Trådlöst elektriskt lås

Examensarbete vid Elektro- och datoringenjörsprogrammet vt 2007

Trådlöst elektriskt lås

Wireless Electric Lock

Fakulteten för teknik- och naturvetenskap

Examensarbete

Elektro- och datoringenjörsprogrammet

Trådlöst elektriskt lås

Wireless Electric Lock

Ulrika Ahlquist

Handledare:

Niclas Gustafsson Electec System AB Peter Röjder Karlstads universitet vt 2007

Detta examensarbete omfattar 10 poäng och ingår i elektro- och datoringenjörsprogrammet, 120 poäng, vid Karlstads universitet.

This 10 point Degree Project is part of the 3 year, 120 point Electronic Engineering course at Karlstad University, Sweden.

Trådlöst elektriskt lås

Wireless Electric Lock

Ulrika Ahlquist

Examensarbete

Degree Project

Elektro- och datoringenjörsprogrammet

vt 2007

Handledare: Niclas Gustafsson, Electec System AB Peter Röjder, Karlstads universitet

Denna rapport är skriven som en del av det arbete som krävs för att erhålla Elektro-och datoringenjörsexamen/Teknologie kandidatexamen. Allt material i denna rapport som inte är mitt eget, har blivit tydligt identifierat och inget material är inkluderat som tidigare använts för erhållande av annan examen.

Ulrika Ahlquist

---

Rapporten godkänd,

Datum Handledare: Peter Röjder

Sammanfattning

Syftet med examensarbetet är att göra en trådlös version av det elektriska lås som tillverkas av Electec System AB.

För att göra ett trådlöst elektriskt lås måste ett batteri monteras i låset. Batteriet måste hållas uppladdat hela tiden för att kunna driva motorn och ge strömförsörjning till elektroniken i låset. Alla signaler mellan låset och styrenheten ska dessutom överföras trådlöst istället för med kabel. Signalerna måste kodas innan sändning så att ingen obehörig kan läsa signalen och sedan öppna dörren.

Det svåraste i ett trådlöst elektriskt lås är att överföra effekt från dörrkarmen till låset eftersom utrymmet är begränsat och avståndet mellan låsblecket i karmen och låset i dörren kan uppgå till 10 mm. För att överföra effekt från dörrkarmen till låset

konstruerades en transformator. Förlusterna i transformatorn ökar kraftigt då luftgapet ökas.

Det visar sig att motor och övriga kretsar kan drivas med ett avstånd mellan kärnorna på upp till 7 mm. Luftgapet kan sannolikt ökas när andra transformatorkärnor används. Dessa fanns dock inte tillgängliga under examensarbetets gång på grund av lång leveranstid. I jämförelse med överföring av effekt är problemet att koda och överföra signaler mellan styrenheten och låset enklare och kan lösas med hjälp av färdiga kretsar.

Abstract

The purpose of this work was to design a wireless version of the electric lock that is manufactured by Electec System AB.

To make a wireless version of the lock requires that a battery is mounted in the lock. The battery must be kept charged at all times to provide current to the motor and the electronics. All signals between the lock and the control unit must be transmitted using short range radio instead of by wire. The signals must be coded before transmission to prevent unauthorized access to the lock.

The most difficult part in designing the electric lock is to transmit power from the door frame because of the small space available and because the distance between the lock and the door frame can be up to 10 mm. A transformer was designed to make it possible to transmit power from the door frame to the lock. The losses in the

transformer increases drastically when the air gap increases. This report shows that the motor and the electronics can be supplied using this method with an air gap of up to 7 mm. It may be possible to increase this distance if other cores are used. However, these cores were not available during the time frame of this work.

In comparison with the problem of transmitting power, the problem of coding and transmitting signals between the control unit and the lock is simple. It can be solved using off-the-shelf components.

Förord

Jag vill tacka Niclas Gustafsson på Electec för all hjälp och stöd under mitt

examensarbete. Per Sand på Varta Microbattery Nordic har varit till stor hjälp med fakta om batterier och förtjänar ett varmt tack för detta och för proverna jag fick. Jag vill också tacka Marlene Norlund Idenäs på Arrow Components för proverna på ferritkärnor. Jag vill även rikta ett stort tack till Peter Röjder som varit min handledare på institutionen och alla andra som hjälpt mig med mitt examensarbete.

Ulrika Ahlquist

1. INLEDNING 1 2. FÖRUTSÄTTNINGAR 1 2.1. Kraftdel - Strömförsörjning 2 2.2. Signaldel 2 3. UTFÖRANDE – KRAFTDELEN 4 3.1. Transformator 5 3.2. Komponenter i switchkretsen 12 3.3. Primärsidan i låsblecket 14

3.4. Simulering – kraftdelens primärsida 16

3.5. Sekundärsidan i låset 17

3.6. Spänningsreglering 18

3.7. Batteri 18

4. UTFÖRANDE – SIGNALDELEN 20

4.1. Kodning och överföring av signaler 20

4.2. Antenn 24 5. PROTOTYPER 26 6. MÄTNINGAR 30 6.1. Utrustning 30 6.2. Induktansmätning 30 6.3. Mätning på sekundärspänningen 31 6.4. Signaldelen 32 7. RESULTAT 33 7.1. Kraftdelen 33 7.2. Signaldelen 33 8. SLUTSATS 34

Bilaga 1: Kopplingsschema och komponentförteckning Bilaga 2: Olika typer av ferritkärnor

1.

Inledning

Syftet med examensarbetet är att göra en trådlös version av det elektriska lås som tillverkas av Electec System AB.

Den enskilda firman Electec Niclas Gustafsson grundades som ett källarföretag 1989 i Åmål av Niclas Gustafsson. 1998 grundades Electec System AB.

Företaget har idag 8 anställda och omsätter drygt 13 miljoner kronor. Electec utvecklar och tillverkar sina egna produkter. Företagets största produkter är styrelektronik till bland annat pelletsbrännare, pelletsförråd och skridskoslipsystem, samt elektriska lås.

Matningsspänningen och styrsignalerna i Electecs elektriska lås överförs idag med kablar. Kablarna dras från dörrkarmen via en karmöverföring till dörren och sedan genom ett hål i dörren till låset. Ett trådlöst elektriskt lås kräver att ett batteri monteras i låset. Alla signaler mellan låset och styrenheten ska dessutom överföras trådlöst istället för med kabel. Ett trådlöst elektriskt lås är mycket lättare att installera och att utöka med till exempel datorövervakning och datorstyrning än ett elektriskt lås där signalerna skickas i kablar.

2.

Förutsättningar

Arbetet innebär att modifiera ett befintligt elektriskt lås. Den befintliga styrenheten ska modifieras och en spänningskälla ska användas.

2.1. Kraftdel - Strömförsörjning

Batteriet i låset måste hållas uppladdat hela tiden för att kunna driva motorn och ge strömförsörjning till elektroniken som finns i låset.

Utrymmet i låset är mycket begränsat och avståndet från låsblecket i dörrkarmen till låset i dörren kan uppgå till 10 mm.

Tillgänglig spänning till låsblecket är mellan 12 V och 24 V likspänning Motorn ska drivas med 5 V matningsspänning.

2.2. Signaldel

Fem signaler ska överföras i det trådlösa elektriska låset. Signalerna sänds mellan låset i dörren och styrenheten vid dörrkarmen.

Signalerna från låset till styrenheten är:

• Dörren är stängd

• Dörren är öppen

• Låskolven är inne

• Låskolven är ute

Signalen från styrenheten till låset är:

• Lås upp dörren.

Eftersom signaler ska sändas och tas emot både av låset och av styrenheten behövs en sändare och en mottagare i både låset och styrenheten. Signalerna överförs under maximalt 30 sekunder [13] för att energiförbrukningen ska vara så låg som möjligt. Därför måste varje tillståndsförändring skickas från låset till styrenheten och sparas. Alla signaler måste kodas innan sändning för att ingen obehörig ska kunna läsa signalen och sedan öppna dörren.

Figur 2: Blockscheman för den del av låset som monteras i dörren

3.

Utförande – Kraftdelen

För att överföra energi från dörrkarmen till låset utvecklades en transformator. Primärlindningen är placerad i låsblecket och sekundärlindningen i låset. Båda lindningarna är monterade på varsin kärna. Primärsidan matas från en befintlig spänningskälla, se Figur 4.

Figur 4: Blockschema över kraftdelen med transformator

Förlusterna i en spole består av magnetiska förluster i kärnan och förluster i tråden.

De magnetiska förlusterna kan delas upp i tre delar:

• Hysteresförluster som är beroende av flödestätheten

• Virvelströmsförluster som är frekvensberoende

• Restförluster som är konstanta

De magnetiska förlusterna är försumbara i min applikation eftersom flödestätheten och frekvensen är låga.

Trådförlusterna kan också delas upp i tre delar:

• Resistiv förlust som beror på resistansen i tråden

• Virvelströmsförlust som är frekvensberoende

• Dielektriska förluster i trådens isolering

Vid låga frekvenser, under 50 kHz, kan de två sistnämnda förlusterna i tråden försummas jämfört med den resistiva förlusten. Det innebär i min applikation att värmeutvecklingen i primärspolen nästan endast beror på de resistiva förlusterna i tråden.

