DIY ISES Booster – proudové posílení výstupu ISES
Původní článek publikovaný v časopisu Matematika-Fyzika-Informatika (č. 8/2006)
Doplňky k článku z MFI č. 8/2006
- Deska plošného spoje a její osazení
- Rozměrové výkresy DPS a horního panelu
- Seznam elektronických součástek
- Fotografie finálního výrobku
Další možná rozšíření – Booster verze 2
článek otištěný v časopisu MFI č. 8, roč. 2005/2006, s. 473-478
Booster - proudové posílení výstupu ISES
Školní experimentální systém ISES snad zde nemá cenu představovat. Jde o šikovného pomocníka nejen pro školní frontální výuku či pro praktika, ale i další aplikace, kdy je třeba propojit počítač s reálným experimentem. Intuitivní prostředí, celková jednoduchost a v porovnání s ostatními výrobky i poměrně nízká cena vytváří z ISES nástroj, který by na škole neměl chybět. Značnou výhodou je i fakt, že autoři nezůstali „spát na vavřínech“ a připravili i verzi, kterou lze provozovat na nových počítačích s PCI sběrnicí a operačním systémem Windows XP (Bohužel, tato verze zatím není příliš cenově příznivá).
Základní verze ISES obsahuje několik skutečně základních a nepostradatelných modulů, zbylé si lze jednoduše dokoupit. Škoda, že základní verze hned neobsahuje modul pro proudové zesílení výstupního analogového kanálu. Pochopitelně autoři vycházejí vstříc tím, že lze již při nákupu sestavit sadu na přání, ale pokud s ISES nemáte již ucelenější zkušenost, důvěřujete standardní nabídce a až po několika měsících používání zjistíte, co byste ještě potřebovali.
Tento článek by měl představit jednoduché řešení stavby modulu Booster (proudově posílený výstup), které by mohlo částečně pomoci těm, kteří tento modul ve své sadě nemají. Modul Booster je určen pro výstupní kanál E, umožňuje zvětšit proudový výstup až na hodnotu 1 A. Bez posílení je maximální hodnota na kanálu E asi 10 mA, což pro řadu experimentů stačí, ale chceme-li kanálem E spínat relé, rozsvěcet žárovičku či připojit k němu reproduktor, je tento proud nedostačující. Mnou navrhované zařízení, lze postavit zhruba za sedminu pořizovací hodnoty originálního modulu Booster. Z toho také vyplývá, že mnou navrhované zapojení asi nebude zcela dosahovat kvality originálního modulu, ale že jde jen o jakousi náhradní alternativu. Byť zatím tento modul originální Booster zastupuje zcela bez problémů.
Návrh zapojení
Základní snahou stavby bylo dodržet všechny základní parametry originálního modulu (dle [1]). Modul by měl být schopen posílit výstup až na proud 1 A. Přepínačem ±5 V / ±10 V, by mělo být možné volit rozsah výstupního napětí, které lze odebírat z výstupních svorek modulu. Tedy při volbě ±5 V výstupní napětí proudového Boosteru zůstává nezměněno (je shodné s výstupním napětím kanálu E, co se týče velikosti i funkčního výstupu). V případě volby ±10 V je výstupní napětí proudového Boosteru dvakrát větší než výstupní napětí v kanálu E. Modul Booster musí mít zabudovanou vnitřní ochranu proti zkratu výstupního napětí a tepelnou ochranu. Modul vyžaduje externí napájecí zdroj (ovládací panel ISES nemůže poskytnout požadovaný proud 1 A). Za zdroj byl použit školní zdroj BK126 (±12 V) či BK125 (±15 V), případně lze rovněž použít na školách rozšířený zdroj napětí BS525.
