роботы
робототехника
микроконтроллеры
Главная
Как сделать робота
Новости
Спорт
Статьи
Wiki
Форум
Downloads
Ссылки
Контакты  

О питании. Часть вторая.

Цикл статей состоит из трёх частей:

О питании. Часть первая.
Источники питания. Внутренее сопротивление источника тока. Электронный стабилизатор.
О питании. Часть вторая.
Помехи в схемах. Помехи по цепям питания. Раздельное питание и гальваническая развязка.
О питании. Часть третья.
О батарейках и аккумуляторах. Пути снижения токопотребления.
Данный цикл статей является попыткой в очень сжатом виде представить различные темы и вопросы о питании электроники. Статья представляет собой не инструкцию, а , скорее, приблизительное руководство с учётом личного мнения и опыта автора.

Помехи в схемах.

В процессе нормальной работы электронного устройства могут появляться помехи в схеме.

Помеха - это всплеск тока или напряжения в схеме, приводящий к неверной работе устройства.

Помехи могут не только препятствовать нормальной работе устройства, но и привести к его полному выходу из строя.


Рис. 1. Помехи в полезном сигнале.

Увидеть помехи можно на экране осциллографа, включив его в исследуемую часть схемы (Рис. 1). Длительность помех может быть как очень маленькой (единицы наносекунд, так называемые "иголки"), так и очень большой (несколько секунд). Форма и полярность помех тоже бывает разная.
Распространение (прохождение) помех происходит не только по проводным соединениям схемы, но иногда даже и между частями схемы, не соединёнными проводкниами. Кроме того помехи могут накладываясь, суммироваться друг с другом. Так, единичная слабая помеха может не вызвать сбоя в схеме устройства, но одновременное скопление нескольких слабых случайных помех приводит к неверной работе устройства. Этот факт во много раз усложняют поиск и устранение помех, так как они принимают ещё более случайный харрактер.

Источники помех можно грубо разделить:

  • Внешний источник помех. Находящийся рядом с устройством источник сильного электромагнитного или электростатического поля может привести к сбоям в электронном устройстве. Например разряд молнии, релейная коммутация больших токов или работа электросварки.
  • Внутненний источник помех. Например, при включении/выключении нагрузки с реактивным собпротивлением (электромотора или электромагнита) в устройстве, может происходить сбой в работе остальной части схемы. Неверный алгоритм программы тоже может быть источником внутренних помех.

Для защиты от внешних помех конструкцию или отдельные её части помещают в металлический или электромагнитный экран, а так же применяют схемные решения с меньшей чувствительностью к внешним помехам. От внутренних помех помогает применение фильтров, оптимизация алгоритма работы, изменение построения всей схемы и расположения её частей относительно друг друга.
Очень элегантным считается не безразборное подавление всех помех, а сознательное направление их в те места схемы, где они затухнут, не причинив вреда. В ряде случаев такой путь намного проще, компактнее и дешевле.

Оценка вероятности появления помех в схемах и пути их предотвращения - задача не простая, требующая теоретических знаний и практического опыта. Но тем не менее с твёрдостью можно сказать, что вероятность появления помехи возрастает:

  • с увеличением коммутируемого тока или напряжения в цепи,
  • с увеличением чувствительности частей схемы,
  • с увеличением быстродействия применённых деталей.

Что бы не переделывать готовую конструкцию из за частых сбоев, лучше уже на стадии проектирования схемы ознакомиться с возможными источниками и путями распространения помех. Так как около половины всех проялвений помех связаны с "плохим" питанием, то начинать проектировать устройство лучше всего с выбора способа питания его частей.

Помехи по цепям питания.

На рисунке 2 представлена типичная блок-схема некоего электронного устройства, которое состоит из источника питания, схемы управления, драйвера и исполнительного устройства.
По такой схеме построены большинство простейших роботов из серии "Шаг за Шагом" на этом сайте.


Рис. 2. Совместное питание управляющей и силовой части.


В таких схемах можно условно выделить две части: управляющую и силовую. Управляющая часть потребляет относительно мало тока и содержит какие-либо контролирующие или вычислительные схемы. Силовая часть потребляет значительно больше тока и в неё входит улилитель и оконечная нагрузка.
Рассмотрим каждую часть схемы подробнее.


Рис. 2 a.

Источник питания (Рис. 2 a.) может представлять собой "батарейки" или сетевой трансформаторный блок питания. В источник питания так же может входить стабилизатор напряжения и небольшой фильтр.


Рис. 2 б.

Схема управления - это часть схемы (Рис. 2 б.), где просиходит обработка какой либо информации в соответствии с работой алгоритма. Сюда же могут поступать сигналы с внешних источников, например, с каких либо сенсоров. Сама схема управления может быть собрана с применением микроконтроллеров или других микросхем, или же на дисретных элементах.

Линии связи просто соединяют схему управления с драйвером исполнительным устройством, то есть это просто проводки или дорожки печатной платы.


Рис. 2 в.