Effektutveckling i primärspolen kan alltså beräknas enligt

2 I R

P= ⋅ (1)

3.1. Transformator

Förlusterna i transformatorn är mycket stora eftersom avståndet mellan de två kärnorna kan vara upp till 10 mm. Luftgapet i den slutna magnetiska kretsen med E-kärnor, se Figur 6, blir då 20 mm. Transformatorn måste switchas med 20 kHz eller mer så att switchningen inte hörs. Virvelströmsförlusterna minimeras genom att en ferritkärna används istället för en kärna av vanlig transformatorplåt.

Ferrit är ett sintrat keramiskt material som består av järnoxid och en

metallblandning. Fördelen med ferritkärnor är att de har hög permeabilitet, µr

låga förluster och hög frekvenstålighet. Nackdelen är att de har låg

mättnadsflödestäthet, Bs, se Figur 9. Flödet minskar med ett luftgap i kretsen.

Därför är den låga mättnadsflödestätheten inget problem i min applikation eftersom luftgapet är mycket stort.

För att överföra så mycket som möjligt av det magnetiska flödet från

primärspolen till sekundärspolen används ferritkärnor av E-typ eller liknande. Av utrymmesskäl kan kärnan inte vara större än E 25 [1], se Figur 5, eller EFD 25 [2], se Figur 7.

Figur 5: Ferritkärna E 25/13/7 [1]

Figur 7: Ferritkärna EFD 25/13/9 [2]

Figur 8: Kärna av EFD-typ

Enligt Figur 5 är mittbenets tvärsnittsarean lika stort som summan av de båda sidobenen. Detta innebär att reluktansen i luftgapen är lika stora i mittbenet som totalt i de två sidobenen för E 25/13/7.

Reluktansen, Rm beräknas enligt

A l Rm ⋅ =

µ

(2)

där l är magnetfältets medelväg, µ är permeabiliteten och A är magnetfältets tvärsnittsarean.

När luftgapet är stort är reluktansen i kärnan försumbar jämfört med reluktansen i luftgapet.

Figur 9: Hystereskurva

Hystereskurvan i Figur 9 visar ett materials flödestäthet, B i förhållande till fältstyrkan, H. När flödestätheten når Bs är materialet mättat och flödestätheten

kan inte ökas mer även om fältstyrkan ökas.

Den magnetiska fältstyrkan, H beräknas enligt

e

I I N

H = ⋅ (3)

där N är varvtalet, I är strömmen och Ie är den effektiva magnetiska

spårlängden som anges i datablad för kärnan.

Flödestätheten, B beräknas enligt

e r r I I N H B=µ₀ ⋅µ ⋅ =µ₀ ⋅µ ⋅ ⋅ eller e A B= Φ (4)

där µ0 (4π⋅10−7H /m) är permeabiliteten i vakuum, µr är materialets relativa

permeabilitet, Ф är flödet och Ae den effektiva magnetiska arean.

I en sluten magnetisk krets kallas µr för initiell permeabilitet, µi och i en

magnetisk krets med ett luftgap kallas den för effektiv permeabilitet, µe.

Br Bs Bs Br +Hc -Hc

Förhållandet mellan µe och µi beskrivs med formeln: i e i e I G

_µ

µ

µ

⋅ + = 1 (5)

där G är luftgapet och Ie är den effektiva magnetiska spårlängden.

Kärnan får inte mättas, se Figur 9. En mättad kärna har permeabiliteten

µr = 1 och därigenom samma induktans som en luftlindad spole. Dessutom blir

förlusterna stora vilket resulterar i värme.

Den effektiva permeabiliteten för E 25/13/7 N87 [1] utan luftgap är 1620. Med 20 mm luftgap sjunker den till 2.9 enligt:

9 . 2 1620 10 5 . 57 10 10 2 1 1620 1 3 3 = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + = ⋅ + = − − i e i e I G

µ

µ

µ

(6)

Beräkning av flödestätheten i ferritkärna E 25/13/7 N87 [1] med 10 mm avstånd mellan kärnorna och en spole med 55 varv:

T 001 . 0 10 5 . 57 23 . 0 55 9 . 2 10 4 7 ₃ 0 = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ =

_µ

_µ

_π

− ₋ e e I I N B (7)

Mättnadsflödestätheten för ferritkärnor av N87 material [5] är 0.39 T. Med 20 mm luftgap är marginalen till mättnad mycket stor (7).

För att beräkningar på kärnor ska bli enklare uppges i databladen de effektiva magnetiska dimensionerna effektiv spårlängd, Ie, effektiv area, Ae, och effektiv

Induktansen med små luftgap beräknas enligt: e e e A I N L / 0 2 Σ ⋅ ⋅ =

µ

µ

(8)

där kvoten ΣIe/Ae kallas för kärnfaktor och uppges i datablad. Ekvation (8) är

en god approximation då luftgapet är litet, vid stora luftgap är induktansberäkningen mycket mer komplicerad.

För att kunna ta ut mer effekt ur sekundärspolen måste flödet ökas, se ekvation (4). Detta kan åstadkommas genom att:

• Strömmen i primärspolen ökas

Värmeutvecklingen ökar med strömmen i kvadrat, se ekvation (1). Maximala strömmen i primärspolen bestäms därför av den högsta tillåta temperaturen i spolen.

• Primärspolens lindningsvarvtal ökas

En ökning av lindningsvarvtalet kan åstadkommas genom att tråddiametern minskas men det innebär också att resistansen och induktansen i primärspolen ökar och därmed sjunker strömmen i spolen.

• Ferritkärnans kärnfaktor ökas

Om ferritkärnans kärnfaktor ökas kan lindningsvarvtalet öka utan att induktansen ökar. Strömmen ändras minimalt vid höga frekvenser när induktansen är oförändrad, se ekvation (9).

• Den effektiva permeabiliteten i kärnan ökas

Eftersom luftgapet är så stort ökas den effektiva permeabiliteten bara

Strömmen i en spole beräknas enligt:         − ⋅ = −R⋅t L e R U t i( ) 1 (9)

där U är spänningen, R är spolens resistans och L spolens induktans.

Spolens resistans beräknas enligt:

A l

R=ρ⋅ (10)

där ρ är resistiviteten (1.723 · 10-8 Ωm för koppar), l är längden på tråden och A är trådens genomskärningsarea.

Resistansen i mina primärspolar är lägre än 1 Ω då ferritkärna E 25/13/7 används, se Tabell 1.

Tabell 1: Induktans och resistans för olika primärspolar

Spole [varv / mm] Induktans [µH] Resistans [Ω_]

70 / 0.50 264 0.27

60 / 0.375 185 0.37

Den relativt höga switchfrekvensen och den låga resistansen gör att det är induktansen som i huvudsak bestämmer strömmen i spolen, se ekvation (9) och Figur 10. 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 0 5 10 15 20 25 t [µs] I [A ]

Figur 10: Strömmen i spolen enligt ekvation (9) med 12 V matningsspänning och switchfrekvens 21.5 kHz. Övre kurvan ( markerad med ring): Primärspole 60 varv / 0.53 mm. Kurvan i mitten (markerad med kryss): Primärspole 60 varv / 0.375 mm. Nedre kurva (markerad med triangel): Primärspole 70 varv / 0.50 mm

Eftersom luftgapet är mycket stort är det viktigt att flödet blir så stort som möjligt utan att strömmen och därmed temperaturen i primärspolen blir för hög. Detta kan åstadkommas om primärspolens induktans är relativt låg och om varvtalet är högt, se ekvationerna (4), (5), (8) och (9).

3.2. Komponenter i switchkretsen

Principschemat för den switchkoppling jag valde att använda visas i Figur 11.

T1 Switch L1 Primär +E L2 Sekundär Styrsignal D2 +C1

U

ut D1

Figur 11: Principschema på switchkoppling

Strömmen genom primärspolen styrs med hjälp av switchen T1.

Skyddskomponenten D1 skyddar T1 från de transienter som alltid uppstår när strömmen i en induktans slås av. Utan en skyddskomponent växer spänningen över T1 till några kilovolt, se ekvation (11) och då går den sönder.

Spänningen från sekundärspolen helvåglikriktas av diodbryggan D2 och glättas av C1 till en likspänning.

Inducerad emk, e i spolen beräknas enligt:

dt di L

e= ⋅ (11)

där L är spolens induktans och

dt di

är strömändringen i spolen.

Det finns tre stora effektförluster vid switchning. Dessa är ledningsförluster och switchförluster vid tillslag och vid frånslag. Vid dopning av halvledare kan inte både låga ledningsförluster och switchförluster erhållas utan en

kompromiss måste alltid göras. Det är därför viktigt att välja rätt switch för den aktuella applikationen för att effektförlusterna i switchen ska hållas låga. Det viktigaste är dock att välja en komponent som klarar av den ström, spänning och frekvens som ska användas.

