ΑΥΤΟΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΣ ΙΑΚΟΠΤΗΣ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΥΤΟΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΟΣ ΙΑΚΟΠΤΗΣ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΤΟΠΤΣΙ ΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ Επιβλέπων καθηγητής: Π. Ν. ΜΙΚΡΟΠΟΥΛΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2006

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Το παρόν σύγγραµµα αποτελεί τη διπλωµατική µου εργασία που εκπονήθηκε στο πλαίσιο του γενικότερου ερευνητικού προγράµµατος Επιφανειακή διηλεκτρική αντοχή µονωτικών υλικών στον αέρα του ΕΥΤ του τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ. Σκοπός αυτής της διπλωµατικής εργασίας είναι η κατασκευή ενός αυτόµατου διακόπτη υψηλής τάσης. Η έννοια του αυτοµατισµού της κατασκευής έγκειται στην βελτιστοποίηση της λειτουργίας του υφιστάµενου διακόπτη ώστε ο διακόπτης να επιτελεί την επιθυµητή λειτουργία µε µία µόνο εντολή και να µην επηρεάζει µε την λειτουργία του το σύστηµα µέτρησης στο οποίο ανήκει. Το περιεχόµενο της παρούσας εργασίας διαρθρώνεται ως εξής: Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται σύντοµη περιγραφή της βασικής λειτουργίας και των τεχνικών χαρακτηριστικών του διακόπτη ΥΤ που χρήζει βελτίωσης. Στο δεύτερο και τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται οι βασικές απαιτήσεις για τη σχεδίαση του αυτόµατα ελεγχόµενου διακόπτη ΥΤ και γίνεται ανάλυση της τελικής κατασκευής του περιγράφοντας αναλυτικά τα τεχνικά χαρακτηριστικά του, τα βοηθητικά του κυκλώµατα και τη λειτουργία του. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρατίθεται η σχετική βιβλιογραφία και τέλος στο πέµπτο κεφάλαιο περιέχονται τα Παραρτήµατα των ηλεκτρολογικών σχεδίων, τεχνικών χαρακτηριστικών και των διαγραµµάτων καλωδιώσεων. Στο σηµείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή µου κ. Π.Ν. Μικρόπουλο, για την βοήθεια που µου προσέφερε καθώς και για την ανοχή του στις καταστροφές που προκάλεσα κατά την διάρκεια κατασκευής των δοκιµίων. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Ε..Τ.Π. κ.. Ζιάκα για τις χρήσιµες τεχνικές οδηγίες και λύσεις που µου παρείχε. Τέλος, ευχαριστώ τους υποψήφιους διδάκτορες κ. Π. Μαυροειδή, Λ. Λαζαρίδη, Θ. Τσοβίλη και Βάνα Σαρηγιαννίδου για τις συζητήσεις που είχαµε. 2

ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1. Εισαγωγή... 4 1.1 Γεννήτρια παραγωγής τετραγωνικών παλµών... 4 1.2 Χωρητικός καταµεριστής τάσης... 6 2. Βασικές αρχές σχεδίασης του διακόπτη ΥΤ... 7 3. Κατασκευή του διακόπτη ΥΤ... 7 3.1 Περιγραφή του διακόπτη... 7 3.2 Κύκλωµα τροφοδοσίας κινητήρα... 10 3.3 Κύκλωµα αίσθησης διάσπασης... 12 3.4 ιέγερση (INPUT) από τον χωρητικό καταµεριστή... 18 3.5 Τρόπος λειτουργίας του διακόπτη υψηλής τάσης... 19 4. Συµπεράσµατα... 22 5. Βιβλιογραφία... 23 6. Παραρτήµατα... 24 6.1 Ηλεκτρολογικά σχέδια... 24 6.2 Σχέδια καλωδιώσεων (Wiring diagrams)... 26 6.3 Data sheets ηλεκτρονικών εξαρτηµάτων... 28 3

4

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Γεννήτρια παραγωγής τετραγωνικών παλµών Στο Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του Α.Π.Θ. υπάρχει η δυνατότητα παραγωγής τετραγωνικών παλµών υψηλής τάσης µέσω µιας γεννήτριας Pulfrey. Η γεννήτρια αυτή χρησιµοποιείται για την δηµιουργία νηµατίων και κατόπιν την διερεύνηση των ιδιοτήτων τους όταν αυτά αναπτύσσονται σε οµοιογενές πεδίο στον αέρα ή κατά µήκος µονωτήρων [1, 2, 3]. Το κύκλωµα της γεννήτριας φαίνεται στο σχ.1 που ακολουθεί. Σχήµα1: Γεννήτρια Pulfrey Η λειτουργία της γεννήτριας βασίζεται στην εκφόρτιση ενός καλωδίου υψηλής τάσης σε ένα άλλο αφόρτιστο [4]. Η εκφόρτιση του φορτισµένου καλωδίου γίνεται µε χρήση ενός διακόπτη υψηλής τάσης. Ο διακόπτης αυτός είναι στην ουσία ένα διάκενο ράβδου ράβδου µε ηµισφαιρικές απολήξεις, στο οποίο η µία ράβδος είναι κινούµενη και η άλλη σταθερή. Η κίνηση της ράβδου αυτής γίνεται µε την βοήθεια ενός κινητήρα τον οποίο χειριζόµαστε από απόσταση µέσω µιας κονσόλας χειρισµού, που πλησιάζει και αποµακρύνει τα ηλεκτρόδια. Μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων επιβάλλεται τάση και τα ηλεκτρόδια κινούνται µέχρι να συµβεί η διάσπαση του διακένου. Μόλις δηµιουργηθεί ο σπινθήρας το διάκενο αρχίζει να αυξάνεται µετά από χειρισµό, µέσω της οπισθοδρόµησης του κινούµενου ηλεκτροδίου, αποτρέποντας την δηµιουργία πολλαπλών διασπάσεων. Αρχικά ο διακόπτης είναι ανοιχτός, η πρώτη γραµµή φορτισµένη υπό τάση V µεταβλητού εύρους, ενώ η δεύτερη αφόρτιστη. Όταν µέσω του συστήµατος κίνησης της µιας ράβδου πλησιάσουµε τα ηλεκτρόδια, το φορτισµένο καλώδιο των 7.5 m εκφορτίζεται στο µεγαλύτερο καλώδιο, παράγεται ένας 5

