POTAPLJAŠKA SVETILKA - core.ac.uk · III ZAHVALA Z diplomskim delom se končuje najlepši del...

POTAPLJAŠKA SVETILKA

Diplomsko delo

Študent: Kristijan KOREZ

Študijski program: Univerzitetni študijski program Mehatronika

Mentor FS: izr. prof. dr. Karl GOTLIH, univ. dipl. inž. str

Mentor FERI:

doc. dr. Suzana URAN, univ. dipl. inž.

Lektorica: Martina Ferlinc, univ. dipl. slov.

Maribor, marec 2016

III

ZAHVALA Z diplomskim delom se končuje najlepši del mojega študijskega življenja. Zahvaljujem se mentorici doc. dr. Suzani Uran, univ. dipl. inž. el., da me je sprejela pod svoje mentorstvo in mi z nasveti in strokovno pomočjo pomagala pri izdelavi diplomskega dela. Zahvala gre tudi mentorju, izr. prof. dr. Karlu Gotlihu, univ. dipl. inž. Str, za sprejem pod svoje mentorstvo in pomoč pri izvedbi diplomskega dela. Velika zahvala gre tudi staršem, ki so verjeli vame in me finančno podpirali. Zahvala gre tudi vsem, ki vas nisem omenil in ste mi na kakršenkoli način pomagali in stali ob strani.

IV

POTAPLJAŠKA SVETILKA

Ključne besede: odpornost na velike tlake, LED, svetilnost, baterijsko napajanje, boost,

krmiljenje

UDK : 681.516.2/.3:621.32.032(043.2)

POVZETEK

Delo opisuje razvoj, izdelavo in testiranje potapljaške svetilke. Ker se sam ukvarjam s

potapljanjem, je bila ideja razviti svetilko, ki bi omogočala česar svetilke, ki so trenutno

dostopne na tržišču, še ne omogočajo. Cilj je bil izdelati svetilko, ki bi bila večstransko

uporabna in namenjena predvsem profesionalni rabi. Zastavljene zahteve so bile ekstremno

velika svetilnost, odpornost na velike tlake, izvedba kot celota ali kot ločen akumulator od

svetilnega dela. V delu je opisano načrtovanje mehanskega in elektronskega dela prototipa

potapljaške svetilke ter krmiljenje njene svetilnosti. Podrobneje je predstavljena tudi analiza

stabilnosti regulacijske zanke in njena implementacija. V zadnji fazi so izvedena tudi

praktična testiranja prototipa glede na zastavljene zahteve.

V

DIVING LAMP

Key words: resistance to high pressures, LED, luminance, battery-powered, boost control

UDK: 681.516.2/.3:621.32.032(043.2)

ABSTRACT

The thesis concerns the development, manufacture and testing of a diving lamp. Since I am

diver myself, my idea was to develop a diving light with features currently available lights do

not own yet. More specifically, the aim was to develop a light that would serve several

purposes and would mainly be intended for professional use. Desired requirements included

extremely high luminance, resistance to high pressure and option of light as an independent

whole or as accumulator separated from the lighting part. This paper describes the design of

mechanical and electronic part of the diving lamps prototype and the controlling of its

luminosity. The analysis of stability of the control loop and its implementation is presented in

more detail. Finally, practical testing of the prototype was carried out and presented

according to the requirements.

VI

KAZALO

1 UVOD ................................................................................................................................ 1

1.1 ZAHTEVE ...................................................................................................................... 2

2 RAZVOJ MEHANSKEGA DELA ................................................................................. 3

2.1 PRVA KOMPONENTA - LED ŽARNICA ............................................................................ 3

2.2 IZBIRA MATERIALA ....................................................................................................... 3

2.3 HLADILNA REBRA ......................................................................................................... 3

2.4 MODELIRANJE PROTOTIPA ............................................................................................ 4

2.5 MODELIRANJE GLAVE SVETILKE: .................................................................................. 5

2.5.1 Prilagajanje glave svetilke .................................................................................... 5

2.6 NAMESTITEV TESNIL ..................................................................................................... 6

3 RAZVOJ ELEKTRIČNEGA DELA .............................................................................. 7

3.1 IZBIRA TERMO STIKALA ................................................................................................ 7

3.2 »REED« STIKALO .......................................................................................................... 8

3.3 RELE ............................................................................................................................. 8

3.4 LED ŽARNICA 100W .................................................................................................... 9

3.5 PRETVORNIK NAVZGOR .............................................................................................. 10

3.6 BATERIJA .................................................................................................................... 10

3.6.1 Izbira ustrezne baterije ....................................................................................... 11

3.7 MIKROKRMILNIK PIC18F14K50 ................................................................................ 12

3.8 VAROVANJE PRED PREVISOKIMI TOKOVI ..................................................................... 12

4 KRMILNI IN REGULACIJSKI DEL ......................................................................... 13

4.1 NAČINI KRMILJENJA SVETILNOSTI .................................................................. 13

4.2 IZVEDBA IZBRANEGA NAČINA KRMILJENJA ................................................ 15

4.3 ELEKTRIČNO VEZJE ..................................................................................................... 16

4.4 PRERAČUN IN IZBIRA ELEKTRONSKIH KOMPONENT ..................................................... 20

Podrobneje obravnavane komponente ......................................................................... 20

Regulator napetosti L7805CV (5V) slika 4.6, št.1 ....................................................... 20

VII

Regulator napetosti L7809CV (9V) slika 4.9, št.3 ....................................................... 26

4.5 PRAKTIČNA IZDELAVA TISKOVINE .............................................................................. 28

4.6 PROGRAMIRANJE ........................................................................................................ 29

4.6.1 Programska koda ................................................................................................ 30

.................................................................................................................................................. 32

5 ANALIZA STABILNOSTI REGULACIJSKE ZANKE BOOST PRETVORNIKA

33

5.1 ZAPIS PRENOSNE FUNKCIJE ODPRTE REGULACIJSKE ZANKE ........................................ 33

5.2 ZAPIS PRENOSNE FUNKCIJE ZAPRTE REGULACIJSKE ZANKE ......................................... 35

5.3 IZRIS BODE DIAGRAMOV IN STOPNIŠČNIH ODZIVOV .................................................... 36

5.4 NAČRTOVANJE REGULATORJA DRUGEGA REDA ZA BOOST PRETVORNIK ..................... 44

5.4.1 Integrator ............................................................................................................ 44

5.4.2 Regulator drugega reda ...................................................................................... 44

6 MERITVE IN TESTI ..................................................................................................... 47

6.1 KRMILNI DEL .............................................................................................................. 47

6.2 MERITEV TOKOV IN IZKORISTEK BOOST PRETVORNIKA ............................................... 47

6.2.1 Meritev toka pri maksimalni izhodni moči LED žarnice ................................... 47

6.2.2 Meritev toka pri minimalni izhodni moči LED žarnice ..................................... 48

6.3 UMERJANJE ZAZNAVANJA NIZKE NAPETOSTI .............................................................. 48

6.4 TESTIRANJE SVETILKE ................................................................................................ 49

6.4.1 Test 1 .................................................................................................................. 49

6.4.2 Test 2 (test pregretja) .......................................................................................... 50

6.4.3 Test 3 (test časa delovanja) ................................................................................ 50

6.5 MASA ......................................................................................................................... 51

7 STROŠKI ........................................................................................................................ 52

GLAVNE LASTNOSTI PROTOTIPA ............................................................................................ 53

8 ZAKLJUČEK ................................................................................................................. 54

VIRI IN LITERATURA ……………………………………………………………………55

VIII

PRILOGA A: Povezava med mikrokrmilnikom in digitalnim potenciometrom

PRILOGA B: Programska koda za mikrokrmilnik

PRILOGA C: Delavniške risbe

PRILOGA D: Realna slika svetilke in virtualna (3D model)

KAZALO SLIK

Slika 2.1: Medsebojna usklajevanja elementov ......................................................................... 5

Slika 2.2: Prikaz namestitve tesnil ............................................................................................. 6

Slika 3.1: Reed stikalo ............................................................................................................... 8

Slika 3.2: Rele stikalo [8] .......................................................................................................... 8

Slika 3.3: 100W LED žarnica .................................................................................................... 9

Slika 3.4: Vzorec sevanja LED žarnice [21] ........................................................................... 10

Slika 3.5: Boost pretvornik [17] .............................................................................................. 10

Slika 4.1: Spreminjanje svetilnosti s pulzno širinsko modulacijo ........................................... 14

Slika 4.2: Električno vezje ....................................................................................................... 17

Slika 4.3: Povezava med novim tipom delilnika napetosti in boost pretvornikom ................. 18

Slika 4.4: Izvedba z dvema delilnikoma napetosti .................................................................. 19

Slika 4.5: Izvedba z zener diodo .............................................................................................. 19

Slika 4.6: Vezje-sektor 1 ......................................................................................................... 20



Slika 4.9: Zener dioda električne karakteristike [27] .............................................................. 25

Slika 4.10: Osnovno vezje za pic z reset tipko ........................................................................ 27

IX

Slika 4.11: Osnovno vezje za pic brez reset tipke .................................................................. 27

Slika 4.12: Onemogočitev pina MCLR ................................................................................... 28

Slika 4.13: Tiskovina ............................................................................................................... 28

Slika 4.14: Blokovni diagram programa .................................................................................. 32

Slika 5.1: Odprta regulacijska proga ....................................................................................... 33

Slika 5.2: Zaprta regulacijska proga ........................................................................................ 35

Slika 5.3: Bode diagram, primerjava regulatorjev ................................................................... 36

Slika 5.4: Stopnični odziv, primerjava regulatorjev ................................................................ 37

Slika 5.5: Bode diagram, različne izhodne napetosti ............................................................... 38

Slika 5.6: Stopnični odziv, različne izhodne napetost ............................................................. 39

Slika: 5.7: Bode diagram pri različnih induktivnostih dušilke ................................................ 40

Slika: 5.8: Stopnični odziv pri 4.7 µH ..................................................................................... 41

Slika: 5.9: Stopnični odziv pri 470 µH .................................................................................... 42

Slika: 5.10: Stopnični odziv pri 47000 µH .............................................................................. 43