Switchkomponenten måste skyddas från transienter. Transiler används ofta som skyddskomponenter. De kan betraktas som högspända snabba

Olika komponenter kan användas som switch. Applikationen bestämmer vilken komponent som ska väljas. MOSFET:en, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, uppfanns på 70-talet och ersatte då den bipolära transistorn i många effektapplikationer. Den bipolära transistorn kräver hög basström och har relativt lång avstängningstid medan MOSFET:en är spänningsstyrd och har mycket kortare avstängningstid.

På 80-talet uppfanns IGBT:n, Insulated Gate Bipolar Transistor, som är en blandning av den bipolära transistorn och MOSFET:en. I vissa

switchapplikationer passar en MOSFET bättre än en IGBT och i andra är en IGBT att föredra, se Figur 12. IGBT:n är att föredra vid höga spänningar och låga frekvenser.

I det frekvens- och spänningsområde i Figur 12 som visas som det streckade området kan både IGBT och MOSFET användas. Förutom frekvens och spänning kan applikationen ställa andra krav som också påverkar valet av switchkomponent. 1 200 400 600 800 1000 1200 1400 10 100 1000

IGBT

IGBT

MOSFET

MOSFET

Frekvens [kHz] U [V]

Figur 12: Hjälp att välja mellan MOSFET och IGBT

Genom att välja en IGBT som switch kan man använda en transil med högre klippspänning och på så sätt minska effekten som utvecklas i transilen. Jag valde att använda IRG4PC40W [17] eftersom den har låga switchförluster, klarar höga spänningar och har ett relativt lågt kollektor-emitterspänningsfall, UCE.

3.3. Primärsidan i låsblecket

En transformator används för att överföra effekt från låsblecket i dörrkarmen till låset. Primärspolen och dess styrelektronik monteras i låsblecket och sekundärspolen monteras i låset. Kopplingsschemat för elektroniken i låsblecket visas i Figur 13.

T1 IRG4PC40W D3 1.5KE440A R4 10 D2 BZD27C15 R8 0.047 IN/UT4 Fyrkantsvåg C1 22n L1 Primär R6 100k R5 1k R7 82k R3 4.7k +12V +12V R2 100k _R1 100k +12V +12V C2 100n +12V R11 100k R10 100k C4 330p 11 10 13 IC1D LM2901 9 8 14 IC1C LM2901 7 6 1 IC1B LM2901 + C8 1u +12V C5 100n +12V C6 1n +12V IN_Ref 1 IN_A 2 VEE 3 IN_B 4 OUT_B 5 SHDN* 8 OUT_A 7 VCC 6 IC2 LM5110-3 +12V R13 100k R12 100k +12V 5 4 2 3 1 2 IC1A LM2901 R9 4.7k +12V C3 100n R15 10k R14 10k D1 MBR1045 C7 100n R16 100 _D4 BZD27C12 +_C9 10u +12V +E +E

Figur 13: Kopplingsschema för kraftdelen i låsblecket

En komparator, IC1B [8] används för att skapa fyrkantspulsen som switchar IGBT:n, T1 [17] via en drivkrets, IC2 [10]. Drivkretsen används för att ge mer ström till gaten vilket krävs för att få snabba till- och frånslag.

Värmeutvecklingen i primärspolen får inte bli för stor och därför begränsas strömmen i primärspolen med en strömbegränsande koppling, IC1C. För att minska effektförlusterna i switchen används en ”RCD-snubber” som tar bort oscilleringen vid frånslag. RCD-snubbern består av R6, C1 och D1. Snubbern reducerar effektförlusterna då switchen slås ifrån eftersom strömmen då kommuterar från IGBT:n till den parallella diod-kondensatorkopplingen. Vid detta tillfälle minskar kopplingen IGBT:ns kollektorström och även dUCE/dt.

Figur 14: Switchning av IGBT:n utan RCD-snubber. Övre kurvan visar kollektorströmmen, 2 A per division. Undre kurvan visar gatespänningen, 5 V per division.

Figur 15: Switchning av IGBT:n med RCD-snubber. Övre kurvan visar kollektorströmmen, 2 A per division. Undre kurvan visar gatespänningen, 5 V per division.

3.4. Simulering – kraftdelens primärsida

Kopplingsschemat över kraftdelen i låsblecket som används vid simulering visas i Figur 16. Resultatet av simuleringen visas i Figur 17.

0 V9 12Vdc Z1 IRG4PC50W L1 150uH 1 2 0 V11 12Vdc 0 0 0 V5 12Vdc C1 330p 0 R12 10k 0 C2 100n 0 R11 10k R2 100k R3 100k R4 100k V8 12Vdc 0 R1 100K 0 V1 12Vdc 0 0 V3 12Vdc 0 U3 LM2901/5_1/TI + 3 -2 V + 7 V -4 OUT 6 R6 100k R5 4.7k 0 V V I V R7 100k R9 1k R8 82k R10 4.7k 0 V2 12Vdc 0 R14 10 0 V6 12Vdc 0 U4 LM2901/5_1/TI + 3 -2 V + 7 V -4 OUT 6 0 V7 12Vdc 0 D1 MBR1045 R13 0.047 R15 100k V4 12Vdc 0 U5 EL2003/EL + 2 V + 1 V -4 OUT 7 C3 22n D2 1.5KE440A U1 LM2901/5_1/TI + 3 -2 V + 7 V -4 OUT 6

Figur 16: Simuleringsschema för kraftdelen i låsblecket

Time 1.05ms 1.06ms 1.07ms 1.08ms 1.09ms 1.10ms 1.11ms 1.12ms 1.13ms 1.14ms 1.15ms V(R5:2) V(Z1:G) 0V 10V -5V 15V SEL>> - I(R13) -1.0A 0A 1.0A 2.0A V(R15:2) 0V 250V 500V -100V

Den övre kurvan i Figur 17 visar att transilen, 1.5KE440A [20] begränsar transienten över IGBT:n till ungefär 440 volt. Utan transil växer spänningen till några kilovolt och då går IGBT:n sönder.

Kurvan i mitten visar strömmen i IGBT:n. RCD-snubbern, R15, C3 och D1 i simuleringsschemat, se Figur 16, tar bort den kraftiga oscilleringen på strömmen som annars uppstår då IGBT:n stänger, se även Figur 14 och Figur 15.

Nedersta bilden visar att IGBT:ns gatespänning bara är marginellt fördröjd jämfört med komparatorns utsignal.

Det simulerade resultatet i Figur 17 överensstämmer mycket bra med mätningarna i Figur 15.

3.5. Sekundärsidan i låset

Transformatorns sekundärspole monteras i låset. Spänningen från sekundärspolen helvåglikriktas och glättas. För att erhålla en konstant likspänning används en spänningsregulator. Kopplingsschemat för spänningsregleringen visas i Figur 18.

L1 Sekundär +7V +C11 100u/50V +C14 22u + C15 3.3u +5V Batteri +3.3V Output 1 Sense 2 Shutdown 3 GND 4 _Error* 5 Vtap 6 Feedback 7 Input 8 U2 LP2951 D1 MBRS130 D2 MBRS130 D4 MBRS130 D3 MBRS130 C3 100n +5V Batteri C16 10n R3 100k R6 160k R2 100k C17 10n Vin 1 Vout 2 G N D 3 Reset* 4 Cdelay 5 U1 LM9076 C2 100n D6 Bas32 D7 Bas32 D8 Bas32 C12 1u R5 35V T1 EC103 D5 BZD27C24 R1 100k C1 100n

Figur 18: Kopplingsschema på sekundärsidan och spänningsregleringen i låset

Sekundärspänningen likriktas i Graetz-bryggan D1 – D4. Två effektsnåla spänningsregulatorer används för att skapa de två spänningsnivåer som behövs i låset.

Om inspänningen är under 5 volt till spänningsregulatorn LM9076 drar den 30 mA [6] men när inspänningen är över 5 volt drar den under 1 mA. Tyristorn förhindrar att inspänningen till spänningsregulatorn går under 5 volt vid

uppstart. Därmed blir effektförbrukningen i kretsen mindre och transformatorn klarar av att ge en högre sekundärspänning.

3.6. Spänningsreglering

Batteriet i låset måste hela tiden vara uppladdat så att det kan driva motorn och övrig elektronik. Eftersom transformatorn har begränsad storlek och luftgapet är mycket stort så är det viktigt att alla komponenter i låset är så effektsnåla som möjligt. Principiellt kopplingsschema för spänningsreglering visas i Figur 19. L1 Sekundär Uut + C1 + C3 D2 D1 D3 D4 C2 Vin 1 G N D 2 Vut 3 U1

Figur 19: Principschema för spänningsreglering

Spänningsregleringen består av en likriktarbrygga, D1 – D4, en

glättningskondensator, C1 och en spänningsregulator, U1 enligt Figur 19. Dioderna, D1 – D4 i diodbryggan måste ha lågt framspänningsfall och spänningsregulatorn måste ha låg strömförbrukning och lågt spänningsfall mellan insignal och utsignal.