τετραγωνικός παλµός διάρκειας 180 ns µε ρυθµό ανόδου 30 ns ο οποίος οδεύει κατά µήκος του δευτέρου καλωδίου και φτάνει στην ακίδα. Η διάρκεια του παλµού εξαρτάται από το µήκος του πρώτου καλωδίου και το εύρος του παλµού από το εύρος της εφαρµοζόµενης τάσης. Πιο συγκεκριµένα, όταν ο διακόπτης κλείσει, ένας παλµός τάσης V/2 οδεύει κατά µήκος του καλωδίου των 30m, ενώ ταυτόχρονα ένας άλλος παλµός τάσης ίσος µε V/2 οδεύει προς την γεννήτρια. Μόλις φτάσει στην γεννήτρια ανακλάται χωρίς αντιστροφή τάσης και µηδενίζει το δυναµικό της γραµµής. Έτσι όταν ο παλµός ξαναφτάσει στον διακόπτη ο οποίος παραµένει κλειστός, ο παλµός στο καλώδιο των 30m µηδενίζεται. Με τον τρόπο αυτό δηµιουργείται ένας παλµός µε διάρκεια (2Lc)/Vc (s), όπου Lc το µήκος του αρχικά φορτισµένου καλωδίου. Όσον αφορά το εύρος του παλµού συµβαίνουν τα εξής. Όταν ο παλµός µε εύρος V/2 φτάσει στην αντίσταση προσαρµογής των 50Ω θα εφαρµοστεί παλµός τάσης εύρους V/4 στην ακίδα. Η αντίσταση προσαρµογής είναι κατασκευασµένη από 4 αλυσίδες αντιστάσεων άνθρακα σε σειρά. Η κάθε αλυσίδα αποτελείται από 5 αντιστάσεις των 39 Ω και µία των 5 Ω. 1.2 Χωρητικός καταµεριστής Ο παλµός που δηµιουργείται µετριέται µε την βοήθεια ενός αυτοσχέδιου χωρητικού καταµεριστή (C/D) ο οποίος έχει κατασκευασθεί µε τον ακόλουθο τρόπο και απεικονίζεται στο Σχ.2. Σε απόσταση µισού µέτρου από την ακίδα στην άκρη του καλωδίου αφαιρέθηκε ένα κοµµάτι της εξωτερικής µόνωσης του καλωδίου µήκους 3cm, στην συνέχεια κόπηκε ο µανδύας του καλωδίου χωρίς όµως να αφαιρεθεί και τυλίχθηκε λεπτό φύλλο χαλκού γύρω από το µονωτικό του καλωδίου. Έτσι ανάµεσα σε αυτό και στον κεντρικό αγωγό προέκυψε πυκνωτής µε διηλεκτρικό την εσωτερική µόνωση του καλωδίου, ο πυκνωτής υψηλής τάσης του χωρητικού καταµεριστή C1. Ως πυκνωτής χαµηλής τάσης C2 χρησιµοποιήθηκε η χωρητικότητα του καλωδίου που οδεύει προς τον παλµογράφο σε σειρά µε ειδικό θωρακισµένο κιβώτιο µε χωρητικότητα 6