Исполнительное устройство (Рис. 2 в.) часто представляет собой механизм, который преобразует электрический сигнал в механическую работу, например электромотор или электромагнит. То есть исполнительное устройство преобразовывает электрический ток в другой вид энергии и обычно потребляет относительно большой ток.


Рис. 2 г.

Так как сигнал от схемы управления очень слабый, поэтому драйвер или усилитель (Рис. 2 г.) является неотъемлемой частью многих схем. Драйвер может быть выполненн, например, на одном лишь транзисторе или специальной микросхеме, в зависимости от типа исполнительного устройства.


Как правило, основным источником сильных помех является исполнительное устройство. Появившаяся тут помеха, пройдя через драйвер, распространяется и дальше по шине питания (Помеха на Рис. 2 показана схематично оранжевой стрелкой). А так как схема управления запитана от того же источника питания, то велика вероятность воздействия этой помехи и на неё. То есть, например, помеха, появившись в моторе, пройдёт через драйвер и может привести к сбою в схеме управления.
В простых схемах бывает достаточно поставить параллельно с источником питания конденсатор большой ёмкости около 1000 мкФ и керамический 0,1 мкФ. Они будут выполнять роль простейшего фильтра. В схемах с токами потребления около 1 ампера и более для защиты от сильных помех сложной формы придётся ставить громоздкий, сложный фильтр, но и это не всегда помогает.
Во многих схемах наиболее простым способом избавиться от воздействия помех помогает применение отдельных источников питания для управляющей и силовой части схемы, то есть применение так называемого раздельного питания.
Хотя раздельное питание применяют не только для борьбы с помехами.

Раздельное питание.

Питание одной или нескольких частей электросхемы от отдельных источников питания называют раздельными питанием.

На Рис. 3 приведена блок-схема некоего устройства. В этой схеме используется два источника питания. Силовая часть схемы запитана от источника питания 1, а схема управления - от источника питания 2. Оба источника питания соединены одним из полюсов, этот провод является общим для всей схемы и относительно него передаются сигналы по линии связи.


Рис. 3. Раздельное питание управляющей и силовой части.


На первый взгляд такая схема с двумя источниками питания выглядит громоздкой и сложной. На самом деле подобные схемы с раздельным питанием используются, например, в 95% всей бытовой аппаратуры. Раздельные источники питания там представляют собой лишь разные обмотки трансформаторов с разным напряжением и током. Это ещё одно достоинство схем с раздельным питанием: в одном устройстве можно использовать несколько блоков с различным напряжением питания. Например, для контроллера использовать 5 вольт, а для мотора - 10-15 вольт.
Если приглядеться к схеме на Рис. 3, то видно, что помеха из силовой части не имеет возможности попасть в управляющую часть по линии питания. Следовательно, полностью отпадает и необходимость её подавлять или фильтровать.


Рис. 4. Раздельное питание со стабилизатором.

В передвижных конструкциях, например, мобильных роботах, из-за габаритов не всегда удобно использовать два блока батареек. Поэтому раздельное питание можно построить с применением одного блока батареек. Схема управления при этом будет питаться от основного источника питания через стабилизатор с маломощным фильтром, Рис. 4. В этой схеме нужно учесть падение напряжения на стабилизаторе выбранного типа. Обычно применяется блок батарей с более высоким напряжением, чем необходимое для схемы управления напряжение. Работоспособность схемы в таком случае сохраняется и при частичном разряде батарей.


Рис. 5. L293 при раздельном питании.

Многие микросхемы-драйверы сразу специально расчитаны на использование в схемах с раздельным питанием. Например, широко известная микросхема драйвера L293 (Рис. 5) имеет вывод Vss - для питания схемы управления (Logic Supply Voltage) и вывод Vs - для питания оконечных каскадов силового драйвера (Supply Voltage или Output Supply Voltage).
Во всех конструкциях роботов с микроконтроллером или логической микросхемой из серии "Шаг за Шагом" можно включить L293 схемой с раздельным питанием. При этом напряжение питания силовой части (напряжение для моторов) может быть в пределах от 4,5 до 36 вольт, а напряжение на Vss можно подать то же, что и для питания микроконтроллера или логической микросхемы (обычно 5 вольт).

Если питание управляющей части (микроконтроллера или логической микросхемы) происходит через стабилизатор, а питание силовой части берётся напрямую от блока батареек, то это позволяет значительно сэкономить потери энергии. Так как стабилизатор будет питать только схему управления, а не всю конструкцию. Это - ещё одно достоинство раздельного питания: экономия энергии.

Если взглянуть ещё раз на схему рисунка 3, то можно заметить, что кроме общего провода (GND) силовую часть со схемой управления соединяют ещё и линии связи. По этим проводам в некоторых случаях тоже могут проходить помехи из силовой части внутрь схемы управления. Кроме того эти линии связи часто сильно подвержены электромагнитным воздействиям ("наводкам"). Избавиться раз и на всегда от этих вредных явлений можно, применив так называемую гальваническую развязку.
Хотя гальваническую развязку применяют тоже не только для борьбы с помехами.