Switchregulatorer av typen step-down som har mycket hög verkningsgrad i normal drift kan inte användas eftersom regulatorns strömförbrukning

mångdubblas då spänningsskillnaden mellan insignal och utsignal är mindre än tre volt.

3.7. Batteri

Batteriet som används är av typen nickelmetallhydrid, NiMH, av

knappcellstyp. Dessa batterier kan underhållsladdas kontinuerligt, har mycket hög energidensitet och lång livslängd.

Ett NiMH knappcellsbatteri ska underhållsladdas med 0.01 - 0.03 CA, där CA anger batteriets kapacitet. Det innebär att ett 150 mAh batteri ska

underhållsladdas med 1.5 – 4.5 mA.

Normal laddning ska ske med 0.1 CA i 14 – 16 timmar om batteriet är helt urladdat.

Motorn i låset drar normalt 250 mA i 0.3 s när låskolven rör sig. Enligt Per Sand på Varta-microbattery [24] är 4/V150HT [22] ett lämpligt batteri som klarar den relativt höga peakström som motorn drar.

4/V150HT betyder att fyra knappcellsbatterier av typen V150HT monteras ihop. Varje knappcell har en nominell spänning av 1.2 volt och nominella spänningen på 4/V150HT blir då 4.8 volt.

V150HT [22] ska underhållsladdas med 4.2 mA och laddas med 14 mA vid normal laddning. NiMH batterier kan snabbladdas med högre ström men det försämrar livslängden på batteriet.

Kopplingsschemat för laddning av batteriet visas i Figur 20.

+_B1 4.8 V R10 10k C5 100n +7V +7V +5V Batteri Iset 1 GND 2 Iout 3 _Vin 4 Enable 5 U3 LM3590 R30 12k T6 BSS138 R29 12k C13 1u +7V R18 2.2k T3 BC848 +7V R9 10k R24 1k +7V C18 10n C19 470u R31 10M +7V R8 10k R22 4.7k +7V +7V 5 4 2 3 12 IC1A LM2901 7 6 1 IC1B LM2901 D9 BZX84C4V7 R21 470 +7V _+12V 9 8 14 IC1C LM2901 11 10 13 IC1D LM2901 +5V Batteri R17 2.2k T2 BC848 R7 10k GND 1 Trigger 2 Output 3 Reset 4 Control voltage 5 Threshold 6 Discharge 7 VCC 8 IC2 LM555 +7V +7V C6 100n +7V C4 100n +7V

Figur 20: Kopplingsschema för laddning av batteriet

Kretsen LM3590 ger en konstant ström till batteriet. Strömmen bestäms av resistansen R30 mellan kretsens pinne 1 och jord. Med det valda

resistansvärdet underhållsladdas batteriet kontinuerligt med 4 mA.

Komparatorn IC1A känner av batterispänningen. När spänningen på batteriet går under 4.7 V går komparatorns utsignalen hög. Denna signal gör att timerkretsen, LM555 öppnar transistorn T6 i två timmar, vilket styrs av R31 och C19. Då T6 är öppen parallellkopplas R29 med R30 mellan kretsens pinne 1 och jord. Laddströmmen ökas då till 14 mA.

När T6 stängs av timerkretsen går strömmen till batteriet tillbaka till underhållsladdning igen.

4.

Utförande – Signaldelen

4.1. Kodning och överföring av signaler

Signalerna som ska överföras mellan styrenheten och låset är: Lås upp dörren, dörren är stängd, dörren är öppen, låskolven är inne och låskolven är ute. Eftersom signaler ska sändas och tas emot både av låset och av styrenheten behövs en sändare och en mottagare i både låset och styrenheten.

Alla signaler måste kodas innan sändning så att ingen obehörig ska kunna läsa signalen och därmed kunna öppna dörren.

Det viktigaste är att komponenterna har låg effektförbrukning och att de kan sättas i viloläge när de inte används. Signalerna kodas och avkodas enkelt med hjälp av Keeloq code hopping encoder respektive Keeloq code hopping

decoder som är gjorda för att användas i bland annat elektriska lås. För att koda signalerna används kodningskretsen HCS300 [13]. HCS300 använder sig av Keeloqs patenterade kodningsteknik som tar bort möjligheten att scanna av signalen. Man kan därför inte använda denna metod för att öppna dörren utan att ha behörighet.

HCS300 är mycket effektsnål och när den inte kodar signaler går den till viloläge vilket är mycket bra i batteriapplikationer. Den programmeras innan användning med ett serienummer och en hemlig nyckelkod.

Kretsen HCS512 [14] används som avkodare. Innan denna kan användas måste den läras kodningskretsens unika nyckelkod.

Även sändningen och mottagningen av signalerna kan realiseras med färdiga komponenter. RF Solutions sändare RTFQ1 och mottagare RRFQ1 används eftersom de är små, har relativt låg effektförbrukning och sändaren kan sättas i viloläge när den inte sänder signaler.

FM-RTFQ-433 [16] används som sändare och FM-RRFQ-433 [16] som mottagare. FM-RTFQ och FM-RRFQ finns med tre olika frekvenser. Frekvensbandet 433.050 – 434.790 MHz är i Sverige undantaget från tillståndsplikt om signalen är svagare än 25mW [25].

På grund av detta valdes den sändare och mottagare som använder 433.92 MHz och alltså ligger i det frekvensband som är undantaget från tillståndsplikt.

Kodningskretsen HCS300 [13] programmeras innan montering på kretskortet med ett serienummer och en hemlig nyckelkod. Efter montering av HCS300 på kretskortet måste dekodern HCS512 [14] lära sig kodningskretsens

kryperingskod och serienummer. Detta görs genom att lärknappen trycks in för HCS512, se Figur 21 och Figur 22. Då tänds lysdioden som indikerar att kretsen är redo att lära sig en ny kod. Signalen från enkodern aktiveras och när lysdioden släckts trycks lärknappen in en gång till och då lagras

kryperingskoden och serienumret i dekoderns EEPROM. Detta upprepas för alla signaler som ska sändas i låset.

När läroprocessen är gjord kontrolleras att alla signaler kan skickas och att allt fungerar. Detta görs enklast med lysdioder som är kopplade till enkodern och dekodern. Enkodern har en utgång för att driva en lysdiod som blinkar när den är aktiv och dekodern har motsvarande utgångar som kan tända olika lysdioder beroende på vilken signal den mottagit och avkodat, se Figur 28 och Figur 29. Kretsarna är aktiva så länge som det finns en insignal till enkodern men maximalt i 30 sekunder vilket sänker effektförbrukningen.

Kopplingsschemat för kodning och överföring av signaler i låset visas i Figur 21. S0 1 S1 2 S2 3 S3 4 VSS 5 PWM 6 LED* 7 VDD 8 IC3 HCS300 Enable 1 In 2 GND 3 VCC 4 GND 5 Antenn 6 U5 RTFQ1 V C C 1 G N D 2 D a ta i n (A nt e nn ) 3 G N D 7 G N D 11 N C 12 R e ci ev ed s ig na l st re n gt h ou tp ut 13 D a ta o ut 14 P o w er d o w n 15 U4 RRFQ1 LRNout 2 NC 3 MCLR* 4 GND 5 S0 6 S1 7 S2 8 S3 9 LRNin* 1 Sleep 11 CLK 12 Data 13 VDD 14 OSCout 15 OSCin 16 NC 17 RFin 18 Vlow 10 IC4 HCS512 VDD 1 V S S 2 RST* 3 U6 MCP100 S1 Learn button Dörr stängd Låskolv inne Låskolv ute

Låser upp dörren

R20 2.2k +3.3V D14 Aktiv D16 Låser upp dörren

D17 V low E1

ANTENN (Sändare - 3 signaler)

E2

ANTENN (Mottagare - Öppna dörren signal)

C8 100n +3.3V C7 100n +3.3V T4 BC848 R15 10k R27 1k R23 4.7k R28 1k R16 10k +3.3V +3.3V +3.3V VCC VCC +5V batteri +5V batteri +5V batteri C20 22p D15 Learn out R26 1k R25 1k +5V batteri C9 100n VCC C10 100n +5V batteri R4 100k Dörr öppen R14 10k R13 10k R12 10k R11 10k R19 2.2k T5 BC848 +3.3V D18 BZX84C5V1 R32 10 VCC +5V batteri +_C21 10u D10 Bas16 D12 Bas16 D11 Bas16 D13 Bas16

Figur 21: Kopplingsschema för kodning och överföring av signaler i låset

När någon av signalerna dörren är stängd, dörren är öppen, låskolven är inne eller låskolven är ute går hög aktiveras sändaren RTFQ1 och enkodern HCS300 kodar signalen innan den överförs till styrenheten.

När mottagaren RRFQ1 tar emot signalen lås upp dörren från styrenheten avkodas den av dekodern HCS512 och motorn i låset låser upp dörren.