Σχήµα 2: Xωρητικός καταµεριστής τάσης (C/D) κατάλληλης τιµής, ώστε ταυτόχρονα να απαλλάσσεται το σήµα από τον θόρυβο και να είναι δυνατή η ευκρινής απεικόνιση του στον παλµογράφο. Το εύρος του δηµιουργούµενου παλµού υπολογίζεται από τον λόγο καταµερισµού του χωρητικού καταµεριστή και την τάση του πυκνωτή χαµηλής το µέτρο της οποίας απεικονίζεται στον παλµογράφο (DSO). Όπως προκύπτει από την περιγραφή του διακόπτη υψηλής τάσης, που προηγήθηκε, ο διακόπτης πρέπει να ελέγχεται µε ακρίβεια από τον χειριστή ώστε να εξασφαλίζεται ότι µόνο ένας παλµός υψηλής τάσης παράγεται σε κάθε χειρισµό. Η προϋπόθεση αυτή είναι ιδιαίτερα σηµαντική διότι ο τετραγωνικός παλµός υψηλής τάσης, µέσω χωρητικού καταµεριστή(βλ. σχ.1 C/D), χρησιµοποιείται για τον σκανδαλισµό ψηφιακού παλµογράφου που καταγράφει φαινόµενα που σχετίζονται µε την ανάπτυξη του νηµατίου σε οµοιογενές ηλεκτρικό πεδίο. Ο µη αυτόµατος έλεγχος είναι επίπονος και δεν ικανοποιούσε πλήρως τις παραπάνω προδιαγραφές αφού η ορθή λειτουργία του απαιτούσε έµπειρό χειριστή, γι αυτό έγινε προσπάθεια κατασκευής ενός αυτοµάτου διακόπτη υψηλής τάσης. 7

2. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΣΧΕ ΙΑΣΗΣ ΤΟΥ ΙΑΚΟΠΤΗ ΥΤ Σύµφωνα µε τις απαιτήσεις της εφαρµογής ο αυτόµατος διακόπτης υψηλής τάσης θα πρέπει : 1.να αντιλαµβάνεται τον σπινθήρα και να αποµακρύνει το κινούµενο ηλεκτρόδιο αποτρέποντας την δηµιουργία πολλαπλών διασπάσεων. 2. να είναι λειτουργικός για τον χειριστή και, 3.να είναι απλός στην κατασκευή και εύκολα επισκευάσιµος αν απαιτηθεί. 3. ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΙΑΚΟΠΤΗ ΥΨΗΛΗΣ 3.1 Περιγραφή του διακόπτη Ο διακόπτης που κατασκευάστηκε φαίνεται στην φωτογραφία που ακολουθεί. ιακόπτης Υψηλής Τάσης Ο διακόπτης είναι ένα διάκενο ράβδου ράβδου µε ηµισφαιρικές απολήξεις, στο οποίο η µία ράβδος είναι κινούµενη και η άλλη σταθερή. Στα άκρα του 8

διακόπτη εφαρµόζεται ΣΥΤ και κατά τη λειτουργία του, το διάκενο αέρα µεταξύ των δύο ράβδων µειώνεται µέχρι το σηµείο που θα δηµιουργηθεί σπινθήρας κατά την διάσπαση του. Το µήκος του διακένου δεν είναι σταθερό αφού η τιµή της εφαρµοζόµενης τάσης µπορεί να ποικίλει. Μόλις δηµιουργηθεί σπινθήρας ο διακόπτης αυξάνει το µήκος του διακένου ώστε να αποτρέπει την δηµιουργία πολλαπλών διασπάσεων. Ο αυτοµατισµός που επιβάλει στον διακόπτη αυτή την λειτουργία βασίζεται σε ένα κύκλωµα αίσθησης του σπινθήρα το οποίο δίνει εντολή οπισθοδρόµησης στον κινητήρα µε αντιστροφή πολικότητας στην τάση τροφοδοσίας του. Αυτό το κύκλωµα έχει ως διέγερση (INPUT) την τάση του πυκνωτή χαµηλής του χωρητικού καταµεριστή (C/D στο σχ.2). Για την έδραση των δύο ηλεκτροδίων χρησιµοποιήθηκε το φορείο εκτυπωτή STAR LC-100. Ο λόγος του κανιβαλισµού του εκτυπωτή ήταν η ακρίβεια που υπάρχει στις κατασκευές των φορείων των εκτυπωτών και η οποία δεν ήταν δυνατό να επιτευχθεί από µηχανουργείο. Οι µικρές ανοχές δεν επιτρέπουν ταλαντώσεις στα µονωτικά στελέχη από ακετάλ στα οποία εδράζονται τα ηλεκτρόδια. Το φορείο κινείται µέσω ιµάντα από ένα DC ηλεκτροκινητήρα µικρής ισχύος. Η κίνηση προς τις δύο κατευθύνσεις γίνεται µε αντιστροφή της πολικότητας της τροφοδοσίας του κινητήρα. Η όλη κατασκευή στεγάζεται σε ξύλινη κατασκευή όπως φαίνεται και στην φωτογραφία. Το τροφοδοτικό του κινητήρα καθώς και τα ρελέ ελέγχου βρίσκονται κάτω από το µεταλλικό φορείο. Στην ξύλινη κατασκευή εδράζονται οι ακροδέκτες των καλωδίων ελέγχου και ο ακροδέκτης των 230V AC για την είσοδο του τροφοδοτικού. Ο έλεγχος του διακόπτη γίνεται µέσω κονσόλας χειρισµού η οποία φαίνεται στην φωτογραφία που ακολουθεί: 9

