Автоматические устройства для дома

March 17, 2011 by admin Комментировать »

Люди довольно давно начали создавать различные устройства, способные делать полезную работу. Сначала это были простейшие операции, выполняемые без участия человека. Известно, например, что еще в I веке до нашей эры, Герон Александрийский изготовил автомат, продававший за деньги воду из святого источника. Там монета падала на рычаг, который открывал кран в сосуде, и отмеренная доза текла в кувшин паломника. Немало было придумано устройств и для развлечения — механических игрушек, которые выполняли заданную последовательностьдвижений. Mac- терадревней Греции называли подобные устройства «автоматос», т. е. «самодвижущиеся». Корень этого слова применяется и для электронных автоматов, обладающих несравненно большими возможностями. Из всего многообразия таких устройств здесь будет идти речь только о тех, которые можно легко изготовить для дома самостоятельно. Но сначала немного теории…

Об основных принципах работы

Если познакомиться с работой разных автоматов, то можно обнаружить, что общим свойством для них является наличие одного или нескольких входов (X,, Х2, …, Xn), реагирующих на внешние воздействия, и не менее одного выхода {Vn, У2, …, Yn) — выходы управляют каким-то процессом, рис. 1.1.

В электронных автоматах информация на вход может приходить от разных датчиков, преобразующих физические процессы или события в электрический сигнал. Как оказалось, электрический сигнал (электрический ток) является довольно удобным переносчиком информации. На основании этих сигналов управляющее устройство само «решает», какой электрический сигнал «выдать» на выходы. Но при этом любоедействие соответствует заложенной в него программе, указывающей, что нужно сделать. В современных усгройствах автоматики для выполнения сложной программы часто используюг микроконтроллер (так дешевле получается), ну а для просгейших задач без него вполне можно обойтись (в этом

Рис. 1.1. Структура автоматов: а — прямого управления; б — управление с обратной связью

случае программа[I] задается аппаратно, т. е. за счет определенного соединения цепей). Сегодня автоматы стараются выполнять все более умными и для этого они оснащаются различными обратными связями, по результатам анализа которых программа в устройстве может самостоятельно выбирать наиболее оптимальную последовательность действий.

Выполняемые автоматом действия для простейших задач могут быть описаны обычными словами или показаны графически. Но при описании сложных процессов управления обычных слов уже не хватаег и туг приходит на помощь язык математики. Это целая наука, имеющая много разных направлений, а задачи у автомагов бы- ваюг самыми разнообразными, но в этой главе будет идти речь только о некоторых группах:

э контролирующие сигнализаторы, извещающие человека о состоянии объекта или об опасном отклонении процесса за допустимые границы, но при этом в сам процесс не вмешиваются;

о устройства автоматического управления, т. е. не только определяют отклонение, но и вмешиваются в процесс, останавливая или изменяя его; О устройства для автоматического управления по заданной программе. Наиболее простые автоматы выполняют последовательность действий независимо от результата (наглядным примером является любой циклический таймер). В этом случае основным входным сигналом будет время (тактовые импульсы, идущие от внутреннего автогенератора с определенным временным интервалом); о комбинированные автоматы, когда в них закладывается программа, способная в процессе своей работы реагировать на внешние изменения. Чтобы сделать электронный автомат, нужно взять нужные виды датчиков, собрать для них соответствующую схему управления и подключить к исполнительному устройству. Но только при этом все эти узлы должны быть электрически согласованы между собой (потоку, напряжению).

Теперь о том, как можно управлять различными физическими процессами при помощи электрических сигналов.

Исполнительные узлы схем

В домашних условиях исполнительными устройствами являются разнообразные потребители энергии: осветительные лампы, нагреватели, электромоторы, электромагниты, звуковые сигнализаторы и многие другие. Чаще всею они пигаются от сети 220 В (50 Гц) и для их включения могут примеияться хорошо известные схемотехнические варианты, уже описанные в книгах [1, 2 и др.], Здесь мы рассмотрим только re m них, которые обеспечивают гальваническую развязку от цепей управления. Такая развязка необходима не только в целях злекфобезопасности при эксплуа!а- ции устройства, но часто еще обеспечивает удобство согласования отдельных узлов схемы. Для управления любым устройством, которое питается непосредственно от сети, можно воспользоваться схемами на следующих элементах:

1)       электромагнитных реле — это самый древний, простой и универсальный способ, к тому же довольно дешевый. Последнее обстоятельство способствует широкому применению реле не только в бытовой, но и в промышленной аппаратуре. Для управления реле требуется от источника постоянный ток от 10 мА (у герконо- вых), до 300 мА (у силовых электромагнитных).