Kopplingsschemat för kodning och överföring av signaler i styrenheten visas i Figur 22. S0 1 S1 2 S2 3 S3 4 VSS 5 PWM 6 LED* 7 VDD 8 IC1 HCS300 Enable 1 In 2 GND 3 VCC 4 GND 5 Antenn 6 U3 RTFQ1 V CC 1 G N D 2 D a ta i n (A nt e nn ) 3 G N D 7 G N D 11 N C 12 Re c ie v e d s ig n a l st re n g th o u tp ut 13 D a ta o ut 14 P o w e r do w n 15 U1 RRFQ1 LRNout 2 NC 3 MCLR* 4 GND 5 S0 6 S1 7 S2 8 S3 9 LRNin* 1 Sleep 11 CLK 12 Data 13 VDD 14 OSCout 15 OSCin 16 NC 17 RFin 18 Vlow 10 IC2 HCS512 VDD 1 V S S 2 RST* 3 U2 MCP100 S1 Learn button

Lås upp dörren utsignal

R5 2.2k +3.3V D1 Aktiv D6 Inne D7 V low E1

ANTENN (Sändare: Öppna dörren)

E2 ANTENN (Mottagare) C2 100n +3.3V C1 100n +3.3V T2 BC848 R2 10k R11 1k R16 4.7k R12 1k R3 10k +3.3V +3.3V +3.3V +5V +5V +5V +5V +5V C6 22p D2 Learn out R6 1k R8 1k +5V Dörr stängd insignal Låskolv inne insignal Låskolv ute insignal

D5 Ute R10 1k D3 Dörr stängd R7 1k C3 100n +5V C4 100n +5V R13 100k Dörr öppen insignal D4 Dörr öppen R9 1k R1 10k R4 2.2k T1 BC848 +3.3V

Figur 22: Kopplingsschema för kodning och överföring av signaler i styrenheten

När signalen lås upp dörren går hög aktiveras sändaren RTFQ1 och enkodern HCS300 kodar signalen innan den överförs till låset.

När mottagaren RRFQ1 tar emot någon av signalerna dörren är stängd, dörren är öppen, låskolven är inne eller låskolven är ute från styrenheten avkodas den av dekodern HCS512 och informationen sparas i styrenheten.

4.2. Antenn

En antenn ska omvandla en elektrisk ström i en tråd till ett elektromagnetiskt fält och vice versa. De enklaste antennerna är en 1/4-vågsantenn eller en dipolantenn. 1/4-vågsantennen och dipolantennen kan till exempel vara en kabel eller en ledare på ett kretskort som är ansluten till sändarens

antennutgång och mottagarens antenningång.

Figur 23: 1/4-vågsantenn

λ/2

Figur 24: Dipolantenn

För att en antenn ska stråla ut maximalt med energi ska den vara i resonans. Det inträffar då längden av antennen är lika med en halv våglängd för dipolantennen och en kvarts våglängd för 1/4-vågsantennen eller en jämn multipel av denna längd.

Våglängden, λ beräknas enligt formeln:

f C =

λ (12)

där C är ljushastigheten (3⋅108 m/s) och f är frekvensen i Hz.

Längden på en 1/4-vågsantenn för 433.92 MHz blir då

m 173 . 0 10 92 . 433 10 3 4 1 4 1 6 8 = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ = f C l (13)

För att kompensera för att ljusets hastighet är något lägre i koppar jämfört med luft ska en korrektionsfaktor på 0.95 användas. Med korrektionsfaktorn ska antennen vara 0.164 meter vid 433.92 MHz.

1/4-vågsantennen görs enklare än en dipolantenn på kretskortet. En kopparledare, 0.164 meter lång dras från sändarens utgång respektive mottagarens ingång längs kretskortets kant med jordplanet på andra sidan kretskortet borttaget.

5.

Prototyper

Figur 25 visar de kort och den transformator som använts för att testa konstruktionen av det trådlösa elektriska låset.

Figur 25: Uppkoppling med alla testkorten. Switchkopplingen med transformator till vänster, kopplingen i låset i mitten och kopplingen i styrenheten till höger.

Tryckknapparna används för att simulera de olika signalerna som ska överföras mellan låset och styrenheten. Lysdioderna indikerar vilken signal som har mottagits eller vilken krets som är aktiv.

Primärspolen styrs av switchkortet. Sekundärspolen förser batteriet och övrig elektroniken i låset med ström.

De gröna och gula kablarna är antenner för att överföra signalerna mellan låset och styrenheten.

Figur 26 - Figur 29 visar de olika delarna mer detaljerat.

Figur 26: Switchkrets och transformator

Figur 28: Testkort för låset

Den gula kabeln är antennen för sändaren och den gröna kabeln är antennen för mottagaren. Lysdioder indikerar när någon signal kodas, att kretsen är aktiv, och vilken signal som avkodats.

Figur 29: Testkort för styrenheten

Den gula kabeln är antennen för mottagaren och den gröna kabeln är antennen för sändaren. Lysdioder indikerar när någon signal kodas, att kretsen är aktiv, och vilken signal som avkodats.

6.

Mätningar

6.1. Utrustning

Följande utrustning har använts: Oscilloskop Tektronix TDS320,

funktionsgenerator GW instek GFG-8217A,

spänningsaggregat HQ power PS3003 och PS3010,

multimeter Mc Voice M-930L och MY-64 med temperaturmätning, LRC-meter Velleman DVM6243,

lindningsmaskin Meteor CH 8803 och simuleringsprogram OrCad.

6.2. Induktansmätning

Två olika typer av ferritkärnor testades med olika primärlindningar, se Tabell 2. Ferritkärnorna som testades var E25/13/7 N87 [1] och EFD25/13/9 N87 [2].

Spolarnas induktans mättes och resultatet visas i Tabell 2.

Tabell 2: Induktansmätning av spolar

Primärspole Kärna Induktans

39 varv / 0.60 mm EFD25/13/9 N87 (B66421GX187) 93 µH 39 varv / 0.60 mm E25/13/7 N87 1850 (B66317GX187) 84 µH 50 varv / 0.56 mm E25/13/7 N87 1850 (B66317GX187) 133 µH 50 varv / 0.60 mm E25/13/7 N87 1850 (B66317GX187) 130 µH 54 varv / 0.50 mm EFD25/13/9 N87 (B66421GX187) 183 µH 55 varv / 0.56 mm E25/13/7 N87 1850 (B66317GX187) 157 µH 60 varv / 0.53 mm E25/13/7 N87 1850 (B66317GX187) 185 µH 60 varv / 0.56 mm E25/13/7 N87 1850 (B66317GX187) 185 µH 64 varv / 0.50 mm E25/13/7 N87 1850 (B66317GX187) 205 µH 65 varv / 0.45 mm EFD25/13/9 N87 (B66421GX187) 239 µH 70 varv / 0.50 mm E25/13/7 N87 1850 (B66317GX187) 264 µH 75 varv / 0.50 mm E25/13/7 N87 1850 (B66317GX187) 289 µH 100 varv / 0.45 mm E25/13/7 N87 1850 (B66317GX187) 497 µH

Primärspolen med ferritkärna EFD25/13/9 N87 har lite högre induktans än E25/13/7 N87 med samma varvtal och tråddiameter på lindningen. Det beror på att den effektiva magnetiska spårlängden och kärnfaktorn är något lägre för EFD25/13/9 N87 än E25/13/7 N87, se ekvation (5) och (8).

E25/13/7 N87 är därför bättre att använda i denna applikation. Se Bilaga 3 för beräkning på olika ferritkärnor.

Den tillgängliga spänningen på sekundärsidan påverkas av primär- och sekundärspolen. Ett flertal spolar har lindats och deras inverkan på sekundärspänningen visas i Tabell 3.

Med avstånd i Tabell 3 menas avståndet mellan kärnorna. Luftgapet i den slutna magnetiska kretsen blir dubbelt så stort.

Mätningarna är gjorda med koppling enligt Figur 18 och Figur 20 med en konstant ström på 20 mA från U3. Strömmen I avläses på spänningsaggregatet HQ power PS3010 som matar primärspolen.

Med hjälp av tyristorkopplingen, se Figur 18, laddas glättningskondensatorn upp till 24 V innan tyristorn öppnar. Detta innebär att inspänningen till spänningsregulatorn aldrig går under 5 V om sekundärspolen har tillräcklig effekt för att hålla denna spänning. Spänningsregulatorn drar 30 mA då inspänningen är under 5 V och under 1 mA när inspänningen är över 5 V. Därför är det viktigt att regulatorns inspänning inte går under 5 V.