Slika 5.11: Integrator ............................................................................................................... 44

Slika 5.12: Regulator drugega reda ......................................................................................... 44

Slika 5.13: Bode diagram pri spreminjanju R2 ....................................................................... 45

Slika 5.14: Stopnični odziv pri vrednosti R2=15 K za regulator drugega reda .................... 46

Slika 6.1: Test svetilke na tlak (test 1) ..................................................................................... 50

X

KAZALO TABEL

Tabela 3.1:Tipične električne in optične karakteristike [21]..................................................... 9

Tabela 6.1: Meritve tokov in napetosti na boost pretvorniku ................................................. 47

Tabela 6.2: Masa komponent z izrazitejšo maso (niso upoštevani vijaki, električne

komponente, tesnila) ........................................................................................................ 51

Tabela 6.3: Masa po sklopih (brez baterije) ............................................................................ 51

Tabela 7.1: Stroški nabave komponent ................................................................................... 52

Tabela 7.2: Stroški obdelovalnih storitev ................................................................................ 52

Tabela 7.3: Celotni stroški izdelave prototipa svetilke ........................................................... 53

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

1

1 UVOD

V prostem času se ukvarjam s potapljanjem, tako scuba, kot prostim. Pri tem veljajo nekatere

fizikalne zakonitosti in določena pravila. Ker z globino pojenja svetloba in na globini

približno 100 metrov nastopi popolna tema, je potapljaška svetilka nepogrešljiv pripomoček

vsakega potapljača. Cene kvalitetnejših in profesionalnih potapljaških svetilk so zelo visoke,

prav tako je drago njihovo vzdrževanje. Zato sem že pred petimi leti prišel na idejo o izdelavi

svoje lastne svetilke. Prvo svetilko sem izdelal kot izdelek pri 4. predmetu mature na srednji

strojni šoli. Svetilko sem uporabljal pri vseh svojih dosedanjih potopih. Svetilka ni uporabna

le za potapljanje, ampak je nepogrešljiv pripomoček kadar koli »ostanemo v temi«.

Pred kratkim sem pri raziskavi po spletu naključno naletel na »power« LED žarnice. Ugotovil

sem, da sedaj na tržišču obstajajo že led žarnice zelo velikih moči (100W). Po primerjavi 10W

LED žarnice in 50W halogenske žarnice (ki je bila do sedaj vgrajena v svetilko) sem ugotovil,

da ima LED žarnica 5 krat manjše moči enako svetilnost kot 50W halogenska žarnica. Ker je

cilj, da ima svetilka čim manjšo maso in volumen, kar je seveda povezano z velikostjo in

kapaciteto akumulatorja, je takšna LED žarnica velika prednost, saj zahteva manjši

akumulator. Tako se je pojavila ideja, da izdelam nov tip svetilke. Ker na tržišču obstaja že

zelo širok spekter raznih svetilk, sem se odločil, da izdelam svetilko kakršne še ni. Dosedanja

svetilka je bila dvodelna (ločen akumulator od svetilnega dela), kar je velika prednost pri

potapljanju z jeklenko, saj nam težkega baterijskega dela ni potrebno nositi v roki, ampak ga

pritrdimo na jeklenko. Vendar je takšna izvedba manj uporabna pri prostem potapljanju. Prav

tako je bila dosedanja izvedba izdelana iz plastike, kar predstavlja prednost, saj ni podvržena

koroziji, vendar je slabost v tem, da pri uporabi svetilke izven vode pride do pregrevanja

plastike in žarnice. Zato sem se odločil izdelati svetilko, ki izboljša vse te slabosti. Torej:

ideja je bila izdelati »multifunkcionalno« svetilko, kar pomeni, da je lahko eno- ali dvodelna,

prenese velike tlake oz. globine, se lahko uporablja v vodi ali izven nje, ima več stopenj

svetlosti, je preprosta in robustna, preprosta za servisiranje ipd.


2

Na začetku sem si zadal določene zahteve. Vse zadane zahteve sem čez celoten projekt

poskušal realizirati.

1.1 Zahteve

Velika svetilnost (10000 lumnov),

vodotesnost (do 250m),

polnilna baterija,

robustnost,

dolgi čas delovanja (najmanj 70min pri maksimalni in 22 ur pri minimalni

svetilnosti),

fleksibilnost pri izbiri baterije,

korozijska odpornost,

opozarjanje na nizki nivo napetosti,

uporabnost v vodi in izven nje,

varovanje pred pregretjem,

krmiljenje svetlosti,

samodejno zmanjševanje svetilnosti ob pregretju,

stikala naj bodo brez kontaktna (izvrtine na ohišju niso potrebne) ,

možnost ločiti baterijski del od svetilnega dela s električnim vodnikom,

dvojni način tesnjenja (čelno in bočno) ,

možnost uporabe z lečo in reflektorjem ali brez,

snemljiv ročaj,

kompaktno ohišje.


3

2 RAZVOJ MEHANSKEGA DELA

2.1 Prva komponenta - LED žarnica

Ponovna ideja o izdelavi novega tipa svetilke se je pričela ravno pri LED žarnici, na katero

sem naključno naletel pri raziskovanju po spletu. To je bila tudi prva komponenta oziroma

prvi element celotne svetilke.

Prva komponenta, iz katere sem začel razvijati svetilko je bila torej 100W »power« LED

žarnica. Glede na zgornje zahteve in glede na žarnico, sem pričel z modeliranjem prototipa.

Na prvi problem sem naletel pri LED žarnici, ki potrebuje hladilni sistem, da se ne bi

pregrela. Delo sem nadaljeval z izbiro najprimernejšega materiala.

2.2 Izbira materiala

Glede na to, da je bilo potrebno LED žarnici zagotoviti dovolj veliko temperaturno odvajanje,

sem za material izbral aluminij, ki ima veliko temperaturno prevodnost, je korozijsko dobro

obstojen in ima sorazmerno majhno maso. Izbira materiala pred samim modeliranjem in

dizajniranjem mi je prihranila nekaj dela, saj ni bilo treba kasneje prilagajati dimenzij (debelin

sten).

2.3 Hladilna rebra

V naslednji fazi sem oblikoval približni model glave svetilke, kjer bo pritrjena žarnica, vendar

je bilo potrebno model uskladiti s standardnimi hladilnimi rebri.

Glede na to, da je bilo potrebno zagotoviti dovolj veliko temperaturno odvajanje, kar

posledično predstavlja tudi dovolj veliko površino za izmenjavo temperature med svetilko in

okolico, sem pričel z raziskavo in izbiro ustreznega hladilnega telesa. Ker se hladilna rebra


4

izdelujejo s pomočjo litja ali z iztiskanjem aluminijevih zlitin, kar pa bi pomenilo velike

stroške za tako izvedeno svetilko, sem se odločil za izbiro že obstoječih standardnih hladilnih

reber. Temperaturne simulacije odvajanja temperature nisem izvajal, ampak sem ustrezna

rebra izbral glede na priporočilo proizvajalca hladilnih reber in glede na predviden dizajn

svetilke. Hladilna rebra ki sem jih izbral so sicer namenjena za hlajenje LED žarnic do moči

50W. Vendar glede na to, da se bo svetilka uporabljala pretežno v vodi, kjer je odvajanje

temperature intenzivnejše, so takšna hladilna rebra zadostna za hlajenje LED žarnic do 100W.

Res je, da bo svetilka uporabna tudi izven vode. Torej bi premajhna hladilna rebra pomenila

pregrevanje LED žarnice, večja hladilna rebra pa ogromen volumen svetilke in s tem

neokretnost in neuporabnost. Da bi imela svetilka popolno uporabnost tudi izven vode, sem se

odločil, da namesto ogromnih hladilih reber v svetilko vgradim temperaturno stikalo.

2.4 Modeliranje prototipa

Ko sem izbral vse glavne komponente, glede na katere je bilo potrebno prilagoditi dimenzije

in obliko ohišja glave svetilke, sem lahko pričel z modeliranjem prototipa. Prva stvar, ki sem

jo izvedel, je bila pridobitev dokumentacije o dimenzijah vgradnih komponent (LED, leča,

termo stikalo, hladilna rebra, tesnila).


5

2.5 Modeliranje glave svetilke:

Pri modeliranju glave svetilke so bile potrebne številne prilagoditve in medsebojna

usklajevanja.

2.5.1 Prilagajanje glave svetilke

Slika 2.1: Medsebojna usklajevanja elementov

1 - Izvrtine za pritrditev LED žarnice.

2 - Izvrtine za pritrditev leče.

3 - Utor za električni vodnik.

4 - Utor za namestitev temperaturnega stikala.

5 - Izvrtina za električne vodnike.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10


6

6 - Navoj za spojitev glave z akumulatorskim delom.

7 - Navoj za matico za pritrditev stekla.

8 - Utor za tesnilo.

9 - Utor za tesnilo.

10 - Ustrezen premer za namestitev hladilnih reber.

2.6 Namestitev tesnil

Glede na to, da se bodo določeni elementi ohišja pogosto razstavljali in tudi zaradi večje

varnosti pred vdorom vode v ohišje, sem se odločil, da bo vsak spoj svetilke tesnjen z dvema

tesniloma z različnima načinoma tesnjenja (čelno in bočno).

Slika 2.2: Prikaz namestitve tesnil


7

3 RAZVOJ ELEKTRIČNEGA DELA

Ena izmed osnovnih zahtev za potapljaške svetilke je velika odpornost ohišja svetilke, ki

lahko prenese hidrostatične tlake do določene globine (do 250 m). Vodotesnost ohišja svetilke

lažje zagotovimo če ima svetilka enovito ohišje s čim manjšim številom spojev in izvrtin.

Izvrtinam na ohišju in uporabi vodotesnih stikal se najlažje izognemo z uporabo

brezkontaktnih stikal. Torej je krmiljenje svetilnosti in vklapljanje svetilke izvedeno z

brezkontaktnimi stikali ali tako imenovanimi »Reed« stikali.