Κονσόλα ελέγχου αυτόµατου διακόπτη Η κονσόλα τροφοδοτείται µε τάση 230V AC µέσω της αρσενικής υποδοχής των τριών ακροδεκτών. Έχει υποδοχή οκτώ αρσενικών ακροδεκτών στην οποία συνδέονται τα καλώδια ελέγχου του διακόπτη µέσω καλωδίου UTP καθώς και δύο υποδοχές τύπου RCA στις οποίες συνδέονται τα άκρα του πυκνωτή χαµηλής τάσης του χωρητικού καταµεριστή. ιαθέτει δύο διακόπτες, ένα στο πάνω µέρος, ο οποίος διακόπτει την έξοδο του τροφοδοτικού, που υπάρχει µέσα στην κονσόλα, και ένα κάτω από την υποδοχή των 230V AC, ο οποίος διακόπτει την είσοδο του τροφοδοτικού. ίπλα από τον διακόπτη της εξόδου του τροφοδοτικού βρίσκεται το µπουτόν έναυσης, κίτρινου χρώµατος, και το κόκκινο led το οποίο είναι ενδεικτικό οπισθοδρόµησης του κινητήρα. Εντός της κονσόλας ελέγχου υπάρχουν: 1. η πλακέτα του κυκλώµατος αίσθησης διάσπασης 2. η πλακέτα συνδέσεων και 3. η πλακέτα του τροφοδοτικού. 10

Οι τρείς πλακέτες φαίνονται στην φωτογραφία που ακολουθεί. 2 1 3 Εσωτερικό κονσόλας χειρισµού αυτόµατου διακόπτη 3.2 Κύκλωµα τροφοδοσίας κινητήρα Στο σχ.3 παρουσιάζεται το κύκλωµα τροφοδοσίας του κινητήρα που ελέγχει την κίνηση του φορείου : Σχήµα 3: Κύκλωµα τροφοδοσίας κινητήρα Τα στοιχεία του κυκλώµατος είναι τα εξής: Τ1: Μετασχηµατιστής 230V / 11.5V ισχύος 50W 11

D: Γέφυρα ανορθώσεως ισχύος 65 W C1: Ηλεκτρολυτικός πυκνωτής εξοµάλυνσης 4700 µf / 40V RL1: Ηλεκτρονόµος πηνίου12 VDC και µια µεταγωγική επαφή των 7 Α RL2: Ηλεκτρονόµος πηνίου 12VDC και δύο µεταγωγικές επαφές 7 Α F1: Ασφάλεια τήξεως 630mΑ F2: Ασφάλεια βραδείας τήξεως 4 Α Μ: Κινητήρας DC µόνιµου µαγνήτη 12V /30W Α1: Πηνίο του RL1 A2: Πηνίο του RL2 Οι ηλεκτρονόµοι έχουν σχεδιαστεί σε κατάσταση ηρεµίας, δηλαδή όταν από το πηνίο τους δεν διέρχεται ρεύµα. Ο παρακάτω πίνακας περιγράφει τις επαφές των ηλεκτρονόµων για την καλύτερη κατανόηση του σχεδίου: RL1 3-4 NO RL2 3-4 NC 3-5 NO 6-8 NC 6-7 NO Η όλη κατασκευή βρίσκεται κάτω από την βάση του φορείου σε µικρή απόσταση από τον κινητήρα. Αρχικά έγινε προσπάθεια να τοποθετηθεί το τροφοδοτικό του κινητήρα στην κονσόλα ελέγχου. Η πτώση τάσης στα καλώδια ελέγχου όµως επέβαλλε την χρήση τροφοδοτικού µεγαλύτερης ισχύος το οποίο θα λειτουργούσε σε υψηλότερη τάση. Ο λόγος της τοποθέτησης του τροφοδοτικού όσο το δυνατό πλησιέστερα στον κινητήρα είναι η αποφυγή πτώσης τάσης στους αγωγούς τροφοδοσίας. Το τροφοδοτικό και οι δύο ηλεκτρονόµοι ελέγχου συνδέονται στην κονσόλα ελέγχου µε καλώδιο UTP οκτώ αγωγών συνεστραµµένων ανά ζεύγη. 12

Η γέφυρα ανόρθωσης τροφοδοτείται από το δευτερεύον του µετασχηµατιστή µε εναλλασσόµενη τάση µε rms τιµή 11.5 V. Στην έξοδο της δίνει πλήρως ανορθωµένη τάση 16.7 V. Παράλληλα στην έξοδο της έχει τοποθετηθεί ο πυκνωτής εξοµάλυνσης C1 των 4700µF και στους ακροδέκτες του προκύπτει συνεχής τάση των 16.7 V χωρίς φορτίο. Όταν συνδεθεί ο κινητήρας η τάση ακροδεκτών του είναι 12 V. Ο ηλεκτρονόµος RL1 βάζει εντός ή εκτός του κινητήρα και ο ηλεκτρονόµος RL2 µε κατάλληλη συνδεσµολογία που φαίνεται στο σχ.3 επιτελεί λειτουργία αντιστροφής της συνεχούς τάσης του τροφοδοτικού. Πιο απλά όταν διαρρέεται από ρεύµα το πηνίο του RL2 ο κινητήρας οπισθοδροµεί το φορείο ενώ όταν διαρρέεται από ρεύµα το πηνίο του RL1 εκκινεί ο κινητήρας. 3.3 Κύκλωµα αίσθησης διάσπασης Το κύκλωµα αίσθησης διάσπασης έχει ως πυρήνα το ολοκληρωµένο ΝΕ 555 αναλυτική περιγραφή του οποίου µπορεί να βρεθεί στην αναφορά [5]. Το χρονοκύκλωµα αυτό µπορεί να λειτουργήσει µε τάσεις τροφοδοσίας από +4V ως +18V. Έτσι είναι κατάλληλο για συνεργασία τόσο µε κυκλώµατα TTL όσο και µε CMOS. Όπως δείχνει το γενικό διάγραµµα του σχ.5-6, το κύκλωµα του 555 περιλαµβάνει δύο συγκριτές, τρείς αντιστάσεις, ένα flip-flop και µια βαθµίδα εξόδου. Η έξοδος του flip-flop µπορεί να είναι σε µια από τις δύο δυνατές καταστάσεις. Όταν το flip-flop διεγερθεί, δίνει έξοδο που εξαρτάται από την κατάσταση στις δύο εισόδους του και από την προηγούµενη κατάσταση του. Ακολουθεί η περιγραφή των ακροδεκτών του χρονοκυκλώµατος σύµφωνα µε το σχ.4 13