Гальваническая развязка.

Передачу сигнала между двумя точками электросхемы без электрического контакта называют гальванической развязкой.

На первый взгляд такое определение может показаться невероятным!
Как можно передать сигнал без электрического контакта?
На самом деле есть даже два способа, которые это позволяют.


Рис. 6.

Оптический способ передачи сигнала построен на явлении фоточувствительности полупроводников. Для этого применяется пара из светодиода и фоточувствительного прибора (фототранзистор, фотодиод), рис 6.


Рис. 7.

Пара светодиод-фотоприёмник изолированно рас- положены в одном корпусе напротив друг друга. Такая деталь так и называется оптопара (зарубежное название optocopler), рис 7.
Если через светодиод оптопары пропустить ток, то сопротивление встроенного фотоприёмника будет изменяться. Так происходит безконтактная передача сигнала, так как светодиод полностью изолированн от фотоприёмника.
На каждую линию передачи сигнала требуется отдельная оптопара. Частота передаваемого оптическим способом сигнала может лежать в пределах от нуля до нескольких десятков-сотен килогерц.


Рис. 8.

Индуктивный способ передачи сигнала основывается на явлении электромагнитной индукции в трансформаторе. При изменении тока в одной из обмоток трансформатора происходит изменение тока в другой его обмотке. Таким образом сигнал передаётся из первой обмотки во вторую (рис. 8). Такую связь между обмотками ещё называют трансформатороной, а трансформатор для гальваноразвязки иногда именуют разделительный трансформатор.


Рис. 9.

Конструктивно трансформаторы обычно выполненны на кольцевом ферритовом сердечнике, а обмотки содержат несколько десятков витков провода (рис. 9). Не смотря на кажущуюся сложность такого трансформатора, его можно изготовить самостоятельно за несколько минут. Так же продаются и готовые малогабаритные трансформаторы для гальванической развязки.
На каждую линию передачи сигнала требуется отдельный такой трансформатор. Частота передаваемого сигнала может лежать в пределах от нескольких десятков герц до сотен-тысяч мегагерц.

В зависимости от типа передаваемого сигнала и требований к схеме можно выбрать либо трансформаторную, либо оптическую гальваноразвязку. В схемах с гальванической развязкой с обоих сторон для согласования (связывания, сопряжения) с остальной схемой часто ставят специальные преобразователи.

Расмотрим теперь блок-схему с использованием гальванической развязки между управляющей и силовой частью на рисунке 10.


Рис. 10. Раздельное питание и гальваническая развязка канала связи.


По этой схеме видно, что любые помехи из силовой части не имеют никакой возможности проникнуть в управляющую часть, так как электрического контакта между частями схемы не существует.
Отсутствие электрического контакта между частями схемы в случае с гальваноразвязкой позволяет безопасно управлять исполнительными механизмами с высоковольтным питанием. Например, какой нибудь пульт управления с питанием от нескольких вольт может быть гальванически разделён от фазового напряжения сети в несколько сотен вольт, что повышает безопасность для обслуживающего персонала. Это является важным достоинством схем с гальваноразвязкой.

Схемы управления с гальваноразвязкой практически всегда можно встретить в ответственных устройствах, а так же в испульсных блоках питания. Оссобенно там, где присутствует хоть малейшая вероятность появления помех. Но даже в любительских устройствах гальваническая развязка находит применение. Так как небольшое усложнение схемы гальваноразвязкой приносит полную уверенность в бесперебойной работе устройства.

Напоследок ещё раз приведём достоинства и недостатки схем с раздельным питанием и гальванической развязкой:

Раздельное питание

  • - немного усложняет схему
  • + значительно увеличивает помехозащищённость
  • + позволяет применять части схем с разным напряжением питания
  • + экономит энергию

Гальваническая развязка

  • - немного усложненяет схему
  • + значительно увеличивает помехозащищённость
  • + позволяет применять части схем с разным напряжением питания
  • + повышает безопасность работы


Смелых и Удачных Экспериментов!!!


Цикл статей состоит из трёх частей:

О питании. Часть первая.
Источники питания. Внутренее сопротивление источника тока. Электронный стабилизатор.
О питании. Часть вторая.
Помехи в схемах. Помехи по цепям питания. Раздельное питание и гальваническая развязка.
О питании. Часть третья.
О батарейках и аккумуляторах. Пути снижения токопотребления.

Дополнения и файлы:

Автор: nest

Размещение этой статьи на других сайтах как полностью, так и частично разрешено только после согласования с администрацией myROBOT.RU

Мой робот Wiki

Открытое информационное пространство по робототехнике, электронике, программированию микроконтроллеров, в рамках которого любой участник может добавлять или редактировать материалы сайта.

  1. Проекты
  2. Статьи
  3. Библиотека кодов
  4. Компоненты
  5. Эксперименты
  6. Советы и хитрости