Enostavne svetilke so zgrajene iz ohišja, baterije, žarnice in stikala. Pri enostavnih svetilkah

običajno svetilnosti svetilke ne krmilimo zvezno, ampak jo s stikalom le vklopimo, oziroma

izklopimo. Žarnica in baterija morata biti električno (napetostno in tokovno) ustrezni. Da bi

dosegli električno ustreznost in hkrati omogočili krmiljenje svetilnosti potapljaške svetilke

smo se odločili za izvedbo električnega dela na osnovi pretvornika navzgor.

3.1 Izbira termo stikala

Ker sem si že na začetku zadal, da bo svetilka samodejno preprečila pregrevanje žarnice, sem

moral poiskati za to primerno termično stikalo.

Temperaturni rang stikala sem izbral glede na podatke proizvajalca o LED. Proizvajalec za

100W LED predpisuje delovno območje (ki ne skrajša življenjske dobe žarnice) nekje med

-30 in +80 °C.

Tehnični podatki o stikalu:

Maksimalen tok: 5A

Maksimalna napetost: 250V

Temperaturni rang prekinitve tokoktoga: 80 °C

Opomba: ko stikalo doseže kritično temperaturo prekine tokokrog, ko temperatura pade za 10

°C stikalo ponovno sklene tokokrog.


8

3.2 »Reed« stikalo

To je stikalo, ki vrši vklop tokokroga s pomočjo magneta. Torej gre

za brezkontaktno stikalo. Stikalo sem izbral zato, ker v tem primeru

niso potrebne nikakršne izvrtine na samem ohišju. Problem stikala je,

da lahko operira le z majhnimi tokovi, zato je potrebno uporabiti še

rele ali kakšno drugo ojačevalno stopnjo, ki upravlja glavni

tokokrog.

Slika 3.1: Reed stikalo

Specifikacije:

Maksimalna vklopna moč: 10W

Maksimalen vklopni tok: 0,5A

Maksimalna vklopna napetost: 100V

3.3 Rele

Tudi rele je neke vrste stikalo. Vendar pri releju krmilimo oz. vklapljamo in izklapljamo z

manjšim električnim tokom večji tok. Lahko bi rekli, da z manjšo močjo vklapljamo večjo

moč. Rele je bil v mojem primeru primeren ravno zaradi potrebe po vklopu večjih tokov (do 5

A).

Specifikacije:

Maksimalen vklopni tok: 10A

Maksimalna vklopna napetost: 30V pri enosmerni napetosti

Maksimalna vklopna napetost: 250V pri izmenični napetosti

Slika 3.2: Rele stikalo


9

3.4 LED žarnica (100W)

Lastnosti:

dolga življenjska doba,

velika svetilnost,

širok barvni spekter: 2500K-25000K,

velikost čipa: Epistar: 35*35mm,

veliko večji izkoristek kot pri halogenskih,

nizka obratovalna napetost,

hiter zagon (manj kot 100ns),

brez UV žarkov,

RoHS skladnost.

Slika 3.3: 100W LED žarnica

Tabela 3.1:Tipične električne in optične karakteristike [21]

Produkt Simbol Pogoj/stanje Minimalno Tipično Maksimalno Enota

Napetost U Če=3,5A 32 36 V

Povratni tok IR VR=50V 80 uA

50 % kot moči 2θ1/2 Če=3,5A 110 140 stopinj

Svetlobna

intenzivnost

φV Če=3,5A 7500 8500 lm

Barvitost (bela) Tc Če=3,5A 6000 7000 k

Barvitost (topla

bela)

Tc Če=3,5A 2700 3800 k

Delovna

temperatura

TOPR -30 +80 ℃

Temperatura

shrambe

TSGT -40 +100 ℃

Temperatura za

spajkanje

Max 260 ℃

za 3s


10

Slika 3.4: Vzorec sevanja LED žarnice [21]

3.5 Pretvornik navzgor

Vhodna napetost: DC 10V-32V.

Izhodna napetost: DC12V-35V (prilagodljivo).

Izhodni tok: 10A (MAX).

Vhodni tok: 16A (MAX) (za več kot 10A je potrebno povečati hladilna rebra).

Izhodna moč: normalno hlajenje 100W (MAX), ojačano

hlajenje 150W (MAX).

Izkoristek pretvorbe: 92 %

Delovna temperatura: - 40 ° c to +85 °

Napetostna regulacija: ± 0.5 %

Dinamična odzivnost: 200uS ±5 %

Slika 3.5: Boost pretvornik

3.6 Baterija

Izbira polnilne baterije je bila pomembna in težka naloga. Izbral sem jo glede na zadane

Zahteve:

velika kapaciteta,

dovolj velik tok praznjenja,

majhna masa in volumen,

polnilna,

primerna nazivna napetost.


11

3.6.1 Izbira ustrezne baterije

Glede na to, da ima v tej aplikaciji pomembno vlogo masa in volumen baterije, sem se odločil

za izbiro Litij-Polimerne baterije, ki imajo trenutno na tržišču najmanjšo maso in volumen

glede na njihovo kapaciteto. Li-Po baterije se izdelujejo v paketih po maksimalno 7 celic.

Napetost posamezne celice znaša 3,7 V. Torej se napetosti teh baterij gibljejo med 3,7 in 25,9

V. Sedaj sem moral izbrati še pravilno kapaciteto, obliko in volumen. Ker se z napetostjo in

kapaciteto spreminja tudi oblika in volumen baterije, sem moral glede na vse tri veličine

izbrati najprimernejšo baterijo. Glede na to, da sem pri izvajanju meritev ugotovil, da na

izkoristek boost pretvornika vpliva vhodna napetost in je izkoristek večji pri višji nazivni

napetosti, sem izbiral baterije v rangu od 20 do 27 V. Dimenzijsko in cenovno najustreznejša

je bila baterija nazivne napetosti 22,2 V. Izbrati je bilo še potrebno ustrezno kapaciteto.

Zastavljen cilj je vsaj 60 minut neprekinjenega delovanja pri maksimalni svetilnosti. Izračun

ustrezne kapacitete:

P = U * I I = 𝑃

𝑈

I = 100 𝑊

22.2 𝑉 = 4.5 A

Glede na to, da je izkoristek boost pretvornika 92%, sem moral izračunano kapaciteto

povečati še za vsaj 10 %, kar doprinese 0.5 A.

Torej, izbrati sem moral baterijo, ki ima kapaciteto minimalno 5 Ah

Tako sem izbral baterijo z maksimalno kapaciteto, ki jo je še mogoče vgraditi v ohišje z

geometrijskimi omejitvami:

-notranji premer valja: 76 mm,

-dolžina valja: 190 mm.

Tako sem na koncu izbral baterijo s 5500 mAh.

Specifikacije izbranega tipa baterije:

Nazivna napetost: 22.2 V

Kapaciteta: 5500 mAh

Tok praznjenja: 40 C (40*5500=220 A)

Dimenzije: 46*50*145 mm (diagonala: 68 mm)


12

3.7 Mikrokrmilnik PIC18F14K50

Na tržišču obstaja velik nabor mikrokrmilnikov. Kateri je najprimernejši, je odvisno od zahtev

posamezne aplikacije. Sam sem se odločil za izbiro PIC18F14K50, saj sem se z njim že

seznanil v času študija. Prav tako pa ustreza vsem zahtevam, ki so bile potrebne za izvedbo

ustreznega krmilja. Glavne zahteve so bile:

-zadostno število digitalnih vhodov in izhodov,

-vsebuje A/D modul (analogno branje),

-PWM modul,

-sorazmerno majhen,

-možnost SPI komunikacije,

-cenovno ugoden,

-programiranje v programskem jeziku C.

Poznano mi je bilo tudi delovno okolje, v katerem sem programiral krmilnik. Prav tako je za

programiranje potreben tudi ustrezen programator, katerega sem prav tako že imel.

3.8 Varovanje pred previsokimi tokovi

Ker so lahko polne baterije pri kratkem stiku nevarne, saj lahko pride do eksplozije, sem

varoval baterijo z ustrezno varovalko. Glede na to da bodo maksimalni tokovi, ki jih zahteva

žarnica okoli 5A, sem se odločil, da sistem varujem z 15A varovalko, ki bo varovala baterijo

tako pri praznjenju, kot pri polnjenju. Baterija sicer dopušča zelo velike tokove praznjenja,

vendar v tej aplikaciji tokovi praznjenja ne bodo nikdar presegli 15A. Za varovanje sem

uporabil 15A avtomobilsko varovalko.


13

4 KRMILNI IN REGULACIJSKI DEL

Preprosta relejska logika, ki sem si jo prvotno zamislil, bi omogočala le vklop ali izklop 100

W žarnice in samodejen izklop v primeru pregretja. Slabost te izvedbe bi bila, da ne omogoča

spreminjanje svetilnosti velike žarnice. S spremembo svetilnosti žarnice lahko vplivamo tudi

na njeno temperaturo (segrevanje) ter prav tako na porabo električne energije. Naslednja

slabost je bilo tudi praznjenje baterije. Torej dosedanja logika ne bi merila napetosti baterije

in tako bi bilo mogoče baterijo/ akumulator izprazniti do minimuma oz. pod dovoljen nivo.

Določeni tipi baterij so zelo občutljivi na izpraznitev pod določeno mejo, kar še posebej velja

za Li-Po baterije. Izpraznitev takšnega tipa baterije pod dovoljeno mejo lahko privede do

poškodbe ali uničenja baterije.

Tako sem se odločil izdelati elektronsko logiko oz. krmilje, ki bo omogočalo krmiljenje

svetilnosti žarnice in merjenje napetosti baterije. Takšno logiko je najpreprosteje doseči s

pomočjo mikrokrmilnika. Tako sem se odločil, da izvedem krmilje s pomočjo mikrokrmilnika

PIC18F14K50, proizvajalca Microchip, saj sem se s tem mikrokrmilnikom že seznanil pri

predmetu Sistemi mehatronike.

4.1 NAČINI KRMILJENJA SVETILNOSTI

Sledila je raziskava o možnostih krmiljenja svetilnosti žarnice:

a) Spreminjanje svetilnosti s spreminjanjem upornosti predupora žarnice.

Takšen način spreminjanja svetilnosti je primeren le za žarnice nizkih moči, kjer lahko

uporabimo kot predupor ustrezen potenciometer, saj v nasprotnem primeru potrebujemo upore

za velike moči, pri tem pa imamo ogromne izgube energije na samem preduporu. Težavno je

izvesti tudi zvezno spreminjanje upornosti takšnega upora.