Σχήµα 4: Γενικό διάγραµµα του χρονοκυκλώµατος ΝΕ555 Ακροδέκτες ιέγερσης (2) και Κατωφλίου Τάσης (6) Στο χρονοκύκλωµα 555 η διέγερση (2) συγκρίνεται µε ένα κατώτερο κατώφλι τάσης που, όπως φαίνεται στο σχ.4, είναι ίσο µε Vcc/3. Εξάλλου, η είσοδος κατωφλίου τάσης (6) συγκρίνεται µε ένα ανώτερο κατώφλι τάσης, που είναι ίσο µε 2Vcc/3. Έτσι καθένας από τους ακροδέκτες διέγερσης και ακτώφλίου τάσης µπορεί να είναι σε δύο καταστάσεις ανάλογα µε το εαν ή όχι το δυναµικό του είναι χαµηλότερο ή υψηλότερο από το κάτω και άνω κατώφλι τάσης αντίστοιχα. Εποµένως όπως δείχνει ο παρακάτω πίνακας, υπάρχουν τέσσερις συνδυασµοί των καταστάσεων των ακροδεκτών αυτών. Για παράδειγµα, αν το δυναµικό του ακροδέκτη διέγερσης είναι χαµηλότερο από Vcc/3 και το δυναµικό του ακροδέκτη κατωφλίου τάσης είναι είναι χαµηλότερο από 2Vcc/3, το δυναµικό του ακροδέκτη εξόδου (3) είναι κατά 0.5 V, περίπου,µικρότερο από την τάση Vcc. Αν όµως τα δυναµικά των δυό παραπάνω 14

ακροδεκτών είναι µεγαλύτερα από το κάτω και άνω κατώφλι τάσης αντίστοιχα, τότε η έξοδος γίνεται περίπου µηδενική (0.1 V). ιέγερση(2) Κατώφλι Τάσης(6) Έξοδος (3) Vtrig<Vcc/3 Vt<2Vcc/3 ~15 V (Υψηλή) Vtrig<Vcc/3 Vt>2Vcc/3 Προηγούµενη κατάσταση Vtrig>Vcc/3 Vt<2Vcc/3 Προηγούµενη κατάσταση Vtrig>Vcc/3 Vt>2Vcc/3 ~0 V(Χαµηλή) Ας εξεταστεί τώρα η περίπτωση που ένα σήµα εφαρµόζεται ταυτόχρονα στους ακροδέκτες της διέγερσης (2) και του κατωφλίου τάσης (6). Στο χρονικό διάστηµα κατά το οποίο το δυναµικό του σήµατος εισόδου είναι χαµηλότερο από Vcc/3, το δυναµικό εξόδου, σύµφωνα µε τα προηγούµενα, είναι περίπου Vcc. Η έξοδος είναι χαµηλή όταν το δυναµικό του σήµατος εισόδου είναι µεγαλύτερο από 2Vcc/3. Υπάρχουν δύο χρονικά διαστήµατα, που το δυναµικό του σήµατος εισόδου είναι µεταξύ Vcc/3 και 2Vcc/3. Στην περίπτωση αυτή, εξαιτίας της δράσης του flip-flop, η έξοδος του χρονοκυκλώµατος δεν µπορεί να προσδιοριστεί παρά µόνο αν είναι γνωστή η προηγούµενη κατάσταση του. Έτσι, στην περίπτωση που το δυναµικό του σήµατος εισόδου είναι µεταξύ Vcc/3 και 2Vcc/3, η έξοδος παραµένει υψηλή, ενώ στην περίπτωση που το δυναµικό του σήµατος εισόδου είναι µεταξύ 2Vcc/3 και Vcc η έξοδος του 555 είναι χαµηλή. Ακροδέκτης εξόδου (3) Στον ακροδέκτη αυτό, η αντίσταση εξόδου είναι περίπου 10Ω, τόσο για την περίπτωση που η τάση εξόδου είναι χαµηλή, όσο και για την περίπτωση που 15

