1. No category

Cena 0,00 €
Revija o elektroniki in računalništvu
ISSN 1855-6868
elektronik.si 19
September 2012
BPSK transverter za 2360MHz
USB - UART - RS-232 vmesnik
9A Keyer - pametni elektronski
taster s spominom
Osnove napajanja z električno energijo
www.elektronik.si
Društvo elektronikov Slovenije
Društvo in aktivnosti
Društvo elektronikov Slovenije
Poljanska cesta 20/a, 1000 Ljubljana
Web: www.društvo-elektronikov.si
Matična številka:4014987
Davčna številka: SI96410540
TRR:03171-1000914013 pri SKB d.d.
Končno smo dobili potiskane majice: T-shirt, za šport in delo, ter polo,
zamalo boljše priložnosti. No, če je kdo drugačnega mnenja, me ne
moti,važno, da jih imamo in da smo z njimi zadovoljni.
Revija sicer malo zamuja, a to ne pomeni, da nismo bili medtem pridni.
Projekt kit kompleta za programator je uspel, predvsem pa je bil izdelek,
skeptikom navkljub, konkurenčen celo Kitajcem. Tako po ceni, kot tudi
po zmogljivosti. V veliki meri se moramo za podporo zahvaliti podjetju
Silica.
Na obzorju je nova samogradnja v obliki kit kompleta. Tokrat bomo preskočili zbiranje posameznih uporov in kondenzatorjev, saj je tega preveč.
V kitu bo le material, ki je “strateški” ali pa se ga težko dobi. Teh akcij in
dogodkov je nenadoma postalo mnogo in za vse je potrebno voditi vsaj
neko minimalno evidenco. Če več ne, vsaj kaj moramo komu, kam poslat. Ker to vzame veliko časa, sem izdelal program za vodenje evidenc.
Tudi to je vzelo precej časa, a sem se zato za silo naučil programskega
jezika C#.
elektronik.si
Vedno govorimo o tem, koliko je dela s tem, pa z onim. Koliko pa sploh
je tega? Koliko članov sploh imamo? V društvu je v tem trenutku 226
članov, a jih je članarino plačalo le 159. Če se torej ne bo kaj spremenilo,
bomo z začetkom naslednjega leta iz evidence črtali 60 takih, ki so k nam
zašli po pomoti.
◊ Revija o elektroniki in računalništvu
je občasnik Društva elektronikov Slovenije.
Še malo statistike: 65 članov je naročilo polo majice, 58 pa T-shirt. Programator pa si bo izdelalo kar 50 članov. Bilo je sicer precej več interesa,
a žal se ni izšlo. Se bomo pa prihodnjič bolj potrudili.
Urednik
◊ Glavni in odgovorni urednik:
Darko Volk
◊ Lektor: David Jereb
◊ Uredniški odbor: moderatorski team
foruma www.elektronik.si
Kazalo po reviji
◊ Slika na naslovnici: Darko Volk
◊ Revija je v elektronski obliki, praviloma v pdf formatu. Sestavni deli revije
so lahko tudi druge datoteke, ki predstavljajo source programske opreme
objavljene v reviji.
◊ Vsi sestavni deli revije so zapakirani
v ZIP format.
◊ Revija objavljena na internetu je dostopna vsem uporabnikom www.elektronik.si, ki je javni forum. Cena revije
je 0 eur.
◊ Avtorstvo člankov objavljenih v tej
reviji je izključna last avtorjev.
◊ Revija si ne jemlje nikakršne pravice
glede objavljanja člankov v drugih medijih, če je le naveden vir in avtor.
◊ Izdelava projektov objavljenih v reviji je dovoljena zgolj za lastno uporabo. Za izdelavo v komercialne namene
je potrebno pisno soglasje avtorjev.
◊ Uredniški odbor ne odgovarja za
morebitno škodo nastalo pri in zaradi
izdelave v reviji objavljenih projektov
oziroma zaradi nestrokovne uporabe
le teh.
BPSK transverter za 2360MHz
S53MV
Radio
USB UART RS232 vmesnik
Gregor Maček
mucek
Digitalije
Matjaž Vidmar
9A keyer
pametni elektronski taster s spominom
Milivoj Bartoš
Maks Turščak
9A5ANB Radioamaterstvo
MAX.TU(S53KP)
Osnove napajanja z električno energijo
Branko Kmet
lojzek
Energetika
ISSN 1855-6868
elektronik september 2012 / 19
2
S53MV
vidmar.matjaz@gmail.com
BPSK transverter za 2360MHz
Stare BPSK radijske postaje in novi mikrovalovni gradniki
Packet radio ni ena sama naprava, pač pa obširno omrežje, ki ga sestavljajo
številni uporabniki in vozlišča. Pri razvoju in gradnji takšnih obširnih omrežij smo
vezani na zgodovino. Prve BPSK radijske postaje [1] so leta 1995 sicer predstavljale
pomembno prelomnico, megabitno hitrost prenosa in hkrati učinkovito modulacijo, a
so se hkrati v celoti navezovale na staro omrežje NBFM in WBFM radijskih postaj.
Danes se Ne-Brezhibni Protokol prav tako navezuje na številne obstoječe radijske postaje, antene, inštalacije, vozlišča, ki so bila nekoč zgrajena za AX.25. Hrbtenica omrežja je tudi danes še vedno v frekvenčnem pasu 2.3GHz (13cm), največkrat
kar 2360MHz, povsem enako kot prve BPSK postaje.
Prav stare BPSK radijske postaje [1] kljub številnim izboljšavam [2] predstavljajo danes ozko grlo omrežja. Preklopni čas na oddajo določa zagon kristalnega
oscilatorja na dobro milisekundo. Milisekunda je bila zanemarljivo malo za stare
AX.25 SuperVozlje, ampak je grozljivo počasna za sodobne ATNCje in EATNCje.
Na srečo postaje z ničelno medfrekvenco (ZIF) [3], [4] te omejitve ne poznajo
in jih lahko posodobimo na raven opreme NBP. Vsi članki o megabitnih BPSK radijskih
postajah so sicer zbrani v knjigi "Digitalni mostovi" [5], ki je dostopna v obliki PDF
na spletu.
Moči oddajnikov in dobitki anten v frekvenčnem pasu 2.3GHz bi največkrat
omogočali kaj več kot 1.2288Mbps. Predelava starih BPSK postaj [1] za drugačno
bitno hitrost je silno nerodna. Višjo bitno hitrost je dosti lažje nastaviti v ZIF radijski
postaji [3], [4]. EATNC sicer zmore vsaj 2Mbps, ATNC pa vsaj 2.5Mbps s smiselno
rezervo.
Končno pestijo vse naše stare BPSK postaje zastareli gradniki: kje danes najti
mešalne diode BAT14-099R in kje izhodni tranzistor CLY2? Povrhu je bil CLY2 vgrajen
v zelo majhno, nestandardno ohišje MW6, pod katerim je na amatersko izdelanem
tiskanem vezju rad popokal cin, da prihaja do prekinjajočih odpovedi delovanja na
teflonski tiskanini prvih BPSK postaj [1]!
V članku "Mala BPSK radijska postaja za 420MHz" [6] sem razložil zasnovo radijske postaje z ločeno (zunanjo) visokofrekvenčno zunanjo enoto (transverterjem)
in notranjo medfrekvenco z modemom za podatkovne zveze. Nič posebno novega,
profesionalci to počnejo že vrsto let. Glede na potrebe po zamenjavi starajočih se in
čedalje bolj izrabljenih BPSK radijskih postaj v našem omrežju je najbolj nujna nova
visokofrekvenčna zunanja enota oziroma BPSK transverter za pas 2.3GHz (13cm,
največkrat 2360MHz), ki jo bom opisal v tem članku.
elektronik september 2012 / 19
3
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Na področju visokofrekvenčnih gradnikov za frekvenčni pas od 1GHz do 4GHz
se je v zadnjih 20 letih zgodilo marsikaj. Najbolj na grobo povedano, velikoserijska
proizvodnja mobilnih telefonov in pripadajočih baznih postaj je povzročila znaten
padec cen in hkrati občuten dvig kakovosti izdelkov. Kar se polprevodnikov tiče, so
preživele vse znane tehnologije kot silicij ali GaAs, pridružile pa so se jim še nove:
SiGe, SiC, InGaP, GaN itd.
Pri tem so gradniki za mobilne telefone previsoko integrirani in preveč namenski, da bi jih lahko uporabili v amaterskih gradnjah. Povsem drugačni gradniki so se
uveljavili za bazne postaje. Gradnike za bazne postaje lahko s pridom uporabimo v
amaterskih gradnjah in poljubnih visokofrekvenčnih napravah. Poleg večjih izmer
imajo gradniki za bazne postaje žal tudi večjo porabo električne energije.
Osnovni gradnik je verjetno MMIC ojačevalnik, za preproste ljudi Darlington
dveh dveh bipolarnih tranzistorjev z vgrajeno povratno vezavo, da sta vhod in izhod
elektronik september 2012 / 19
4
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
ojačevalnika zaključena na 50Ω. Takšen ojačevalnik ima med 10dB in 20dB ojačanja
in pasovno širino med 1GHz in 10GHz odvisno od vrste polprevodnika in tehnologije
izdelave.
Vgrajena povratna vezava preprečuje, da bi MMIC Darlington samo-osciliral ali
drugače divjal v večini naših vezij. Idealni gradnik? Zagotovo ne, preprostost vezja
plačamo s porabo energije! MMIC Darlington kuri dvakrat do petkrat več elektrike od
Si NPN ali GaAsFETa v podobnem vezju. Povrhu upori povratne vezave povečujejo
šum...
Silicijevi MMIC ojačevalniki izpred dveh desetletij s frekvenčno mejo 1GHz in
ojačanjem manj kot 10dB so bili za amaterske gradnje skoraj neuporabni. SiGe in
InGaP sta dvignila frekvenčno mejo, proizvajalci pa so po nerazumno dolgem oklevanju končno izbrali primerno SMD ohišje SOT-89. SOT-89 ni sicer prav nič novega,
omogoča pa hkrati dobre visokofrekvenčne lastnosti in dobro odvajanje toplote.
Manj novosti je pri mešalnikih. Schottky diode rabijo nerodna simetrirna vezja
s transformatorji. Preprostejši in boljši so pasivni mešalniki z GaAsFETi oziroma HEMTi, ki jih lahko izdelamo sami oziroma kupimo v obliki integriranih vezij. Gilbert-cell
mešalnik (slavni S042P) se sicer na veliko uporablja znotraj kompliciranih integriranih vezij, kot samostojen gradnik pa ni požel uspeha.
V antenskih preklopnikih so silicijeve PIN diode ponekod izpodrinila integrirana
stikala z GaASFETi. Integrirana stikala so sicer preprostejša za uporabo, so pa zelo
omejena z visokofrekvenčno močjo. Za moči nad 10W niti danes silicijeve PIN diode
še nimajo zamenjave. Kar se tiče vstavitvenega slabljenja in presluha med zelo različnimi tehnologijami ni večjih razlik.
V izhodnih stopnjah oddajnikov velikih moči se je končno po 60 letih našla
zamenjava za slavno in trdoživo elektronko 2C39. Na frekvencah do 3GHz danes
dajejo podobne moči do 100W in podobna ojačanja do 15dB silicijevi LDMOS tranzistorji (napajanje 28V), na še višjih frekvencah pa HEMTi iz GaN (galijev nitrid) z
napajanjem do 50V. Za manjše moči do nekaj W proizvajalci ponujajo celo množico
integriranih vezij v najrazličnejših polprevodniških tehnologijah.
Osnovni gradnik vsakega transverterja je mešalnik. V radijskih postajah, ki
izmenično sprejemajo ali oddajajo na isti frekvenci, sprejemna in oddajna veriga načeloma potrebujeta povsem enak mešalnik, ki je lahko tudi skupen. Pasivni mešalniki
z diodami oziroma poljskimi tranzistorji so recipročna vezja, da lahko isti mešalnik
preprosto uporabimo na sprejemu in na oddaji.
Sodobne gradnike in pripadajoča načela gradnje sem skušal uporabiti tudi v
opisani visokofrekvenčni zunanji enoti za 13cm. Skupni HEMT mešalnik za sprejem
in oddajo v opisanem BPSK transverterju (ATF-35376) izkorišča isti lokalni oscilator.
Tudi frekvenčna pasovna sita na visokofrekvenčni in medfrekvenčni strani so lahko
skupna. Razlika je seveda v smeri ojačanja signalov.
elektronik september 2012 / 19
5
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Sprejemnik potrebuje nizkošumni ojačevalnik. V prvi stopnji je HEMT (ATF35376) še vedno najboljša izbira, sledi veriga MMICjev (MMG3007NT1 in AVT-54689).
Oddajna veriga MMICjev (AVT-55689 in ADL5320) se zaključuje z močnostnim ojačevalnikom (ALM-32220). Preklapljanje visokofrekvenčnih signalov je povsod izvedeno
s silicijevimi PIN diodami: dve BAR81W pri anteni in dve BAR63-03W pri mešalniku.
Kot lokalni oscilator sem uporabil kar PLL sintetizator, ki sem ga razvil in temeljito preizkusil v BPSK radijski postaji za 430MHz [7]. Vezje sintetizatorja je predelano na nekoliko višjo izhodno frekvenco 485MHz. Sintetizatorju sledi še množilnik x4
(ATF-35376, START420 in pripadajoča sita), ki proizvaja lokalni oscilator za mešanje
1940MHz.
Končno potrebuje zunanja visokofrekvenčna enota še nekaj dodatnih vezij, da
jo lahko preprosto povežemo po enem samem koaksialnem kablu do notranje medfrekvence z modemom. Na prvem mestu je tu samodejni preklop sprejem/oddaja,
ko zunanja enota zazna oddajni signal medfrekvence. Jakost oddajnega signala je
treba prilagoditi mešalniku v primeru odstopanj jakosti medfrekvence oziroma spremenljivih izgub v povezovalnem kablu. Za BPSK signal s skoraj konstantno ovojnico
je omejevalnik s PIN diodo (BAR81W) preprosta in učinkovita rešitev.
elektronik september 2012 / 19
6
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Celotno vezje BPSK transverterja za 2360MHz vsebuje pet enot. Mešalnik in
visokofrekvenčna glava sta izdelana kot mikrotrakasta vezja na dvostranskem FR4
debeline 0.6mm. Sintetizator, preklop RX/TX in stikalni napajalnik, ki ni prikazan na
osnovnem načrtu, so izdelani na treh običajnih enostranskih tiskanih vezjih.
Ojačanje sprejemne verige BPSK transverterja za 2360MHz se giblje med 25dB
in 30dB vključno z izgubami antenskega preklopa, izgubami številnih pasovnih sit,
slabljenjem mešalnika in izgubami omejevalnika na izhodu 420MHz. Oddajnik proizvede na antenskem priključku okoli 2W (+33dBm) moči na 2360MHz. Pri tem potrebuje krmiljenje z močjo med 20mW (+13dBm) in 200mW (+23dBm) na medfrekvenci 420MHz.
Zunanje napajanje BPSK transverterja je nazivno +12V. Večina vezij v notranjosti se napaja s +5V iz stikalnega napajalnika. Edino del frekvenčnega sintetizatorja potrebuje +8V iz lastnega napajalnika. Kretnica za napajanje po istem medfrekvenčnem kablu namenoma ni vgrajena, da lahko v medfrekvenčni vod vstavljamo
slabilce oziroma sklopnike za več različnih medfrekvenčnih enot. Kretnico za napajanje po medfrekvenčnem kablu lahko seveda dogradimo zunaj.
PLL frekvenčni sintetizator
PLL frekvenčni sintetizator je skoraj popolnoma enak tistemu v izvorni inačici
BPSK radijske postaje za 430MHz [7]. Načrt vsebuje le nekaj manjših sprememb za
delovanje na nekoliko višji frekvenci okoli 485MHz. Množilnik x4 na 1940MHz sledi v
enoti mešalnika. Vse spremembe so vpisane z rdečo barvo:
elektronik september 2012 / 19
7
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Najpomembnejša sprememba je drugačen modulo deljenja PLLja zaradi višje
frekvence delovanja. V programirljivo logiko EPM3032ATC44 torej vpišemo program
"plltrv" s programsko opremo proizvajalca Altera "MAX+plusII" in vmesnikom "CigoPLD", ki omogoča delovanje sintetizatorja v frekvenčnem pasu od 473.8MHz do
499.2MHz. Dodatno popravimo frekvenčno območje VCOja s kondenzatorji 5.6pF in
22pF, da bo enosmerna napetost na varikap diodah čim bližja 4V pri delovanju VCOja
na osrednji frekvenci 242.5MHz.