14

b) Spreminjanje svetilnosti s pulzno širinsko modulacijo (PŠM).

To lahko dosežemo z mikrokrmilnikom, vendar lahko neposredno s krmilnikom prav tako

krmilimo le žarnice nizkih moči. Pri pulzno širinski modulaciji vplivamo na svetilnost žarnice

tako, da spreminjamo dolžino pozitivnega in negativnega pulza. Da bi lahko krmilili

svetilnost žarnic večjih moči, bi lahko namesto neposrednega načina izbrali posredni način s

tranzistorjem. In sicer bi s PŠM krmilili močnostni tranzistor, ki bi nadalje krmilil žarnico.

Slika 4.1: Spreminjanje svetilnosti s pulzno širinsko modulacijo

V mojo svetilko je vgrajen boost pretvornik, ki služi zagotavljanju ustrezne napetosti na

žarnici, ki v principu deluje ravno na osnovi PŠM (pulzno širinske modulacije). Vendar pri

pretvorniku ne gre le za PŠM krmiljenje tranzistorja, ampak tudi za povratno vezavo, ki meri

izhodni tok in napetost na pretvorniku . Že integriran krmilnik oz. regulator glede na povratne

informacije tako prilagaja PŠM signal. Pretvornik v našem primeru omogoča spreminjanje

izhodne napetosti in s tem svetilnosti žarnice s pomočjo integriranega analognega

potenciometra. Torej, lahko bi kar uporabili obstoječi potenciometer, kateremu vrednost

spreminjamo z vrtenjem v eno ali drugo smer. Vendar bi bil problem v tem, da bi za to

potrebovali izvrtino na ohišju svetilke, kar pa ne pride v poštev. Prav tako je še vedno težava

kako z mikroktmilnikom, ki bo meril napetost baterije, vplivati na svetilnost. Tukaj sta se

pojavili dve možnosti:


15

a) Izdelati lastni boost pretvornik, ki bo omogočal tudi merjenje napetosti in bo možno

digitalno spreminjanje izhodne napetosti s pomočjo tipk.

b) Analogni potenciometer na pretvorniku nadomestiti z digitalnim potenciometrom,

katerega krmilimo s pomočjo mikrokrmilnika.

Glede na to, da imajo že obstoječi pretvorniki zelo nizko ceno in učinkovito delovanje sem se

odločil za drugo opcijo, saj pri tem le nekoliko nadgradimo že obstoječi pretvornik. Prednost

prve opcije bi bila le nekoliko manjša izvedba, vendar le v primeru strojne izdelave tiskovin.

V našem primeru izdelave tiskovine bi prva opcija pomenila le še dimenzijsko večjo izvedbo.

4.2 IZVEDBA IZBRANEGA NAČINA KRMILJENJA

Torej, odločil sem se za izvedbo z digitalnim potenciometrom. Digitalni potenciometer je

»čip« izvedba potenciometra, ki komunicira s krmilnikom in glede na ukaze iz krmilnika

spreminja upornost. Sam sem uporabil 5K potenciometer z oznako MCP4161, proizvajalca

Microchip. Pojavil se je tudi problem, in sicer sem pri analizi podatkov potenciometra

ugotovil, da lahko potenciometer operira le z napetostmi do 5.5V. Na boost pretvorniku pa

imamo na potenciometru napetosti do 36V. Po izvedbi ustreznih meritev pretvornika sem

ugotovil, da se napetost na vhodu čipa z oznako uc3843, ki skrbi za regulacijo pretvornika,

spreminja v odvisnosti od potenciometra v rangu od 2.5 do 5.5 V. Za ustrezni rang napetosti

je odgovoren delilnik napetosti. Glede na to, da lahko digitalni potenciometer operira z

napetostmi do 5.5V je bilo potrebno načrtovati primeren delilnik napetosti. Ker je izhodna

napetost delilnika napetosti lahko maksimalno 5V, lahko namesto R1 uporabimo fiksni upor,

R2 pa naj bo digitalni potenciometer. S tem ne presežem vrednosti, ki jo le ta dovoljuje.

Vendar se je tu pojavila še manjša težava. Ko določimo ustrezno vrednost upora R1, lahko

preverimo izhodno napetost v odvisnosti od digitalnega potenciometra. Ugotovimo, da se

izhodna napetost giba v območju od 0 do 5V, kar pa predstavlja težavo, saj minimalna

napetost na izhodu delilnika ne sme pasti pod 2.5 V. Zato v tem primeru pride v poštev

seštevalnik s operacijskim ojačevalnikom. Torej, če izberemo R1 tako, da lahko izhodno

napetost delilnika spreminjamo v rangu od 0 do 2.5 V in tej napetosti prištevamo 2.5 V,


16

dobimo na izhodu ustrezno napetost. To je napetost, ki se sedaj giblje med 2.5 in 5 V. 2.5 V

prištevalne napetosti lahko dosežemo z ustrezno nameščeno »zener« diodo ali z delilnikom

napetosti. Sedaj je bilo potrebno nadomestiti samo še obstoječi delilnik napetosti z novim

(digitalnim potenciometrom). Za izvedbo tega je bilo potrebno prekiniti povezavo sedanjega

delilnika in na to mesto spojiti novo različico delilnika.

4.3 Električno vezje

Nadalje je sledilo načrtovanje električnega vezja s programskim orodjem Eagle. Program nam

omogoča izris ustrezne električne sheme z vsemi pripadajočimi komponentami. Nato lahko

shemo pretvorimo v realno tiskovino. Pri tem poskušamo komponente čim bolje razporediti

tako, da se kolikor je mogoče izognemo križanju povezav. Na naslednjih slikah je prikazano

električno vezje in povezava krmilnega vezja z boost pretvornikom.


17

Slika 4.2: Električno vezje


18

Slika 4.3: Povezava med novim tipom delilnika napetosti in boost pretvornikom


19

Ker med upori prihaja do medsebojnega delovanja, je potrebno delilnike napetosti ločiti od

seštevalnika s pomočjo sledilnika napetosti, kar je razvidno tudi iz vezja. V primeru uporabe

»zener« diode namesto delilnika, sledilnik napetosti ni nujen. Spodaj sta zato predstavljeni

dve izvedbi. Prva izvedba je izvedena z delilnikom napetosti, zato imamo en operacijski

ojačevalnik več. Druga izvedba je z »zener« diodo. Tukaj je en operacijski ojačevalnik manj.

Zaradi prostorske stiske sem se odločil za drugo izvedbo, saj se s tem pridobi nekaj prostora.

Slika 4.4: Izvedba z dvema delilnikoma napetosti

Slika 4.5: Izvedba z »zener« diodo


20

4.4 Preračun in izbira elektronskih komponent

Podrobneje obravnavane komponente

Nadalje je sledilo končno načrtovanje vezja z vsemi pripadajočimi gradniki: vhodi, izhodi,

urinim taktom, spi komunikacijo itd. Določene komponente je bilo potrebno matematično

preračunati, ali samo pravilno izbrati glede na njihovo ustreznost. Zaradi večje preglednosti

sem vezje razdelil na tri sektorje.

Sektor 1:

Slika 4.6: Vezje-sektor 1

Regulator napetosti L7805CV (5V) slika 4.6, št.1

Ker mikrokrmilnik potrebuje 5V napajalne napetosti, sem za napajanje le-tega uporabil 5V

regulator napetosti oznake L7805CV.

Tranzistor BC327 slika 4.6, št. 2

Ker želim vezje vklapljat s stikalom vezanim na maso, kot je prikazano na sliki 4.6, sem

uporabili PNP-BC327 tranzistor. Tok skozi tranzistor bo znašal nekje do 47 mA. Tranzistor

BC327 zmore tokove do 500 mA.

1 2

3


21

Predupor (R1) tranzistorja BC327 slika 4.6, št. 3

Preračun baznega upora tranzistorja

Če tranzistor v vezju uporabimo kot stikalo, moramo pravilno določiti bazni upor. Le-ta je

odvisen od toka skozi tranzistor, napetosti in ojačenja tranzistorja.

Vin… vhodna napetost

Rload… breme

Ic… koletorski tok

IB… bazni tok

Rb… bazni upor

VBE… bazno-emitorska napetost (specifikacija tranzistorja)

β… ojačenje tranzistorja (specifikacija tranzistorja)

Ic=Vin

Rload; Ib=

Ic

β; Rb=

Vin−VBE

IB; VBE<0.7V; (4.1)

Vklopni PNP tranzistor (BC327)

Ic=Vin

Rload -> Ic=47mA (izmerjeno) (4.2)

Ib=47mA

250=0.188mA (4.3)

Rb=22.2−0.7

0.000188=114,36K izberem standardni upor -> Rb=110K (4.4)

Sektor 2:


2 1

3 4


22

Tranzistor NPN-BC337 slika 4.7, št.1

Ker mikrokrmilnik ne zagotavlja dovolj velikih napetosti in tokov, je potrebno vklapljanje

releja izvesti posredno s tranzistorjem. Iz podatkov za rele SRD-24VDC-SL-C najdemo

podatek za upornost tuljave releja-Rload. Iz podatkov za tranzistor lahko ugotovimo, da

tranzistor BC337 zmore vklapljati tokove do 500 mA.

Predupor (R6) tranzistorja BC337 slika 4.7, št. 2

Tranzistor za vklop releja NPN (BC337)

Ic=Vin

Rload -> Ic=

22.2

1600=13mA (Tok skozi tuljavo releja) (4.5)

Ib=13mA

250=0.052mA (4.6)

Rb=5−0.7

0.000052=82 izberem standardni upor -> Rb=75K (4.7)

Preračun uporov za delilnik napetosti za merjenje napetosti baterije slika 4.7, št. 3

Delilnik napetosti smo uporabili za zagotovitev ustrezne napetosti na mikrokrmilniku. In sicer

smo z mikrokrmilnikom izvedli merjenje napetosti baterije s pomočjo AD pretvorbe. Vendar

krmilnik lahko meri napetosti v rangu do 5 V, zato smo morali napetost prilagoditi. To smo

storili s pomočjo delilnika napetosti. Da bi bil delilnik prilagodljiv na različne vhodne

napetosti v določenem rangu, smo namesto dveh uporov uporabili upor in potenciometer.