η τάση εξόδου υψηλή. Το φορτίο στον ακροδέκτη αυτόν µπορεί να συνδεθεί, στο άλλο του άκρο, µε την γη η την τάση τροφοδοσίας Vcc. Το µέγιστο ρεύµα εξόδου είναι 500 mα. Ακροδέκτης επαναφοράς (4) Αν ο ακροδέκτης αυτός γειωθεί ή το δυναµικό του γίνει µικρότερο από 0.4 V, τότε τα δυναµικά στους ακροδέκτες εξόδου (3) και εκφόρτισης (7) γίνονται χαµηλά. Έτσι αν υποτεθεί ότι η έξοδος είναι υψηλή και ξαφνικά το άκρο 4 γειωθεί, τότε η έξοδος θα εξαναγκαστεί να γίνει χαµηλή. Όταν ο ακροδέκτης αυτός δεν χρησιµοποιείται, τότε συνδέεται στο δυναµικό Vcc. Ακροδέκτης Τάσης Ελέγχου (5) Ο ακροδέκτης αυτός µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να µεταβάλει την τάση διέγερσης και το κατώφλι τάσης. Αν για παράδειγµα, συνδεθεί µια αντίσταση 5 ΚΩ, µεταξύ του ακροδέκτη 5 και της τάσης τροφοδοσίας, τότε η τάση διέγερσης γίνεται 0.4 V και το κατώφλι τάσης γίνεται 0.8 Vcc. Επίσης, µε τη σύνδεση µιας µεταβαλλόµενης τάσης στον ακροδέκτη αυτό, η τάση διέγερσης και το κατώφλι τάσης αλλάζουν και επιτυγχάνεται διαµόρφωση της εξόδου. Συνήθως, µεταξύ του ακροδέκτη 5 και της γης συνδέεται ένας πυκνωτής 0.01µF, για να µειώνεται η επίδραση του θορύβου και της κυµάτωσης της τάσης τροφοδοσίας στο κατώφλι τάσης. Ακροδέκτης εκφόρτισης (7) Στον ακροδέκτη αυτό συνδέεται εξωτερικά ένας πυκνωτής που χρησιµεύει στον καθορισµό της σταθεράς χρόνου του κυκλώµατος. Όταν η έξοδος του 555 είναι υψηλή, ο ακροδέκτης αυτός δεν επηρεάζει την φόρτιση του πυκνωτή, ενώ όταν η έξοδος είναι χαµηλή οδηγεί στην εκφόρτιση του πυκνωτή. Στην συγκεκριµένη εφαρµογή του ΝΕ 555 ως στοιχείο του αυτόµατα ελεγχόµενου διακόπτη το χρονοκύκλωµα ΝΕ 555 έχει συνδεσµολογηθεί ως µη επαναδιεγειρόµενος µονοσταθής πολυδονητής. Ο ρόλος του 16

συγκεκριµένου στοιχείου είναι να τροφοδοτεί το πηνίο του ηλεκτρονόµου RL2 όσο χρόνο χρειάζεται για να οπισθοδροµήσει ο κινητήρας. Η συνδεσµολογία του ολοκληρωµένου χρονοκυκλώµατος 555, σε διάταξη µη επαναδιεγειρόµενου µονοσταθή πολυδονητή φαίνεται στο σχ.5. Σχήµα 5: Συνδεσµολογία ΝΕ555 ως αισθητήρας διάσπασης Τα στοιχεία του κυκλώµατος είναι τα εξής: R1 : Αντίσταση 5.6 ΚΩ R2: Μεταβλητή αντίσταση 2 ΜΩ R3: Αντίσταση 150 Ω C1: Ηλεκτρολυτικός πυκνωτής 2.2 µf C2: Αντιπαρασιτικός πυκνωτής 0.01 µf D1, D2: ίοδοι 1Ν4001 D3: Led κόκκινου χρώµατος RL2: Ηλεκτρονόµος τύπου solid state 17