Programirljivo logiko EPM3032ATC44 priporočam vsaj različico 7ns, boljše 4ns!
Tudi najhitrejša različica EPM3032ATC44-4 ima na frekvencah nad 240MHz težave.
Vhodna stopnja sicer dela odlično, prav tako jedrna logika, težave so s prepočasnimi izhodi. Nad 240MHz povratna vezava za enosmerno delovno točko (upor 39kΩ
med nogicama 35 in 37) ne dela več pravilno: nesimetrija izhodne stopnje nastavi
previsoko napetost. Preprost protiukrep je dodatni upor 68kΩ iz nogice 37 na maso.
Pozor, vrednost tega upora je odvisna od frekvenčnega področja, ki ga pokriva VCO!
Dodatna predelava sta dve ločeni zunanji napajalni napetosti +5V in +12V, ki
jih enota sintetizatorja v svoji notranjosti stabilizira na +3.3V in +8V. Ločeni napajanji omogočata nižjo skupno porabo, ko je v transverterju na razpolago učinkovit
skupni stikalni napajalnik iz +12V na +5V. Predelavam je prirejeno novo tiskano
vezje, ki sem ga že predstavil v opisu [6]:
elektronik september 2012 / 19
8
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Kljub temu, da se bo sintetizator za 485MHz uporabljal v transverterju, priporočam dobro oklapljanje celotnega PLLja kot v prvotni inačici radijske postaje.
Neželjena frekvenčna modulacija zaradi nezadostnega oklapljanja je zelo zahrbtna
napaka, ki jo je težko odkriti in še težje zdraviti! Torej tiskano vezje zacinimo v okvir
iz 0.5mm medenine. Okvir zapremo z dvema pokrovoma, gornji in spodnji, iz 0.2mm
bakra. Napajanje preko dveh kondenzatorjev skoznikov. Izhod po teflonskem kabelčku do enote mešalnika.
elektronik september 2012 / 19
9
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Kapacitivnega trimerja pri kristalu žal ne moremo zamenjati z nastavljivo tuljavo. Na tem mestu se je zelo obnesel mali popravek tiskanega vezja: trimer in kristal
sta na novi tiskanini bolj razmaknjena, da kristal ne pritiska več na ohišje trimerja.
Se mogoče sliši neumno, ampak z nekvalitetnimi trimerji ta preprost ukrep prepreči
nepričakovane skoke frekvence. Končno lahko uporabimo boljši (cevni) trimer nižje
vrednosti in manjkajočo kapacitivnost dodamo v obliki SMD kondenzatorja pod trimerjem ali kristalom.
Oba kapacitivna trimerja v množilniku 242.5MHz/485MHz lahko zamenjamo s
fiksnima SMD kondenzatorjema 5.6pF, obe SMD tuljavi pa z dvema zračnima tuljavama iz posrebrene žice premera 0.6mm (ena od sedmih žil srednjega vodnika koaksialnega kabla RG214). Obe tuljavi uglašujemo tako, da razmikamo ovoja.
elektronik september 2012 / 19
10
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Isto tiskano vezje lahko uporabimo za sintetizator s kapacitivnimi trimerji kot
tako z uglaševanjem tuljav. Pri izdelavi nastavljivih tuljav skrbno pazimo, da jih navijemo v isti smeri kot na slikah prototipa ter vgradimo v iste izvrtine na tiskanem
vezju. Manjše spremembe nazivne induktivnosti tuljav dosežemo tudi tako, da notranji premer tuljave (nazivno 4mm) zmanjšamo na samo 3.5mm ali povečamo na
4.5mm.
Obe inačici PLL sintetizatorja, s kapacitivnimi trimerji in z raztegljivimi tuljavami, dosegata enako izhodno moč okoli +8dBm na frekvenci 485MHz. V obeh inačicah
znaša dušenje vhodne frekvence množilnika 242.5MHz okoli 50dB. Pri gradnji katerekoli inačice seveda veljajo vsa navodila iz opisa izvorne BPSK radijske postaje za
430MHz [7].
elektronik september 2012 / 19
11
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Mešalnik transverterja 420MHz/2360MHz
Srce transverterja je mešalnik. Za mešanje iz 420MHz na 2360MHz na oddaji
oziroma obratno na sprejemu potrebujemo lokalni oscilator 1940MHz. Enota mešalnika vsebuje množilnik iz 485MHz na 1940MHz, skupni mešalnik za sprejem in
oddajo, pripadajoča pasovna sita ter po eno visokofrekvenčno stopnjo sprejemnika
(zadnja) in oddajnika (prva):
Kot množilnik x4 je uporabljen HEMT ATF-35376. Sledita dve pasovni siti na
1940MHz. Ker znaša vstavitveno slabljenje vsakega sita posebej okoli 5dB, je potrebna še ojačevalna stopnja s tranzistorjem START420. Obe pasovni siti za 1940MHz sta
načrtovani za nesimetričen odziv, da čimbolj dušita neželjeni peti harmonik lokalnega
oscilatorja na 2425MHz. Signal lokalnega oscilatorja na 1940MHz mora biti zadosti
močen (okoli 3mW ali +5dBm), da krmili HEMT mešalnika v nelinearno področje delovanja.
Mešalnik s HEMTom ATF-35376 je popolnoma pasiven, to se pravi brez enosmernega napajanja! HEMT se obnaša kot krmiljeno stikalo. Medfrekvenco 420MHz
izlušči preprosto nizkoprepustno sito s SMD tuljavami in kondenzatorji. Visokofrekvenčni signal na 2360MHz izlušči pasovno sito, ki je namenoma načrtovano za nesimetrični odziv tako, da čimbolj duši signal lokalnega oscilatorja na 1940MHz. Žal
takšno sito zahteva dva SMD mostička velikosti 1206 na tiskanini!
elektronik september 2012 / 19
12
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Zadnja ojačevalna stopnja sprejemnika je izvedena z InGaP MMIC ojačevalnikom AVT-54689, ki daje dobrih 15dB ojačanja. Podoben, a nekoliko močnejši MMIC
ojačevalnik AVT-55689 je uporabljen v prvi stopnji oddajne verige in daje na svojem
izhodu okoli 20mW (+13dBm). Preklop sprejem/oddaja je izveden z dvema PIN diodama BAR63-03W. Ojačanji sprejemne in oddajne verige sta sicer dovolj visoki, da
preklopnik niti ni nujno potreben. Zadoščala bi vzporedna vezava izhoda sprejemne
verige in vhoda oddajne verige preko primernega sklopnika.
Mešalnik transverterja 420MHz/2360MHz je izveden v tehniki mikrotrakastih
vodov na podlagi FR4 nazivne debeline 0.6mm z izmerami 30mmX100mm. Prikazana je samo gornja stran tiskanega vezja, saj spodnja stran ni jedkana. Uporabljeni
laminat je imel nanos bakra 17.5μm na obeh straneh. Izmerjena debelina golega
laminata je malo večja od 550μm.
Razen uporabljenega laminata je ponovljivost še najbolj odvisna od izvedbe
povezav na maso na drugi strani tiskanine. Vsa pasovna sita so zato namenoma
načrtovana tako, da takšnih "via" povezav nimajo! Polprevodniki so ozemljeni preko
izvrtin premera 2mm oziroma 3.2mm. Na strani mase izvrtine najprej prekrijemo
z 0.1mm debelo, pocinjeno bakreno pločevino, luknjice napolnimo s cinom in šele
nazadnje zacinimo polprevodnik. Vhodna tuljava množilnika je ozemljena s koščkom
bakrene žice premera 0.6mm.
ATF-35376 lahko zamenjamo s katerimkoli HEMTom, ki ima Idss med 20mA in
30mA. Uporabni so skoraj vsi HEMTi iz starih SAT-TV konverterjev, tudi v plastičnih
ohišjih. Pravilno raven signalov pomerimo kot enosmerno napetost na dveh testnih
točkah, saj mora za nelinearno delovanje HEMTa Schottky spoj GS (vrata-izvor) tudi
usmerjati.
elektronik september 2012 / 19
13
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
START420 je samo ponaredek bolj znanega tranzistorja BFP420. Oba MMIC
ojačevalnika lahko zamenjamo s številnimi drugimi podobnimi izdelki v enakem ohišju SOT-89. Pri MMIC ojačevalnikih pazimo na pravilen delovni tok in pravilno napajalno napetost. Če InGaP ojačevalnike zamenjamo s SiGe ojačevalniki, moramo obvezno povečati zaporedni upor v napajanju, saj SiGe ojačevalniki delujejo pri nižjih
napetostih!
Ko smo preverili delovanje množilne verige in mešalnika, mikrotrakasto vezje
vgradimo v okvir iz medeninaste pločevine. Ravnina mase mikrotrakastega vezja bo
delovala tudi kot spodnja stranica oklopa. Gornji oklop bo dodaten pokrovček iz tanke bakrene pločevine. Oblika mešalnika je namenoma podolgovata, da se izognemo
resonancam ohišja.
Pri tem pazimo na pravilno spajkanje teflonskih koaksialnih kabelčkov. Nepravilna oziroma nemarna vgradnja kabelčkov zagotavlja nedelovanje transverterja!
elektronik september 2012 / 19
14
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Visokofrekvenčna glava transverterja za 2360MHz
Visokofrekvenčna glava vsebuje dve oddajni ojačevalni stopnji z vezji ADL5320
in ALM-32220, dve sprejemni ojačevalni stopnji s polprevodniki ATF-35376 in
MMG3007NT1, tri pasovna sita za 2360MHz ter antenski preklopnik z dvema PIN
diodama BAR81W:
Pasovnemu situ v oddajni verigi sledi ADL5320, močnostni MMIC ojačevalnik
v razredu "AB". Mirovni tok znaša okoli 100mA in pri primernem krmiljenju lahko
naraste tudi preko 400mA. ADL5320 takrat proizvaja do 0.7W moči na 2360MHz!
Ojačanje za majhne signale je dobrih 13dB. Vhod ADL5320 je prilagojen na 50Ω,
izhodna impedanca pa je zaradi višje moči nujno nižja.
V izhodni stopnji oddajnika je uporabljeno hibridno vezje ALM-32220. V svoji
notranjosti ALM-32220 vsebuje vzporedno vezavo dveh močnostnih HEMTov, vezja
za prilagoditev vhodne in izhodne impedance na 50Ω ter vezje za nastavitev delovne
točke obeh močnostnih tranzistorjev. ALM-32220 proizvede na svojem izhodu 2.5W
pri ojačanju dobrih 13dB na frekvenci 2360MHz.
elektronik september 2012 / 19
15
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Glavna prednost ALM-32220 pred posameznimi močnostnimi tranzistorji, monolitnimi in drugimi hibridnimi močnostnimi ojačevalniki za 2.4GHz je razmeroma
veliko ohišje. Ohišje ALM-32220 lahko odvaja več kot 8W toplote! Ohišja vseh drugih
polprevodnikov so dosti manjša. Obljubljeno moč sicer lahko proizvedejo, vendar ne
za dolgo časa, saj so namenjeni le pulznemu delovanju oziroma delovanju v časovnem multipleksu. Po drugi strani je ALM-32220 povsem brezskrbno 100% časa na
oddaji!
ALM-32220 se običajno uporablja v razredu "A" zaradi zahtev profesionalcev
za visoko linearnost. V opisanem transverterju je delovna točka ALM-32220 postavljena v razred "AB" z uporom 470Ω na priključku 20, kar znižuje mirovni tok na dobrih 300mA in zmanjšuje segrevanje celotnega transverterja. Končno se je v praksi
ALM-32220 izkazal kot stabilen in zanesljiv gradnik.
ALM-32220 je hkrati tudi del antenskega preklopnika. Na sprejemu je izhodna impedanca ALM-32220 v odsotnosti napajanja povsem jalova. Mikrotrakasti vod
primerne dolžine preslika to impedanco v odprte sponke na spojišču sprejemnika.
Obratno je treba na oddaji še vedno zaščititi vhod sprejemnika pred močjo oddajnika. Z upoštevanjem izgub vseh gradnikov in tiskanega vezja ostane okoli 2W moči
na antenskem priključku oziroma 6..7dB več od tistega, kar zmore CLY2.
Načeloma bi za zaščito sprejemnika zadoščala ena BAR81W, ki vključena zagotavlja 26dB slabljenja. To pomeni, da od 2W oddajnika ostane 5mW na vhodu sprejemnika. Ker je prag poškodbe HEMTa okoli 10mW, sem se odločil za zaporedno vezavo dveh stikal z dvema diodama BAR81W. Dodatna dioda prinese dodatnih 0.7dB
slabljenja, ampak v resničnem svetu brez slabljenja ne gre!
Rešitev z dvema BAR81W se mi zdi smiselna glede na zahteve načrtovanja
transverterja. Niti antenska stikala v drugih tehnologijah (GaAsFET) niso kaj dosti
boljša. Radioamaterskim gobcem brez možganov je treba takoj povedati, da samo
koaksialni kabli do najboljšega koaksialnega releja v naši galaksiji izgubijo več!
Sprejemni ojačevalnik ima v prvi stopnji HEMT ATF-35376 in v drugi stopnji
InGaP MMIC ojačevalnik MMG3007NT1. Vsaka stopnja sprejemne verige daje okoli
15dB ojačanja. Skupno slabljenje obeh pasovnih sit je okoli 8dB. V drugo stopnjo
je vgrajen MMIC ojačevalnik, ker se je v prvih dveh prototipih ojačevalnik s Si NPN
tranzistorjem START420 izkazal nestabilen. Ojačevalnik MMG3007NT1 je bil izbran
predvsem zaradi manjše porabe.
elektronik september 2012 / 19
16
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Visokofrekvenčna glava je izdelana na mikrotrakastem tiskanem vezju z izmerami 40mmX100mm. Podlaga je enaka kot v mešalniku: FR4 debeline 0.6mm z dvostranskim nanosom bakra 17.5μm. Malosignalni polprevodniki so ozemljeni enako
kot v mešalniku skozi izvrtine premera 2mm ali 3.2mm in 0.1mm debelo pocinjeno
bakreno pločevino na drugi strani. Prvo sito sprejemnika zahteva dva SMD mostička
1206. ALM-32220 potrebuje še zračni mostiček za napajanje.
Vgradnja ALM-32220 je bolj zahtevna zaradi hlajenja. V tiskanem vezju je treba najprej izrezkati označeno pravokotno odprtino. Nato na strani mase tiskanega
vezja zacinimo košček 22mmX30mm pocinjene bakrene pločevine debeline 0.2mm,
ki ima prav tako izrezano pravokotno odprtino. Potem natančno nastavimo ALM32220 in zacinimo obrobne priključke s pomočjo obilice stearina. Končno zapolnimo
pravokotno luknjo pod ALM-32220 s cinom.
Preverjeno (enosmerno in visokofrekvenčno) mikrotrakasto vezje vgradimo v
okvir iz medeninaste pločevine. Ravnina mase mikrotrakastega vezja bo delovala
tudi kot spodnja stranica oklopa. Gornji oklop bo dodaten pokrovček iz tanke bakrene pločevine. Tudi oblika visokofrekvenčne glave je namenoma podolgovata, da se
izognemo resonancam ohišja.
elektronik september 2012 / 19
17
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Na spodnji strani ne pozabiti na Zener diodo 5V6 za zaščito polprevodnikov
oddajnika!
Omejevalnik in preklop sprejem/oddaja
Enota omejevalnik in preklop sprejem/oddaja je pravzaprav vmesnik med medfrekvenco in transverterjem. Omejevalnik s PIN diodo BAR81W poskrbi za pravilno
krmiljenje mešalnika na oddaji. Hkrati omejevalnik preprečuje poškodbe mešalnika
zaradi premočnega krmilnega signala kot tudi udarov strele in podobno.
Medfekvenčni oddajni signal krmili tudi preklop transverterja iz sprejemnega v
oddajni način delovanja, da dodatne povezave med medfrekvenco in transverterjem
niso potrebne. Ker je transverter namenjen podatkovni zvezi, se mora izvršiti preklop iz sprejema na oddajo in obratno čim hitreje, to se pravi v nekaj mikrosekundah! Hitrost preklopa postavlja dodatne zahteve za vsa vezja transverterja, največ
seveda za sam preklopnik:
elektronik september 2012 / 19
18
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Opisani transverter uporablja dvosmeren mešalnik, ki deluje na sprejemu in
na oddaji. Med mešalnik in medfrekvenco je treba vstaviti nastavljivi slabilec, ki naj
primerno oslabi krmilni signal na oddaji, na sprejemu pa naj bo njegovo slabljenje
čim manjše. Slabilec je izveden s PIN diodo BAR81W, ki jo krmili detektor s Schottky
diodo HSMS2800. Dodatna dioda, rdeča LED uporabljena kot Zener za približno 1.8V,
določa prag jakosti medfrekvenčnega signala, ko slabilec začne omejevati krmiljenje
mešalnika.
BPSK signal v našem packet radio omrežju je v frekvenčnem pasu 2.3GHz nefiltriran in ima skoraj konstantno ovojnico. Časovna konstanta krmiljenja slabilca je
zato namenoma zelo kratka. Pasovni siti pred in za slabilcem izločata neželjene harmonike, ki se tvorijo v PIN diodi. Hkrati pasovni siti preprečujeta, da bi na delovanje
slabilca vplivale druge motnje iz medfrekvenčnega kabla, na primer prenos napajanja.
Isti detektor s Schottky diodo HSMS2800 krmili tudi preklop transverterja
sprejem/oddaja. Preklopno vezje mora pri tem zagotoviti, da oddajni in sprejemni
del transverterja nista v nobenem trenutku vključena hkrati. Sočasno delovanje obeh
vej pomeni zagotovo samoosciliranje, oddajo motenj in v najhujšem primeru bi se
transverter v takšnem stanju lahko celo zataknil brez krmiljenja medfrekvence.
Prvi protiukrep proti istočasnemu sprejemu in oddaji sta dva ločena primerjalnika v vezju LM393D. Uporovna veriga je tako nastavljena, da se pri vklopu medfrekvenčnega krmiljenja najprej ugasne sprejem in šele nato vklopi oddaja pri medfrekvenčnem signalu jakosti okoli 5mW (+7dBm). Obratno se pri izgubi krmiljenja
najprej ugasne oddaja in šele nato vključi sprejem.
Drugi protiukrep proti istočasnemu sprejemu in oddaji je logika z ALI vrati
74ACT32. Logika dovoljuje vklop sprejema ali oddaje šele takrat, ko napajalna napetost prejšnjega stanja upade pot prag vrat družine 74ACTxx, to se pravi pod 1.5V. Pri
napajalni napetosti pod 1.5V običajni MMIC ojačevalniki zanesljivo ne delujejo več.
Napajalni napetosti +5VRX in +5VTX se preklapljata s PMOS tranzistorjema
Si7445DP (20V, 12A). Tako močni tranzistorji so potrebni zato, da je upornost v
vključenem stanju manjša od 8mΩ. Pri napetosti samo 5V in tokovih, večjih od 1A,
se vsakršna upornost še kako pozna! Tranzistorji Si7445DP ali podobni imajo precejšnje kapacitivnosti, kar zahteva nizko-impedančno krmiljenje z vrati družine 74ACTxx.
Še večje kondenzatorje uporabljajo sprejemna in oddajna vezja transverterja
za blokiranje napajanj +5VRX in +5VTX. Preklop sprejem/oddaja oziroma obratno
pospešimo tako, da vse kondenzatorje v sprejemni oziroma oddajni izpraznimo z
dvema dodatnima NMOS tranzistorjema 2N7002. Vsi opisani ukrepi omogočajo zanesljiv preklop sprejem/oddaja oziroma oddaja/sprejem v samo par mikrosekundah
in to brez prepovedanega sočasnega delovanja sprejemne in oddajne verige!
elektronik september 2012 / 19
19
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Omejevalnik in preklop RX/TX sta izdelana na enostranskem tiskanem vezju z
izmerami 28mmX60mm. Tiskano vezje nosi tudi dve svetleči diodi za prikaz delovanja sprejemnika oziroma oddajnika in je namenjeno vgradnji na prednjo ploščo transverterja. Pozor, svetleča dioda za napetostno referenco omejevalnika NI namenjena
vgradnji na prednjo ploščo, saj sta oba njena priključka visokofrekvenčno "vroča"!
Svetleča dioda omejevalnika sicer rahlo brli v odvisnosti od jakosti medfrekvenčnega
krmiljenja.
Svetleči diodi za sprejem (zelena) in oddajo (rdeča) sta zacinjeni z daljšimi
priključnimi žicami, da jih lahko upognemo glede na odstopanje izvrtin na prednji
plošči. Žice za napajalne napetosti +5V, +5VRX in +5VTX so neposredno zacinjene
na tiskano vezje in primernega preseka za amperske tokove!
elektronik september 2012 / 19
20
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Stikalni napajalnik za +5V
V prva dva prototipa transverterja sem vgradil kar predelan PLL sintetizator
BPSK postaje za 70cm z enim samim napajanjem +12V. Vsa ostala vezja transverterja sem napajal preko regulatorja 7805 z napetostjo +5V. Ohišje TO-220 regulatorja 7805 sem privil na osnovno ploščo aluminijaste škatle transverterja, ki je delovala kot hladilno rebro. Poskus s preprostimi linearnimi regulatorji je bil potreben
pri razvoju transverterja, saj si pri številnih neznankah novega vezja nisem želel še
motenj stikalnega napajalnika.
Poraba takšnega transverterja s preprostimi linearnimi napetostnimi regulatorji znaša 330mA na sprejemu in kar 1.35A na oddaji. Pri zunanjem napajanju 12..14V
to pomeni 4W moči na sprejemu in kar 16W moči na oddaji. Večina te moči se pretvori v toploto, ki jo je zelo težko odvesti proč. Takšen transverter lahko uporabljamo le v prostoru z zmerno temperaturo, kar ni niti zaprta omara, še manj pa zaprta
škatla na antenskem drogu.
Industrija polprevodnikov danes ponuja številne rešitve za stikalne napajalnike. Izbral sem preprosto tisto, kar sem imel pri roki, to je integrirano vezje AOZ1014
proizvajalca APLHA&OMEGA SEMICONDUCTOR. AOZ1014 vsebuje stikalni napajalnik
za 5A s preklopno frekvenco 500kHz in učinkovitim močnostnim PMOS stikalom na
samem čipu v drobcenem ohišju SOIC-8. Od zunanjih močnostnih gradnikov so potrebni le še Schottky dioda SK54, dušilka 4.7μH in kondenzatorji na vhodu in izhodu:
elektronik september 2012 / 19
21
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
AOZ1014 ima notranjo referenčno napetost 0.8V. Izhodno napetost določa zunanji uporovni delilnik na nogico 4=FB. Če nimamo 1% uporov, za enega od uporov
delilnika preprosto uporabimo vzporedno vezavo dveh SMD uporov eden nad drugim,
da dosežemo željeno izhodno napetost +5V. Na nogico 5=COMP povežemo RC člen
za frekvenčno kompenzacijo povratne vezave regulatorja.
Vhod in izhod stikalnega napajalnika sta blokirana s keramičnimi kondenzatorji
10μF in 22μF ter tantalovimi kondenzatorji 2x22μF in 2x150μF. Zener 18V/1W ščiti
vhod pred prenapetostjo in napačno polariteto. SMD feritne dušilke 1206 (feritne
perlice FP) naj bi dušile motnje stikalnega napajalnika. Na izhodu napajalnika sta dve
takšni dušilki zacinjeni ena nad drugo, da je padec napetosti manjši.
Stikalni napajalnik je izdelan na enostranskem tiskanem vezju z izmerami
28mmX60mm. Ob obeh vzdolžnih stranicah sem pustil široke trakove mase, kamor
bi se dalo zaciniti oklop. Na srečo se je tak oklop izkazal nepotreben.
Vsi gradniki stikalnega napajalnika so vgrajeni na isti strani tiskanega vezja.
Takšno tiskano vezje privijemo neposredno na zadnjo stranico ohišja transverterja.
Med tiskano vezje in alumunijasto stranico ohišja je smiselno dodati malo silikonske
toplotno-prevodne masti za boljše odvajanje toplote.
elektronik september 2012 / 19
22
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Z opisanim stikalnim napajalnikom se poraba transverterja približno razpolovi
glede na linearni regulator 7805. Poraba transverterja s stikalnim napajalnikom znaša okoli 175mA na sprejemu in okoli 630mA na oddaji. Povsem jasno se razpolovi
tudi segrevanje celotnega transverterja! Primerjava ni čisto poštena, ker sta imela
prva dva prototipa v drugi stopnji sprejemnika še tranzistor START420 namesto bolj
požrešnega MMICja, torej je resnični prihranek stikalnega napajalnika še večji.
Glede na porabo vezij transverterja lahko v opisanem stikalnem napajalniku
uporabimo tudi nekoliko šibkejše gradnike. AOZ1017 je povsem enak stikalni napajalnik za 3A v enakem ohišju SOIC-8 z enakim razporedom priključkov. Prav tako je
Schottky dioda SK34 nekoliko šibkejša inačica diode SK54.
Gradnja BPSK transverterja za 2360MHz
Gradnje transvereterja se je smiselno lotiti previdno. Torej sproti preverjati izdelana vezja, preden nadaljujemo z gradnjo. Gola tiskana vezja je smiselno najprej
preveriti z ohmmetrom, da takoj odpravimo hladne spoje in kratke stike.
Vgradnjo nekaterih gradnikov, naprimer izhodnega ojačevalnika ALM-32220,
je zelo težko preverjati in še težje popravljati napake spajkanja, ko je tiskano vezje
že vgrajeno v medeninast okvir. Ojačevalniki družine AVT-xxxxx so se od vseh gradnikov izkazali najbolj občutljivi na spajkanje: grobo ravnanje s konico spajkalnika
potrga notranje povezave v zmehčani plastiki ohišja SOT-89.
Sintetizator, mešalnik in visokofrekvenčna glava so vgrajeni v tri okvirje iz
0.5mm debele medeninaste pločevine. Sintetizator ima dodatno dva pokrova iz tanke bakrene pločevine debeline 0.2mm, ostali dve enoti pa le zgornji pokrov:
elektronik september 2012 / 19
23
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Oklopljene enote so namenoma podolgovate oblike, da notranje resonance kovinskih škatlic niso škodljive. Mikrovalovni absorber torej ni potreben v nobeni škatlici. Vse povezave so preko teflonskih kabelčkov oziroma kondenzatorjev skoznikov
na ozkih stranicah oklopljenih enot.
Sintetizator lahko preverimo neodvisno od ostalih enot. Prav tako lahko neodvisno od ostalih enot preverimo delovanje preklopa RX/TX. Nato povežemo mešalnik
in takoj preverimo delovanje verige lokalnega oscilatorja na obeh testnih točkah.
Končno preverimo delovanje enote mešalnika na sprejemu in na oddaji.
Nazadnje priključimo še četrto visokofrekvenčno enoto, visokofrekvenčno glavo, da s pomočjo dveh laboratorijskih napajalnikov za +5V in +12V preizkusimo
delovanje celotnega transverterja:
elektronik september 2012 / 19
24
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Poraba visokofrekvenčne glave na oddaji bi morala biti okoli 1A pri polni izhodni moči oziroma okoli 400mA brez medfrekvenčnega krmiljenja.
Oddajna veriga ima eno samo točko uglaševanja: listek pocinjene bakrene
pločevine 0.1mm deluje kot kapacitivni trimer za prilagoditev izhodne impedance
ADL5320. Sprejemna veriga ima eno samo točko uglaševanja čisto na začetku: pocinjen listek pri drugi diodi BAR81W, s katerim pridobimo 1..2dB ojačanja sprejemne
verige.
elektronik september 2012 / 19
25
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Stikalni napajalnik preizkusimo ločeno od ostalih enot. Nepravilno delovanje
stikalnega napajalnika ima lahko katastrofalne posledice za visokofrekvenčna vezja!
Vse enote transverterja vgradimo v škatlo iz dveh "Ujev": 1mm aluminijeva
pločevina za dno in 0.6mm aluminijeva pločevina za pokrov. Dno škatle naj ima širino 135mm, globino 150mm in višino 30mm kot v prototipu:
elektronik september 2012 / 19
26
Matjaž Vidmar
elektronik september 2012 / 19
BPSK transverter za 2360MHz
27
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Na prednjo ploščo so nameščene vse tri vtičnice: antena, napajanje in medfrekvenca ter tiskano vezje preklopa RX/TX:
elektronik september 2012 / 19
28
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Na bakrene pokrove škatlic sintetizatorja, mešalnika in visokofrekvenčne glave
so nameščeni samolepljivi filci, da pokrov škatle iz 0.6mm debele aluminijeve pločevine zadržuje tudi male bakrene pokrovčke na svojih mestih:
elektronik september 2012 / 19
29
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Poskusi z BPSK transverterji za 2360MHz
Pred objavo članka sem skušal transverterje za 2360MHz temeljito preizkusiti.
Skupno sem izdelal šest prototipov. Še največ težav s ponovljivostjo gradnje je bilo s
starimi HEMTi ATF-35376, kjer dva nista med sabo enaka, pač pa imata hudo različna Idss. Vsi sodobni polprevodniki so bistveno boljši kar se tiče ponovljivosti: razlike
v ojačanju oziroma izhodni moči so znotraj 0.5dB.
Izdelane transverterje sem najprej nekaj mesecev preizkušal doma. Vroče poletje 2012 je bilo za takšen poskus kot naročeno. Iskal sem predvsem počasne mehanizme staranja polprevodnikov, ki bi lahko v nekaj mesecih ali letih ogrozili delovanje naprav. Vsi transverterji so krmiljeni z enakimi medfrekvenčnimi BPSK postajami
za 420MHz in vsi prištevajo oziroma odštevajo 1940MHz.
Prvi transverter in medfrekvenco sem vgradil v vozlišče S55YFH na lovski koči
pri Renčah. Sledil je S55YNG na Sveti Gori nad Gorico. Končno sem vgradil dva transverterja in dve medfrekvenci v vozlišče S55YST na Kobariškem Stolu:
elektronik september 2012 / 19
30
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
Poskusi v vozliščih na planinskih vrhovih so potrdili, da povečana izhodna moč
oddajnikov prinese obljubljenih 6..7dB več pri rezervah radijskih zvez. Pri zamenjavi starih BPSK postaj [1], [2] na Kobariškem Stolu prinesejo novi transverterji celo
8..9dB več, ker so oddajniki starih postaj opešali zaradi hladnih spojev pod izhodnim
tranzistorjem CLY2.
Mešanje na medfrekvenco pomeni tudi dodatno nevarnost motenj. Teh na planinskih vrhovih zaenkrat nisem opazil. Transverter se je obnašal povsem enako kot
stara BPSK radijska postaja. Vstavljanje resonatorskega sita v antenski vod ni imelo
merljivega učinka. Pač pa je resonatorsko sito dodatna zaščita pred strelo, kar ni
zanemarljivo.
Vsi transverterji so zaenkrat vgrajeni poleg pripadajočih medfrekvenc kot zamenjava za prejšnjo BPSK radijsko postajo za 2360MHz. Vgradnje transverterja neposredno pri anteni še nisem preizkusil. Tudi napajanja transverterja po medfre-
elektronik september 2012 / 19
31
Matjaž Vidmar
BPSK transverter za 2360MHz
kvenčnem kablu še nisem preizkusil.
Kar pa je učinkovito preizkušeno, dva transverterja na isti frekvenci se ne motita med sabo. Iz tega razloga na Kobariškem Stolu nisem mogel zamenjati starih
BPSK postaj za 13cm z novejšimi ZIF že prej. Dve ZIF postaji na isti frekvenci zanesljivo motita med sabo na sprejemu, ker lokalni oscilator ene deluje kot motilec
druge. Novi transverterji so razrešili vprašanje opreme takšnih vozlišč.
Izmerjene rezerve zvez so pokazale, da so novi transverterji na istih radijskih poteh obstoječega packet-radio omrežja uporabni tudi za višje bitne hitrosti. S
smiselno in varno rezervo zvez se da doseči vsaj 10Mbps. Povsem jasno potrebuje
10Mbps predelavo medfrekvence in povsem nove TNCje.
Literatura:
[1] Matjaž Vidmar: "13cm PSK radijska postaja za hitri packet-radio",strani 18-31/495, CQ ZRS, ISSN 1318-5799.
[2] Matjaž Vidmar: "Popravki, predelave in preizkus 13cm PSK radijske postaje",
strani 22-23/5-95, CQ ZRS, ISSN 1318-5799.
[3] Matjaž Vidmar: "Uporabniška 23cm PSK radijska postaja za 1.2Mbit/s", strani 2337/2-96, CQ ZRS, ISSN 1318-5799.
[4] Matjaž Vidmar: "PSK radijska postaja za 13cm z ničelno medfrekvenco", strani
27-31/6-98, CQ ZRS, ISSN 1318-5799.
[5] 8. Jani Kovač (urednik), Štefan Barbarič, Draskovits Gabor, Jože Herman, Tomi
Kacin, Marko Kovačevič, Mijo Kovačevič, Primož Lemut, Franci Mermal, Sine Mermal,
Iztok Saje, Darko Volk: Projekt "Digitalni mostovi - hitri packet-radio", financiran s
strani Evropske Unije, Program PHARE, 338 strani, COBISS-ID 45381121.
[6] Matjaž Vidmar: "Mala BPSK radijska postaja za 420MHz", strani 3-27, Elektronik.
si #18, ISSN 1855-6868.
[7] Matjaž Vidmar: "Megabitna BPSK radijska postaja za 430MHz", strani 3-31, Elektronik.si #14, ISSN 1855-6868.
Θ
elektronik september 2012 / 19
32
mucek
gregor.macek@gmail.com
USB – UART – RS-232 vmesnik
Uvod in principi delovanja
Pri svojem delu z mikrokrmilniki se pogosto
srečujem s potrebo po enostavni komunikaciji
med osebnim računalnikom in krmilnikom, pa
tudi RS-232 vmesnik potrebujem občasno, na
prenosnih računalnikih pa ga seveda ni. Tako
je že dalj časa v glavi bila ideja o izdelvi
estavnega, zanesljivega in poceni USB vmesnika, ki bi zmogel vse to.
Vmesnik sem poimenoval kar U2U (USB-232-UART), enostavno zato, ker sem želel
kratko ime, ki ga ne bo problem postaviti na tiskanino.
U2U modul omogoča naslednje načine delovanja:
USB – UART vmesnik (npr. med mikrokrmilnikom in računalnikom),
USB – RS-232 vmesnik (npr. med napravo z RS-232 vmesnikom in računalnikom),
UART – RS-232 vmesnik (npr. med napravo z RS-232 vmesnikom in mikrokrmilnikom).
Glede na dosedanje pozitivne izkušnje s
FTDI-jevimi USB povezovalnimi čipi sem
se seveda odločil, da ne izumljam tople
vode in enostavno vzamem preizkušen
USB – TTL konverter FT232RL, ki za delovanje zahteva minimalno število zunanjih
komponent.
Za razliko od mnogih podobnih kitajskih
veznih čipov se je FT232RL izkazal z izjemno stabilnim delovanjem (tudi pri stalni
priključitvi, npr. na strežnik) ter tudi podporo za praktično vse opera- cijske sisteme.
Večkrat potrebujem tudi pretvorbo iz TTL
nivojev na RS-232 nivo. To enostavno pomeni pretvorbo signala iz nape- tostnega
nivoja procesorja (npr. 0 in 5 V ali 0 in 3,3 V) na simetrični signal višje napetosti
(±12 V). Na ta način bistveno zmanjšamo morebitne motnje, ki se pojavijo v prenosu. To naredimo z dobro znanim MAX232 integrirnim vezjem, ki z nekaj dodatnimi
kondenzatorji poskrbi za ustrezno pretvorbo med nivojema.
Ker večkrat katerega od manjših porabnikov pri testiranju želim napajati kar preko
USB vmesnika, sem k pinom proti napravam (UART, RS232) dodal še četrti pin, na
elektronik september 2012 / 19
33
Gregor Maček
USB - UART - RS-232 vmesnik
katerega lahko pripeljemo +5 V iz USB konektorja. Za to funkcijo moramo skleniti
ustrezen jumper.
Ker MAX232 v osnovi omogoča le delovanje s 5 V TTL signali je možnost omenjeni čip
tudi zamenjati z MAX3232/3222, ki brez problemov deluje tudi na 3,3 V nivoju. Ker
ima omenjeni čip 2 pina več, bosta tako pina Enable in Shutdown v »zraku« (ostali
pini se ujemajo z MAX232). Seveda moramo v tem primeru paziti, da 5 V napajanja
iz vezja ne spustimo v naše ciljno vezje (razklenjen jumper), če se to napaja s 3,3 V.
Opis gradnje
VCC_1
VCC_1
C9
1µF
VCC
1µF
1µF
1µF
C1
C2
U1a
C1+
C1C2+
C2T1IN
T2IN
R1OUT
R2OUT
V+
V-
C4
T1OUT
T2OUT
R1IN
R2IN
1µF
C5
VCC_1
RS232
GND
J4
100nF
4,7µF
+
C11
C3
JMP
J1
R8
470
RX6
VCC_1
R7
470
C8
100nF
OSCO
OSCI
TEST
AGND
NC
CBUS0
CBUS1
GND
VCC
RESET#
GND
3V3OUT
USBDM
USBDP
VCC_1
J5
VBUS
DD+
ID
GND
TXD
DTR#
RTS#
VCCIO
RXD
RI#
GND
NC
DSR#
DCD#
CTS#
CBUS4
CBUS2
CBUS3
UART
TX5
J3
D1
MAX232(SO)
VCC_1
J2
VCC_1
FT232RL
USB-UART-RS232 vmesnik
Vezje se lahko uporablja tudi samo kot
R1
10K
USB-UART ali UART-RS232 konverter.
Mini USB chassis socket SMT
V tem primeru izpustimo nepotreben IC.
Avtor: Gregor Maek
ID: U2U 1.1
Datum: 05/2012
Revizija: 1.1
Samo vezje je sestavljeno pretežno iz SMD komponent (izjema so edino letvice za
pri- klop RS-232 in TTL signalov ter jumper za izbiro napajanja).
Najprej zaspajkamo oba čipa, USB konektor (!), nato upore, kondenzatorje in svetleelektronik september 2012 / 19
34
Gregor Maček
BPSK transverter za 2360MHz
či diodi (tu pazimo na polariteto, saj sta diodi vezani na VCC in ne GND!) in na koncu
konektorje.
Za spajkanje čipov se meni naj- bolje obnese metoda, po kateri najprej prispajkam
dva krajna diagonalna pina (s čimer čip pritrdimo na mesto), nato pa na hitro s spajkalnikom in spajko grem čez vse pine, da se »zalijejo«. Preostane še, da odstranim
višek spajke s pletenico in očistim okolico (ki
je od fluksa, ki se sprosti iz pletenice).
Priklop in delovanje
Ko imamo vezje setavljeno, najprej preverimo upornost med +5 V linijo in GND, da
se prepričamo, da nismo naredili kakšnega
kratkega stika. Če je vse v redu, priklopimo USB kabel na računalnik in ta mora zaznati novo strojno opremo. V kolikor operacijski sistem gonilnikov ne najde samodejno, le-te najdemona uradni strani proizvajalca FTDI (www.ftdichip.com).
Obstajata dva tipa gonilnikov: VCP (Virtual COM Port), pri katerih se naš vmesnik v
sistemu prikaže kot virtualna COM vrata, in D2XX (direct), pri katerih je omogočen
direkten dostop do naprave preko knjižnic tipa DLL. Slednja varianta je primerna, če
pišemo sami tudi programsko opremo za naš produkt, sicer pa se v večini primerov
držimo kar »standardnih« VCP gonilnikov.
Nekaj posebnosti
Opcijski upor R1 (10 kΩ) proti ID pinu na mini USB konektorju
Nekatere naprave preko tega upora določajo, katera naprava je A (ID pin povezan
na maso) in katera B (ID pin v zraku). Druga funkcija tega pina je določitev režima
zagotavljanja električne energije, ki naj ga zagotavlja USB adapter napravi; standardne so 3 vrednosti uporov med ID pinom in maso: 124 kΩ, 68kΩ in 36,5 kΩ.
Več na http://en.wikipedia.org/wiki/USB_On-The-Go .
Jumper za izbiro vira napajanja
Če želimo napravo, na katero smo priklopili vmesnik preko le-tega tudi napajati (+5V
iz USB vmesnika), namestimo jumper. Na četrtem pinu UART in RS232 vmesnika se
tedaj pojavi napetost. Jumper sem namestil zato, da če napajanja ne potrebujemo,
ni bojazni pred »pojavom dima« ob napačni priključitvi (npr. zamaknjeni pini).
Tiskano vezje s spodnje in zgornje strani - desno je zrcljeno
Med testiranjem delovanja smo ugotovili, da R2OUT pin na MAXu drži stanje pina na
visokem nivoju in ga na ttl ne more spustiti na nizek nivo. Zato je bila v vezje dodana
dioda (D1), ki ta problem reši. Naj se na tem mestu zahvalim članu Vladu za koristen
nasvet!
Θ
elektronik september 2012 / 19
35
9A5ANB/SS53KP
Maks@fpp.hamradio.si
9A Keyer – pametni elektronski taster s spominom
Avtor 9A5ANB Milivoj Bartoš – Mic, prevedel S53KP - Maks
Radioamaterji, ki obvladajo telegrafijo, si verjetno ne morejo predstavljati dela brez
dobrega elektronskega tasterja. Res je, da imajo novejše postaje le-tega že vgrajenega, tako da je povpraševanje po elektronskem tasterju manjše kot pred leti. V
računalniški dobi pa veliko radioamaterjev sprejema in oddaja telegrafijo kar s pomočjo računalnika, saj je na voljo veliko programov, ki znajo to opravljati.
Pred leti so bile atraktivne papige, katere so radioamaterji uporabljali za delo v foniji,
predvsem na tekmovanjih. Za delo v telegrafiji pa manj vešči uporabniki računalnika
še vedno uporabljajo elektronski taster, saj je delo z navadnim tasterjem “pešakom”
počasnejše, z njim pa je težje doseči vidne rezultate. Če ima naš elektronski taster
še spomin, je to več kot dobrodošlo. Tudi sam sem več kot dve desetletji uporabljal
elektronski taster s spominom, ki ga je takrat izdelal radioamater iz YU1 (žal sem
klicni znak pozabil). Po tolikih letih dobrega delovanja se je tudi ta postaral in začel
“lepiti” črte, zato je bilo potrebno hitro nekaj ukreniti. Pričel sem iskati primeren
načrt za izdelavo elektronskega tasterja, ki bi imel vsaj dve ali tri vrstice spomina,
saj je prejšnji taster, ki sem ga uporabljal imel kar štiri vrstice po 65 znakov. Tako
sem prišel do sprogramiranega PIC-a DXKEY keyerja, katerega avtor je IK5CTX.
Omenjeni taster ima 4 vrstice spomina, ampak so že v naprej sprogramirane in razen pozivnega znaka ne omogoča drugih vnosov. Kljub temu, da “elektronc” solidno
deluje, sem nadaljeval z iskanjem po spletu. Elektronc ameriškega radioamaterja
K1EL se mi je zdel kar dobra nadomestitev za moj odsluženi elektronc, pa se nisem
takoj odločil zanj. Čisto slučajno sem brskal po forumu HRS-a in tam zasledil, da je
veliko zanimanja radioamaterjev za PIC 9A keyer, zato sem tudi sam pričel iskati
podatke o navedenem elektronskem tasterju. Po listanju foruma, sem nato prebral
še objavljen prispevek v časopis HRS-a, ki sta ga objavila Mic – 9A5ANB in Dubravko
9A9DR. Kmalu sem ugotovil, da je omenjeni elektronc lahko pravo nadomestilo za
mojega, ki je šel v zaluženi pokoj. Tako sem kar pričel z risanjem tiskanega vezja.
Tiskano vezje sem risal v enostavnem programu Sprint-Layout 4. Ko sem le-tega
narisal, sem pričel iskati srce tega tasterja, seveda sprogramiran PIC. Kljub temu,
da sem na forumu HRS ponujal 50 EUR za programirani čip 16F876A, ni bilo mogoče
priti do njega. Potem sem v zameno ponudil ročno postajo za 2m in rotator, pa kljub
temu ni bilo odziva.
Nekega dne sem se odločil, da poiščem avtorja tega elektronca 9A5ANB, Milivoja
Bartoša – Mic-a. To, da sem ga kar sam poiskal, me je vodilo, ker so posamezniki
pisali, da je veliko zavzet s službo, da se je nehal ukvarjati z radioamaterstvom,
nekateri so celo govorili, da se je skregal in vse obesil na klin itd. Seveda sem najprej pogledal kar v telefonski imenik, pa QRZ.com, saj na amaterske e-maile ni odgovarjal. Ko sem Mic-a poklical po telefonu, ter mu predstavil svoj problem sem kaj
hitro ugotovil, da to sploh ni več problem. Celo več. Ponudil je, da v kolikor želi kdo
izdelati omenjeni keyer, je pripravljen sprogramirati zadostno število PIC-ev, saj kot
elektronik september 2012 / 19
36
Milivoj Bartoš -Mic/Maks Turščak
9A Keyer - pametni elektronski taster
sam pravi, je to namenjeno radioamaterjem in se ne sme komercializirati. Seveda
sem avtorja tega, za moje poglede izvrstnega elektronca, zaprosil za soglasje, da
omenjena navodila za uporabo prevedem še v slovenski jezik in objavim, seveda kot
njegov izdelek. To dovoljenje sem tudi dobil, zato objavljam tale prispevek in se Mic-u zahvaljujem za soglasje.
V nadaljevanju bo prevod tehničnih karakteristik elektronskega tasterja s spominom,
ter sama uporaba omenjenega tasterja, katere je objavil avtor 9A5ANB – Mic, v časopisu HRS-a.
Tehnične lastnosti
- Serijska vrata za oglaševanje postaje in vpis v spomin s pomočjo računalnika,
- hitrost tipkanja 25 – 250 znakov v minuti, nastavitev hitrosti s potenciometrom,
- programsko nastavljanje tona piskača med 500 – 900 Hz,
- spominske črte in pike: Iambic A ali B,
- nastavitev razmerja pika presledek od 20 – 80%, normalno je 50 %,
- spomin se ne izbriše ob izklopu napajanja: 3 - 24 (odvisno od čipa) vrstic spomina,
5 znakov vsaki vrstici,
- ponavjanje sporočila iz spomina (beacon), možnost nastavitve posamezne ali skupine vrstic,
- nastavitev časa za ponavljanje sporočila iz spomina,
- serijska številka zveze: avtomatski števec od 0-65535 z možnostjo nastavitve znakov (001, TT1),
- avtomatska nastavitev razmaka med znaki (autospace) v dolžini 2 – 9 pik,
- vključen ali izključen piskač,
- možnost izključiti tipkanje postaje,
- možnost nastavitve tipkanja za levo in desno roko,
- vse nastavitve ostanejo tudi po izključitvi napajanja,
- možnost treniranja telegrafije in primerjanja tipkanja na računalniku,
- možnost napajanja z baterije ali napajanje 6 – 15V.
Tabela 1: Postavitev jumperjev (JUMP)
elektronik september 2012 / 19
37
Milivoj Bartoš -Mic/Maks Turščak
9A Keyer - pametni elektronski taster
Načrt 9a keyerja
Lastnosti elektronskega tasterja
Elektronski taster bo avtomatski prepoznal kateri eprom smo vgradili. Ta
bo deloval tudi brez dodatnega EEPROMa, torej zunanjega spomina.
Razlika je le ta, da potem imamo v
elektronskem tasterju samo 3 vrstice
po 70 znakov. V kolikor uporabimo zunanji EEPROM 24C02, bomo imeli tudi
samo tri vrstice, vendar po 75 znakov,
kar nismo bistveno pridobili. V obeh
primerih elektronski taster nima ukaTiskano vezje 9A keyerja, po načrtu 9A5ANB narisal S53KP
elektronik september 2012 / 19
38
Milivoj Bartoš -Mic/Maks Turščak
9A Keyer - pametni elektronski taster
znega moda (Shift mod).
V kolikor smo vgradili EEPROM 24C04,
bomo imeli na razpolago 6 sporočil po
75 znakov. Sporočila M1 do M3 prikličemo s pritiskom S1 do S3. Sporočila od M4 do M6 pa prikličemo s
pritiskom na tipko S0 (shift mod),
takrat bo pričela LED hitro utripati,
nato pa pritisnemo eno od tipk S1 do
S3. Vsako prekinitev izvajanja vrstice
dosežemo s pritiskom na ročico elektronskega tasterja.
V kolikor smo v elektronski taster
vgradili EPROM 24C08, bomo imeli
Tiskano vezje 9A keyerja, po načrtu 9A5ANB narisal S53KP
zrcalna slika
na razpolago 2 spominski postaji po
6 sporočil, vsaka v dolžini 75 znakov. Izbira aktivne postaje se izvaja z ukazom D v
ukazni vrstici. Pri tem se poziv vrstice 1 – 6 prikliče enako, kot pri prejšnjem EEPROMu.
Postavitev elementov na tiskanem vezju
elektronik september 2012 / 19
39
Milivoj Bartoš -Mic/Maks Turščak
9A Keyer - pametni elektronski taster
Fotografija narejenega elektronskega tasterja. Foto S53KP
V kolikor bi vgradili EEPROM 24C16, bomo imeli na razpolago 4 spominske postaje,
v katerih bo vsako sporočilo vsebovalo po 75 znakov. V tem primeru bomo vrstice
priklicali z ukazom D v ukaznem načinu. Pri tem se poziv vrstice 1 – 6 prikliče enako,
kot pri prejšnjem EEPROMu.
Pri vnašanju sporočil v spomin se bo ob vnosu vseh 75 znakov elektronski taster samodejno ustavil. To pomeni, da je vrstica polna.
Tipke S1 do S3 so namenjene za direktni poziv sporočila iz memorije S1 do S3. Tipka
S0 je ukazna tipka. Prvi pritisk na njo pomeni vhod v ukazni mod (Shift mod), v tem
primeru bo LED pričela hitro utripati, sedaj pa pritisnemo eno od tipk S1 do S3, v tem
primeru nam bo tipkalo vneseno sporočilo v vrstico M4, M5 ali M6.
Elektronski taster prične tipkati sporočilo, katerega tipko smo pitisnili. Vsak pritisk
na ročico elektronskega tasterja, pomeni prekinitev nadaljnjega tipkanja sporočila iz
spomina, vendar po dokončanju začete črke. To je pomembno, v kolikor smo pomotoma pritisnili napačno tipko. Prekinitev tipkanja iz prve vrstice dosežemo tudi tako,
da pritisnemo tipko druge vrstice in tipkanje se bo prekinilo iz prve in pričelo iz druge
vrstice.
elektronik september 2012 / 19
40
Milivoj Bartoš -Mic/Maks Turščak
9A Keyer - pametni elektronski taster
Če smo določili beacon način za posamezno sporočilo, se bo sporočilo samodejno
sprožilo, dokler ne pritisnemo ročice elektronskga tasterja ali ne prikličemo druge
vrstice. V primeru pritiska druge tipke, ki ni določena kot beacon, se bo tipkanje po
odčitanju vsebine iz vrstice samodejno ustavilo.
V kolikor smo v ukaznem modu (Shift mod) in ničesar ne pritisnemo v trajanju 10 s,
bo elektronski taster sam prešel iz ukaznega v delovni način.
Če pa drugič pritisnemo na tipko S0, ko smo v ukazni vrstici, bo taster odtipkal C,
LED bo stalno svetila. V tem načinu se lahko preberejo vrednosti ali vpišejo nova
sporočila. V ukaznem načinu ostanemo, dokler ne odtipkamo znak K ali dokler ne odtipkamo novega ukaza. Izhod iz ukaznega načina se izvede z ukazom E (Setup exit).
V kolikor smo elektronski taster povezali z računalnikom preko RS-232 in programom
Hyper Terminal, lahko vse ukaze vnašamo tudi s pomočjo osebnega računalnika,
prav tako pa lahko vse vnose v spomin vidimo na ekranu našega računalnika. Računalnik in ročico elektronskega tasterja lahko uporabljamo hkrati. Prav tako bomo
lahko videli vsak odtipkani znak z ročico na našem monitorju, kar omogoča pregled
našega tipkanja.
Vsi ukazi so v glavnem iz enega znaka. V kolikor odtipkamo en znak, nam bo elektronski taster odtipkal vpisano vrednost tega ukaza. Naprimer A (Autospace). V kolikor bomo odtipkali AN, bo elektronski taster to razumel kot novi ukaz in bo s tem
avtomatski razmak izključen.
Hyper Terminal in komunikacija z elektronskim tasterjem
Slika1
elektronik september 2012 / 19
Slika2
41
Milivoj Bartoš -Mic/Maks Turščak
Slika3
9A Keyer - pametni elektronski taster
Elektronski taster enostavno priključimo
na naš računalnik preko RS-232 serijskih
vrat. Na računalniku izberemo z miško
Start/Programs/Accessories/Communications in izberemo Hyper Terminal. Tu
vpišemo ime naše povezave (npr. ELEKTRONC) in pritisnemo OK (slika 1). Izberemo COM, na katerega smo priključili naš
elektronski taster in pritisnemo OK (slika
2). V nadaljevanju mu določimo hitrost
komuniciranja (slika 3). Ko smo elektronski taster priključili na vrata RS-232 preko
standardnega kabla, pritisnemo dvakrat
rdečo tipko S0, da preidemo v ukazni način dela tasterja. Takrat nam bo odtipkal
črko C (ta-ti-ta-ti). Takrat je naš elektronski taster pripravljen za delo z Hyper Terminalu in samo pritisnemo na računalniku
enter, nakar se nam bo na zaslonu prikazala vsebina v spominu elektronskega tasterja (slika 4).
Slika4
elektronik september 2012 / 19
42
Milivoj Bartoš -Mic/Maks Turščak
9A Keyer - pametni elektronski taster
S posameznimi ukazi lahko sedaj upravljamo naš elektronski taster preko tipkovnice
računalnika.
Pregled vseh ukazov v ukaznem načinu elektronskega tasterja
(A) – Avtomatski presledek med znaki (Autospace)
Parameter: Y, N (Yes, No)
S tem ukazom vključimo avtomatsko odrejanje razmaka med znaki. To pomeni, v
kolikor od zadnje odtipkane pike ali črte v času ene pike nismo pritisnili ročice na tasterju, elektronski taster ne bo oddal ničesar dokler ne poteče toliko časa, kot je definirano v ukazu (L) letter space. V kolikor smo malo zamudili pri tipkanju, bo razumel
elektronski taster, da je tipkanje končano in da sledi presledek. Ta opcija zagotavlja
kvalitetno tipkanje.
A – vprašaj o trenutnem stanju
AY – avtomatski razmak vključen
AN – avtomatski razmak izključen
(B) Avtomatsko ponavljanje sporočil iz spomina (Beacon) – glej tudi (P) premor
Parameter: N, A, 1,2,3,4,5,6 (No ali števika sporočila v memoriji)
S tem ukazom vključimo avtomatsko ponavljanje sporočila iz spomina. Ukaz se nanaša na trenutno aktivni spomin. Vsaka vrstica ima lahko svoje parametre.
B – vprašaj o trenutnem stanju
BN – becon izključen
BA – katera koli vrstica bo poklicana, bo ponavljala sporočila
B1 - ponavlja samo sporočilo iz prve vrstice
(C) Spomin pozivnega znaka (call sign)
To je spomin za pozivni znak, dolg 16 znakov. Vgrajeno je avtomatko brisanje vseh
razmakov v sklopu pozivnega znaka.
C – tipka vsebino spomina pozivnega znaka
C 9A5ANB/P vpisuje pozivni znak v spomin
(D) Spominske strani (memory page)
S tem ukazom se izbira aktivna spominska stran s šestimi pripadajočimi sporočili, v
kolikor smo v taster vgradili EEPROM 24C08 ali 24C16. V tem primeru bomo v Hyper
terminalu aktivne strani imeli označene z oglatim oklepajem. V kolikor imamo majši
EEPROM, ta ukaz ni aktiven.
D – vprašaj o aktivni spominski strani
DX – briše vsa sporočila v spominu
D2 – izbere spominsko stran 2, v kolikor je aktivna
(E) Izhod iz ukazne vrstice (Setup exit)
Parametri: Y, N (Yes, No)
Ta ukaz odreja na kakšen način želimo izhod iz ukazne vrstice.
elektronik september 2012 / 19
43
Milivoj Bartoš -Mic/Maks Turščak
9A Keyer - pametni elektronski taster
E – vprašaj o trenutnem stanju
EN – izhod izključen.Ostanemo v ukazni vrstici dokler ne odtipkamo K ali dvakrat S0.
EY – avtomatski izhod iz ukazne vrstice po odtipkanju enega ukaza. To je uporabno
v tekmovanju, ko moramo v ukazno vrstico, da vrnemo zaporedno številko zveze,
nakar se elektronski taster avtomatsko vrne v delovni način.
(F) Frekvenca tona (Tone frequency)
Parameter: 50-99 (frekvenca v Hz X10)
S tem ukazom opredelimo ton zvočnika, ki je lahko od 500 do 990 Hz.
F – vprašaj o trenutnem stanju
F80 – postavljena frekvenca je 800Hz
(I)
Način tipkanja (Iambic mode)
Parameter: A, B (način A ali B)
Ta način opredeljuje na kateri način bo elektronski taster delal pike in črte. Več o tem
na spletu.
I – vprašaj o trenutnem stanju
IA – aktiviranje Iambic načina A
IB – aktiviranje Iambic načina B
(K) Izhod (Exit)
Izhod iz ukazne vrstice, če je v (E) Setup izbrano EN.
(L) Razmak med znaki (Letter space)
Parameter: 2-9 (merjeno v pikah)
S tem ukazom določamo razmak med znaki pri tipkanju spominskih sporočil. V kolikor uporabljamo Autospace, je 3 normalna vrednost.
L – vprašaj o trenutnem stanju
L4 - postavi razmak med znaki za 4 pike
(M) Spominske vrstice (spominska sporočila)
S tem ukazom se sporočila vpisujejo v spomin. Ko odtipkamo črko M, LED prične
počasi utripati, mi pa kar naprej tipkamo želeno sporočilo. Čas za vnos sporočila ni
omejen. Ko smo odtipkali želeno sporočilo, pritisnemo tipko želene vrstice (S0 in)
S1, S2 ali S3, odvisno v katero vrstico želimo shraniti odtipkano vsebino. Elektronski
taster bo shranjeno vsebino obdržal in odtipkal R (kot sprejeto). Vsebino vpisa preverimo tako, da isto tipko pritisnemo in elektronc nam bo odtipkal vnešeno vsebino.
Vsebino vrstice izbrišemo tako, da prikličemo ukaz M in odgovarjajočo tipko vrstice
ali pa v to vrstico pričnemo tipkati številke. Vnos sporočila v spomin prekinemo (če
se zmotimo) tako, da s tasterjem dajamo pike. Ko oddamo sedem pik se ponovno
vrne v komandno vrstico in lahko opravimo vnos v spomin.
M CQ CQ CQ DE 9A5ANB 9A5ANB K (pritisnemo na tipko S1)
M DE ?C K in pritisk na želeno vrstico. Sporočilo bo vpisano v tisto vrstico, katero smo pritisnili. Tu je uporabljena funkcija ?C, ki pri tipkanju namesto ?C odtipka
elektronik september 2012 / 19
44
Milivoj Bartoš -Mic/Maks Turščak
9A Keyer - pametni elektronski taster
vpisani pozivni znak iz memorije. V kolikor v vse vrstice vpišemo sporočila s takim
ukazom, bo ob spremembi pozivnega znaka v spominu (glej C), vse pozivne znake
zamenjalo.
M 599?N , 599?R in pritiske želene vrstice. Sporočilo vpisano v spomin. Tu sta uporabljena še dva ukaza ?N in ?R.
?N – povečaj in odtipkaj zaporedno številko
?R – odtipkaj zadnjo zaporedno številko
1 – tipka vsebino vrstice 1
6 – tipka vsebino vrstice 6
(N) Zadnja zaporedna številka (Last serial) glej tudi (Z) - Serial length
Parametri: I, D, 0-65535 (Increment , Decrement, zaporedna številka)
To je avtomatski števec zveze, ki se uporablja na tekmovanjih. S tem ukazom postavimo želeno številko, trenutno številko povečamo ali zmanjšamo za ena. Tu je
potrebno postaviti zadnjo poslano številko ali ničlo (0) za začetek. Ko pokličemo tipkanje zaporedne številke iz spomina , se bo odtipkala številka povečala za ena (1).
N – vprašaj za trenutno zaporedno številko
NI – povečaj številko za 1
ND - zmanjšaj številko za 1
N0 – postavi števec na ničlo (0)
N150 – postavi števec na 150
(O) Izhod iz oddaje (keying out)
Parametri: Y, N (Yes, No)
S tem ukazom vključimo ali izključemo tipkanje. To velja samo takrat, ko elektronski
taster ni v ukazni vrstici. V ukazni vrstici je tipkanje vedno izključeno razen v (U) –
Tune.
O – vprašaj o trenutnem stanju
OY – tipkanje vključeno
ON – tipkanje izključeno
(P) Premor beacona (Beacon pause) glej tudi (B) - Beacon
Parametri: S, B, 0-99 (start, Between, število sekund)
Ta ukaz odreja, kako se bo meril čas med dvema ponavljanjima in kako dolgo bo
trajal
P – vprašaj o načinu merjenja in času v sekundah
PS – čas se meri od začetka sporočila (od začetka do začetka)
PB – čas se meri od konca sporočila (med dvema sporočiloma)
P7 – čas je 7 sekund
P35 – čas je 35 sekund
(S) Hitrost tipkanja (Speed)
Ta ukaz nima nobenih parametrov, saj bo elektronski taster oddtipkal s tako hitrostjo, kot je nastavljena s potenciometrom.
elektronik september 2012 / 19
45
Milivoj Bartoš -Mic/Maks Turščak
9A Keyer - pametni elektronski taster
(T) Vključen ali izključen zvočnik (Tone)
Parametri: Y, N (Yes, NO)
S tem ukazom vključimo ali izključimo zvočnik, ki je vgrajen v elektronskem tasterju.
T – vprašaj o trenutnem stanju
TY - zvočnik vključen
TN – zvočnik izključen
(U) Uglaševanje TX-a (Tune)
Parameter: U – Tune mod vključen (LED hitro utripa)
To je edini ukaz v ukazni vrstici, ki aktivira izhod proti TX-u.
(W) Razmerje pika – premor (Weight)
Parameter: 20-80 (%)
Opredeljuje razmerje pika - premor v odstotkih. Normalno imajo pika - premor enako dolžino. Tako imata pika in premor enako dolžino, torej imata vsak po 50% trajanja. S tem ukazom se navedeno razmerje lahko spreminja. Pri črti in premoru se
navedeno razmerje menja samo v zadnji tretjini trajanja črte (črta je dolga kot 3
pike). Sprememba navedenega odnosa ne spremeni hitrosti tipkanja.
W – vprašaj o trenutnem stanju
W50 – razmerje pika – premor je 50%
W60 – razmerje pika – premor je 60/40 ali 60% v korist pike
Primer:
V kolikor je W50 in pika traja recimo 5 časovnih enot, potem je premor v trajanju 5
teh enot, črta pa 15.
V kolikor je W40, takrat pika traja 4, pavza 6 in črta 14 (črta je 5+5+4).
(X) Zamenjana ročica (Swap paddle)
Parameter: R, L (Right, Left)
S to opcijo je možno zamenjati črto in piko na ročici tasterja.
X – vprašanje o trenutnem stanju
XR – normalno za desno roko tipkanja
XL – normalno za levo roko tipkanja
(Z) Dolžina zaporedne številke (Serial length) glej tudi (N) - Last serial
Parameter: 0, T, 1-5 (nula, črka dolžina)
Tu definiramo dolžino zaporedne številke ter kako se bodo tipkale ničle in devetice.
Z – vprašaj o trenutnem stanju (03 ali T3)
Z0 – številka z normalnimi ničlami in devetkami
ZT - številka s tipkanjem T namesto nule in N namesto devetke (TT5)
Z4 – najmanjša dolžina številke je 4 znake (0001). V kolikor je številka večja od
določene se bo normalno tipkalo samo da ne bo spremljajoče ničle.
Ob zaključku lahko povem, da elektronski taster s spominom avtorja 9A5ANB – Mic-a
elektronik september 2012 / 19
46
Milivoj Bartoš -Mic/Maks Turščak
9A Keyer - pametni elektronski taster
čudovito deluje, ima veliko uporabnih ukazov in je resnično nepogrešljiv pripomoček
v radioamaterskem kotičku. Posebej me je navdušilo to, da ne vsebuje nobenega
elementa, ki ne bi bil dobavljiv v vsaki povprečno založeni trgovini. Za sestavo elektronskega tasterja sem porabil vse skupaj en popoldan. Mogoče, če dodam svoje
mišljenje, bi bilo dobro, če bi elektronski taster z računalnikom imel povezavo preko USB vrat, namesto RS-232, predvsem zato, ker novejši računalniki nimajo več
omenjenih vrat. Glede na to, kako redko ga povežemo z osebnim računalnikom, pa
to sploh ni problem.
Sestavljen taster vgrajen v ohišje: Slika S53KP
Θ
elektronik september 2012 / 19
47
Lojzek
branko.kmet@telesat.si
Osnove napajanja z električno energijo
1Uvod
Že nekaj časa opažam, da se teme na forumu, ki omenjajo bolj »energetske« zadeve,
zelo hitro sprevržejo v prepir in brezplodno debato, ki s prvotnim vprašanjem nima
povezave. Vse to kaže na pomanjkanje znanja tudi med nami samimi, »strokovnjaki« elektro stroke. Zato sem se odločil napisati pričujoči sestavek, ki na (upam) enostaven, razumljiv način poskuša odgovoriti na osnovna vprašanja o napajanju z električno energijo. Poudarek je predvsem na nas, malih končnih uporabnikih električne
energije. V pričujočem sestavku sta obdelani samo temi, kako elektrika pride do nas
in kako se zaščitimo pred nevarnimi vplivi na zdravje in življenje človeka. Zaradi lažje razumljivosti v sestavku ni uporabljene kompleksne matematike, prav tako sem
zaradi istega vzroka nekatere stvari malce posplošil in poenostavil. Upam, da tisti, ki
stvari pozna, zato to branje zato vzame kot učbenik za 9. razred osnovne šole.
V tekstu niso obdelane še ostale, prav tako zelo pomembne teme instalacij, kot so
ozemljitve, zaščita pred požarom, zaščita pred preobremenitvami in zaščita pred
prenapetostjo. Že brez naštetih delov je tekst kar obsežen. Mogoče se bom teh tem
lotil v prihodnosti, še raje pa vidim, če delo prevzame kdo drugi.
Vse se je začelo daljnega leta 1885, ko je Guillaume Duchenne odkril koristno uporabo izmeničnega toka za elektoterapijo (Wikipedia).
V tistem času se je vse več velikih umov začelo ukvarjati z izmeničnim tokom, ki je
tako zelo hitro presegel omejitve, postavljene pri uporabi enosmernega toka. Odkrili so močnostni transformator, trifazni tok in trifazni elektromotor. Vsi ti elementi
skupaj so šele zares omogočili elektrifikacijo in industrializacijo ter s tem skokovit
napredek civilizacije.
Elektroenergetsko omrežje sestavlja nekaj pomembnih delov. Ti deli so: proizvodnja,
prenos, transformacija, razdeljevanje (distribucija) in uporaba. Pri tem je zanimivo dejstvo, da se po celotnem omrežju v vsakem trenutku pretaka natančno toliko
električne energije, kot jo končni porabniki potrebujejo (plus izgube na celotni proizvodno-prenosni trasi). Nikoli je ne more biti preveč ali premalo in ne moremo je
nikamor kopičiti.
Distribucija
elektronik september 2012 / 19
48
Kmet Branko
Osnove napajanja z električno energijo
Proizvodnja
Električno energijo proizvajajo generatorji. To so stroji, ki pretvarjajo mehansko
energijo (vrtenje) v električno energijo. Vsi večji generatorji so sinhronski. Generatorje poganjajo turbine, ki so sposobne razne vrste energij (toplotna, kinetična,
potencialna) spremeniti v mehansko vrtenje.
Elektrika ima tukaj visoko napetost (od 10 kV navzgor) in se po potrebi transformira
na še višjo napetost, ki je primerna za prenos na velike razdalje. To so napetosti 110
– 400 kV.
Prenos
V ta sklop se lahko štejejo naprave, ki služijo prenašanju energije od proizvodnih
naprav do porabnikov. Prenosne naprave so visokonapetostni daljnovodi in kablovodi
z nazivno napetostjo 110 kV ali več. Na teh napetostnih nivojih se združujejo vse
elektrarne in medsebojno povezujejo tudi meddržavna omrežja.
Prenašajo se samo tri fazne napetosti. Poudariti pa je potrebno, da imajo daljnovodi
še četrto – najvišjo vrv. To je strelovodna vrv, ki ščiti fazne vodnike pred udarom
strele, in je seveda ozemljena na vsakem daljnovodu.
Trensformacija
Ta sklop predstavljajo veliki energetski transformatorji, ki visoko napetost (110 kV in
več) iz prenosnega omrežja transformirajo na vrednost, primernejšo za distribucijo
do končnih porabnikov. Ta vrednost je sedaj običajno 20 kV.
Nevtralna točka transformatorjev (če obstaja) na napetosti 110 kV je lahko po potrebi ozemljena, ni pa nujno.
20 kV distribucijski sistem lahko nevtralno točko ima, nima pa direktno ozemljene.
Običajno se ozemlji preko upora ali dušilke – s tem povečamo zemljostični tok, kar
pa ni tema tega sestavka (za verodostojnost tega odstavka nisem popolnoma prepričan, podatke bi bilo treba preveriti).
Distribucija
Je razdeljevanje električne energije med posamezne porabnike. Običajna vstopna
napetost v distribucijsko omrežje je 20 kV. Ta napetost potem napaja manjše energetske transformatorje (moči 50 – 1000 kVA), ki se nahajajo v transformatorskih
postajah v neposredni bližini končnih porabnikov. Ti transformirajo 20 kV na 400/231
V, ki je običajna napajalna napetost za končne porabnike. Ta napetost se potem vodi
do končnih porabnikov.
Ti transformatorji imajo na sekundarju zvezdišče, ki mora biti ozemljeno. S tem šele
zvezdišče transformatorja dobi potencial zemlje in ga pogovorno imenujemo »nula«
(nevtralni vodnik). Postane referenčna točka za merjenje napetosti in ima dogovorjen potencial 0 V.
Pri ozemljitvi zvezdišča obstajajo tudi izjeme, ki pa jih sedaj še ne bom upošteval.
elektronik september 2012 / 19
49
Kmet Branko
Osnove napajanja z električno energijo
Elektrika ima poleg nešteto koristi tudi nekaj slabih, lahko tudi usodnih značilnosti.
Ne moremo je videti, slišati in vonjati, čeprav je lahko prisotna v žicah okoli nas.
Lahko pa čutimo njene učinke, ki so lahko od blagih, pa tudi do smrtno nevarnih.
Kot elektroniki in elektrikarji, se običajno srečujemo z napetostjo 400/231 V, ki nam
jo dobavitelj dostavi do hišnega priključka. Tu nas tudi ne zanima, po kakšni poti je
ta energija prišla do nas in kdo jo je ustvaril. Najpomembneje je, da je tukaj in da
luč zasveti, ko pritisnemo na stikalo.
Za nas je torej sistem treh faznih vodnikov in enega nevtralnega osnova, pri kateri
se začne naše sodelovanje in ukvarjanje z elektriko. Ker pa je elektrika lahko potencialno zelo nevarna, se je skozi leta izkušenj sprejelo veliko dogovorov in ukrepov, ki omogočajo čim večjo zanesljivost napajanja porabnikov ob maksimalni možni
varnosti oseb, živali in premoženja. Ti ukrepi in dogovori so zapisani v pravilnikih in
standardih. Res je, da ima vsaka država svoje predpise, vendar pa smo elektrikarji
posebna rasa, za katere državnih meja skoraj ni in tako so elektrotehnični predpisi
po celem svetu skoraj identični. Namreč, tudi elektrika se po celem svetu podreja
popolnoma enakim fizikalnim zakonom.
Pri dobavi električne energije, ki zanima nas, končne uporabnike, je torej nujno upoštevati nekaj obvez, ki so vse zapisane v predpisih in standardih. Najpomembnejše
točke so: način (sistem) napajanja porabnikov, zaščita pred posrednim in neposrednim dotikom delov pod napetostjo, zaščita pred preobremenitvijo vodnikov in zaščita pred požarom. Vse te točke so med seboj prepletene in odvisne ena od druge
in vsaka ima vrsto svojih podzahtev. Z njihovim doslednim upoštevanjem poskrbimo
za varnost premoženja in ljudi. Ravno zaradi prepletenosti vseh naštetih točk tudi
marsikateri »elektrikar« ne razume dobro meja med njimi in potem so uporabljeni
prijemi ali nezadostni (kar predstavlja potencialno nevarnost) ali pa pretirani (višji
strošek).
V nadaljevanju se bom posvetil vsaki od omenjenih točk in jo poizkusil razložiti predvsem za širši, nespecializiran del bralcev.
2
Sistemi napajanja porabnikov
Ta točka se ukvarja z ozemljitvijo zvezdišča končnega energetskega transformatorja
in z ozemljitvijo zaščitnega vodnika pri končnem uporabniku. TO TOČKO ELEKTRIKARJI ZELO RADI ZAMENJAJO S PRINCIPOM ŠČITENJA PRED POSREDNIM DOTIKOM.
Glede na področje uporabe električne energije poznamo tri osnovne sisteme napajanja in sicer:
TN: Najobičajnejši sistem. Uporablja se v industriji ter v stanovanjskih in poslovnih
objektih.
TT: Predvsem v kmetijstvu, stanovanjskih objektih in gradbiščih.
IT: Za nas najbolj neznan način napajanja. Uporaben za rudnike, bolnišnice, ladje,
varnostne napajalne sisteme,... kjer je zahtevana najvišja zanesljivost napajanja.
Sistem napajanja za nas male odjemalce predpiše distributer v Soglasju za priključitev.
elektronik september 2012 / 19
50
Kmet Branko
Osnove napajanja z električno energijo
2.1 TN sistem napajanja
Najpogosteje srečan način napajanja. Njegova osnovna značilnost je, da ima v transformatorski postaji zvezdišče ozemljeno (obratovalna ozemljitev), obvezna dodatna
hišna ozemljitev (zaščitna ozemljitev) pa je povezana s transformatorsko.
Razdeli se na tri variante:
2.1.1
Sistem TN – C
Ta sistem se najpogosteje uporablja v industriji, kjer so veliki preseki vodnikov.
Značilnost je, da ima poleg treh faznih vodnikov enega z imenom PEN, ki združuje
funkciji nevtralnega in zaščitnega vodnika. Zato mora biti PEN vodnik vedno rumeno-zelene barve. Hišna ozemljitev je povezana z dovedenim PEN vodnikom in je tako
električno združena z ozemljitvijo transformatorja. Glavne značilnosti sistema so
razvidne iz slike.
elektronik september 2012 / 19
51
Kmet Branko
2.1.2
Osnove napajanja z električno energijo
Sistem TN – C – S
Ta sistem se najpogosteje uporablja pri hišnih dovodih, predvsem v strnjenih naseljih. Značilnost je, da distributer poleg treh faznih vodnikov v hišo pripelje še enega
z imenom PEN, ki združuje funkciji nevtralnega in zaščitnega vodnika. To je povsem
podobno TN – C sistemu. V hišni priključni omarici se ta vodnik razdeli na dva,
ki NIKJER v nadaljevanju instalacije ne smeta biti več združena. Od tu naprej pa imamo TN – C – S sistem. En od teh vodnikov, ki se praviloma odcepi od PEN vodnika je
N vodnik (nevtralni). Ta mora biti vedno svetlomodre barve. Drugi vodnik postane PE
vodnik (zemlja) in mora biti vedno rumeno-zelene barve. Hišna zaščitna ozemljitev
je povezana s PE vodnikom in je tako električno združena z ozemljitvijo transformatorja. Glavne značilnosti sistema so razvidne iz slike.
2.1.3
Sistem TN – S
elektronik september 2012 / 19
52
Kmet Branko
Osnove napajanja z električno energijo
Ta sistem se v distribuciji ne uporablja pogosto (višja cena). Značilnost je, da distributer poleg treh faznih vodnikov v hišo pripelje še dva ločena vodnika z imenom
PE in N. Ta dva sta v transformatorski postaji električno združena. Ta dva vodnika
NIKJER v nadaljevanju instalacije ne smeta biti več združena. Prvi je N vodnik (nevtralni), ki mora biti vedno svetlomodre barve. Drugi je PE vodnik (zemlja) in mora
biti vedno rumeno-zelene barve. Hišna ozemljitev je povezana s PE vodnikom in je
tako električno združena z ozemljitvijo transformatorja. Glavne značilnosti sistema
so razvidne iz slike.
2.2 TT sistem napajanja
Uporaben predvsem v okoljih, kjer je transformatorska postaja daleč od porabnikov (npr. razpršena vaška naselja). Njegova najpomembnejša značilnost je, da ima
transformator ozemljeno zvezdišče, končni porabnik, hiša, pa ima obvezno izvedeno
svojo ozemljitev, ki pa ne sme biti NIKJER povezana z ozemljitvijo transformatorja.
Glavne značilnosti sistema so razvidne iz slike.
elektronik september 2012 / 19
53
Kmet Branko
Osnove napajanja z električno energijo
2.3 IT sistem napajanja
Zelo uporaben v okoljih, kjer je zahtevana najvišja stopnja zanesljivosti napajanja.
Glavne značilnosti sistema so razvidne iz slike. Njegova najpomembnejša značilnost
je, da transformator nima ozemljenega zvezdišča (ali pa ima ozemljenega preko določene tuljave), končni porabnik, hiša, pa ima obvezno izvedeno svojo ozemljitev.
Povečana zanesljivost napajanja je dosežena s tem, da prva okvara izolacije ne povzroči izklopa naprave. Če pa pride do okvare še v drugem vodniku, pa pride pravzaprav do kratkega stika, ki nato izklopi napravo. Ta sistem ima vgrajeno napravo za
nadzor izolacije, ki signalizira okvare izolacije.
Nevtralni vodnik se v tem sistemu smatra kot vodnik pod napetostjo.
IT sistem se uporablja v bolnišnicah, vojaških objektih, varnostnih napajalnih sistemih,… Zelo značilna je uporaba tega sistema pri pomožnem akumulatorskem napajanju (telefonske centrale, transformatorske postaje, razna druga akumulatorsko
napajana krmilja).
POVZETEK:
Kdor je pozorno prebral zadnji odstavek, je lahko zasledil, da sem kot napajalno
napravo omenil tudi akumulatorsko baterijo. Ta razdelitev napajalnih sistemov ne
velja samo pri napajanju iz transformatorske postaje. Povsem enakovreden vir električne energije so lahko tudi generatorji, razsmerniki, akumulatorske baterije, male
hidroelektrarne pri otočnem obratovanju,… Tako se ta delitev napajalnih sistemov
uporablja pri vseh napajalnih napravah.
Bistvene značilnosti omenjenega poglavja:
TN: Transformatorska in hišna ozemljitev galvansko združeni. Več podvariant.
TT: Transformatorska in hišna ozemljitev galvansko ločeni. Povezani preko upornosti
zemlje.
IT: Transformator ni ozemljen, imamo samo hišno ozemljitev.
elektronik september 2012 / 19
54
Kmet Branko
3
Osnove napajanja z električno energijo
Zaščita pred električnim udarom
Še tako velika zanesljivost napajalnega sistema nam ne pomaga, če smo zaradi
električnega udara pod rušo. Zato je to zelo pomembno poglavje, saj nam njegovo
upoštevanje omogoča, da lahko varno uporabljamo električno energijo.
Še vedno velja dejstvo, da so napetosti, večje od 50 V~, ali tokovi skozi telo, večji od
30 mA, življensko nevarni. Tu imamo običajno opravka z napetostmi 230 V ali 400 V,
torej je povsem očitno, da le-ta predstavlja veliko nevarnost.
Kako pa lahko nekdo pride v stik z električno energijo?
Znano in povsem normalno dejstvo je, da so nekateri deli naprav stalno oz. v normalnem obratovanju stalno pod napetostjo. Taki deli so recimo bakrena žica v inštalacijskem vodniku, bakreno navitje v motorju pa tudi kontakti v stikalu za luč ali
vtičnici. Če se lahko nekdo dotakne katerega od teh delov brez težav, govorimo
o neposrednem dotiku naprave pod napetostjo.
Povsem nekaj drugega pa je, če se neka naprava ali del instalacije pokvari. Pokvari
se lahko tudi tako, da njen okrov ali njeni izpostavljeni prevodni deli, ki se jih lahko
čisto normalno in brez škode dotaknemo med obratovanjem, pride v stik s faznim
vodnikom. Dotik tako pokvarjene naprave imenujemo posredni dotik naprave pod
napetostjo.
Še enkrat: Neposredni dotik pomeni dotik tistega, kar »mora« biti pod napetostjo,
posredni dotik pa je dotik tistega, kar pride pod napetost ob okvari.
3.1 Zaščita pred neposrednim dotikom
3.1.1
Zaščita delov pod napetostjo z izolacijo
Ta način se ponuja povsem sam od sebe. Tam, kjer so prevodni elementi, morajo
biti tudi neprevodni - izolacijski elementi. Elektrotehnika brez enih ali drugih nebi
obstajala.
Ta način je pravzaprav osnovna zaščita. Vsi deli pod napetostjo morajo biti popolnoma pokriti z izolacijskim materialom in tako onemogočati kakršenkoli dotik dela pod
napetostjo. Odstranitev take izolacije je možna samo z njenim fizičnim uničenjem z
orodjem. Primer tega zaščitnega ukrepa so kabli in vodniki.
Ta izolacijski material mora prenesti vse električne, kemične, mehanske in toplotne
učinke, ki lahko vplivajo nanjo pri normalnem obratovanju. Barve in laki se ne smatrajo kot izolacijski material.
3.1.2
Zaščita s pregradami in okrovi
To je druga vrsta zaščite. Vsi deli naprave pod napetostjo morajo biti v okrovu – škatli s stopnjo zaščite najmanj IP 2X. Na tak način se jih ne moreš nehote dotakniti s
prstom. Če pa ima površina škatle odprtine na vodoravnih ploskvah, mora imeti stopnjo zaščite najmanj IP 4X. Seveda se lahko uporabijo tudi kovinske škatle!
elektronik september 2012 / 19
55
Kmet Branko
Osnove napajanja z električno energijo
IP 2X: Zaščita pred vdiranjem prstov ali teles debeline 12 mm in dolžine 80 mm.
IP 4X: Zaščita pred vdiranjem žic, trakov ali predmetov nad 1 mm.
Če je potrebno pregrado odstraniti, mora biti to možno samo z orodjem.
3.1.3
Zaščita z ovirami
Ta doma ne pride v poštev. Tu gre za postavitev ograj ali podobnega, ki preprečijo
naključen dotik delov pod napetostjo. Primer so kakšne starejše razdelilne omare
odprtega tipa v industriji. Te ovire se morajo dati odstraniti brez orodja. Seveda pa
morajo biti nameščene tako, da jih nenamerno ne moreš odstraniti.
3.1.4
Zaščita s postavitvijo zunaj dosega rok
Ta način doma prav gotovo ne pride v poštev. Osnovna značilnost ukrepa je, da so
vsi dostopni deli pod napetostjo odmaknjeni oziroma postavljeni v tako oddaljenost,
da se jih z roko nikakor ni mogoče dotakniti. Po predpisih navpično cca 2,5 m nad
tlemi, vodoravno 1,25 m od tam, kamor še lahko stopiš, pod tlemi pa 0,75 m od
mesta, kjer lahko stojiš. Če se v prostoru uporabljajo in prenašajo dolgi kovinski
predmeti, se razdalje za dolžino predmeta povečajo. Skratka, za normalne razmere
doma povsem neuporaben ukrep. Uporablja se v industriji. Primer tega bi lahko bil
tudi daljnovod, ki ima gole žice na taki oddaljenosti, da se jih ne moremo dotakniti.
3.1.5
ščito
Dopolnilna zaščita z napravo za diferenčno tokovno za-
Po domače s FID-om. Tu je FID omenjen prvič. Tu se ga smatra samo kot dodatni
zaščitni ukrep, če kateri od zgoraj naštetih lahko odpove. FID ima lahko diferenčni
tok največ 30 mA.
POVZETEK:
Zaščita pred neposrednim dotikom: Zaščita pred dotikom dela naprave, ki je ob normalnem delovanju pod napetostjo.
Doma sta iz poglavja o zaščiti pred neposrednim dotikom uporabni predvsem prvi
dve točki: zaščita z osnovno izolacijo in zaščita s postavitvijo naprav v škatle. Pogojno se lahko kot uporabna za doma smatra tudi uporaba FID (zadnja točka), čeprav
je ta osnovno uporaben pri zaščitah, omenjenih v nadaljevanju.
elektronik september 2012 / 19
56
Kmet Branko
Osnove napajanja z električno energijo
3.2 Zaščita pred posrednim dotikom
Ta vrsta zaščite ščiti pred dotikom dela naprav ali instalacij, ki lahko ob okvari pridejo
pod napetost in tako predstavljajo nevarnost za uporabnika.
Sem spada nekaj zaščitnih ukrepov in sicer:
-
zaščita s samodejnim izklopom napajanja,
-
zaščita z uporabo naprav razreda II,
-
zaščita z električno ločitvijo,
-
zaščita s postavitvijo v neprevodne prostore,
-
zaščita z lokalnim izenačenjem potenciala brez povezave z zemljo.
Samo nevarnost za uporabnika pravzaprav ne predstavlja dotik dela naprave pod
napetostjo, oziroma dotik dela naprave, ki je ob okvari prišel pod napetost, kot je
govora v tem poglavju.
Nevarnost predstavlja HKRATEN dotik dveh prevodnih delov, ki imata različen napetostni potencial (eden od teh je del naprave, ki je ob okvari prišla pod napetost). Če
se pojavi razlika potencialov, večja kot 50 V, to že predstavlja nevarnost za uporabnika. V tem primeru pri dotiku skozi telo steče tok, kar ima lahko hude posledice za
človeka. Seveda je za posledice udara pomembna pot toka ter čas trajanja udara, kar
pa ni bistvo tega poglavja.
Tu moram omeniti še dva pojma, ki sta pomembna za razumevanje delovanja zaščite
in bosta dostikrat omenjena v nadaljevanju:
-
Izpostavljeni prevodni deli: To so prevodni kovinski deli naprave, ki v normalnem obratovanju niso pod napetostjo, lahko pa pod napetost pridejo ob okvari naprave. Primer je kovinsko ohišje električne naprave (npr. štedilnik, pralni stroj, ohišje
elektromotorja).
-
Tuji prevodni deli: To so prevodni kovinski elementi, ki niso del električne naprave in tako tudi ne morejo biti pod napetostjo (npr. kovinske vodovodne cevi, centralno ogrevanje).
3.2.1
Zaščita s samodejnim izklopom napajanja
Ta se malce razlikuje za različne sisteme napajanja, ima pa nekaj skupnih značilnosti, ki so opisane prve. V nadaljevanju pa je opisan zaščitni ukrep za vse napajalne
sisteme.
To je sicer najdaljše poglavje, zato ga bom malce skrajšal in izpustil nekatere podatke, z namenom lažje razumljivosti.
Ta zaščita poskrbi, da v primeru okvare izolacije ali preboja napetosti na ohišje izklopi ščiteno napravo v predpisanem času in s tem odstrani potencialno nevarnost
hkratnega dotika dveh prevodnih delov na različnih potencialih.
Osnova te zaščite je, da vse kovinske mase postavimo na potencial zemlje, ki je
hkrati tudi potencial nevtralnega vodnika (pri IT sistemu napajanja to ne drži!).
Ta ukrep se imenuje IZENAČITEV POTENCIALA. Izvede se ga s povezavo vseh
izpostavljenih in tujih prevodnih delov na zbiralnico GIP (glavna izenačitev potenciala – v hišni razdelilni omarici). V slovenskem jeziku to pomeni, da je potrebno ozemljiti in skupaj zvezati vse kovinske vodovodne cevi (in premostiti števec), centralno
elektronik september 2012 / 19
57
Kmet Branko
Osnove napajanja z električno energijo
ogrevanje, strelovod, ozemljitev,... Prav tako se vse ozemljitvene vodnike instalacije
zveže skupaj (PE ali PEN zbiralnica) in poveže z GIP. Praktično pa poenostavimo tako,
da vse našteto povežemo na PE (PEN) zbiralnico v hišnem razdelilcu.
S tem ukrepom pravzaprav že preprečimo pojav različnih nevarnih napetostnih potencialov. Vendar pa potem okvara lahko škoduje instalaciji, in tako so potrebni tudi
drugi zaščitni ukrepi.
3.2.2
Samodejni izklop napajanja v TN sistemu
Samodejni izklop naprave ob okvari se doseže z uporabo nadtokovnih zaščitnih naprav (varovalka ali odklopnik) ALI z uporabo zaščitne naprave na diferenčni tok (FID,
KZS). Seveda se lahko uporabi tudi kombinacija.
Kovinska ohišja naprav morajo biti ozemljena s PE (PEN) vodnikom. Okvara izolacije
faznega vodnika v tem primeru torej pomeni stik med faznim in PE (PEN) vodnikom
– glej sliko. Predpostavlja se, da ima okvara zanemarljivo upornost.
Rjava črta prikazuje, kje teče okvarni tok. Za razlago je prikazan TN-C-S sistem, v
katerem lahko uporabimo ali varovalke ali FID ali oboje.
V TN-C sistemu FID ni v popolnosti izkoriščen, ker nimamo ločenega PE vodnika in bi
se smatral le kot stikalo.
Po sliki v primeru okvare sodelujejo - se seštevajo sledeče upornosti (pravzaprav
impedance):
-
Upornost faznega navitja transformatorja in VN omrežja do njega. Ta znaša
okoli 0,02 Ω, odvisno od dolžine VN daljnovodov in moči transformatorja – distributivno podjetje jo poda s kratkostično močjo na 20 kV sistemu in močjo transformatorja.
-
Upornost celotnega faznega vodnika od transformatorja do porabnika. Primer
elektronik september 2012 / 19
58
Kmet Branko
Osnove napajanja z električno energijo
dovod dolg 1 km iz 70 mm2 aluminijastega vodnika ima 0,4 Ω. Nato dodamo še 15
m 1,5 mm2 hišne inštalacije z upornostjo 0,18 Ω.
-
Upornost PEN vodnika do hišne priključne omarice. Po podatkih iz gornje točke
ta znaša 0,4 Ω.
-
Upornost PE vodnika do porabnika. Po prejšnjih alinejah znaša 0,18Ω.
-
Upornost mesta okvare (predpostavimo zamemarljivo upornost = 0 Ω).
Te elemente iz prejšnje alineje, ki sodelujejo pri okvari, imenujemo OKVARNA ZANKA. Tok, ki teče skozi zanko, se imenuje OKVARNI TOK, pa je zelo pomemben pri določitvi varovalk. V danem primeru znaša: Iok= 230V / (0,02+0,4+0,18+0,4+0,18+0)
Ω = 195A.
Predpisi zahtevajo, da se okvarni tok pri uporabi varovalk izklopi najkasneje v času:
-
5 s za glavne napajalne razdelilne omare, za stalno priklopljene naprave (razsvetljava, štedilnik, motorji v industriji,...),
-
400 ms za vtičnice in naprave, ki jih med uporabo lahko premikamo.
Glede na okvarni tok in uporabljeno varovalko pogledamo v njeno karakteristiko, če
pregori v zahtevanem času.
Pri uporabi instalacijskih odklopnikov se smatra, da je ukrep zadovoljiv pri izklopu v
zanemarljivem času - to je, če glede na karakteristiko delovanja izklopi kratkostični
del odklopnika.
Pri uporabi FID stikala pa velja, da mora biti okvarni tok večji od nazivnega diferenčnega toka FID-a. Ta ukrep je najlaže zadovoljiti, saj so nazivni diferenčni tokovi FID-ov manjši od enega ampera (običajno 300mA ali še manj).
3.2.3
Samodejni izklop napajanja v TT sistemu
Samodejni izklop naprave ob okvari se doseže z uporabo nadtokovnih zaščitnih naprav (varovalka ali odklopnik) ALI z uporabo zaščitne naprave na diferenčni tok (FID,
KZS). Seveda se lahko uporabi tudi kombinacija obeh.
Kovinska ohišja naprav morajo biti ozemljena in povezana s PE vodnikom. Okvara
izolacije faznega vodnika v tem primeru torej pomeni stik med faznim in PE vodnikom (hišna zaščitna ozemljitev – glej sliko.
Rjava črta prikazuje, kje teče okvarni tok.
Po sliki v primeru okvare sodelujejo - se seštevajo sledeče upornosti (impedance):
-
Upornost faznega navitja transformatorja in VN omrežja do njega. Ta znaša
okoli 0,02 Ω.
-
Upornost celotnega faznega vodnika od transformatorja do porabnika. Primer
dovod dolg 1km iz 70 mm2 aluminijastega vodnika ima 0,4 Ω. Nato dodamo še 15 m
1,5 mm2 hišne inštalacije z upornostjo 0,18 Ω.
-
Upornost PE vodnika do porabnika. Po prejšnjih alinejah znaša 0,18Ω.
-
Upornost obratovalnega ozemljila transformatorja. Ocenimo jo na 1 Ω.
-
Hišna zaščitna ozemljitev. Odvisna od vrste zemlje, naše pridnosti in količine
valjanca. Recimo, da smo dosegli 3 Ω.
-
Upornost zemlje med ločenima ozemljiloma. Ta pravzaprav ni velika. Ocenimo
jo na 0,5 Ω.
elektronik september 2012 / 19
59
Kmet Branko
Osnove napajanja z električno energijo
-
Upornost mesta okvare (predpostavimo zamemarljivo upornost = 0 Ω).
Tudi tu naštete elemente imenujemo OKVARNA ZANKA. Tok, ki teče skozi zanko,
se imenuje OKVARNI TOK, pa je zelo pomemben pri določitvi zaščitnega ukrepa. V
danem primeru znaša: Iok= 230V / (0,02+0,4+0,18+0,18+1+3+0,5+0) Ω = 43A.
V primeru uporabe varovalk se mora ta okvarni tok izključiti v času 5 s. Glede na
karakteristike varovalk bi lahko uporabili največ 6 A varovalke (10 A so v našem primeru na meji).
V primeru uporabe odklopnikov mora biti izklop trenuten, to pomeni, da izklopi kratkostični del odklopnika.
Z uporabo FID ukrepom zadostimo najlaže, saj zadošča že slabše ozemljilo. Pri 300
mA FID-u zadošča že hišna – zaščitna ozemljitev z upornostjo 760 Ω.
Torej lahko vidimo, da tudi v TT sistemu ni nujna uporaba FID stikala, čeprav marsikdo že takoj ob omembi TT sistema takoj pomisli na FID.
3.2.4
Samodejni izklop napajanja v IT sistemu
Samodejni izklop naprave ob okvari se doseže z uporabo nadtokovnih zaščitnih naprav (varovalka ali odklopnik). Običajno imajo omrežja v IT sistemu tudi napravo za
nadzor izolacije, ki signalizira okvaro.
IT sistem nevtralne točke transformatorja nima ozemljene, oziroma ima ozemljeno
preko tuljave.
Kovinska ohišja naprav so ozemljena in povezana s PE vodnikom. Prva okvara izolacije faznega vodnika v tem primeru torej pomeni stik med faznim in PE vodnikom.
elektronik september 2012 / 19
60
Kmet Branko
Osnove napajanja z električno energijo
Ker nevtralna točka transformatorja ni ozemljena, to ne predstavlja okvare, pri kateri
bi stekel omembe vreden tok. Se pa v tem primeru zgodi, da se na tak način pravzaprav ozemlji okvarjena faza. Tako dobita preostali dve fazi proti zemlji medfazno
napetost. To lahko zazna naprava za nadzor izolacije in nam da možnost, da najdemo
in popravimo okvaro takrat, ko imamo čas in možnost. Ta pojav tudi ne predstavlja
nevarnosti za uporabnike, saj so vsi kovinski deli na istem potencialu in tako ni mogoč dotik dveh delov z različnim potencialom. Samo za predstavo, v tem trenutku to
izgleda kot TN sistem, le da ima ozemljeno fazni vodnik namesto nevtralnega.
Ob pojavu druge okvare – natančneje okvare na drugi fazi (če se druga okvara pojavi na isti fazi, to nima nobenega dodatnega vpliva) pa dejansko nastane stik med
dvema fazama.
Seveda je povsem možno, da se ena napaka zgodi na N vodniku, druga pa na faznem.
Ta stik morajo zaščitne naprave odklopiti v času:
Varovalke 0,8 s, odklopniki trenutno. To pomeni, da izklopi kratkostični del odklopnika.
3.2.5
Zaščita pred posrednim dotikom z uporabo naprav razreda II
Posredni dotik delov pod napetostjo lahko preprečimo tudi z uporabo naprav razreda
II. To so naprave, ki imajo preko osnovne izolacije še eno plast izolacije. Temu rečemo dvojna izolacija. Ta druga plast je najobičajneje
kar ohišje naprave, izdelano iz izolirnega materiala. Primer takih naprav so recimo kuhinjski gospodinjski pripomočki (mešalniki, multipraktiki,…) in ročna orodja, npr. vrtalni stroj. Take naprave so nekje
na ohišju označene z dvojnim kvadratom, kot je ta na sliki.
Njihov priključni kabel ne sme imeti ozemljitvenega priključka in se
ne sme ozemljiti. To je na napravi lahko ponazorjeno s prečrtanim
simbolom za zemljo. Mehanska stopnja njihove zaščite mora biti najmanj IP 2X.
Okvara osnovne izolacije take naprave za uporabnika ne predstavlja nevarnosti, ker
so deli pod napetostjo pokriti še z eno plastjo izolacije - ohišjem naprave. Tako do
posrednega dotika ne more priti.
3.2.6
Zaščita pred posrednim dotikom z električno ločitvijo
V tem primeru gre za napajanje naprav preko ločilnega transformatorja – galvansko ločeno napajanje. Ta mora biti nameščen v okrovu razreda II (dvojna izolacija).
Njegovi sekundarni tokokrogi morajo biti povsem ločeni od primarnih. Prav tako ne
smejo biti povezani z zemljo. Če transformator napaja hkrati več naprav, morajo biti
prevodni okrovi teh naprav povezani skupaj, nikakor pa ne smejo biti ozemljeni ali
povezani na druge tuje prevodne dele.
elektronik september 2012 / 19
61
Kmet Branko
Osnove napajanja z električno energijo
3.3 Hkratna zaščita pred posrednim in neposrednim dotikom
Se doseže z uporabo napajalnih sistemov:
-
SELV (safety extra low voltage) – varnostne male napetosti,
-
PELV (protective extra low voltage) – zaščitne male napetosti,
-
FELV (functional extra low voltage) – obratovalne male napetosti.
Kako ti izgledajo, je vidno iz naslednjih risb.
Njihova osnovna značilnost so nizke napajalne napetosti, ki znašajo do 50V izmenične ali 120V enosmerne napetosti.
Kot vir te male napetosti se lahko uporabljajo transformatorji, akumulatorji, generatorji, ter tudi elektronski napajalniki.
Dotik delov pod napetostjo v omenjeni
instalaciji zaradi nizkih napetosti ne predstavlja nevarnosti za uporabnika.
Primeri uporabe teh ukrepov so razsvetljava in pripomočki (orodja), ki se uporabljajo
pri delih v okoljih s povečano nevarnostjo. Ta okolja so gradbeništvo (prisotnost vlage), dela v notranjosti kovinskih elementov (dela v cisternah) in dela v okoljih, kjer
je malo maneverskega prostora (energetski kanali).
Zelo pomemben ukrep te zaščite je postavitev vira napetosti izven nevarnega območja del.
POVZETEK:
Zaščita pred posrednim dotikom: zaščita pred dotikom dela naprave, ki pride pod
napetost ob okvari izolacije.
Doma sta iz poglavja o zaščiti pred posrednim dotikom za hišno instalacijo uporabni predvsem prvi dve točki. Zaščita s samodejnim izklopom napajanja in zaščita z
dvojno izolacijo. Redka pa je uporaba ločilnih transformatorjev.
Preostale tri točke – predvsem SELV pa se pravzaprav uporablja pri napravah, ki so
priključene v omrežje preko adapterjev (igrače,…).
elektronik september 2012 / 19
62
Kmet Branko
4
Osnove napajanja z električno energijo
Zaščitni elementi v hišnih instalacijah
Še nekaj hitrih informacij o elementih, ki so stalno v uporabi, ampak nanje pomislimo šele takrat, ko nam zaradi kakega vzroka zmanjka elektrike.
4.1 Talilna varovalka
Je najstarejša, po eni strani pa tudi najbolj zanesljiva zaščitna naprava za nadtokovno zaščito. Na sliki so prikazani elementi talilne varovalke – tip D II , ki je najobičajnejši pri hišni uporabi. Obstajajo tudi D I (manjše) in D III (večje in za večje tokove)
ter D0. Obstajajo tudi druge izvedbe (cevne varovalke, NV, …).
Talilna varovalka za običajno hišno instalacijo je zgrajena iz nekaj delov:
-
Podnožje: Namenjeno priklopu v instalacijo. Obstaja več izvedb (glede na način montaže in priklopa), izdelan je iz plastike ali porcelana.
-
Velikostni vložek: Največkrat spregledan in pozabljen del varovalke. To je vijak
s porcelanskim obročem, ki se privije v podnožje. Namenjen je preprečitvi uporabe
prevelikega taljivega vložka, dovoljuje pa uporabo manjšega. Porcelan je pobarvan z
enako barvo, kot nazivna vrednost taljivega vložka.
-
Pokrov podnožja: Mehanska zaščita pred dotikom delov pod napetostjo.
-
Kapa: Vanjo vstavimo vložek in ga privijemo v podnožje. Na zadnji strani ima
stekleno okence, skozi katero se vidi barvna značka na vložku, običajno pa je poleg
okenca tudi drobna odprtina, ki omogoča preizkus varovalke s »fazenpriferjem«.
-
Taljiv vložek: Izmenljiv del varovalke, ki ob opravljanju svojega poslanstva
pregori in je potem potreben menjave. Običajno, ko v pogovoru omenjamo varovalko, pravzaprav omenjamo taljivi vložek.
V primeru okvare instalacije (kratek stik,…) skozi vodnike in obenem tudi varovalko
steče velik tok, ki lahko kvarno vpliva na instalacijo (segrevanje vodnikov, požar, še
večja škoda na napravi ali instalaciji). Varovalka oziroma taljivi vložek je namerno
oslabljen del tokokroga in tako ob primernem dimenzioniranju, ki ni del tega sestavka, brez škode prekine okvarjen tokokrog.
elektronik september 2012 / 19
63
Kmet Branko
Osnove napajanja z električno energijo
Vložek je sestavljen iz 6 delov:
-
Votlo valjasto ohišje vložka iz porcelana: Nanj in vanj so pritrjeni vsi ostali elementi. Zdržati mora termične (vložek se lahko kar konkretno segreje) in mehanske
obrementive (predvsem pri kratkem stiku, ko se v njegovi notranjosti lahko zgodi
eksplozija).
-
Zgornja kontaktna kapica: Predstavlja en kontakt vložka. Njen premer je odvisen od nazivnega toka vložka.
-
Spodnja kontaktna kapica: Drugi kontakt vložka, premer je pri istem tipu (D II)
za vse vrednosti vložkov enak. Na sredini je luknjica, v kateri se nahaja značka.
-
Taljiva nitka ali trak: Glavna električna povezava med obema kapicama. Izdelana je iz posebnih materialov in se ob toku skoznjo segreva. Če je v obliki traku, je
ta lahko celo namerno naluknjan in s tem oslabljen. Ta element ob delovanju pregori
(pravzaprav se najbolj oslabljen del stali) ali se ob kratkem stiku celo upari in eksplodira.
-
Indikatorska značka na luknjici spodnje kapice: Sestavljena iz barvne značke,
ki nakazuje njeno tokovno zmogljivost, male vzmeti pod značko in zelo tanke nitke
med značko in zgornjo kontaktno kapico. Ob pregoretju taljive nitke (traku) pregori
tudi tanka nitka, ki drži značko, vzmet pa značko odrine stran. S tem se indicira pregoretje vložka, ni pa to popolnoma zanesljivo.
-
Gasilno sredstvo: Se nahaja v ohišju vložka in skozenj gre taljivi element. Za
nalogo ima prenašati toploto iz taljivega elementa proti ohišju (hlajenje) ter prenesti
in omejiti mehanske in toplotne sile pri stalitvi/uparitvi taljivega elementa (obločni
plamen). To sredstvo je lahko samo zrak (pri manjših vrednostih varovalk) ali pa kremenčev pesek.
Izklopna karakteristika taljivega vložka – čas v katerem ta pregori – je inverzna. To
pomeni, da pri manjši preobremenitvi potrebuje veliko veliko več časa do prekinitve,
kot pa pri veliki preobremenitvi. To karakteristiko podajajo proizvajalci in je najobičajneje podana v tabelah, kot je ta na sliki.
elektronik september 2012 / 19
64
Kmet Branko
Osnove napajanja z električno energijo
4.2 Instalacijski odklopnik
Druga vrsta zaščitne naprave za nadtokovno zaščito. Ob delovanju se izklopi podobno kot stikalo in ga je možno ponovno vklopiti. Ni ga potrebno menjati kot taljivi
vložek pri varovalki. Lahko je v več izvedbah, npr. enopolni, dvopolni, tropolni, za
enosmerne tokove. V nadaljevanju se bom bolj posvetil skupnim značilnostim, kot
pa razlikam.
V sebi združuje dva sprožilna mehanizma in sicer bimetalnega (reagira na počasne
preobremenitve in ima inverzno karakteristiko) ter magnetnega, ki deluje ob hitrih
preobremenitvah (kratki stiki). Ta magnetni sprožnik ima v celotnem območju delovanja enako časovno karakteristiko. No ja, magnetni sprožnik se loči na B in C
karakteristiko (najpogosteje). B karakteristika reagira pri manjših tokovih kratkega
elektronik september 2012 / 19
65
Kmet Branko
Osnove napajanja z električno energijo
stika, C pa pri večjih tokovih. To je tista razlika, ko nekdo pravi, da mu »avtomat
ven meče, ko vklopi fleksarco«. Tak možakar ima najverjetneje vtičnice ščitene z B
tipom odklopnika. Zagonski tok brusilke pa je večji od toka reagiranja B odklopnika
in ta izklopi. Odklopnik z enako nazivno zmogljivostjo in C karakteristiko pa bi recimo
zagon brusilke prenesel brez težav.
Tipična zgradba odklopnika je razvidna iz slike, na kateri so označeni posamezni bistveni deli.
Njegovi najpomembnejši sestavni deli so:
-
Ohišje.
-
Ročica za vklop / izklop odklopnika. Omogoča ročno manipuliranje z odklopnikom, obenem signalizira tudi položaj odklopnika.
-
Priključki za priključitev odklopnika v instalacijo.
-
Termični – bimetalni sprožnik. Bremenski tok teče skozenj in s tem segreva bimetal, ki se upogiba. Pri določenem upogibu sproži izklop odklopnika. Reagira počasi,
z inverzno časovno karakteristiko, in služi zaščiti pred preobremenitvijo.
-
Magnetni sprožnik. Tudi skozenj teče bremenski tok. Podoben je kotvici releja,
reagira pa trenutno, ko je tok skozenj dovolj velik in s tem sproži izklop. Ščiti pred
kratkimi stiki.
-
Kontakti odklopnika. Se obnašajo kot stikalo, ki ga krmilimo z ročico, ali pa
nanje preko vzvodov vplivata termični in magnetni sprožnik. Kontakti so oblikovani
tako, da obločni plamen med izklopom potisnejo proti gasilni komori, ki plamen brez
škode ugasne.
-
Gasilna komora. Za varno gašenje obločnega plamena med izklopom, še posebno pri izklopu velikih tokov.
Kot zanimivost, na podoben način
imajo izvedene kontakte in gasilno
komoro tudi velika stikala z nazivnimi tokovi preko 1000 A. Brez teh
ukrepov bi bilo stikalo uporabno
samo za en konkreten izklop, pa še
ta bi naredil ogromno škode, ker bi
ob tem izklopu lahko tudi eksplodiral.
Časovna karakteristika njegovega
izklopa je razvidna iz tabele, kjer
sta prikazani časovni karakteristiki B in C odklopnikov. Navpični del
obeh karakteristik predstavlja magnetni del, poševni del pa termični
del karakteristike odklopnika.
elektronik september 2012 / 19
66
Kmet Branko
Osnove napajanja z električno energijo
4.3 FID stikalo
Lahko se imenuje tudi RCD (residual current
device) ali zaščitno stikalo na diferenčni tok.
Njegov osnovni namen je zaznavanje uhajavega (diferenčnega) toka in v tem primeru izklop tokokroga. Izkorišča dejstvo, da je
vsota pritekajočih in odtekajočih tokov skozi
njega enaka 0 (1. Kirchoffov zakon). Če se
to razmerje poruši – ko del toka teče mimo
njega (po ozemljitvah ob pojavu okvare), to
zazna in v tem primeru izklopi okvarjen tokokrog. Primer njegovih nazivnih podatkov
je: 40/0,03A. To pomeni, da je stikalna zmogljivost njegovih kontaktov 40 A, zazna pa
uhajave tokove okoli 30mA. Večje uhajave
tokove zanesljivo zazna, manjše pa ne nujno. Čas izklopa je nekje 50 ms in tudi več.
elektronik september 2012 / 19
67
Kmet Branko
Osnove napajanja z električno energijo
Reagira samo na pojav uhajavega toka in ne na tokovno preobremenitev, kot instalacijski odklopnik.
Element, ki zaznava uhajavi tok, je še najbolj primerljiv s toroidnim transformatorjem. Primarno navitje sestavljajo fazni in nevtralni vodniki, ki so speljani skozi jedro.
Tokovi vseh faz in nevtralnega vodnika se med seboj izničijo in v jedru ni magnetnega polja. Če pride do okvare izolacije, del toka steče po ozemljitvi ali po PE vodniku in
s tem mimo FID-a. Tako vsota tokov v jedru ni več 0 in ustvarjeno magnetno polje v
sekundarnem navitju inducira napetost. Ta pritegne kotvico sprožilnega mehanizma
in izklopi stikalo. Pri izklopu izklopi poleg faznih tudi nevtralni vodnik. Na njem sta še
ročica za vklop in izklop stikala ter testna tipka, s katero simuliramo pojav okvare.
4.3.1
Pravilen priklop FID-a
Zaradi nerazumevanja delovanja FID stikala lahko pride do napačnega priklopa, ki
povzroči ali nedelovanje zaščite ali pa nepotrebne izklope. Pravilen priklop je prikazan na naslednji sliki, ki prikazuje okvaro v TN-C-S sistemu napajanja. Z rjavo barvo
je označen okvarni tok.
4.3.2
Napačen priklop FID-a – povezana N in PE za FID-om
Naslednja slika informativno prikazuje napačen priklop, kjer sta N in PE združena za FID-om. V tem primeru del normalnega toka bremen teče tudi po PE vodniku
mimo FID-a. Kolikšen delež toka teče mimo, je odvisno predvsem od upornosti N in
PE vodnikov.
FID tu vedno zaznava uhajavi tok in izklaplja po nepotrebnem. Ni pomembno, v katerem tokokrogu za FID-om sta N in PE združena in ni pomembno, po katerih tokokrogih teče bremenski tok, izklopi se bodo dogajali v vsakem primeru. Ta tip napake
je zelo težko poiskati in marsikdo zamenja FID, misleč, da je v okvari.
elektronik september 2012 / 19
68
Kmet Branko
4.3.3
Osnove napajanja z električno energijo
Napačen priklop FID-a – N in PE se razdružita šele za FID-om
Naslednja slika informativno prikazuje napačen priklop, kjer se N in PE razdružita šele za FID-om. Ta primer sicer ni zelo pogost, je pa toliko bolj nevaren. Nevaren je zato, ker FID na napako ne more reagirati in je na napravah lahko prisotna
nevarna previsoka napetost dotika. Čeprav ga s preizkusno tipko lahko sprožimo in
mislimo, da nam dela kot je potrebno, pa prave okvare ne more zaznati. Okvarni tok
namreč v takem primeru teče skozi FID in je navkljub napaki vsota tokov enaka 0.
elektronik september 2012 / 19
69
Kmet Branko
Delovanje FID-a v tem zgornjem primeru in pravzaprav tudi v vseh ostalih primerih
lahko zelo enostavno preizkusimo z žarnico. Poskrbeti moramo samo, da je žarnica
dovolj močna – da je tok skoznjo večji od toka reagiranja FID. Običajno zadošča že
60 – 100 W žarnica. Žarnico z dvema žicama priključimo med fazni vodnik in PE vodnik in FID mora izklopiti.
4.4 KZS stikalo
Kopalniško zaščitno stikalo je pravzaprav hibrid med instalacijskim odklopnikom in FID stikalom. To pomeni, da v
enem ohišju združuje instalacijski odklopnik in FID stikalo
in prav tako funkcije obeh. Edina posebnost je, da je nazivni uhajavi tok 10 – 30 mA (obstaja tudi 300 mA), ter
je namenjen prvenstveno za napajanje prostorov in porabnikov s povečano nevarnostjo, kar kopalnica vsekakor
je. Pri priklopu je potrebna pazljivost, da skozenj peljemo
nevtralni in fazni vodnik. Časovno hitreje izvede izklop
kot FID stikalo, časi so običajno okrog 30 ms. Izklopi tako
fazne vodnike, kot nevtralni vodnik.
Θ
elektronik september 2012 / 19
70