Pozorni smo morali biti tudi na rang, v katerem smo izbirali upore. V specifikacijah krmilnika

najdemo podatek, da predupor na analognem vhodu ne sme presegati 10K.

Vin=15-30V (napajalna napetost)

Rs=R1=Max 10K. (upor)

Vout=Max 5V (izhodna napetost)

Vout=Uin∗R2

R1+R2 ; R2=

Uout∗R1

Uin−Uout; (4.8)

Za začetek smo izbral standardni upor R1=9.1K, glede nanj smo izračunali še

potenciometer.


23

Pri vhodni napetosti 15V:

R2=Uout∗R1

Uin−Uout -> R2=

5∗9100

15−5=4550 (4.9)

Pri vhodni napetosti 30V:

R2=Uout∗R1

Uin−Uout ->R2=

5∗9100

30−5=1820 (4.10)

Iz tega ugotovimo, da takšnim zahtevam ustreza 4.7 K potenciometer.

Preverimo še maksimalno izgubo električne energije na delilniku:

Pri 15V vhodne napetosti:

Imax=U

Rmin -> I=

15

9100+4550=1.1mA (4.11)

Pri 30V vhodne napetosti:

Imax=U

Rmin -> I=

30

9100+1820=2.75mA (4.12)

Torej: največje izgube bi bile pri 30V napajalne napetosti, kar pa je v mojem primeru

zanemarljivo, saj je poraba žarnice pri polni moči cca. 5A.

Preračun upora za delilnik napetosti za krmiljenje boost pretvornika slika 4.7, št. 4

Najprej smo izbrali digitalni potenciometer. Digitalni potenciometri se izdelujejo z

naslednjimi upornostmi: 5 K, 10 K, 100 K. Lastnosti digitalnega potenciometra najdemo

v podatkih za digitalni potenciometer. Pomembna podatka za pravilno izbiro sta:

Maksimalna napetost: 5.5V (max)

Maksimalen tok: 2.5mA

Izbrali smo 5 K. Da je izbira pravilna potrjuje enačba (4.15). Iz rezultata enačbe vidimo, da

tok skozi potenciometer nikoli ne preseže maksimalnega dovoljenega toka.


24

Kot je bilo že opisano pri izvedbi ustreznega krmilja, je bilo potrebno za izgradnjo ustreznega

delilnika izračunati še fiksni upor. Zahteve so bile:

Vin=19-35V (izhodna napetost iz boost pretvornika)

pot=R2= 5K. (potenciometer)

Vout=Max 5-2.5 (=2.5) V in Min 2.5-2.5 (=0) V (izhodna napetost)

R1= 35∗5000

2.5− 5 = 65K izberem standardni upor 68 K (4.13)

Če preverimo izhodno napetost pri uporabi standardnega 68 K upora, dobimo:

Vout=35∗5000

68000+5000= 2.4 𝑉 (4.14)

Iz tega je razvidno, da je v tem primeru izhodna napetost nekoliko nižja. Vendar je nekoliko

nižja vrednost ustrezna za zadane zahteve.

Preverimo še, če tok skozi upor ne preseže 2.5 mA, saj je to maksimalni tok, ki lahko teče

skozi digitalni potenciometer. V primeru, da je vrednost na digitalnem potenciometru

minimalna, bo tok skozenj maksimalen, in sicer:

I =𝑈

𝑅 =

35

65000 = 0.54 mA (4.15)

Iz tega je razvidno, da je upornost R1 zadovoljiva, saj je tok manjši od 2.5 mA

Preverimo še moč, ki se troši na uporu R1 :

P=U*I=35*0.54*10-3

=18.9 mW (4.16)


25

Sektor 3:


Določitev vrednosti uporov neinvertirajočega seštevalnika slika 4.8, št.1

Ker spodnjo mejo napetosti določa napetost 2.5 V, katero prišteva seštevalnik, je bilo

potrebno določiti tudi upore seštevalnika.

Če velja:

RF = 2 ∗ R1 in R = RA = RB je Uizh= UA ∗ UB

Izberem upore:

R = R1 = Rs = RA = RB = 10K

RF = 20 K

Zener dioda in pripadajoči upor slika 4.8, št.2

Napetost ki jo prištevamo dosežemo s pomočjo zener diode, vezane proti masi z ustreznim

preduporom. Ker želimo 2.5 V prištevalne napetosti uporabimo 2.7 V zener diodo, z oznako

BZX55-C2V7 in ustrezen predupor.

Slika 4.9: Zener dioda električne karakteristike [27]

1

2

3


26

Predupor določimo na naslednji način:

𝐼𝑠 = 𝐼𝑍𝑇 + 𝐼𝐿 (4.17)

Pri čemer je 𝐼𝑍𝑇 podatek, ki ga najdemo v tabeli podatkov za diodo (slika 4.9). 𝐼𝑍𝑇=5 mA

Ker je 𝐼𝐿= razmeroma majhen, ga lahko zanemarimo.

𝑉𝑠 = 𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑧 (4.18)

Pri čemer je 𝑉𝑖𝑛 vhodna napetost v tem primeru 5 V in 𝑉𝑧 je zenerjeva srednja napetost za

določen tip diode. 𝑉𝑧=2.7 V.

𝑅𝑠 =𝑉𝑖𝑛−𝑉𝑧

𝐼𝑠 =

5−2,7

5∗10−3 = 460 (4.19)

Ker želimo na izhodu 2.5 V lahko 𝑅𝑠 nekoliko povečamo. S praktičnimi meritvami

ugotovimo, da je pri 𝑅𝑠=1 k izhodna napetost enaka 2.55V. To bo spodnja meja na izhodu

operacijskega ojačevalnika.

𝑅𝑠=1 k

Regulator napetosti L7809CV (9V) slika 4.9, št.3

9V regulator napetosti smo uporabili za napajanje operacijskega ojačevalnika, kar je razvidno

tudi iz slike 4.9.


27

Osnovno vezje za PIC z tipko reset slika 4.10

Slika 4.10: Osnovno vezje za pic z reset tipko

Osnovno vezje za PIC brez tipke reset slika 4.11

Slika 4.11: Osnovno vezje za pic brez reset tipke

+5 V

GND

+5 V

GND


28

Zaradi prostorske stiske smo se tipki reset odpovedali. Če se reset tipki odpovemo, moramo to

tudi določiti na začetku s konfiguracijskimi biti. In sicer moramo onemogočiti reset oz.

MCLR pin (Master Clear), kot je prikazano na sliki.

Slika 4.12: Onemogočitev pina MCLR

4.5 Praktična izdelava tiskovine

Slika 4.13: Tiskovina


29

Postopek izdelave je bil sledeč:

1. Najprej v programu Eagle skrijemo prikaz vseh slojev pustimo le povezave in »pine«,

ki so na zgornji sliki prikazani s modro in zeleno barvo.

2. Potem z laserskim tiskalnikom »tiskovino« natisnemo na fotopapir (lahko tudi na

papir raznih revij). V možnostih tiskanja obvezno izberemo črno belo tiskanje.

3. Preden uporabimo bakreno ploščico za izdelavo tiskanih vezij, jo dobro očistimo in

razmastimo.

4. Sedaj položimo papir s tiskom na bakreno ploščico za izdelavo tiskanin. Nato s

pomočjo plastifikatorja ploščico toliko časa segrevamo, da se tisk prilepi na bakreno

ploščico.

5. Nato ploščico s sedaj prilepljenim papirje namočimo v vodo in počakamo, da se papir

dobro razmoči.

6. Previdno odstranimo papir in dobro očistimo vse njegove ostanke na ploščici. Ostati

mora samo črn tisk.

7. Sedaj ploščico potopimo v solno kislino, kjer jo spiramo s pomočjo prijemalke. Ko

kislina raztopi baker in ta ostane le še tam, kjer se nahaja črn tisk, je potrebno ploščico

le še sprati s vodo.

8. Sledi vrtanje izvrtin za namestitev električnih komponent.

9. Zadnja faza je namestitev in spajkanje električnih komponent na ploščico.

4.6 Programiranje

Programska logika, katero sem si zamislil je sledeča:

Vklop mikrokrmilnika in digitalnega potenciometra se vrši preko PNP tranzistorja, katerega

vklapljamo z magnetnim stikalo vezanim proti masi. Zaradi čim manjše potrebe po električnih

vodnikih, so vsa stikala vezana proti masi oz. kot »pull-up« vhodi v mikrokrmilnik. Po vklopu

PNP tranzistorja prične mikrokrmilnik procesirati.

Najprej se naj upornost na digitalnem potenciometru postavi na maksimum, to pomeni, da bo

žarnica svetila najmočneje. Nato se vrši vklop releja. Rele vključuje boost pretvornik in s tem


30

100W LED. Krmilnik naj ves čas preverja napetost baterije preko AD pretvorbe. V primeru,

da napetost pade na določen nivo, naj žarnica trikrat utripa. Nadalje je možno svetilko

uporabljat brez omejitev. Ko napetost baterije doseže najnižji določen nivo, žarnica štirikrat

utripa. Takoj za tem se zmanjša njena svetlost. Sedaj svetlosti ni možno več povečati, torej je

uporaba svetilke sedaj omejena. Krmilnik preverja tudi stanje termo stikala. V primeru, da

pride do pregretja, se termo stikalo odpre, kar krmilnik zazna in sproži dvakratno zaporedno

utripanje žarnice, nato zmanjšanje njene svetilnosti, ki je ni možno spreminjati toliko časa,

dokler termo stikalo ne zazna dovolj nizke temperature. Krmilnik preverja tudi ostale vhode.

V primeru, da je napetost baterije dovolj visoka in temperatura svetilke normalna, je mogoče

z magnetnima stikaloma samodejno spreminjati svetilnost žarnice.

