3.5
Str¨omslingeutg˚ang
Det finns ett otal m¨ojligheter att konstruera en str¨omslinges¨andare med diskreta komponenter. Texas Instruments har sedan n˚agra ˚ar tillbaka tillverkat en s¨andare, XTR115, som inte kos- tar mer ¨an en diskret l¨osning. Kretsen har, f¨orutom en str¨omslinges¨andare, ¨aven en inbyggd sp¨anningsregulator p˚a +5V och en sp¨anningsreferens p˚a +2,5 V. Dessa tv˚a kan driva en mindre sensorkrets vilket g¨or s¨andarnoden helt fri fr˚an egen str¨omf¨ors¨orjning. I den h¨ar applikationen kommer dock inte sp¨anningsreferensen eller sp¨anningsregulatorn att anv¨andas, men kretsens pris ¨ar konkurrenskraftigt ¨aven om bara str¨omslinges¨andaren anv¨ands.
F¨or att skydda kretsen fr˚an sp¨anningsspikar och omv¨and polaritet p˚a str¨omslingan placeras en likriktarbrygga parallellt med en +39V zenerdiod p˚a str¨omslingan. XTR115 ¨ar specificerad att klara maximalt +40V p˚a str¨omslingan, zenerdioden ser till att denna specifikation uppfylls. Kretsen genererar en str¨om till str¨omslingan, IO, baserat p˚a hur stor str¨om som g˚ar in p˚a
IIN enligt IO = RVININ100 d¨ar RIN ¨ar ett motst˚and i serie med IIN. Den analoga sp¨anningen
fr˚an mikrokontrollerns D/A-omvandlare varierar mellan 0 och +3,3V, RIN v¨aljs enligt IO = VIN
RIN100 ⇒
3,3
3.6
Rel¨adrivarutg˚ang
F¨or att m¨ojligg¨ora att externa rel¨aer dras vid larmsituationer eller motsvarande finns en koppling f¨or att driva tv˚a stycken s˚adana. F¨or att p˚a ett enkelt s¨att realisera detta anv¨ands kretsen
ULN2003 som ¨ar en darlington-drivararray. Kretsens funktion ¨ar mycket enkel och kr¨aver endast
ett externt pull-down-motst˚and. En digital utg˚ang fr˚an mikrokontrollern kopplas direkt till en kanal p˚a kretsen. Vid p˚aslag kommer sedan darlingtondrivaren att dra utg˚angen ner mot jord. Eftersom rel¨aspolens andra pol ¨ar kopplad till 24V kommer denna sp¨anning d˚a att l¨agga sig ¨
over rel¨aet. I figur 3.10 visas en principskiss av denna koppling, d¨ar b˚ade transistorn och dioden ing˚ar i sj¨alva ULN2003-kapseln.
Figur 3.10: Principiellt schema ¨over en rel¨akanal.
Vissa ˚atg¨arder har ¨aven tagits f¨or att isolera rel¨aernas matningssp¨anning fr˚an det ¨ovriga kortets. Detta i form av en diod och en liten kondensator. Det visar sig dock att dessa ˚atg¨arder ej var tillr¨ackliga, vilket beskrivs n¨armare i avsnitt 5.1.1.2.
3.7
RS-485-gr¨anssnitt
Maxim IC tillverkar en krets med namn MAX3430 som ¨ar en niv˚akonverterare fr˚an TTL-niv˚a till EIA-485-niv˚a. Kretsen har seriella in- och utg˚angar och tv˚a extra ing˚angar d¨ar s¨andar- eller mottagarl¨age v¨aljs. Kretsen skiftar mellan h¨ogimpediv till 54Ω i utresistans n¨ar man ¨andrar mellan mottagare och s¨andare. MAX3430 ¨ar anpassad f¨or +3,3V-logik och kr¨aver endast en enkel +3,3V-matning. Kretsen ¨ar tolerant f¨or ± 80V p˚a RS-485-bussen och har dessutom en ESD-tolerans p˚a 15kV. Kretsen ¨ar slew rate-begr¨ansad till 250 kbps f¨or att ¨oka EMI-t˚aligheten. Dessa egenskaper g¨or kretsen till ett robust alternativ i en industriell milj¨o. Om applikationen monteras i en av de tv˚a ¨andarna p˚a RS-485-bussen finns en bygel som kopplar in ett shunt- motst˚and p˚a 120Ω f¨or att terminera bussen.
