Wstęp
Warto przypomnieć sobie, czym jest i jakie zadania ma spełniać programowalny przekaźnik. Zgodnie z Wikipedią jest to niewielkie urządzenie łączeniowo-sterujące przeznaczone do rozwiązywania prostych zadań z zakresu automatyki. Sterowanie jest realizowane w oparciu o algorytm (program) wprowadzany do pamięci, który może być wielokrotnie zmieniany i modyfikowany. Pewnie każdy potrafiłby odpowiedzieć podobnie, ale niewielu wspomni o podzespołach, z jakich się składa… I tutaj przychodzi moja słabość do zaglądania co jest schowane pod obudową na przykładzie PR200 firmy akYtec.
UWAGA! Podczas pracy z płytkami drukowanymi należy uważać na wyładowania elektrostatyczne (nawet kilka kV). Mogą uszkodzić układy przeskakującą iskrą, dlatego należy odpowiednio się rozładować.
Schemat blokowy urządzenia
Droga naszego programu zaczyna się w środowisku przystosowanym do programowania np. logo soft comfort. Gdy już napiszemy nasz algorytm i klikniemy ikonę, aby przesłać program, następuje kompilacja, czyli proces tłumaczenia języka, który rozumie człowiek np. LAD, FBD na kod maszynowy, czyli ciągi zer i jedynek. Dane te zapisywane są w pamięci (najczęściej flash), która pamięta dane po odłączeniu zasilania. Procesor ma do nich dostęp i odczytując je, wykonuje program linijka po linijce. Na podstawie programu steruje interfejsami komunikacyjnymi, wystawia odpowiednie stany na wyjścia, odczytuje wejścia i wykonuje obliczenia.
Co kryje wnętrze…
Po otwarciu obudowy w oczy od razu rzuca się wyświetlacz LCD (ciekłokrystaliczny). Model to „lcd1602”. Wiele osób powinno go znać, jeśli mieli do czynienia z Arduino. Obecny tutaj różni się jedynie brakiem ramy ochronnej. Zaznaczony czerwoną ramką element to rezonator kwarcowy o częstotliwości 16 [MHz]. Stanowi on sygnał taktujący dla mikrokontrolera i wyznacza szybkości wykonywania instrukcji. Obok znajduje się złącze dodatkowych modułów (czerwone), a także złącze mini USB pozwalające na przesłanie programu do pamięci. Widać również ścieżki (zaznaczone różowym kolorem), które działają jak przyciski (są zwierane przez gumowe nakładki).
Wszystkie nazwy układów są zamazane, jednak niedokładnie 🙂 Na odwrocie znajduje się mikrokontroler „STM32F103”. Jest to 32-bitowy (oznacza to, że dane i adresy mieszczą się max. w 32 bitach) układ ARM ze 128 kB pamięci flash wbudowanymi interfejsami USB, CAN, SPI, UART, I2C. Posiada w swojej strukturze pamięć eeprom, flash i ram, dlatego nie trzeba dodawać do urządzenia kolejnych układów scalonych, co komplikuje płytkę drukowaną i zwiększa koszty. Kolorem niebieskim zaznaczony jest układ zegara czasu rzeczywistego. Nazwa jest niemożliwa do odczytania, jednak charakterystyczne elementy tj. bateria służąca do podtrzymania układu zegara po wyłączeniu zasilania i rezonator kwarcowy 32.768 [kHz] nazywany zegarowym świadczą, że mam rację. Na całej płytce porozmieszczane są złącza komunikujące się z pozostałymi układami.
