarının kontrol edilmesini sağlayan Opto-triak izolatörler de mevcuttur. MOC 3020 gibi opto-kuplajlı triyaklar, yaklaşık 400 voltluk voltaj değerlerine sahiptirler ve bu da onları doğrudan şebeke bağlantısı ve yaklaşık 100mA maksimum akım için ideal kılar. Daha yüksek güçlü yükler için, opto-triak, gösterildiği gibi bir akım sınırlayıcı direnç aracılığıyla başka bir büyük triyak için tetikleme darbesi sağlamak için kullanılabilir.
Bu tip optokuplör konfigürasyonu, lambalar ve motorlar gibi herhangi bir AC şebekeden güç alan yükü kontrol etmek için kullanılabilen çok basit Solid State Röle (SSR) uygulamasının temelini oluşturur. Ayrıca bir tristörden (SCR) farklı olarak, bir triyak, endüktif yükleri değiştirirken yükün ağır ani akımlar olmadan tam güç almasına olanak tanıyan sıfır geçiş algılama ile şebeke AC alternansının her iki yarısında da iletkenlik yapabilir.
Optokuplörler ve Opto-izolatörler, güç transistörleri ve triyaklar gibi cihazların bir bilgisayarın çıkış portundan, dijital anahtarından veya lojik seviye gibi düşük voltajlı bir veri sinyalinden kontrol edilmesini sağlayan harika elektronik cihazlardır. Opto-kuplörlerin temel avantajı, giriş ve çıkış terminalleri arasındaki yüksek elektriksel izolasyonlarıdır ve nispeten küçük dijital sinyallerin çok büyük AC voltajlarını, akımlarını ve gücü kontrol etmesine izin verir.
Bir optokuplör, bir SCR (tristör) veya triyak kullanan optokuplörlerle hem DC hem de AC sinyalleri ile kullanılabilir, çünkü foto-algılama cihazı öncelikle AC güç kontrol uygulamaları için tasarlanmıştır. Foto-SCR'lerin ve foto-triyakların temel avantajı, AC güç kaynağı hattında bulunan herhangi bir gürültü veya voltaj yükselmesinden tam izolasyonun yanı sıra, kullanılan herhangi bir güç yarı iletkenini koruyan anahtarlama ve ani akımları azaltan sinüzoidal dalga formunun sıfır geçiş noktasının tespitidir. Yarı iletken şebeke alternansının sıfır geçiş noktasında iletime sokularak termal stres ve akım şoklarından korur.
Aşağıda 2 adet sıfır geçiş dedektörü (Zero Cross Detector) uygulaması verilmiştir.
1. Uygulamada Opto-triak kendi bünyesinde sıfır geçiş dedektörünü barındırır ve şebekenin sıfır geçiş noktasında tetikleme yaparak yarı iletkeni termal stres ve akım şoklarından korur. Bu tip tasarımlar sadece aç ve kapatma işlemlerinde kullanılır. Güç kontrolü ve dimmer uygulamalarında kullanılmaz.
2. Uygulamada ise sıfır geçiş dedektörü (Zero Cross Detector) harici bir devre ile yapılarak şebeke alternansının sıfır geçiş anını mikrodenetleyicinin takip etmesi sağlanır ve mikrodenetleyici yaptığı matematiksel hesaplamalarla güç, voltaj kontrolü yapabilir.
Sıfır geçiş detektör devresi darbe çıkışı 0⁰, 180⁰ ve 360⁰'de yükselen oluyor. veya her 180⁰ den sonra diyebiliriz
Ülkemizde şebeke frekansımız 50 hertz'dir. Bu şu anlama gelir: 1 saniye (T) içerisinde elektrik 50 saykıl oluşturur. 100 adet de şebeke alternansı oluşturur. 50 Adet Pozitif ,50 Adet Negatif alternas oluşur. Bir saniye (T) de 50 saykıl oluşuyorsa 1 saykıl 1/50 saniye yani 0,02 saniyede oluşur.
Kod:
/* AC DIMMER */
#include <TimerOne.h>
volatile int i=0;
volatile boolean zero_cross=0;
int AC_pin = 9; // Output to Opto Triac
int dim = 0;
int inc=1;
int freqStep = 75;
// 50 Hz için
// Voltaj kaynağınızın frekansına (50Hz) göre hesaplanır,
// ve istediğimiz parlaklık adımlarının sayısı.
// Döngü başına 2 sıfır geçiş noktası olduğuna dikkat edin. Bunun anlamı
// 50Hz şebeke için 100 adet sıfır geçişi olur.
// FreqStep'i hesaplamak için, saykılın bir tam yarım dalgasının uzunluğunu // bölmek gerekir.
// parlaklık seviyesinin sayısına göre adet (mikrosaniye cinsinden). // Bu şekilde hesaplanır
// (100Hz=10000uS) / 128 = 75uS/step parlaklık seviye adedi 128 //(Step)
void setup() {
pinMode(AC_pin, OUTPUT);
attachInterrupt(0, zero_cross_detect, RISING);
Timer1.initialize(freqStep);
Timer1.attachInterrupt(dim_check, freqStep);
// Burada oluşturduğumuz kesme mikrosaniye mertebesindedir...
}
void zero_cross_detect() {
zero_cross = true;
i=0;
digitalWrite(AC_pin, LOW);
}
void dim_check() {
if(zero_cross == true) {
if(i>=dim) {
digitalWrite(AC_pin, HIGH);
i=0;
zero_cross = false;
}
else {
i++; //
}
}
}
void loop() {
dim+=inc;
if((dim>=128) || (dim<=0))
inc*=-1;
delay(60);
} Triak, her sıfır geçiş noktasından sonra hesaplanan mikrosaniye boyunca sürekli olarak iletimde tutuluyor . Arduino'daki dijital pinin 2. pini, burada triakın iletime geçme anını kontrol etmek için kullanılan bir kesme pimidir. Triakın iletime geçme ve iletimde kalma, süreleri sinüs dalga biçiminin bir kısmının kenarını keserek bir yük üzerindeki voltajı kontrol edebiliriz.
Not - Bu devre 220v A.C. kullanır, bu yüzden çok tehlikelidir. Test ederken çok dikkatli olunuz. AC yüksek voltaj bir güç kaynağıyla daha önce çalışmanız ve tecrübeniz yoksa , kendiniz devreyi çalıştırmayın çünkü ölüme ve ciddi yaralanmalara sebep olabilir.
Referanslar:
Yorumlar
Yorum Gönder