4.6.1 Programska koda

V programsko kodo sem moral vključiti programske zanke kot sta »for« in »while« zanka,

uporabil sem pogojne »if stavke« in uvedel spremenljivke. Uporabil sem pripadajočo

inicializacijo, uporabil ukaza za branje in pisanje na vhode in izhode. V program sem vključil

tudi analogno digitalno pretvorbo, serijsko (SPI) komunikacijo med mikrokrmilnikom in

digitalnim potenciometrom. Prav tako sem v program vključil tudi pulzno širinsko modulacijo

(PŠM), za spreminjanje svetlosti indikatorske led. Pri testnem programu sem poskušal uvesti

tudi prekinitve, vendar prekinitve in varčevalni način krmilnika v mojem primeru niso

potrebni, saj je poraba energije krmilnika v stanju procesiranja zanemarljivo majhna v

primerjavi s porabo žarnic. Prekinitev bi bila smiselna pri uporabi programskega vklopa in

izklopa žarnice, vendar sem v svojem primeru izvedel vklop celotnega vezja in posledično

vklop žarnice preko tranzistorja.

(programska koda v prilogi)


31


32

Slika 4.14: Blokovni diagram programa


33

5 ANALIZA STABILNOSTI REGULACIJSKE ZANKE

BOOST PRETVORNIKA

Kot sem že povedal, sem se odločil za izvedbo krmiljenja svetlosti, kjer sem le nekoliko

nadgradil že obstoječi boost pretvornik. Ponavljam: za to izvedbo sem se odločil, ker na

tržišču obstaja širok spekter boost pretvornikov, ki imajo že dobro preizkušeno delovanje, so

majhnih dimenzij in imajo razmeroma zelo nizko ceno. Vseeno pa je izbira pretvornika

odvisna od zahtev neke aplikacije. Glede na to, da je naloga boost pretvornika zagotavljanje

konstantne višje napetosti na izhodu, v mojem primeru pa bo njegova vloga tudi spreminjanje

izhodne napetosti, sem se odločil izvesti tudi analizo stabilnosti boost pretvornika. Analizo

sem izvedel v naslednjih korakih:

1) Za začetek sem osvežil osnovno delovanje boost pretvornika.

2) S pomočjo spleta sem poiskal ustrezno/ pripadajočo električno shemo svojega boost

pretvornika in ugotovil tip regulatorja.

3) S pomočjo člankov sem poskušal razumeti obravnavo analize in zapis prenosne

funkcije.

4) S pomočjo člankov sem zapisal prenosno funkcijo svojega boost pretvornika.

5) S pomočjo matlab-a sem zapisal ustrezen program, izrisal bode-diagrame in

stopniščne odzive.

6) Poteke diagramov za moj pretvornik sem primerjal z diagrami iz članka.

7) S pomočjo diagramov sem opazoval obnašanje boosta med tem, ko sem spreminjal

različne parametre (frekvenco, induktivnost, izhodno napetost in upornost).

8) Zabeležil sem ugotovitve.

5.1 Zapis prenosne funkcije odprte regulacijske zanke

Slika 5.1: Odprta regulacijska proga


34

Uin… vhodna napetost

Uout… izhodna napetost

Rload… upornost bremena

L… induktivnost tuljave

RL… parazitna upornost

tuljave

C… kapacitivnost

fPWM… frekvenca

(žaga)

Q=0.637… konstanta

TPWM=1

fPWM (5.1)

D=(Uout−Uin)

Uout (5.2)

Dc =Uin

Uout(10.3)

TzC = C ∗ Rc (5.4)

Trhp =L

(Dc2∗Rload)

(5.5)

ωn =π

TPWM (5.6)

ωnQ = ωn ∗ Q (5.7)

Ri =Dc∗Rload

10(2520

) (5.8)

Kdc=Dc∗Rload

Ri (5.9)

Tp =(C∗Rload)

2 (5.10)

Posamezne prenosne funkcije:

Fzc(s) = Tzc + 1 (5.11)

Frhp(s) = −Trhp + 1 (5.12)

Fresn(s) =

11

ωn2 +

1

ωnQ+1

(5.13)

FKdc(s) = Kdc (5.14)

Fp(s) =1

Tp+1 (10.15)

Prenosna funkcija regulatorja (Freg):

Integrator:

Freg1(s) =1

Ti (5.16)

Regulator drugega reda:

Freg2(s) =(Tn+1)

Ti∗(Tp+1) (5.17)

Prenosna funkcija boost pretvornika:

Fboost(s) = Fzc(s) ∗ Frhp(s) ∗ Fresn(s) ∗ FKdc(s) ∗ Fp(s)

(5.18)

Fboost(s) = Kdc ∗(Tzc+1 )∗(−Trhp+1 )

(1

ωn2 +

1

ωnQ+1)∗(Tp+1)

(5.20)

Prenosna funkcija odprte regulacijske proge:

𝐅𝐨𝐝𝐩𝐫𝐭𝐞(𝐬) = 𝐊𝐝𝐜 ∗(𝐓𝐳𝐜+𝟏 )∗(−𝐓𝐫𝐡𝐩+𝟏 )

(𝟏

𝛚𝐧𝟐+

𝟏

𝛚𝐧𝐐+𝟏)∗(𝐓𝐩+𝟏)

∗ 𝐅𝐫𝐞𝐠(𝐬) (5.21)


35

Prenosna funkcija odprte regulacijske proge z integratorjem:

Fodprte(s) = Kdc ∗(Tzc+1 )∗(−Trhp+1 )

(1

ωn2 +

1

ωnQ+1)∗(Tp+1)

∗1

Ti (5.22)

Prenosna funkcija odprte regulacijske proge s regulatorjem drugega reda:

Fodprte(s) = Kdc ∗(Tzc+1 )∗(−Trhp+1 )

(1

ωn2 +

1

ωnQ+1)∗(Tp+1)

∗(Tn+1)

Ti∗(Tp+1) (5.23)

5.2 Zapis prenosne funkcije zaprte regulacijske zanke

Slika 5.2: Zaprta regulacijska proga

Prenosna funkcija zaprte regulacijske proge z integratorjem:

Fzaprte(s) =Fodprte(s)∗

1

Ti

1+Fodprte(s)∗1

Ti

(5.24)

Prenosna funkcija zaprte regulacijske proge z regulatorjem drugega reda:

Fzaprte(s) =Fodprte(s)∗

(Tn+1)

Ti∗(Tp+1)

1+Fodprte(s)∗(Tn+1)

Ti∗(Tp+1) ( 5.25)


36

5.3 Izris bode diagramov in stopniščnih odzivov

S spreminjanjem najrazličnejših parametrov sem opazoval obnašanje potekov diagramov.

Slika 5.3: Bode diagram, primerjava regulatorjev


37

Slika 5.4: Stopnični odziv, primerjava regulatorjev

Iz prvih dveh diagramov (slika 5.3 in 5.4) je dobro razvidno, da je regulator, katerega so uporabili v članku, veliko boljši kot regulator, ki ga

uporablja moj boost pretvornik. Kot je razvidno iz diagramov, sem primerjal odzive če kot regulator uporabim integrator, in če uporabim

regulator drugega reda. Razvidno je, da pri regulatorju drugega reda nimamo prenihaja in se stanje zelo hitro umiri, med tem ko imamo pri

integratorju prenihaj, stanje pa se umiri po cca. 0.03s.


38

Slika 5.5: Bode diagram, različne izhodne napetosti


39

Slika 5.6: Stopnični odziv, različne izhodne napetost

V drugih dveh diagramih (slika: 5.5 in slika 5.6) sem primerjal odzive pri uporabi integratorja in različnih izhodnih napetostih. Napetost

spreminjamo s pomočjo potenciometra, zato sta napetost in vrednost potenciometra povezana na naslednji način: kadar je Uin=Uout je vrednost

potenciometra 0+3K dodatni upor, kadar je Uout maksimalna, je tudi upornost potenciometra maksimalna (10K+3K dodatni upor).

Opazimo, da to vpliva le na ojačenje. Fazni zamik se ne spremeni.


40

Slika: 5.7: Bode diagram pri različnih induktivnostih dušilke


41

Slika: 5.8: Stopnični odziv pri 4.7 µH


42

Slika: 5.9: Stopnični odziv pri 470 µH


43

Slika: 5.10: Stopnični odziv pri 47000 µH

V tretjem primeru (slike: 5.7, 5.8, 5.9, 5.10) sem preizkusil tudi, kaj se dogaja s stabilnostjo, če spreminjam dušilko. Ugotovim, da je zanka

stabilna le pri induktivnosti tuljave 4.7µH, pri 470µH in 47000µH je zanka nestabilna.


44

5.4 Načrtovanje regulatorja drugega reda za boost pretvornik

Kot je razvidno iz grafov, je učinkovitejši regulator drugega reda kot le integrator. Seveda je

tip regulatorja odvisen tudi od zahtev in namena neke aplikacije. V mojem primeru, kjer

spreminjam le svetilnost, je zadovoljiv le integrator kot regulator. Moja naloga je bila določiti

parametra Tn in Tp medtem ko sem Ti imel že znan oz. sem ga določil iz vrednosti

kondenzatorja in upora, ki na mojem vezju tvorita integrator.

5.4.1 Integrator

Integrator sestavlja operacijski ojačevalnik upor in kondenzator.

V mojem primeru sta vrednosti komponent:

R𝒊=R1=3-13K (spreminjamo na potenciometru)

C0=C1=130nF

Tako je 𝑇𝑖:

𝑇𝑖=R𝒊*C𝒊

Slika 5.11: Integrator

5.4.2 Regulator drugega reda

Regulator drugega reda sestavlja zraven R1 in C1 še R2 in C3, pri čemer je C3 mnogo manjši

kot C1. Regulator drugega reda tako določajo:

𝑇𝑖=R1*C1

𝑇𝑛=R2*C1

𝑇𝑝=R2*C3

Slika 5.12: Regulator drugega reda

R1 in C1 sem imel že določena, moja naloga je bila določiti še R2 in C3. Za izbiro ustreznih

vrednosti sem si pomagal z izrisi bode diagramov in poizkušanjem najprimernejših vrednosti.

Glede na to, da mora biti C3<<C1 sem kot C3 izbral kondenzator standardne vrednosti 1.5 nF,

in tako poizkušal z izbiro najustreznejšega upora.