Όταν στον ακροδέκτη διέγερσης (2) εφαρµοστεί ένας αρνητικός παλµός, τότε η έξοδος γίνεται υψηλή και ο ακροδέκτης (7) παύει να βραχυκυκλώνει τον πυκνωτή C1. Τότε ο πυκνωτής αρχίζει να φορτίζεται µέσω του δικτυώµατος των αντιστάσεων R1, R2. Όταν η τάση στα άκρα του πυκνωτή γίνει ίση µε 2Vcc/3 η έξοδος γίνεται χαµηλή, ενώ ταυτόχρονα εκφορτίζεται ο πυκνωτής. Η χρονική διάρκεια του παλµού δίνεται από την σχέση: t = ln3(r1+r2)c = 1.1RC και το εύρος του είναι 12 V, όσο και η τροφοδοσία Vcc. Στο συγκεκριµένο κύκλωµα ο χρονική διάρκεια του παλµού ρυθµίστηκε στα 6 s µε χρήση πυκνωτή 2.2 µf. Ο χρόνος αυτός υπολογίσθηκε ώστε να είναι µεγαλύτερος από τον χρόνο που χρειάζεται ο κινητήρας για να µετακινήσει το φορείο στην µέγιστη απόσταση που αυτό ενδέχεται να διανύσει. Η λειτουργία που επιτελεί το χρονοκύκλωµα στο διακόπτη υψηλής τάσης είναι ο ρόλος του αισθητήρα διάσπασης. έχεται είσοδο (INPUT) την τάση του πυκνωτή χαµηλής τάσης του χωρητικού καταµεριστή και δίνει ως έξοδο τάση στο πηνίο Α2 του ηλεκτρονόµου RL2. Η κατανάλωση του Α2 είναι στα 200mA και το µέγιστο ρεύµα που µπορεί να παρέχει το χρονοκύκλωµα ΝΕ555 είναι 500mΑ. Η δίοδος D3 έχει τοποθετηθεί παράλληλα στο πηνίο του ρελέ ανάστροφα πολωµένη έτσι ώστε να αποτρέπει την δηµιουργία ανάστροφης πολικότητας κατά την λειτουργία του ρελέ. Η δίοδος D1 αποτρέπει την ροή ρεύµατος προς το χρονοκύκλωµα Η δίοδος D3 είναι ενδεικτικό λειτουργίας και φωτοβολεί όσο χρόνο είναι διεγερµένη η έξοδος (OUTPUT). Η θέση της είναι πάνω στην κονσόλα χειρισµού και αποτελεί ενδεικτικό της λειτουργίας οπισθοδρόµησης του φορείου. Η κατασκευή του χρονοκυκλώµατος έγινε σε διάτρητη πλακέτα στηριζόµενη σε παρόµοιες κατασκευές σύµφωνα µε το περιοδικό Elector [6] και τα στοιχεία C2 και ΝΕ555 µπορούν να αντικατασταθούν σε περίπτωση σφάλµατος. 3.4 ιέγερση (INPUT) από τον χωρητικό καταµεριστή Το εύρος του σήµατος εξόδου του καταµεριστή (C/D) ποικίλει ανάλογα µε το ύψος της εφαρµοζόµενης τάσης στην χωρητικότητα υψηλής τάσης C1.Αυτό 18

είναι εντελώς αδιάφορο διότι η τάση του πυκνωτή χαµηλής γίνεται αντιληπτή από το κύκλωµα του αισθητήρα διάσπασης σαν αρνητικός παλµός. Το ίδιο συµβαίνει και όταν ο εµπρός διακόπτης τέρµατος γειώνει τον ακροδέκτη 2. Σε περίπτωση που δεν υπάρξει διέγερση, δηλαδή δεν δηµιουργηθεί σπινθήρας τότε τον ρόλο της διέγερσης αναλαµβάνει ο εµπρός διακόπτης τέρµατος(sw3) για να αποτραπεί σύγκρουση των ηλεκτροδίων. Ο διακόπτης αυτός είναι σε κατάσταση ΝΟ και οι δύο του ακροδέκτες είναι συνδεδεµένοι µε τον ακροδέκτη 2 του ΝΕ555 και τη γη αντίστοιχα. Το ισοδύναµο κύκλωµα φαίνεται στο σχέδιο που ακολουθεί: Σχήµα 6: ιέγερση του αισθητήρα διάσπασης Τα στοιχεία του κυκλώµατος είναι : D5: ίοδος 1Ν4001 SW3: Cx: Cy: Εµπρός διακόπτης τέρµατος Χωρητικότητα χαµηλής τάσης Χωρητικότητα υψηλής τάσης 3.5 Τρόπος λειτουργίας του διακόπτη υψηλής τάσης Το κύκλωµα του πηνίου Α1 φαίνεται στο σχέδιο που ακολουθεί (σχ.7). Όπως έχει αναλυθεί και στο σχ.3 (κύκλωµα τροφοδοσίας κινητήρα) όταν το πηνίο Α1 διαρέεται από ρεύµα ο κινητήρας κινείται εµπρός ή πίσω ανάλογα µε την κατάσταση του ηλεκτρονόµου Α2. Συνεπώς ο διακόπτης που βρίσκεται στο πάνω µέρος της κονσόλας (SW1) αποτελεί τον διακόπτη on-off της κατασκευής του διακόπτη υψηλής τάσης. Η κίνηση του φορείου διακόπτεται 19

και από τον πίσω τερµατοδιακόπτη (SW2) όταν αυτός ενεργοποιηθεί από το φορείο του κινούµενου ηλεκτροδίου. Το µπουτόν στο πάνω µέρος της κονσόλας βραχυκυκλώνει τον τερµατοδιακόπτη SW3, όταν πατηθεί, µε αποτέλεσµα να τροφοδοτηθεί ο κινητήρας και να κινηθεί το φορείο αποµπλέκοντας τον SW2. Όταν πατιέται το µπουτόν πρέπει ο κινητήρας να µην βρίσκεται σε λειτουργία οπισθοδρόµησης. Η λειτουργία οπισθοδρόµησης διαρκεί όσο χρόνο είναι αναµµένο το κόκκινο led που βρίσκεται πάνω στην κονσόλα. Σχήµα 7: Κύκλωµα πηνίου του ηλεκτρονόµου on-off Τα στοιχεία του κυκλώµατος είναι: SW1: SW2: RL1: ιακόπτης on-off Πίσω διακόπτης τέρµατος Ηλεκτρονόµος on-off A2: Πηνίο του ρελέ Το φορείο σταµατά πάντοτε στον πίσω τερµατοδιακόπτη και ο διακόπτης λειτουργεί ως εξής: Αφού τροφοδοτήσουµε µε 230V AC τα τροφοδοτικά κονσόλας και διακόπτη κλείνουµε τον διακόπτη SW1 και πατάµε το µπουτόν PB. To φορείο κινείται εµπρός και µόλις συµβεί διάσπαση του διακένου,και συνεπώς παραγωγή παλµού, αντιστρέφεται η πολικότητα της τροφοδοσίας του κινητήρα από το κύκλωµα αίσθησης διάσπασης για 6s. Ο κινητήρας αρχίζει να οπισθοδροµεί µέχρι να χτυπήσει το φορείο τον 20