Na kolejnym module znajdują się układy odpowiedzialne za wejścia i wyjścia analogowe – „XTR116” (kolor żółty). Układ ten odpowiedzialny jest za generowanie sygnału prądowego 4- 20 [mA]. Jest to przetwornik napięcie – prąd oparty na wzmacniaczach operacyjnych. W tym przypadku może być sterowany PWM lub sygnałem analogowym z przetwornika D/A (cyfrowo – analogowego). Na płytce znajduje się również tranzystor bipolarny „BCD56” (kolor fioletowy). Przewodzi większość prądu wyjściowego. Rozpraszanie mocy może osiągać nawet 0,8 [W], przy napięciu pętli 40 [V] i 20 [mA]. Gdyby ten element był w środku układu scalonego, ciepło które wydziela, mogłoby zmieniać parametry i dokładność całego podzespołu. Widać jeszcze trzy transoptory, które zapewniają galwaniczną izolację wymaganą w takich aplikacjach. Po drugiej stronie płytki znajdują się diody zenera, które zabezpieczają przed zbyt dużą wartością napięcia (w tym przypadku 36 V).
Kolejnym podzespołem jest płytka odpowiedzialna za komunikację RS485. Znajduje się na niej złącze wtykowe, do którego można podpiąć złącze śrubowe. Czarny element to przetwornica DC- DC służąca jako izolacja galwaniczna, ponieważ nie zmienia napięcia na wyjściu. Takie przetwornice stosuje się w układach, które muszą być zasilane w sposób oddzielny od reszty. W takich zastosowaniach korzysta się z izolowanych przetwornic DC-DC, które zapewniają galwaniczną izolację wyjścia od wejścia, poprawiają bezpieczeństwo użytkowania i sprzyjają minimalizacji zaburzeń.
Po drugiej stronie znajduje się układ „ISO7331C”. Jest to izolator cyfrowy, czyli układ, który zapobiega powstawaniu prądów zakłócających w przewodach komunikacyjnych i daje izolację między naszym sterownikiem a światem zewnętrznym. Posiada również szereg filtrów usuwających zakłócenia. W nocie katalogowej można przeczytać, że jest to powszechnie stosowany układ w sieciach ModBus, ProfiBus, czy sterownikach serwonapędów.
Przyszedł czas na największą płytkę. Na pierwszy rzut oka można zauważyć przekaźniki „G5NB-EL”. Stanowią oczywisty element PRZEKAŹNIKA programowalnego. Cewka przystosowana jest do sterowania 5 [V] i jest załączana poprzez tranzystor bipolarny. Przekaźnik posiada 1 styk NO, o możliwości przewodzenia 7 A (250 V AC), 5 A (30 V DC). Jego obudowa jest w pełni wodoodporna. Po lewej stronie jest układ zasilający. W tym przypadku urządzenie zasilane jest od 19 do 30 [V DC]. Jest to przetwornica obniżająca napięcie z wejścia do 5 [V]. Oprócz tego znajdują się tu złącza wtykowe wejść i wyjść sterownika.
Pewnie wiele osób zastanawiało się, po co jest kondensator między uzwojeniem pierwotnym a wtórnym transformatora taki jak poniżej.
Transformatory mają pewną pojemność błądzącą między uzwojeniem pierwotnym i wtórnym. W momencie kluczowania uzwojenia generuje to fale elektromagnetyczne, które zakłócają pracę innych urządzeń. Zadaniem tego kondensatora jest tłumienie powstałych fal.
Linki do dokumentacji układów scalonych
https://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32f103c8.pdf – mikrokontroler
https://pl.mouser.com/datasheet/2/307/en-g5nb_el-958613.pdf – przekaźniki
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/xtr115.pdf?ts=1638899992330&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F – przetwornik napięcie – prąd
https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/bcp56t1-d.pdf – tranzystor
https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/612032/MORNSUN/F0505S-1WR2.html – przetwornica DC/DC
https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/774834/TI/ISO7331C.html – izolator cyfrowy
Podsumowanie
Zobaczenie budowy i zrozumienie roli poszczególnych podzespołów uświadomiło mi, ile elementów potrzebnych jest np. do włączenia oświetlenia o odpowiedniej godzinie, a także dowiedziałem się czego oczekiwać od tego małego pudełeczka. Myślę, że dzięki temu artykułowi każdy dowiedział się czegoś nowego i również spróbuje nauki poprzez rozkręcanie urządzeń i analizowanie ich budowy.