Abych splnil tyto parametry rozhodl jsem se pro zapojení zobrazené na obrázku 1. Pro proudové zesílení je použit zesilovač TDA2030 či jeho ekvivalenty (A2030V apod.), se kterým mám dobré zkušenosti z jiných zapojení, a který se běžně používá jako levný a kvalitní audio zesilovač. Proud, který lze z tohoto obvodu odebírat, může za zvláštních podmínek dosáhnout až hodnoty 3 A!!! [2], [3]. Pro naše účely bohatě bude dostačovat maximální proud do 1 A. Pokud bychom chtěli proudový odběr větší, lze použít zesilovače TDA2040 či TDA2050, které jsou z hlediska zapojení naprosto shodné, jsou však výkonově silnější (díky tomu ale i dražší). Zapojení obvodu je téměř katalogové. Rezistory R1 a R2 společně se spínačem S1 nastavují dva režimy napěťového zesílení. Pokud je spínač rozepnut má obvod dvojnásobné napěťové zesílení. Pokud je rezistor R1 zkratován spínačem pracuje obvod jako klasický napěťový sledovač. Výstup obvodu je opatřen Boucherotovým členem (RC člen - R3 s C3), který zabraňuje nežádoucímu rozkmitání obvodu TDA2030 a který je v zapojení nutný (viz „oživení zapojení“). Diody D1 a D2 chrání výstup obvodu proti zpětným napěťovým špičkám způsobeným případnou indukčních zátěží (cívka, motor apod.) na výstupu. Kondenzátory C1, C2, C4 a C5 filtrují napájecí napětí. Pokud pro napájení použijeme dostatečně stabilizovaný zdroj, můžeme kondenzátory C4 a C5 vynechat. Po praktických zkouškách muselo být zapojení doplněno o rezistor R4. V případě, že na vstupu zesilovače nebyl připojen kanál E soupravy ISES, výstup zesilovače přecházel do saturovaného stavu cca +13 V. K tomu by mohlo při výuce dojít, kdybychom se snažili „za chodu“ různě modifikovat připojený pokus a přitom odpojili vstup modulu. Bylo-li by na výstupu zapojeno zařízení, které by vyžadovalo maximální napětí menší než 13 V, mohlo by dojít k jeho poškození. S rezistorem R4 k tomu již nedochází, neboť při nezapojeném vstupu rezistor zaručí, že je vstup obvodu spojen s napětím 0 V.
Nespornou výhodou použitého obvodu TDA2030 je jeho integrovaná tepelná a protizkratová ochrana. Na obojí však nelze příliš hřešit a obvod proto raději nebudeme zbytečně nepřetěžovat. Pro jistotu je do obvodu zapojena ještě pojistka klasická a obvod musí být pochopitelně opatřen adekvátním chladičem. Dokonce nejen varování v [3], ale i mé osobní zkušenosti ukazují, že je nutné zapojovat obvod VŽDY s chladičem, byť by měl být tvořen jen kouskem plechu. Díky své vysoké vnitřní integraci se obvod bez chladiče uvnitř zahřeje na čipu pouze lokálně a dojde k jeho zničení dříve než by obvod tepelné pojistky, který je na jiné části čipu, mohl zareagoval [4].
Oživení zapojení
Oživení obvodu není složité. Jediné nebezpečí je, aby modul nezačal v zapojení kmitat. Tomu by měl zabránit Boucherotův člen na výstupu, ale může se stát, že i přesto ke kmitání dojde. Pak je třeba zvětšit kondenzátor C3 a zmenšit rezistor R3. Například u obvodu A2030V stačí R3 = 5,5 Ω a C3 = 220 nF, v případě obvodu TDA 2030 musí mít R3 při stejné kapacitě kondenzátoru C3 hodnotu 1 Ω. Kmitání výstupu můžeme pozorovat na osciloskopu, ale dokážeme jej odhalit i bez něj. Pokud dojde k rozkmitání obvodu, je jeho klidový proudový odběr okolo 1,5 A (!) a obvod se výrazně zahřívá. Po sestavení modul jej připojíme s uzemněným vstupem ke zdroji symetrického napětí a změříme klidové proudy v obvodech kladného a záporného napájecího napětí. Pokud obvod nekmitá budou se oba proudy pohybovat pod hranicí 100 mA. Zkoušku funkčnosti provedeme jednoduše. Na výstup zapojíme voltmetr, na vstup připojujeme různá napětí z rozsahu –5 V až +5 V. Na výstupu bychom měli naměřit napětí stejná popř. dvojnásobná (dle polohy přepínače). Není-li na vstupu zapojeno žádné napětí, mělo by být na výstupu napětí 0 V. Proudové zesílení lze ověřit připojením nějaké zátěže na výstup např. žárovky.
Technická a konstrukční realizace
Návrh tištěného spoje i celkové zpracování jsem podřídil úpravě, ve které Booster provozujeme na naší škole. Jako zdroj proudu používáme školní zdroj BK125 či BK126, které mají stejné čelní panely. Modul jsem řešil tak, aby jej bylo možné přimontoval přímo na napěťové zdířky, aniž by byl nutný jakýkoliv zásah do konstrukce zdroje. Dále jsem se snažil, aby modul nebránil přístupu k napěťovým zdířkám zdroje. Díky této koncepci modul se zdrojem tvoří jednu součást, která má své místo na pracovním stole a nikterak nepřekáží práci. Oproti originálnímu Boosteru je zde jen změna v připojení k panelu ISES. Originální modul Booster se k ovládacímu panelu připojuje zasunutím modulu do konektoru Canon kanálu E. V mém provedení propojuji vstup Boosteru vodiči s banánky do přístrojových zdířek kanálu E. Díky tomu není modul Booster automaticky detekován systémem ISES, ale je nutné nastavit jeho přítomnost ručně v daném menu (ale i to lze dořešit).
Všechny elektronické součástky pro stavbu Boosteru jsem koupil u firmy GM Electronic, ale lze je koupit i u jiných prodejců, neboť se nejedná o žádné exotické součástky. U této firmy jsem koupil i potřebnou „bižuterii“ jako distanční sloupky, zdířky, chladič apod. Celková cena všech komponent byla pod hranicí 250 Kč, z toho byl paradoxně nejdražší položkou použitý chladič asi 80 Kč. Více podrobností o stavbě modulu, jako je schéma ve formátu programu Eagle, masku a výkresy pro vytvoření DPS, seznam součástek, řešení automatického rozpoznání modulu systémem ISES, naleznete na internetových stránkách Fyzikálního kabinetu FyzKAB (http://kabinet.fyzika.net) v sekci Dílna.
Nemyslím si, že by tento návod měl vyvolat vlnu euforické domácí výroby modulů Booster pro ISES. Ale naopak si myslím, že by mohl být návodem pro některého fyzikáře-bastlíře či studenta, který by si chtěl se stavbou modulu pohrát. Celkové pojetí bylo řešeno tak, aby bylo možné za co nejmenší náklady a s minimem součástek možno docílit modulu, který lze využít ve výuce stejně dobře jako originální modul. Pochopitelně lze modul dále modifikovat a upravovat, jak kdo uváží za vhodné. Navržení designu modulu přímo pro zdroje BK125/126 má tu nevýhodu, že pak Booster nelze použít na zdroji jiného typu. Ale to vše jsou věci, které si musí každý zvážit sám a popřípadě realizovat elektronické zapojení na jiné desce plošných spojů. S ohledem na nízké náklady, jednoduché oživování a mechanickou proveditelnost, kterou lze realizovat doslova „na koleně“, myslím, že jde o řešení, které si svou pozornost zaslouží.
Literatura| [1] | internetové stránky systému ISES - http://kdt-12.karlov.mff.cuni.cz/index1.html |
| [2] | katalogový list obvodu TDA 2030 |
| [3] | Teska, V.: Nová generace obvodů pro BTV, Amatérské rádio B5/90, str. 162–199 |
| [4] | Stříž, V.: Operační zesilovače a výkonové operační zesilovače v nf technice, Amatérské rádio (příloha 1990), str. 72–80 |
Seznam součástek
| název | počet | ozn. na schéma |
|---|---|---|
| polovodičové součástky | ||
| TDA 2030 (TDA 2040) | 1x | IO 1 |
| 1N4007 | 2x | D1, D2 |
| kapacity | ||
| 220 nF (keram.) | 1x | C3 |
| 100 nF (keram.) | 2x | C1, C2 |
| 220 μ F/16 V (elektrolyt) | 2x | C4, C5 |
| rezistory | ||
| 100 k | 3x | R1, R2, R4 |
| 1 R | 1x | R3 |
| příslušenství | ||
| T 1 A - 20 mm (pojistka) | 1x | F1 |
| pouzdro pojistkové do DPS | 1x | |
| vypínač | 1x | S1 |
| přístrojová zdířka (černá) | 2x | |
| přístrojová zdířka (červená) | 2x | |
| chladič 3,5 K/W | 1x | |
| vějířová podložka - 3,2 mm | 4x | pérovka pro zdířky |
| distanční sloupky M3 - 8 mm | 2x | opěrné nožičky |
| šroubky M3 (hlava zápustková) | 3x | chladič, pojistka |
| šroubky M3 (hlava válcová) | 3x | dist. sloupky, IO |
| podložky pro šroub M3 | 4x | kontakt zdířek |
Fotografie modulu
Další možná rozšíření modulu:
Automatická identifikace modulu
Stavba samotného modulu Booster nevyžaduje žádné zvláštní znalosti o systému ISES – kromě těch uživatelských. Chceme-li však postavit modul, jehož přítomnost dokáže ovládací program alespoň částečně (či úplně) identifikovat, musíme se na ISES podívat podrobněji. Inspirací k řešení automatické identifikace modulu mi byl návod autorů ISESu, ve kterém radí, jak v systému nastavit identifikaci modulu, který je naprostou novinkou v nabídce a proto jej ovládací program nemůže znát. Celé tajemství spočívá v souboru MODULE.MAP, který nalezneme v hlavním adresáři nainstalovaného ISESu. Jde o textový soubor a pro názornost si uveďme pár řádek výpisu tohoto souboru:
…
011010=voltmetr;0;1;V
011011=voltmetr;-500;500;mV
011100=booster;-5;5;V
111100=booster;-10;10;V
011101=sonar;0;2;m
011110=snímač polohy;0;2.4;m
011111=el.byreta;0;10;ml
100000=ampérmetr;0;10;mA
100001=ampérmetr;-5;5;mA
…
Jak vidíme každému modulu je zde přiřazeno nezaměnitelné 6-bitové binární číslo, podle kterého se připojený modul indentifikuje – jméno, kterým se modul hlásí v ovládacím programu; dolní mez rozsahu; horní mez rozsahu; jednotky, které se budou zobrazovat. Na příkladu voltmetru, ampérmetru i boosteru vidíme, že změnou identifikačního binárního čísla modulu se počítač dovídá o aktuálním rozsahu. Každý modul tedy musí tuto konfiguraci prezentovat na svém výstupním konektoru. Nyní je jen třeba zjistit, v jaké formě je na konektoru modulu prezentována hodnota logické 0 a 1 a na kterých špičkách konektoru je tato adresa přítomna. Nebo-li zde musíme využít hlubší znalosti modulů systému ISES. Mně se těchto informací dostalo díky opravě modulu apmpérmetru.
Nechci zde popisovat celý princip ISES modulů, neboť bych tím asi odkrýval „know-how“ jeho autorů, což považuji za dosti unfair. Proto zde bez jakéhokoliv popisu uvedu návod na propojovací kabel mezi hlavní panel ISES (konektor Canon 15) a mnou navrhovaným modulem Booster (banánky). Propojovací kabel pak na straně ISESu zapojujeme oproti dříve navrhovanému zapojení do konektoru Canon 15 výstupního kanálu E (tak jako originalní modul). Tento propojovací kabel nejenže propojí hlavní panel ISESu s Boosterem připevněným na zdroji BK125, ale díky propojkám v krytu konektoru Canon 15 dokáže oznámit přítomnost modulu Booster ovládacímu programu (nastavení identifikačního čísla modulu).
vpravo – autodetekce modulu s úplným nastavením (jako original ISES Booster)
Aut. identifikace modulu i s nastavením rozsahu
Výše zníněné zapojení automatické identifikace má pochopitelně drobný nedostatek. Pokud použijeme toto nejjednodušší zapojení je identifikační číslo (adresa) modulu nastavené propojkami v konektory Canon 15 trvale na hodnotu "011100", což odpovídá rozsahu –5 V až +5 V. A to nezávisle na přepínači zesílení modulu Booster a tedy výstupním napětí.
Chcete-li, aby ISES skutečně fungoval jako s originálním modulem, musí se zařídit, aby se při přepnutí z rozsahu ±5 V na ±10 V změnila i adresa modulu z hodnoty "011100" na hodnotu "111100". Z elektronického pohledu řízení modulu či hlavního panelu ISESu se však nic nemění - na výstupu kanálu E hlavního panelu (tedy na vstupu Boosteru) je pořád rozmezí napětí +/-5 V, protože výstupní napětí zesiluje až modul Booster. Jediné, co se tím změní jsou načtené hodnoty napěťových mezí v ovládacím programu. Je na zvážení každého, zda mu tato drobnost stojí za dále prezentovanou změnu celého zapojení.
Hlavní část zapojení tvoří opět standarní zapojení modulu Booster. V konektoru Canon 15 je pomocí propojek napevno navolena adresa tvaru "X11100", kde bit "X" budeme měnit podle polohy přepínače zesílení. Původní spínač S1 (v původním schématu) zaměníme za dvojitý přepínač Pr1. Jedna část přepínače slouží stejně jako původní spínač, druhá pak generuje změnu adresy při přepnutí. Modul Booster je pak s konektorem Canon 15 propojen pomocí 3 vodičů (2 vstupní napětí, 1 pro nastavení adresy) místo dvou původních. Z tohotu důvodu pak v celkovém konstrukčním řešení provedeme následující změny:
- změna DPS (výměna S1 za Pr1 s příšlušnou změnou vodivých spojů, nahrazení vstupních zdířek pájecími místy pro trojici přívodních vodičů)
- vynechání vstupních zdířek (jejich nahrazení distačními sloupky)
- změna otvorů pro vstupní zdířky na horním panelu za otvory pro upevnění distančních sloupků
- vyvrtání otvoru pro průchodku přívodních vodičů v čelním panelu
Schéma modulu Booster - verze 2.0