πίσω τερµατοδιακόπτη και να διακοπεί η τροφοδοσία του από τον RL1. Κατά το χρονικό διάστηµα των 6s το κόκκινο led επί της κονσόλας φωτοβολεί, δείχνοντας στον χειριστή λειτουργία οπισθοδρόµησης. Μόλις σβήσει το led, και όχι νωρίτερα, το µπουτόν µπορεί να πατηθεί ξανά για την δηµιουργία του επόµενου παλµού. Ο τρόπος λειτουργίας του αυτόµατου διακόπτη υψηλής τάσης γίνεται εύκολα αντιληπτός και µε την χρήση µόνο των επισυναπτόµενων σχεδίων. 21

4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Κατασκευάστηκε διακόπτης υψηλής τάσης αυτόµατα ελεγχόµενος σύµφωνα µε τις απαιτήσεις σχεδίασης που τέθηκαν. Συγκεκριµένα ο διακόπτης αποτρέπει την δηµιουργία πολλαπλών διασπάσεων µέσω κυκλώµατος αίσθησης του σπινθήρα, είναι λειτουργικός, απλός στην κατασκευή και εύκολα επισκευάσιµος αν απαιτηθεί. Ο διακόπτης χρησιµοποιείται ως στοιχείο της γεννήτριας Pulfrey για την παραγωγή τετραγωνικών παλµών υψηλής τάσης. Η γεννήτρια αυτή χρησιµοποιείται για την δηµιουργία νηµατίων και κατόπιν την διερεύνηση των ιδιοτήτων τους όταν αυτά αναπτύσσονται σε οµοιογενές πεδίο στον αέρα ή κατά µήκος µονωτήρων. Η χρήση του νέου αυτόµατα ελεγχόµενου διακόπτη υψηλής τάσης µειώνει σηµαντικά: τον απαιτούµενο χρόνο για την διεξαγωγή των πειραµάτων και, την πιθανότητα σφάλµατος λόγο λανθασµένου χειρισµού εφόσον λειτουργεί µε τέτοιο τρόπο ώστε η γεννήτρια να παράγει µόνο ένα παλµό ΥΤ. Τέλος, η κατασκευή του διακόπτη έχει γίνει µε τέτοιο τρόπο ώστε χωρίς να χρειαστεί επεµβάσεις στα µηχανικά του µέρη δύναται να τροποποιηθεί το κύκλωµα ελέγχου του σε ψηφιακό για περισσότερες επιλογές στον έλεγχο της λειτουργίας του. 22

5. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Χ. Κ. Τσακιρίδης, Επίδραση της υγρασίας στην επιφανειακή διηλεκτρική αντοχή µονωτικών υλικών-οµοιογενές ηλεκτρικό πεδίο, ιπλωµατική εργασία, Εργαστήριο ΥΤ, ΤΗΜΜΥ, Πολυτεχνική Σχολή, Α.Π.Θ., Θεσσαλονίκη 2004. 2. Μ. Σταπουντζή, Επιφανειακή διηλεκτρική αντοχή µονώσεων σε οµοιογενές ηλεκτρικό πεδίο: Επίδραση της υγρασίας, ιπλωµατική εργασία, Εργαστήριο ΥΤ, ΤΗΜΜΥ, Πολυτεχνική Σχολή, Α.Π.Θ., Θεσσαλονίκη 2006. 3. Ι. Μ. Κυρµίζογλου, Λ. Χ. Τζήµκας, Επίδραση µονωτικών επιστρώσεων στην επιφανειακή διηλεκτρική αντοχή µονωτήρων, ιπλωµατική εργασία, Εργαστήριο ΥΤ, ΤΗΜΜΥ, Πολυτεχνική Σχολή, Α.Π.Θ., Θεσσαλονίκη 2006 4. Κ. Α. Στασινόπουλος, Τεχνολογία των υψηλών τάσεων. Β Έκδοση, Θεσσαλονίκη 1998 5. Ι. Μ. Κοντολέων, Ψηφιακά Κυκλώµατα, Θεσσαλονίκη 2004 6. Περιοδικό Elector 23

6. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ 6.1 Ηλεκτρολογικά σχέδια 24

25

6.2 Σχέδια καλωδιώσεων (Wiring diagrams) 26

27

6.3 Data sheets ηλεκτρονικών εξαρτηµάτων 28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45