3.8
N¨atdel
Modulens n¨atdel har till uppgift att producera ett antal olika sp¨anningar men ¨aven att skydda mot yttre och inre st¨orningar. I figur 3.11 visas ett fl¨odesschema f¨or denna n¨atdel.
Figur 3.11: Fl¨odesschema f¨or n¨atdelen.
Sp¨anningarna som genereras ¨ar 3.3V (IC-kretsar), -3.3V (operationsf¨orst¨arkare) samt 24V (sensorer).
3.8.1 Ing˚angssteg
D˚a modulen har krav p˚a industriell anpassning kr¨avs ett ing˚angssteg som kan uppfylla dessa. Genom att anv¨anda en kommersiell DC/DC-modul undviks m˚anga av de problem som annars kan uppst˚a vid denna anpassning. Modulen som anv¨ands ¨ar fr˚an Traco Power och levererar 12V fr˚an en insp¨anning p˚a 18-36V. Totalt levererar modulen 10 W, vilket inneb¨ar cirka 830 mA vid 12V (P = U I). Tillverkaren garanterar att modulen uppfyller standarden ISO-55022A, utan ing˚angsfilter. Genom att applicera ett externt ing˚angsfilter uppfylls ¨aven den tuffare ISO-
55022B.
3.8.2 Switchdelar
F¨or att producera de tre sp¨anningarna (3.3V, -3.3V och 24V) fr˚an 12V, anv¨ands tre stycken switchsteg baserade kring LT1173 fr˚an Linear Technology. Kretsen ¨ar en switchad, justerbar DC/DC-omvandlare som kan kopplas i ett antal olika konfigurationer f¨or att ˚astadkomma de n¨amnda sp¨anningarna. Genom att anv¨anda samma krets, och liknande kringkomponenter, kan man spara in p˚a kostnader och f¨orenkla strukturen i n¨atdelen.
F¨or att ˚astadkomma de tre sp¨anningarna kr¨avs en step-up (Boost) f¨or 24V, en step-down (Buck) f¨or 3.3V samt en inverterande f¨or -3.3V. I figur 3.12a, 3.12b och 3.12c visas de principiella kopplingsscheman f¨or dessa konfigurationer.
Komponenterna i respektive koppling har samma uppgift och kan sammanfattas p˚a f¨oljande s¨att: Utg˚angen SW(1/2) switchar insp¨anningen genom spolen L1, vars utsp¨anning sedan likrik- tas genom dioden, D1. Resultatet ¨ar en halvv˚agslikriktad sp¨anning som sedan gl¨attas genom
C1. Denna utj¨amnade sp¨anning ˚aterkopplas sedan tillbaka in i kretsen, via R1 och R2. Denna ˚aterkopplings-loop ser till att utsp¨anningen befinner sig p˚a det v¨arde som st¨alls in med hj¨alp av de tv˚a motst˚anden, genom att reglera switchperioden. Motst˚andet Rlim best¨ammer den maxi-
mala utstr¨ommen och ser till att kretsen sl˚ar av om lasten f¨ors¨oker ¨overskrida detta v¨arde. F¨or mer exakta komponentv¨arden h¨anvisas till databladet f¨or den aktuella kretsen [17].
Samtliga kopplingar har simulerats i programmet LTSpice. Switchkopplingar har en tendens att vara brusiga p˚a grund av att deras switchfrekvens ofta propageras ut som rippel i ut- sp¨anningen. Genom att anv¨anda ett enkelt LC-filter kan detta rippel reduceras markant. Detta genom att l˚agpassfiltrera bort den brusiga delen av utsp¨anningen. I figur 3.13 visas utsp¨anningen utan, respektive med, det aktuella filtret.
Som synes i figuren (3.13) har ripplet ett topp-till-topp-v¨arde p˚a cirka 50 mV utan filtret. Med filtret ˚astadkoms ist¨allet ett rippel p˚a cirka 2 mV. Det ¨ar av stor vikt att minimera detta
(a) Kopplingsschema f¨or 3.3V-delen.
(b) Kopplingsschema f¨or -3.3V-delen. (c) Kopplingsschema f¨or 24V-delen.
Figur 3.12: Kopplingsschema f¨or de tre switchstegen.
rippel eftersom dessa sp¨anningar kommer mata k¨ansliga sensorer och ing˚angssteg.
LC-filtret har, till skillnad fr˚an ett RC-filter, till f¨ordel att ingen n¨amnv¨ard effekt f¨orbrukas i sj¨alva filtret. I figur 3.14 visas detta filter.
Dess brytfrekvens best¨ams enligt
fc =
1 2π√L1C1
(3.11)