Tabell 3: Mätning med olika primär- och sekundärspolar med E25/13/7 N87 kärna. Matningsspänning 12 V, switchfrekvens 21.5 kHz och

omgivningstemperatur 20°C. Primär [varv / mm] Sekundär [varv / mm] Avstånd [mm] Uutsp.reg. [V] Iprimär.max / I [A] Tprimär [°C] 50 / 0.60 250 / 0.28 10 4.7 2.2 / 0.31 80 50 / 0.60 250 / 0.28 7.5 5.5 / 6.7* 2.2 / 0.31 80 50 / 0.60 200 / 0.28 10 4.7 2.2 / 0.31 80 50 / 0.60 200 / 0.28 7.5 5.5 / 6.7* 2.2 / 0.31 80 50 / 0.60 150 / 0.28 10 4.8 2.2 / 0.31 80 50 / 0.60 150 / 0.28 8 5.4 / 6.7* 2.2 / 0.31 80 50 / 0.60 150 / 0.375 10 4.9 2.2 / 0.31 80 50 / 0.60 150 / 0.375 8 5.4 / 6.7* 2.2 / 0.31 80 50 / 0.60 100 / 0.45 8 6.0 / 6.7* 2.2 / 0.31 80 50 / 0.60 70 / 0.50 6.5 6.5 / 6.7* 2.2 / 0.31 80 55 / 0.56 250 / 0.28 10 4.5 1.9 / 0.23 70 55 / 0.56 250 / 0.28 7 5.4 / 6.7* 1.9 / 0.23 70 60 / 0.53 250 / 0.28 10 4.2 1.4 / 0.18 50 60 / 0.53 250 / 0.28 7 5.4 / 6.7* 1.4 / 0.18 50 60 / 0.53 150 / 0.28 10 4.2 1.4 / 0.18 50 60 / 0.53 150 / 0.28 7 5.4 / 6.7* 1.4 / 0.18 50 60 / 0.53 120 / 0.28 10 3.3 1.4 / 0.18 50 60 / 0.53 120 / 0.28 7 5.4 / 6.7* 1.4 / 0.18 50 60 / 0.53 150 / 0.375 10 4.4 1.4 / 0.18 50 60 / 0.53 150 / 0.375 7 5.3 / 6.7* 1.4 / 0.18 50 60 / 0.53 100 / 0.45 7 5.7 / 6.7* 1.4 / 0.18 50 70 / 0.50 250 / 0.28 10 3.7 0.9 / 0.10 39 70 / 0.50 250 / 0.28 6 5.3 / 6.7* 0.9 / 0.10 39 70 / 0.50 200 / 0.28 10 3.7 0.9 / 0.10 39 70 / 0.50 200 / 0.28 6 5.3 / 6.7* 0.9 / 0.10 39

Primärspolens temperatur får inte bli för hög. Ur Tabell 3 framgår därför att 60 varv / 0.53 mm är bästa valet på primärspolen. Sekundärspolen väljs till 100 varv / 0.45 mm eftersom det är den av de testade sekundärspolarna som ger högst sekundärspänning med den valda primären, se Tabell 3.

Inget ledande material, till exempel stål, mässing och aluminium får finnas mellan kärnorna eftersom effekten i sekundärspolen då sjunker kraftigt. Plast och liknande material påverkar inte effekten.

Utspänningen påverkas mycket lite då sekundärspolen varvtal ändras, se Tabell 3. Det beror troligtvis på sekundärspolens självinduktans och resistans. Självinduktansen har stor inverkan vid höga frekvenser och begränsar

effektuttaget.

6.4. Signaldelen

Funktionen verifierades genom att de olika signalerna som ska överföras aktiverades. Med hjälp av lysdioder kontrollerades sedan att rätt signal mottagits, se Figur 21, Figur 22 och Figur 25.

7.

Resultat

De stora tekniska problemen i arbetet har funnits vid överföringen av effekt från dörrkarmen till låset i dörren. Förlusterna vid överföringen värmer dörrkarmen till för hög temperatur.

7.1. Kraftdelen

Med ferritkärna E25/13/7 N87 kan avståndet mellan kärnorna vara upp till 7 mm, se Tabell 3.

Ökas luftgapet ytterligare klarar inte sekundärspolen av att ge den effekt som behövs i låset.

För att kunna öka luftgapet måste en annan ferritkärna användas. Kärnfaktorn måste vara högre jämfört med ferritkärna E25/13/7 N87 så att fler varv kan lindas på primärspolen utan att induktansen ökar. E20/14/5 [3] och

E16/12/5 [4] från Ferroxcube är exempel på kärnor med högre kärnfaktor. Dessa kärnor fanns dock inte tillgängliga under examensarbetets gång på grund av lång leveranstid.

7.2. Signaldelen

I jämförelse med överföring av effekt är problemet att koda och överföra signaler mellan styrenheten och låset enklare. Det kan lösas med hjälp av färdiga kretsar. Det viktigaste är att komponenterna har låg effektförbrukning och att de kan sättas i viloläge när de inte används.

8.

Slutsats

Det går att göra en trådlös version av det elektriska lås som tillverkas av Electec System AB. Det kräver att metallen i låset och i låsblecket framför transformatorkärnan ersätts av en plastplugg och att avståndet mellan kärnorna inte är mer än 7 mm då ferritkärnan E25/13/7 N87 används.

Effekten som kan överföras från dörrkarmen till låset är begränsad eftersom utrymmet är litet, temperaturen inte får bli för hög och avståndet mellan låsblecket i karmen och låset i vissa dörrar kan uppgå till 10 mm. Förlusterna i transformatorn ökar kraftigt då luftgapet ökas.

För att sekundärspolen ska kunna försörja elektroniken i låset med ström kan avståndet mellan primärspolen i dörrkarmen och sekundärspolen i låset inte vara mer än 7 mm med ferritkärnan E25/13/7 N87. Om luftgapet mellan primärspolen och sekundärspolen ökas ytterligare klarar inte sekundärspolen att ge den effekt som behövs för elektroniken i låset. Luftgapet kan ökas när transformatorkärnor med högre kärnfaktor används eftersom det magnetiska flödet då kan ökas utan att öka primärströmmen och därmed temperaturen.

Signaldelen går att lösa med idag på den öppna marknaden tillgängliga komponenter.

Referenser

[1] Datablad för E25/13/7 N87, Epcos, September 2006, www.epcos.com, http://www.epcos.com/inf/80/db/fer_07/e_25_13_7.pdf

[2] Datablad för EFD25/13/9 N87, Epcos, 09/06, www.epcos.com, http://www.epcos.com/inf/80/db/fer_07/efd_25_13_9.pdf

[3] Datablad för E20/14/5, Ferroxcube, 2004 Sep 01, www.ferroxcube.com, http://www.ferroxcube.com/prod/assets/e20145.pdf

[4] Datablad för E16/12/5, Ferroxcube, 2004 Sep 01, www.ferroxcube.com, http://www.ferroxcube.com/prod/assets/e16125.pdf

[5] Databok för ferriter och tillbehör, www.epcos.com,

Databokhttp://www.epcos.de/web/generator/Web/Sections/Publications/PDF/ Ferrite_20und_20Zubeh_C3_B6r,property=Data__en.pdf;/Ferrite_und_Zubehör .pdf

[6] Datablad för LM9076, National Semiconductor, April 2006, www.national.com, http://cache.national.com/ds/LM/LM9076.pdf

[7] Datablad för LP2950/LP2951, National Semiconductor, May 2005, www.national.com, http://cache.national.com/ds/LP/LP2950.pdf

[8] Datablad för LM139/LM239/LM339/LM2901/LM3302, National Semiconductor, March 2004, www.national.com, http://cache.national.com/ds/LM/LM139.pdf [9] Datablad för LM3590, National Semiconductor, November 2003,

www.national.com, http://cache.national.com/ds/LM/LM3590.pdf [10] Datablad för LM5110, National Semiconductor, October 2003,

www.national.com, http://cache.national.com/ds/LM/LM5110.pdf

[11] Datablad för LM555, National Semiconductor, July 2006, www.national.com, http://cache.national.com/ds/LM/LM555.pdf

[12] Datablad för EC103D1, Philips, Rev. 01 – 1 November 2001, www.npx.com,

http://www.nxp.com/pip/EC103D1.html

[13] Datablad för HCS300, Microchip, 2001, www.microchip.com, http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21137f.pdf [14] Datablad för HCS512, Microchip, 2002, www.microchip.com,

http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/40151d.pdf [15] Datablad för MCP100/101, Microchip, 1999, www.microchip.com,

http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/11187f.pdf

[16] Datablad för FM-RTFQ series FM-RRFQ series, RF Solutions, May 04, www.rfsolutions.co.uk, http://www.rfsolutions.co.uk/acatalog/DS069-7.pdf [17] Datablad för IRG4PC40W, International Rectifier, www.irf.com,

http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irg4pc40w.pdf

[18] Datablad för MBR1035 MBR1045, ON Semiconductor, February, 2007 - Rev. 7, www.onsemi.com, http://www.onsemi.com/pub/Collateral/MBR1035-D.PDF

[19] Datablad för MBRS130LT3, ON Semiconductor, November, 2006 - Rev. 7, www.onsemi.com,

http://www.onsemi.com/pub/Collateral/MBRS130LT3-D.PDF

[20] Datablad för 1.5KE6V8A/440A 1.5KE6V8CA/440CA, ST, February 2002, www.st.com, http://www.st.com/stonline/products/literature/ds/2913/1.5ke.pdf [21] Nickel-Metal-Hydride High Performance Rechargeable Button Cells, Varta,

www.varta-microbattery.com,

http://www.varta-microbattery.com/en/mb_data/documents/printing_material_ oem/HANDBOOK_Ni-MH_HighPerf_en.pdf

[22] Datablad för batteri V 150 H, Varta, 04-05-19, www.varta-microbattery.com, http://www.varta-microbattery.com/en/oempages/index.htm

[23] Material datablad för batteri, Varta, 2005-03-30, www.varta-microbattery.com, http://www.varta-microbattery.com/en/oempages/index.htm

[24] Per Sand, OEM Sales Manager Nordic, Per.Sand@varta-microbattery.com [25] Post- och telestyrelsens författningssamling, PTSFS 2004:8, Post- och

telestyrelsens föreskrifter om undantag från tillståndsplikten för vissa radiosändare,

http://www.pts.se/Archive/Documents/SE/Undantagsforeskriften_2004-8.pdf

n iv er si te t

o te k n ik Bila_g a 1 K o p p lin g ss ch em a o ch k o m p o n en tf ö rt ec k n in g B ila g a 1 s id a 1 (9 ) p p lin g ss ch em a p å k ra ftd el en T1_IRG4PC40W D3 1.5KE440A R4 10 D2 BZD27C15 R8 0.047 C1 22n L1 Primär R6 100k R5 1k R7 82k R3 4.7k +12V +12V R2 100k _R1 100k +12V +12V C2 100n +12V R11 100k R10 100k C4 330p 11 10 13 IC1D LM2901 9 8 14 IC1C LM2901 7 6 1 IC1B LM2901 + C8 1u +12V C5 100n +12V C6 1n +12V IN_Ref 1 IN_A 2 VEE 3 IN_B 4 OUT_B 5 SHDN* 8 OUT_A 7 VCC 6 IC2 LM5110-3 +12V R13 100k R12 100k +12V 5 4 2 3 12 IC1A LM2901 R9 4.7k +12V C3 100n R15 10k R14 10k D1 MBR1045 C7 100n R16 100 _D4 BZD27C12 +_C9 10u +12V +E +E

Tabell1: Komponentförteckning för kraftdelen

Designator Part Type Footprint Effekt Spänning Tolerans Övrigt

C1 22n RAD10.2 200 V 20% C2 100n 0805 50 V X7R 20% C3 100n 0805 50 V X7R 20% C4 330p 0805 50 V X7R 20% C5 100n 0805 50 V X7R 20% C6 1n 0805 50 V X7R 20% C7 100n 0805 50 V X7R 20% C8 1u 3216 16 V 20% Lågt ESR C9 10u 3216 16 V 20% D1 MBR1045 Schottky D2 BZD27C15 DIODE10 D3 1.5KE440A DO-201AD14 D4 BZD27C12 DIODE10 IC1 LM2901 SO-14 IC2 LM5110-3 SO-8 L1 Primär RAD5 R1 100k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R2 100k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R3 4.7k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R4 10 0805 0.125 W 5% 200 ppm R5 1k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R6 100k AXIAL10 0.6 W 5% 200 ppm R7 82k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R8 0.047 AXIAL10 1 W 5% R9 4.7k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R10 100k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R11 100k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R12 100k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R13 100k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R14 10k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R15 10k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R16 100 AXIAL10 1 W 5% T1 IRG4PC40W TO-247

n iv er si te t

o te k n ik Bila_g a 1 K o p p lin g ss ch em a o ch k o m p o n en tf ö rt ec k n in g B ila g a 1 s id a 3 (9 ) p p lin g ss ch em a p å s p ä n n in g sr eg le ri n g o ch b a tte ri la d d n in g i lå se t Sekundär +C11 100u/50V 22u + C15 3.3u +5V Batteri +3.3V Output 1 Sense 2 Shutdown 3 GND 4 Error* 5 Vtap 6 Feedback 7 Input 8 U2 LP2951 MBRS130 MBRS130 D3 MBRS130 C3 100n +5V Batteri C16 10n R3 100k R6 160k R2 100k C17 10n 3 C2 100n D6 Bas32 D7 Bas32 D8 Bas32 C12 1u R5 35V R1 100k C1 100n +_B1 4.8 V R10 10k C5 100n +7V +7V +5V Batteri Iset 1 GND 2 Iout 3 Vin 4 Enable 5 U3 LM3590 R30 12k T6 BSS138 R29 12k C13 1u +7V R18 2.2k T3 BC848 +7V R9 10k R24 1k +7V C18 10n C19 470u R31 10M +7V R8 10k R22 4.7k +7V +7V 5 4 2 3 1 2 IC1A LM2901 7 6 1 IC1B LM2901 D9 BZX84C4V7 R21 470 +7V +12V 9 8 14 IC1C LM2901 11 10 13 IC1D LM2901 +5V Batteri R17 2.2k T2 BC848 R7 10k GND 1 Trigger 2 Output 3 Reset 4 _{Control voltage} 5 Threshold 6 Discharge 7 VCC 8 IC2 LM555 +7V +7V C6 100n +7V C4 100n +7V

n iv er si te t

o te k n ik Bila_g a 1 K o p p lin g ss ch em a o ch k o m p o n en tf ö rt ec k n in g B ila g a 1 s id a 4 (9 ) p p lin g ss ch em a p å s ig n a lö ve rf ö ri n g en ti ll o ch fr å n lå se t S0 1 S1 2 S2 3 S3 4 VSS 5 PWM 6 LED* 7 VDD 8 IC3 HCS300 Enable 1 In 2 GND 3 VCC 4 GND 5 Antenn 6 U5 RTFQ1 V C C 1 G N D 2 D a ta i n ( A nt e nn ) 3 G N D 7 G N D 11 N C 12 R e c ie v ed s ig na l st re n g th o u tp u t 13 D a ta o ut 14 P o w er d o w n 15 U4 RRFQ1 LRNout 2 NC 3 MCLR* 4 GND 5 S0 6 S1 7 S2 8 S3 9 LRNin* 1 Sleep 11 CLK 12 Data 13 VDD 14 OSCout 15 OSCin 16 NC 17 RFin 18 Vlow 10 IC4 HCS512 VDD 1 V S S 2 RST* 3 U6 MCP100 S1 Learn button Dörr stängd Låskolv inne Låskolv ute

Låser upp dörren

R20 2.2k +3.3V D14 Aktiv D16 Låser upp dörren

D17 V low E1

ANTENN (Sändare - 3 signaler)

E2

ANTENN (Mottagare - Öppna dörren signal)

C8 100n +3.3V C7 100n +3.3V T4 BC848 R15 10k R27 1k R23 4.7k R28 1k R16 10k +3.3V +3.3V +3.3V VCC VCC +5V batteri +5V batteri +5V batteri C20 22p D15 Learn out R26 1k R25 1k +5V batteri C9 100n VCC C10 100n +5V batteri R4 100k Dörr öppen R14 10k 10k R12 10k R19 2.2k T5 BC848 D18 BZX84C5V1 R32 10 VCC +5V batteri +_C21 10u Bas16 Bas16 D11 Bas16 D13 Bas16

Tabell2: Komponentförteckning för låset

Designator Part Type Footprint Effekt Spänning Tolerans Övrigt

B1 4.8 V RAD5 4/V150HT C1 100n 0805 50 V X7R 20% C2 100n 0805 50 V X7R 20% C3 100n 0805 50 V X7R 20% C4 100n 0805 50 V X7R 20% C5 100n 0805 50 V X7R 20% C6 100n 0805 50 V X7R 20% C7 100n 0805 50 V X7R 20% C8 100n 0805 50 V X7R 20% C9 100n 0805 50 V X7R 20% C10 100n 0805 50 V X7R 20% C11 100u/50V RAD5 10x16 50 V 20% C12 1u 0805 5 V 20% C13 1u 0805 7 V 20%

C14 22u 6032 7 V 20% ESR < 3 ohm

C15 3.3u 3216 5 V 20% ESR < 5 ohm

C16 10n 0805 50 V X7R 20% C17 10n 0805 50 V X7R 20% C18 10n 0805 50 V X7R 20% C19 470u RAD5 7 V 20% C20 22p 0805 50 V X7R 20% C21 10u 3216 6 V 20% D1 MBRS130 SMB D2 MBRS130 SMB D3 MBRS130 SMB D4 MBRS130 SMB D5 BZD27C24 SOT-23D D6 Bas32 SOD-80 D7 Bas32 SOD-80 D8 Bas32 SOD-80 D9 BZX84C4V7 SOT-23D D10 Bas16 SOD-87 D11 Bas16 SOD-87 D12 Bas16 SOD-87 D13 Bas16 SOD-87 D14 Aktiv LED2.54

D15 Learn out LED2.54

D16 Låser upp dörren LED2.54

D17 V low LED2.54 D18 BZX84C5V1 SOT-23D IC1 LM2901 SO-14 IC2 LM555 SO-8 IC3 HCS300 DIP8A IC4 HCS512 SO-18W L1 Sekundär RAD5 R1 100k 0805 0.125 W 5% 200 ppm

R3 100k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R4 100k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R5 35V RAD5 5% 200 ppm R6 160k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R7 10k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R8 10k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R9 10k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R10 10k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R11 10k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R12 10k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R13 10k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R14 10k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R15 10k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R16 10k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R17 2.2k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R18 2.2k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R19 2.2k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R20 2.2k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R21 470 0805 0.125 W 5% 200 ppm R22 4.7k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R23 4.7k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R24 1k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R25 1k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R26 1k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R27 1k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R28 1k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R29 12k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R30 12k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R31 10M 0805 0.125 W 5% 200 ppm R32 10 1206 0.25 W 5% 200 ppm S1 Learn button B3SN-4 T1 EC103 TO-220A T2 BC848 SOT-23C T3 BC848 SOT-23C T4 BC848 SOT-23C T5 BC848 SOT-23C T6 BSS138 SOT-23A U1 LM9076 TO-263 6PIN U2 LP2951 SO-8 SEM U3 LM3590 SOT-23-5 U4 RRFQ1 RRFQ1 U5 RTFQ1 RTFQ1 U6 MCP100 SOT-23G

Figur 4: Kopplingsschema på spänningsreglering i styrenheten

+1

2

til

l +

24

V

+

C

9

3.

3u

+5 V +3 .3 V O ut pu t 1 Se ns e 2 Sh ut do w n 3 G N D 4 Er ro r* 5 V ta p 6 Fe ed ba ck 7 In pu t 8

U

5

LP

29

51

+5 V

D

8

M

BR

S1

30

L1

10

0u

H

+

C

8

10

00

u

V in 1 O ut 2 GN D 3 Fe ed ba ck 4 On */o ff 5

U

4

LM

25

76

-5

+

C

7

10

0u

C

5

10

0n

+5 V

C

10

10

n

R

15

10

0k

R

17

₁₆

0k

R

14

10

0k

C

11

₁₀

n

n iv er si te t

o te k n ik Bila_g a 1 K o p p lin g ss ch em a o ch k o m p o n en tf ö rt ec k n in g B ila g a 1 s id a 8 (9 ) p p lin g ss ch em a p å s ig n a lö ve rf ö ri n g en ti ll o ch fr å n s ty re n h et en S0 1 S1 2 S2 3 S3 4 _VSS 5 PWM 6 LED* 7 VDD 8 IC1 HCS300 Enable 1 In 2 GND 3 _VCC 4 GND 5 Antenn 6 U3 RTFQ1 V C C 1 G N D 2 D a ta i n (A nt e nn ) 3 G N D 7 G N D 11 N C 12 R e ci ev ed s ig na l st re n gt h ou tp ut 13 D a ta o ut 14 P o w er d o w n 15 U1 RRFQ1 LRNout 2 NC 3 MCLR* 4 GND 5 S0 6 S1 7 S2 8 S3 9 LRNin* 1 Sleep 11 CLK 12 Data 13 VDD 14 OSCout 15 OSCin 16 NC 17 RFin 18 Vlow 10 IC2 HCS512 VDD 1 V S S 2 RST* 3 U2 MCP100 S1 Learn button

Lås upp dörren utsignal

R5 2.2k +3.3V D1 Aktiv D6 Inne D7 V low E1

ANTENN (Sändare: Öppna dörren)

E2 ANTENN (Mottagare) C2 100n +3.3V C1 100n +3.3V T2 BC848 R2 10k R11 1k R16 4.7k R12 1k R3 10k +3.3V +3.3V +3.3V +5V +5V +5V +5V +5V C6 22p D2 Learn out R6 1k R8 1k +5V Dörr stängd insignal

Låskolv inne insignal Låskolv ute insignal

D5 Ute R10 1k D3 Dörr stängd R7 1k C3 100n +5V C4 100n +5V R13 100k Dörr öppen insignal D4 Dörr öppen R9 1k R1 10k R4 2.2k T1 BC848

Tabell3: Komponentförteckning för styrenheten

Designator Part Type Footprint Effekt Spänning Tolerans Övrigt

C1 100n 0805 50 V X7R 20% C2 100n 0805 50 V X7R 20% C3 100n 0805 50 V X7R 20% C4 100n 0805 50 V X7R 20% C5 100n 0805 50 V X7R 20% C6 22p 0805 50 V X7R 20% C7 100u 6032 25 V 20% Lågt ESR

C8 1000u RAD5 10x16 5 V 20% Lågt ESR

C9 3.3u 3216 5 V 20% ESR < 5 ohm

C10 10n 0805 50 V X7R 20%

C11 10n 0805 50 V X7R 20%

D1 Aktiv LED2.54

D2 Learn out LED2.54

D3 Dörr stängd LED2.54 D4 Dörr öppen LED2.54 D5 Ute LED2.54 D6 Inne LED2.54 D7 V low LED2.54 D8 MBRS130 SMB IC1 HCS300 DIP8A IC2 HCS512 SO-18W

L1 100uH RAD5.08 ind

R1 10k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R2 10k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R3 10k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R4 2.2k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R5 2.2k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R6 1k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R7 1k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R8 1k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R9 1k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R10 1k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R11 1k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R12 1k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R13 100k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R14 100k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R15 100k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R16 4.7k 0805 0.125 W 5% 200 ppm R17 160k 0805 0.125 W 5% 200 ppm S1 Learn button B3SN-4 T1 BC848 SOT-23C T2 BC848 SOT-23C U1 RRFQ1 RRFQ1 U2 MCP100 SOT-23G U3 RTFQ1 RTFQ1 U4 LM2576-5 TO-263 6PIN U5 LP2951 SO-8

E-kärna EFD-kärna

EI-kärna EC-kärna

EQ-kärna EPX-kärna

RM-kärna

Tabell1: Beräkning av magnetiskt flöde och induktans vid olika luftgap samt lindningsutrymme på olika ferritkärnor. Beräkningarna är gjorda på spolar lindade med 60 varv och 0.23 A.

Från datablad Beräknat Mekaniska mått från datablad Beräknat Kärna µi Ie [mm] kärnfaktor G [mm] µe B [mT] L [µH] b1 [mm] b2 [mm] längd [mm] Max lindningsarea [mm2] E25/13/7 N87 1620 57,5 1100 10 5,73 1,73 24 17,5 7,5 8,7 43,5 E25/13/7 N87 1620 57,5 1100 7 8,17 2,46 34 17,5 7,5 8,7 43,5 E25/13/7 N87 1620 57,5 1100 1 55,53 16,75 228 17,5 7,5 8,7 43,5 E25/13/7 N30 2530 57,5 1100 10 5,74 1,73 24 17,5 7,5 8,7 43,5 E25/13/7 N30 2530 57,5 1100 7 8,19 2,47 34 17,5 7,5 8,7 43,5 E25/13/7 N30 2530 57,5 1100 1 56,22 16,96 231 17,5 7,5 8,7 43,5 E25.4/10/7 N87 1690 49,2 1270 10 4,91 1,73 17 18,8 6,5 6,48 39,8 E25.4/10/7 T46 8570 49,2 1270 10 4,92 1,73 18 18,8 6,5 6,48 39,8 E25.4/10/7 T46 8570 49,2 1270 7 7,02 2,48 25 18,8 6,5 6,48 39,8 E25.4/10/7 T46 8570 49,2 1270 1 48,92 17,24 174 18,8 6,5 6,48 39,8 EFD15/13/9 N87 1560 57 980 10 5,68 1,73 26 18,7 11,4 9,3 33,9 EFD15/13/9 N87 1560 57 980 7 8,10 2,46 37 18,7 11,4 9,3 33,9 ETD29/16/10 N87 1610 70,4 930 10 7,01 1,73 34 22 9,8 10,7 65,3 ETD29/16/10 N87 1610 70,4 930 7 9,99 2,46 49 22 9,8 10,7 65,3 E20/14/5 3C90 1820 62 2520 10 6,18 1,73 11 14,3 4,55 11,15 54,4 E20/14/5 3C90 1820 62 2520 7 8,81 2,47 16 14,3 4,55 11,15 54,4 E20/14/5 3C90 1820 62 2520 1 59,96 16,77 108 14,3 4,55 11,15 54,4 E21/9/5 N30 2390 43,4 2010 10 4,33 1,73 10 16 5 6 33,0 E16/12/5 3C90 1810 55,3 2850 10 5,51 1,73 9 12 4 4,85 19,4

Den effektiva permeabiliteten, µe beräknas enligt: i e i e I G _µ µ µ ⋅ + = 1

där G är luftgapet och Ie är den effektiva magnetiska spårlängden.

Flödestätheten beräknas enligt:

e e I I N B=µ₀⋅µ ⋅ ⋅

där N är varvtalet, I är strömmen och Ie är den effektiva magnetiska spårlängden.

Induktansen beräknas enligt:

e e e A I N L / 0 2 Σ ⋅ ⋅ = µ µ där ΣIe/Ae är kärnfaktorn.