45

S pomočjo bode diagrama sem določil najprimernejši R2. Na spodnjem diagramu lahko razberemo, da s spreminjanjem vrednosti R2 in

posledično parametrov 𝑇𝑛 in 𝑇𝑝 vplivam predvsem na fazni potek.

Slika 5.13: Bode diagram pri spreminjanju R2

Opazim, da z manjšanjem vrednosti upora R2 pomikam najvišji vrh faznega poteka v desno (modra krivulja), z večanjem vrednosti R2 pomikam

vrh faznega poteka v levo (rdeča krivulja). Regulacijska zanka bo najstabilnejša tam, kjer je pri ojačenju 0dB fazni potek najvišji oz. je fazna

rezerva največja (zelena krivulja). Torej: najprimernejša vrednost za R2 je 15 K, potek na grafu prikazuje zelena krivulja. Fazna rezerva pri


46

vrednosti R2=15 K je enaka: 260-360-(-180)=80. Fazna rezerva za moj primer je sedaj praktično enaka, kot fazna rezerva za model v članku.

Boljšo stabilnost potrjuje tudi stopnični odziv na naslednji sliki.

Slika 5.14: Stopnični odziv pri vrednosti R2=15 K za regulator drugega reda

Rdeča krivulja predstavlja obstoječi regulator boost pretvornika. Zelena krivulja ponazarja odziv, če bi integrator nadomestili z regulatorjem

drugega reda s pravilno določenimi parametri. Modra krivulja ponazarja odziv boost pretvornika opisanega v članku: Practical Feedback Loop

Analysis for Current-Mode Boost Converter [15]


47

6 MERITVE IN TESTI

Izvedel sem tudi praktične meritve tokov in napetosti. Ugotavljam naslednje:

6.1 Krmilni del

Krmilnik v stanju procesiranja in celotno pripadajoče vezje porablja 46mA.

Največji tok, ki teče v boost pretvornik skozi digitalni potenciometer je 1.8 mA.

Torej: skupna poraba je odvisna od upornosti digitalnega potenciometra, pri najmanjši

upornosti je torej največja: 46mA+1.8 mA=47.8 mA

6.2 Meritev tokov in izkoristek boost pretvornika

6.2.1 Meritev toka pri maksimalni izhodni moči LED žarnice

Tabela 6.1: Meritve tokov in napetosti na boost pretvorniku

Št. Vhodna

napetost

[V]

Vhodni

tok

[A]

Vhodna

moč

[W]

Izhodna

napetost

[V]

Izhodni

tok

[A]

Izhodna

moč

[W]

Razlika

moči

[W]

Izkoristek

[%]

1 23.5 5.60 131,6 33.1 3.61 119,5 12.1 90.8

2 23.5 7.40 173.9 34.0 4.30 146.2 27.7 84.1

3 18.5 6.8 125.8 32.5 3.35 108.9 16.9 86.6

4 18.5 7.8 144.3 33.1 3.80 125.8 18.5 87.2

5 18.5 11.0 203.5 34.0 4.30 146.2 57.3 71.8

Iz tabele je razvidno, da so izgube na boost pretvorniku odvisne od velikosti bremena in

velikosti vstopne napetosti. Z naraščanjem napetosti na diodi raste tudi tok. Proizvajalec diod

podaja maksimalne vrednosti (za mojo LED žarnico: 32-34 V, 3.5 A). Izkoristek pretvornika

bo večji, če uporabimo baterijo višje napetosti. Proizvajalec pretvornika podaja maksimalni


48

izkoristek, ki znaša približno 92%. Iz tabele je razvidno, da se pri prvi meritvi zelo približamo

maksimalnemu izkoristku pretvornika. Glede na to, da želimo čim večji izkoristek je torej

najprimerneje, da izberemo baterijo v napetostnem rangu višjem od 20V.

6.2.2 Meritev toka pri minimalni izhodni moči LED žarnice

Kadar bo svetilka prešla v varčevalni način, v stanje hlajenja ali če sami želimo znižati

svetilnost na minimum, lahko izmerimo porabo, ki znaša 0.27 A pri napetosti 18 V. To je

vhodni tok pretvornika. Torej je v tem primeru vhodna moč 0.27*18=4.86 W.

6.3 Umerjanje zaznavanja nizke napetosti

Kot je bilo že povedano, je merjenje napetosti baterije izvedeno z analogno digitalno

pretvorbo mikrokrmilnika. Ker mikrokrmilnik operira z napetostmi do 5 V, je bilo potrebno

napetost primerno prilagodit. To smo izvedli s pomočjo nastavljivega delilnika napetosti. In

sicer je potekalo umerjanje na naslednji način:

Za testiranje smo uporabili baterijo nazivne napetosti 18.5 V. Popolnoma napolnjena baterija

lahko ima nekoliko višjo napetost od nazivne. Zato je bila prva faza nastavitev maksimuma na

vhodu mikrokrmilnika. Maksimalna vrednost baterije je bila 20.1 V, torej smo s

potenciometrom nastavili maksimum na nogici mikrokrmilnika na 5 V. To mikrokrmilnik

pretvori v bitno vrednost, ki znaša 255bit. Sedaj je bilo potrebno še programsko določiti

srednjo in minimalno napetost, pri kateri bo mikrokrmilnik izvedel določene ukaze.

Določitev minimalne napetosti v bitih:

Minimalna napetost, ki jo dovoljuje baterija, je 16 V. 0.5 V smo vzeli kot rezervo, torej bo

programski minimum pri 16.5 V. Napetosti 16.5 V delilnik napetosti priredi 4.01 V. Če

pretvorimo to vrednost v bitno dobimo:

5 V---------255 bit

4.01 V--------X bit

X=205 bit


49

Določitev srednje napetosti v bitih:

Izberemo srednjo vrednost pri 17 V. Napetosti 17 V delilnik napetosti priredi 4.13 V. Če

pretvorimo to vrednost v bitno dobimo:

5 V---------255 bit

4.13 V-------- X bit

X=211 bit

6.4 Testiranje svetilke

6.4.1 Test 1

Ker nisem imel možnosti izvesti testiranja svetilke v napravi, ki bi zagotovila ustrezen

nadtlak, sem izbral drugo metodo - test sem izvedel v morju. Na začetku projekta sem

predpostavil, da bo svetilka namenjena za globine do 250m, vendar tega žal nisem mogel

doseči.

Najprej sem iz svetilke odstranil baterijo, da bi v primeru vdora vode preprečil kratek stik.

Nato sem v svetilko vstavil nekaj belega tankega papirja. Dobro sem pritegnil pokrov na

baterijskem delu in svetilko močno pričvrstil na 100m dolgo vrv. Potem sem s čolnom s

pomočjo merilca globine poiskal 80m globoko točko v morju (globlje točke v okolici žal

nisem našel). Nato sem svetilko počasi spustil na dno morja, torej na 80m, kjer je bila

izpostavljena približno 8-im barom nadtlaka. Svetilko sem pustil na dnu cca. 5 min, nato sem

jo dvignil nazaj na površje, jo obrisal s suho krpo in počakal, da se dobro posuši. Ko je bila

svetilka popolnoma suha, sem odprl pokrov na baterijskem delu in preveril, ali so na papirju

mokre sledi. Test je bil uspešen, kar pomeni, da svetilka dobro tesni in brez težav prenese tlak

do 8 barov oz. globino do 80m.


50

Slika 6.1: Test svetilke na tlak (test 1)

6.4.2 Test 2 (test pregretja)

Pri tem testu sem meril čas, v katerem svetilka doseže temperaturo 80°C oz. temperaturo, pri

kateri temperaturno stikalo zazna previsoko temperaturo (nad 80°C) in povzroči, da

mikrokrmilnik izvede del programa. Test sem izvajal pri temperaturi okolice 20 °C in 100 W

LED žarnici ter popolnoma polni bateriji.

Ugotovil sem, da temperatura svetilke naraste iz 20 °C na 80 °C v 4min in 25s. Da se

svetilka ohladi za 10 °C je potrebno 2min in 40s. Nadalje svetilka javlja previsoko

temperaturo vsaki 2 minuti, pri maksimalni moči oz. svetilnosti.

Svetilka v vodi s temperaturo do 40 °C nikoli ne doseže temperature 80 °C, torej lahko

neprekinjeno svetimo z 100W LED.

6.4.3 Test 3 (test časa delovanja)

Pri tem testu sem testiral čas delovanja pri popolnoma polni bateriji:

1. Pri 100 W LED in največji svetilnosti svetilka sveti neprekinjeno cca. 65min (v tem

primeru sem test izvajal v vodi, zaradi ustreznega hlajenja).


51

6.5 Masa

Tabela 6.2: Masa komponent z izrazitejšo maso (niso upoštevani vijaki, električne

komponente, tesnila)

Glava svetilke 293g

Pritrdilna matica 88g

Hladilna rebra 149g

Povezovalni pokrov 102g

Valj 349g

Baterijski pokrov 114g

Ročaj 227g

Sprednje steklo 64g

Baterija 852g

Pretvornik navzgor 59g

Pretvornik navzdol 9g

Rele 8g

100 W led žarnica 28g

5 W led ring 5g

Bakrena ploščica 25g

Tabela 6.3: Masa po sklopih (brez baterije)

Svetilni del 883g

Baterijski del 462g

Ročaj 227g

Masa celotne svetilke brez baterije

1571g

Masa celotne svetilke z baterijo

2423g


52

7 STROŠKI

Tabela 7.1: Stroški nabave komponent

Komponenta Cena v US $ Cena v eur (€) Količina

ALU surovec 85 x 250mm cca. 15€ 1 kos

ALU cev Φ80 x 230mm cca. 5€ 1 kos

Hladilna rebra 9,94$ 1 kos

Inox trak+profil+objemka+vijak cca. 8€ 1 kos

Tesnila cca. 20€ 1 kos

Sprednje steklo cca. 20€ 1 kos

Bakrena ploščica 6,85$ 1 kos

Pretvornik navzdol 0,91$ 1 kos

Pretvornik navzgor 3,56$ 1 kos

Rele 1,60$ 2 kos

Reed stikalo 1,26$ 10 kos

Električni vodnik 0.8mm2 1€ 1 m

Električni vodnik 0.35mm2 1€ 1 m

Magneti 0,99$ 10 kos

Temperaturno lepilo 1,14$ 1 kos

Elektronske komponente cca. 10$ 1 kos

LED 100W 5,45$ 1 kos

Baterija (Li-Po 22V 5500mAh) 62,28$ 1 kos

Leča+reflektor+držalo 3,12$ 1 kos

Termo stikalo 2,66$ 3 kos

Konektor za baterijo 1.4€ 1 kos

Skupaj 109,76$ 61,4€

Skupaj v eur. 96,76€ + 61,4€ =158,16€

Tabela 7.2: Stroški obdelovalnih storitev

Storitev Cena Komponente

Storitve orodjarja (struženje, rezkanje,

vrtanje,…)

250€ Glava, valj, pokrovi, pritrdilna matica

3D tiskanje 7€ Vklopni jeziček

Skupaj 257€


53

Tabela 7.3: Celotni stroški izdelave prototipa svetilke

Stroški nabave +stroški storitev Skupaj

158,16€ + 257€ = 415,16€

Stroški so bili razmeroma visoki, vendar bi se bistveno znižali v primeru serijske proizvodnje.