У реле есть множество недостатков: относительно большое время срабатывания (5…100 мс); дребезг контактов при переключении; искрение контактов на больших коммутируемых токах, из-за чего они подгорают и выходят из строя (небольшой ресурс); создают шум при переключении и ряд других, менее важных. В современной радиоаппаратуре, по возможности, стараются обходиться без них и применяют только электронные коммутаторы;

2)       импульсных трансформаторах — для передачи управляющих сигналов на силовые ключи. Самые простые из таких схем показаны на рис. 1.2 (элементы, отмеченные звездочкой *, иногда

Рис. 1.2. Схемы с трансформаторной развязкой управляющих сигналов от силовой цепи: а — для тиристоров, б — для симисторов

не используются). К сожалению, трансформаторы трудоемки в из- гоговлении и имеют большие габариты;

3)       элементарных оптопарах (транзисторные, тиристорные и симисторные) для управления силовыми тиристорами или сими- сторами, как это показано на рис. 1.3, а—д. В качестве нагрузки везде показана лампа EL1, хотя вместо нее может быть включена обмотка нагревателя, электромотора или трансформатора. Благодаря малому току управления (5…15 мА — ток может быть импульсным), высокой надежности и небольшой цене эти схемы очень широко применяются в радиоаппаратуре;

Для ускорения переключения силового ключа иногда применяют RC-цепочку, показанную на схемах пунктиром, но даже без нее быстродействие у таких электронных коммутаторов значительно выше, чем у реле (составляет около 0,5 мс). При срабатывании они не искрят, не создают акустического шума и стойко выдерживают кратковременные стократные перегрузки по току, которые часто возникают при коммутации реактивной нагрузки (электромоторов, трансформаторов).

Некоторые оптопары имеют внутри «нуль-орган» — специальную схему, которая обеспечивает срабатывание коммутатора только сразу после момента перехода сетевого напряжения через ноль (см. справочный раздел), что уменьшает коммутационные помехи.

4)       силовых оптотиристорах и симметричных оптотриаках (называемых еще оптосимисторами). В них оптопара установлена внутри корпуса силового элемента. Эти компоненты обладают теми же достоинствами, что и обычные тиристоры и симисторы — их можно использовать для коммутации любой нагрузки, на переменном токе, рис. 1.4, но таким узлам для работы требуется от схемы управления большего тока (до 100…150 мА — ток может быть импульсным);

5)       твердотельных реле — их изготавливают на основе мощных полевых транзисторов или симисторов. По своим возможностям приближаются к обычным реле (специально предназначены для их замены, с чем и связано распространение такого названия), только они гораздо надежнее и меньше по габаритам, обладают большим быстродействием, чем все виды других электронных коммутаторов, и требуют небольшого тока управления (1…25 мА). Большинство таких компонентов могут работать не только на переменном токе, но и на постоянном.

Рис. 1.3. Схемы на основе оптопар для управления сетевой

нагрузкой

Рис. 1.4. Схемы коммутаторов нагрузки на основе оптотиристоров (а) и оптосимисторов (б)

На рынке представлен большой ассортимент твердотельных реле отечественного и импортного производства с разной внутренней структурой, рассчитанных на разные токи. На рис. 1.5 показана упрощенная внутренняя структура и пример схемы включения нагрузки на переменном и постоянном токе только для некоторых из них.

Рис. 1.5. Схемы коммутаторов на основе твердотельного оптоэлектронного реле: а — для переменного тока; б — для постоянного тока

Многие из приведенных вариантов вы встретите далее в конструкциях этой книги. Что лучше использовать в схеме в качестве коммутатора — зависит ог требуемого быстродействия системы. При медленных процессах во многих случаях подойдут электромеханические реле. Если нужна большая скорость, а габариты большой роли не играют — используюгтрансформаторы. Там, где необходимо не только быстродействие, но и повышенная надежность, применяют оптоэлектронные коммутаторы на соответствующий номиналь- ныйток. Компоненты оптоэлектроники достаточно подробно описаны в справочном разделе книги, и, воспользовавшись этой информацией, вы легко найдете подходящий.

Источник: Радиолюбителям: полезные схемы. Книга 6. — M / СОЛОН-Пресс, 2005. 240 с.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты