ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ. Να δίνετε τον ορισμό των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων αυτοματισμού.

Transcript

1 Ενότητα 2.5 Κεφάλαιο 2 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ ΣΤΟΧΟΙ Μετά την ολοκλήρωση της ενότητας αυτής θα μπορείτε: Να δίνετε τον ορισμό των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων αυτοματισμού. Να αναγνωρίζετε βασικά ηλεκτρονικά εξαρτήματα από τα σύμβολά τους. Να αναφέρετε τα δομικά στοιχεία των ηλεκτρονικών αυτοματισμών. Εισαγωγή Tα σπουδαιότερα και περισσότερο ενδιαφέροντα ηλεκτρονικά εξαρτήματα είναι φτιαγμένα από κατάλληλα επεξεργασμένους κρυστάλλους που ονομάζονται ημιαγωγοί. Η αξιοποίηση των δυνατοτήτων των ημιαγωγών επέφερε ραγδαίες τεχνολογικές εξελίξεις σε εφαρμογές στη βιομηχανία, στις τηλεπικοινωνίες, στην ιατρική, στη διαστημική τεχνολογία κλπ. Πεδίο εφαρμογών των ηλεκτρονικών αποτελεί ο αυτοματισμός λειτουργιών, που θα ήταν ίσως αδύνατες μόνο με την ανθρώπινη παρέμβαση. Χαρακτηριστικά παραδείγματα καθημερινής χρήσης συσκευών με ηλεκτρονικά εξαρτήματα, είναι η τηλεόραση, το ραδιόφωνο, ο ηλεκτρονικός υπολογιστής κλπ. Ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας ένας ημιαγωγός συμπεριφέρεται άλλοτε σαν μονωτής και άλλοτε σαν αγωγός. Εξαρτήματα που είναι κατασκευασμένα από ημιαγώγιμα υλικά, μπορούν να λειτουργούν κάτω από δύσκολες συνθήκες περιβάλλοντος, δεν απαιτούν κάποιο σύστημα προθέρμανσης, καταναλώνουν πολύ μικρότερη ενέργεια, έχουν πολύ μικρό βάρος και όγκο και κοστίζουν πολύ λιγότερο, συγκρινόμενα με εξαρτήματα προηγούμενης τεχνολογίας (ηλεκτρονικές λυχνίες). 1

2 Σχ Μορφή ηλεκτρονικών εξαρτημάτων Υπάρχουν διάφορα ημιαγώγιμα υλικά, αλλά αυτό που κυρίως χρησιμοποιείται είναι το πυρίτιο. Το στοιχείο αυτό μετά το οξυγόνο είναι το πιο διαδεδομένο στοιχείο στη φύση και συναντάται πάντα με τη μορφή προσμίξεων κυρίως στην άμμο. Ο καθαρός κρύσταλλος πυριτίου είναι ηλεκτρικά ουδέτερος. Με κατάλληλη χημική διεργασία όμως (εμπλουτισμός) μπορεί ο καθαρός κρύσταλλος πυριτίου να αποκτήσει πλεόνασμα ηλεκτρονίων (Ν τύπος) ή έλλειμμα ηλεκτρονίων (Ρ τύπος). Και οι δύο τύποι μπορούν να λειτουργήσουν σαν αντίσταση και να άγουν ηλεκτρικό ρεύμα σε κάθε διεύθυνση. Τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα με κατάλληλες συνδεσμολογίες ορίζουν τα ηλεκτρονικά κυκλώματα. Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα ελέγχουν, δημιουργούν, δέχονται, διαμορφώνουν, κωδικοποιούν, φιλτράρουν, ανορθώνουν, μετατρέπουν, διακόπτουν και επεξεργάζονται τα ηλεκτρικά σήματα. Τα ηλεκτρικά σήματα με την κατάλληλη λογική ακολουθία ή πρόγραμμα (λογισμικό), σε συνδυασμό με τα ηλεκτρονικά κυκλώματα συνθέτουν τα ηλεκτρονικά κυκλώματα αυτοματισμού. 2

3 ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΩΝ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΔΙΟΔΟΣ Η χημική σύνθεση ενός ημιαγωγού τύπου Ν και ενός τύπου Ρ σε ένα ενιαίο εξάρτημα επιτρέπει τη ροή των ηλεκτρονίων μόνο κατά τη μία διεύθυνση. Το εξάρτημα αυτό ονομάζεται κρυσταλλοδίοδος ή απλά δίοδος. Η δίοδος έχει δύο ακροδέκτες: την άνοδο (Α) και την κάθοδο (Κ). P N A K Δομή της διόδου Σύμβολο διόδου Πραγματική μορφή διόδου Σχ Δομή, σύμβολο, μορφή διόδου 3

4 Συμπεριφορά διόδου σε ηλεκτρικό κύκλωμα (Λειτουργία) Η εφαρμογή τάσης στα άκρα ενός εξαρτήματος ονομάζεται πόλωση. Κάθε ηλεκτρική κατανάλωση ονομάζεται φορτίο. Φορτίο του κυκλώματος που ακολουθεί, είναι ο λαμπτήρας και η πόλωσή του εξασφαλίζεται από την πηγή τροφοδοσίας. Σχ Κύκλωμα ορθής πόλωσης διόδου Στο κύκλωμα αυτό ο θετικός πόλος της πηγής συνδέεται με τον Ρ (θετικό) ακροδέκτη της διόδου και ο Ν (αρνητικός) ακροδέκτης της διόδου μέσω του λαμπτήρα (φορτίο) τροφοδοτείται από τον αρνητικό πόλο της πηγής. Αυτό το είδος συνδεσμολογίας ονομάζεται ορθή πόλωση. Η δίοδος όταν πολώνεται ορθά, συμπεριφέρεται σαν ένας διακόπτης σε θέση ΟΝ. Δηλαδή άγει, ο λαμπτήρας διαρρέεται από ρεύμα και φωτοβολεί. Σχ Κύκλωμα ανάστροφης πόλωσης διόδου 4

5 Αν ο θετικός πόλος της πηγής συνδεθεί με τον Ν (αρνητικό) ακροδέκτη της διόδου και ο Ρ (θετικός) ακροδέκτης της διόδου μέσω του λαμπτήρα (φορτίο) συνδεθεί με τον αρνητικό πόλο της πηγής, η δίοδος συμπεριφέρεται σαν ένας διακόπτης σε θέση OFF. Το κύκλωμα δεν διαρρέεται από ρεύμα και ο λαμπτήρας δε φωτοβολεί. Αυτό το είδος συνδεσμολογίας της διόδου ονομάζεται ανάστροφη πόλωση. Κύρια εφαρμογή της διόδου είναι η ανόρθωση. Δηλαδή η μετατροπή του εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) σε συνεχές (DC). Σχ Πραγματικές μορφές διόδων 5

6 2.5.2 ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΤΡΙΟΔΟΣ (TRANSISTOR TRANS fer res ISTOR) Το transistor (TR) είναι εξάρτημα 3 στρώσεων ημιαγώγιμων υλικών τύπου Ν και Ρ. Ανάλογα με την διαστρωμάτωση διακρίνεται στους τύπους ΝΡΝ και ΡΝΡ.Έχει 3 ακροδέκτες που ονομάζονται εκπομπός (e), βάση (b), και συλλέκτης (c). Χρησιμοποιείται είτε σαν ηλεκτρικός διακόπτης, είτε σαν ενισχυτική διάταξη. Σχ Δομή και συμβολισμός transistor. 6

7 Σχ Μορφές transistor ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Η κατάληξη istor σε εξαρτήματα π.χ transistor, thyristor, thermistor, varistor δηλώνει ότι το εξάρτημα συνίσταται από ημιαγώγιμο υλικό. 7

8 2.5.3 ΘΥΡΙΣΤΟΡ Η λέξη Thyristor προέρχεται από τη λέξη θύρα, που δείχνει την έννοια του ανοικτού ή του κλειστού. Τα θυρίστορ είναι ημιαγώγιμα εξαρτήματα τεσσάρων ημιαγωγών τύπου Ρ και τύπου Ν. Είναι κρυσταλλικοί διακόπτες των οποίων οι δύο καταστάσεις (αγωγιμότητα-διακοπή) ελέγχονται εξωτερικά. Χρήσεις: Όπου απαιτείται έλεγχος πολύ μεγάλων ρευμάτων, όπως είναι ο έλεγχος ηλεκτρικών χαρακτηριστικών κινητήρα (στροφές, ροπή, ισχύς), θερμοκρασίας, φωτισμού, φόρτισης συσσωρευτών. Επίσης χρησιμοποιείται ευρέως σε κυκλώματα ελεγχόμενης τριφασικής ανόρθωσης. Δεν έχουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν σε κυκλώματα ενισχυτικών διατάξεων. Αντιπροσωπευτικότεροι τύποι των θυρίστορ είναι ο SCR Silicon Controller Rectifier (ελεγχόμενος ανορθωτής πυριτίου), το DIAC Diode Alternating Current (Δίοδος εναλλασσόμενου ρεύματος) και το TRIAC Triode Alternate Current (Τρίοδος εναλλασσόμενου ρεύματος). Σχ Δομή και σύμβολα θυρίστορ 8

9 Συστήματα συναγερμού (ασφαλείας). Ο άνθρωπος ανέκαθεν είχε την ανάγκη φύλαξης χώρων. Μέχρι και σήμερα σε πολλές περιπτώσεις επιτυγχάνεται με την ανθρώπινη παρουσία (φύλακας). Η τεχνολογία που αναπτύχθηκε τα τελευταία χρόνια τείνει να αντικαταστήσει τον άνθρωπο με αυτοματοποιημένα συστήματα. Ο συνδυασμός αισθητηρίων, συσκευών επικοινωνίας και πίνακα ελέγχου, που με την κατάλληλη συνδεσμολογία και λογισμικό (πρόγραμμα), παρακολουθεί και επιτηρεί ένα χώρο, αποτελεί ένα ολοκληρωμένο σύστημα συναγερμού. Τα συστήματα συναγερμού (ασφαλείας) χρησιμοποιούνται σε κατοικίες, καταστήματα, εργοστάσια, γραφεία, δημόσια κτίρια, τράπεζες και γενικά σε χώρους όπου απαιτείται φύλαξη. Ο ηλεκτρολόγος εγκαταστάτης λαμβάνει υπόψη του τα σημεία που είναι πιθανά να γίνει διάρρηξη και αποφασίζει ποια σημεία πρέπει να «παγιδεύσει». Η παγίδευση πόρτας ή παραθύρου γίνεται με κατάλληλο μαγνητικό διακόπτη εξωτερικό ή χωνευτό. Ο μαγνητικός διακόπτης αποτελείται από δύο μέρη. Το ένα τοποθετείται στο πλαίσιο της πόρτας ή του παραθύρου (κάσα), όπου γίνεται και η σύνδεση των καλωδίων του διακόπτη. Το άλλο μέρος που είναι ένας μαγνήτης, τοποθετείται στο κινούμενο μέρος της πόρτας ή του παραθύρου ακριβώς απέναντι από το σταθερό σε πολύ μικρή απόσταση, έτσι ώστε να μην εμποδίζει το άνοιγμα της πόρτας ή του παραθύρου. Τοποθετούνται μαγνητικοί διακόπτες, όσοι είναι αναγκαίοι αρκεί να συνδεσμολογηθούν σε σειρά. Σχ Εγκατάσταση συναγερμού σε κατοικία 9

10 Σε ένα κτίριο δεν τοποθετούνται όλοι οι μαγνητικοί διακόπτες σε μια γραμμή που να καταλήγει στον πίνακα ελέγχου, αλλά συνδέονται κατά ομάδες, οι οποίες ονομάζονται ζώνες. Με αυτόν τον τρόπο πετυχαίνεται καλύτερος έλεγχος. Στα παράθυρα τοποθετείται συνήθως μαγνητικός διακόπτης και στο εξωτερικό και στο εσωτερικό τους φύλλο. Έτσι μπορεί να δημιουργηθούν δύο ζώνες ασφαλείας, μία η εξωτερική ή περιμετρική και μία εσωτερική. Για την παγίδευση χώρων έχει επικρατήσει η χρήση ανιχνευτή παθητικής υπέρυθρης ακτινοβολίας (ραντάρ υπέρυθρων παθητικών ακτίνων). Η λειτουργία τους στηρίζεται στην ιδιότητα των σωμάτων να εκπέμπουν θερμότητα με τη μορφή υπέρυθρης ακτινοβολίας. Όταν εισέλθει άτομο στο χώρο, διαταράσσεται η θερμική ισορροπία, διεγείρεται ο αισθητήρας και στέλνει σήμα στον πίνακα ελέγχου. Οι συσκευές σήμανσης (σειρήνες) τοποθετούνται σε κατάλληλες θέσεις. Όλα τα καλώδια από τα αισθητήρια καταλήγουν στον πίνακα συναγερμού, ο οποίος τοποθετείται σε κεντρικό σημείο. Οι δομικές μονάδες ενός συστήματος συναγερμού είναι : α) Το κέντρο ελέγχου (πίνακας συναγερμού) β) Συσκευές ανίχνευσης (αισθητήρια) γ) Συσκευές σήμανσης συναγερμού (σειρήνα) δ) Συσκευές επικοινωνίας (αυτόματος τηλεφωνητής, modem) 10

11 ΣΕΙΡΗΝΑ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟΥ ΧΩΡΟΥ ΣΕΙΡΗΝΑ ΕΞΩΤΕΡΙΚΟΥ ΧΩΡΟΥ 220 VAC ΚΕΝΤΡΟ ΕΛΕΓΧΟΥ (ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΝΑΓΕΡΜΟΥ) MODEM ΑΥΤΟΜΑΤΟΣ ΤΗΛΕΦΩΝΗΤΗΣ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗΣ 12 VDC ΠΛΗΚΤΡΟΛΟΓΙΟ Ή ΚΛΕΙΔΑΡΙΑ ΚΡΟΥΣΤΙΚΕΣ ΕΠΑΦΕΣ ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ ΘΡΑΥΣΕΩΣ ΥΑΛΟΠΙΝΑΚΩΝ ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΕΠΑΦΕΣ ΥΠΕΡΥΘΡΟΙ ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΑΙΣΘΗΤΗΡΙΑ Σχ Διάγραμμα λειτουργίας συστήματος συναγερμού. α) Κέντρο ελέγχου : είναι η μονάδα που επεξεργάζεται τα σήματα που λαμβάνει από τα αισθητήρια και δίνει τις κατάλληλες εντολές στις συσκευές σήμανσης συναγερμού. Επικοινωνεί μέσω του τηλεφωνικού δικτύου με αυτόματο τηλεφωνητή ή modem με τον ιδιοκτήτη ή την εταιρεία φύλαξης. Βασικό εξάρτημα ενός κέντρου ελέγχου είναι ο επεξεργαστής. β) Συσκευές ανίχνευσης : Είναι τα εξαρτήματα που σκοπό έχουν να επιτηρούν το χώρο. Διακρίνονται : 1. σε επαφές κρουστικές και επαφές μαγνητικές για τον έλεγχο της 11

12 κατάστασης θυρών και παραθύρων (ανοικτά-κλειστά). 2. ανιχνευτές κίνησης. Υπάρχουν δύο είδη ανιχνευτών κίνησης (radar). Οι ανιχνευτές μικροκυμάτων και οι ανιχνευτές υπέρυθρων παθητικών ακτινών. γ) Συσκευές σήμανσης συναγερμού. Υπάρχουν δύο είδη : 1. Εσωτερικού χώρου, που είναι ηλεκτρονικές σειρήνες πανικού, με ήχο μεταβαλλόμενο σε συγκεκριμένες συχνότητες, για να προκαλούν πανικό. 2. Εξωτερικού χώρου, που είναι ισχυρές ηλεκτρονικές σειρήνες πανικού, τοποθετημένες σε κατάλληλο μεταλλικό κουτί, με φωτεινό επαναλήπτη. Οι σειρήνες αυτές έχουν δυνατότητα αυτοπροστασίας και αυτοτροφοδοσίας. Δηλαδή αυτοδιεγείρονται, όταν γίνει προσπάθεια παραβίασής τους και σε περίπτωση που για κάποιο λόγο δεν τροφοδοτηθούν από το κέντρο ελέγχου, υποστηρίζεται η λειτουργία τους από αυτόνομο σύστημα συσσωρευτών που διαθέτουν. δ) Συσκευές επικοινωνίας : 1. Είναι ο αυτόματος τηλεφωνητής που με προγραμματισμό εγγράφονται στη μνήμη του τηλέφωνα άμεσης επέμβασης όπως της αστυνομίας, της εταιρείας φύλαξης ή του ιδιοκτήτη καθώς και το μήνυμα συναγερμού. 2. Το modem είναι η συσκευή που συνδέει το κέντρο ελέγχου με την εταιρεία φύλαξης μέσω της τηλεφωνικής γραμμής και της επιτρέπει να έχει τον πλήρη έλεγχο του συστήματος από απόσταση. Περιγραφή λειτουργίας: Οι επαφές και τα αισθητήρια συνδέονται με κατάλληλα καλώδια κατά ζώνες και μεταξύ τους σε σειρά με τον πίνακα ελέγχου. Αν για οποιαδήποτε αιτία η επαφή ενεργοποιηθεί όπως άνοιγμα πόρτας, θραύση υαλοπίνακα ή κίνηση ατόμου εντός του χώρου επιτήρησης, τότε ηλεκτρική εντολή (άνοιγμα επαφής) δίνεται στον πίνακα ελέγχου. Ο πίνακας ελέγχου επεξεργάζεται την ηλεκτρική εντολή και ανάλογα με τον προγραμματισμό δίνει εντολή να ενεργοποιηθούν οι σειρήνες ή ο αυτόματος τηλεφωνητής ή το modem ή όλα ταυτόχρονα. Επειδή σε κάθε χρονική στιγμή το σύστημα αυτοελέγχεται είναι ένα κλειστό σύστημα αυτοματισμού. 12

13 ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ Οι ηλεκτρονικοί αυτοματισμοί είναι ένα από τα πλέον αναπτυσσόμενα πεδία «υψηλής τεχνολογίας». Οι τεράστιες δυνατότητες των ημιαγωγών με τη χρησιμοποίησή τους στα ηλεκτρονικά κυκλώματα βρίσκουν ευρύ πεδίο εφαρμογών και στον τομέα του αυτοματισμού. Εξαρτήματα όπως είναι η κρυσταλλοδίοδος, το transistor και το θυρίστορ χρησιμοποιούνται για να ελέγχουν και να επεξεργάζονται κάθε μορφής ηλεκτρικά σήματα. Χρησιμοποιούνται σε βιομηχανικές αλλά και σε οικιακές εφαρμογές. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ 1. Εξηγήσατε τον όρο ηλεκτρονικός αυτοματισμός. 2. Σχεδιάσατε κύκλωμα ορθής και ανάστροφης πόλωσης. 3. Αναφέρατε τις κυριότερες χρήσεις ενός transistor. 4. Αναφέρατε δομικά στοιχεία ηλεκτρονικών αυτοματισμών και σχεδιάσατε τα σύμβολά τους. ΕΡΓΑΣΙΑ Περιγράψατε την εγκατάσταση συναγερμού που απαιτείται σε χώρο που γνωρίζετε (π.χ. κατοικία, σχολικό εργαστήριο, κατάστημα κλπ). 13