Kot primer: Storitve obdelave, ki so sedaj znašali 257€, bi v primeru izdelave serije 100

kosov znašali med 70€ in 120€. Enako velja tudi za ostale komponente.

Glavne lastnosti prototipa

Število svetlobnih teles: 1

Svetlobno telo 1 (LED1): 100W SWC

Maksimalni izhod (LED1): 9000-10000 Lumnov

Minimalen čas delovanja(LED1 maksimalna izhodna moč): 1h 10min

Reflektor: DA

Leča: DA

Material: Aluminij

Površinska zaščita: Eloksiran aluminij

Barva: Kovinska/ naravna

Vhodna napetost: 20-27 V (fleksibilna pri izbiri baterij)

Zaščita pred preobremenitvijo ali kratkim stikom: Varovalka 15A 24 V

Krmiljenje svetilnosti: DA

Dimenzije: 80x300 mm

Masa brez baterije: 1571g

Masa baterije: 852g

Masa z baterijo: 2423g

Maksimalna velikost baterije: premer/ diagonala 74mm, dolžina 150mm

Maksimalna globina vodotesnosti: 80m (testirano)

Baterija: Li-Poly RC battery 22.2V 5500mAh

Dimenzije baterije: 46 x 50 x 145 mm (diagonala: 68 mm)


54

8 ZAKLJUČEK

Kot rezultat celotnega projekta je bila izdelana profesionalna svetilka namenjena predvsem

tehničnem potapljanju, seveda pa je primerna tudi za rekreativno potapljanje. Svetilka je

primerna tudi za uporabo izven vode. Skozi celoten projekt sem se seznanil s precej

raznolikimi stvarmi. V začetku sem osvežil delo z modelirnim programom Proengeneer, v

katerem je bil oblikovan prototip. 3D model je bilo kasneje potrebno prenesti tudi v obliko

tehniške dokumentacije oz. na podlagi modela izdelati delavniške risbe. Potrebna je bila

komunikacija z izvajalcem praktičnega dela. Pri tem sem nabral precej praktičnih izkušnje, saj

se v praksi vseh želenih oblik ne da izdelati s klasičnimi postopki obdelave kovin in so bili

potrebni določeni popravki. V naslednji fazi sem nadaljeval z načrtovanjem in izvedbo

elektronske sheme, krmilja in ustreznih analiz. Pri tem sem se naučil uporabljati programska

orodja za risanje električnih shem. Prav tako sem osvežil in nekoliko nadgradil znanje pri

uporabi Matlaba, s katerim sem izvedel simulacije stabilnosti regulacijske zanke. Svoje znanje

sem precej nadgradil na področju mikrokrmilnikov, kjer sem se naučil vzpostaviti SPI

komunikacijo, uporabiti in inicializirati pulzno širinsko modulacijo, izvesti analogno branje

vhoda, uporabiti programske prekinitve itd.

Pri realizaciji projekta sem se veliko naučil in nabral dragocene izkušnje, saj je bilo potrebno

v praksi realizirati ideje in rešitve, jih uskladiti in potrditi v uvodu postavljeno hipotezo.

Ugotovil sem, da teoretične ideje niso vedno popolno uresničljive v praksi, se pa lahko

realizirajo z malce človeške iznajdljivosti. Spoznal sem kako poteka projekt od ideje do

končnega izdelka.

Navsezadnje sem kot rezultat celotnega projekta izdelal svetilko, ki je vodotesna in vzdrži

tlake vse do 10bar. Ima izredno visoko svetilnost, ki jo je mogoče krmiliti ročno ali

programsko. Zaradi vgrajenega mikrokrmilnika se lahko določene funkcije svetilke

programsko enostavno spreminjajo npr.:kako svetilka zaznava nizki nivo napetosti, lahko

spreminjamo rang napetosti pri katerem svetilka preide v varčevalni način, svetilka je tudi

dokaj fleksibilna pri izbiri baterij, saj dopušča vhodne napetosti v rangu od 20 do 27 V.


55

SEZNAM UPORABLJENIH VIROV

[1] Kraut Bojan. Krautov strojniški priročnik, 14. slovenska izdaja / izdajo pripravila Jože

Puhar, Jože Stropnik. Ljubljana : Littera picta, 2003.

[2] Miro Milanovič. Močnostna Elektronika : univerzitetni učbenik. Maribor :

Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 2007.

[3] Basarič Niko. Analogna vezja: univerzitetni učbenik. Ljubljana :

Fakulteta za elektrotehniko, 2002. (25-26)

[4] Marko Kegl, Matej Vesenjak, Boštjan Harl. Mehanika za mehatronike : univerzitetni

učbenik. Maribor : Fakulteta za strojništvo, 1998.

[5].Eloksiranje. Martin Ambrož s.p. 2013. Dostopno prek: http://www.ambroz-

sp.si/3/eloksiranje (2.2.2016)

[6] Microchip MCP414X/416X/424X/426X. 7/8-Bit Single/Dual SPI Digital POT with Non-

Volatile Memory.Microchip Technology Incorporated ,U.S.A, 2010. Dostopno prek:

http://www.mouser.com/ds/2/268/22059a-51937.pdf (2.2.2016)

[7] O-ring tesnila. Dimer Group V 2012. Dostopno prek:

http://dimer.si/userfiles/makseal/file/katalogi/DIMER%20E_Katalog%20O-

Ring%20tesnila_SI.pdf (2.2.2016)

[8] Songle relay. Dostopno prek:

http://www.mycomkits.com/reference/Songle_SRD%28T73%29_Relay.pdf (2.2.2016)

[9] UC3842/3/4/5 PROVIDES LOW-COST CURRENT-MODE CONTROL. Texas

Instruments Incorporated,1999. Dostopno prek: http://www.ti.com/lit/an/slua143/slua143.pdf

(4.2.2016)

[10] UC3842/UC3843/UC3844/UC3845 SMPS Controller. Fairchild Semiconductor

Corporation 2012. Dostopno prek: https://www.fairchildsemi.com/datasheets/UC/UC3843.pdf

(4.2.2016)

[11] BC807; BC807W; BC327 45 V, 500 mA PNP general-purpose transistors .NXP B.V.

2009. Dostopno prek:

http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BC807_BC807W_BC327.pdf (4.2.2016)

[12] Practical Feedback Loop Analysisfor Voltage-Mode Boost Converter. Texas

Instruments Incorporated, 2014.Dostopno prek: http://www.ti.com/lit/an/slva633/slva633.pdf

(5.2.2016)

http://www.ambroz-sp.si/3/eloksiranje

http://www.ambroz-sp.si/3/eloksiranje

http://www.mouser.com/ds/2/268/22059a-51937.pdf

http://dimer.si/userfiles/makseal/file/katalogi/DIMER%20E_Katalog%20O-Ring%20tesnila_SI.pdf

http://dimer.si/userfiles/makseal/file/katalogi/DIMER%20E_Katalog%20O-Ring%20tesnila_SI.pdf

http://www.mycomkits.com/reference/Songle_SRD%28T73%29_Relay.pdf

http://www.ti.com/lit/an/slua143/slua143.pdf

https://www.fairchildsemi.com/datasheets/UC/UC3843.pdf

http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BC807_BC807W_BC327.pdf

http://www.ti.com/lit/an/slva633/slva633.pdf


56

[13] Hangseok Choi. Practical Feedback Loop Design Considerations for Switched Mode

Power Supplies. Fairchild Semiconductor Power Seminar 2010 – 2011. Dostopno prek:

https://www.fairchildsemi.com/technical-articles/Practical-Feedback-Loop-Design-

Considerations-for-Switched-Mode-Power-Supplies.pdf (5.2.2016)

[14] PIC18F/LF1XK50 Data Sheet /20-Pin USB Flash Microcontrollers with nanoWatt XLP

Technology. Microchip Technology Incorporated ,U.S.A, 2010. Dostopno prek:

http://www.mouser.com/ds/2/268/41350D-80474.pdf (2.2.2016)

[15] Practical Feedback Loop Analysis for Current-Mode Boost Converter. Texas Instruments

Incorporated,2014. Dostopno prek: http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/slva636/slva636.pdf

(5.2.2016)

[16] Storr W. Basic Electronics Tutorials. Dostopno prek: http://www.electronics-

tutorials.ws/transistor/tran_4.html (5.2.2016)

[17] Jones C. 150W Boost Converter Schematic. Martin-Jones Technology Ltd. Dostopno

prek : http://martin-jones.com/2013/02/15/150w-boost-converter-schematic/ (6.2.2016)

[18] OSKJ 150W DC-DC Boost Converter 10-32V to 12-35V – 6A Output. Dostopno prek:

http://artofcircuits.com/product/oskj-150w-dc-dc-boost-converter-10-32v-to-12-35v-6a-output

(6.2.2016)

[19] Pulse-width modulation. Ptd design. Dostopno prek:

http://fab.cba.mit.edu/classes/961.04/topics/pwm.pdf (7.2.2016)

[20] GENS ACE 5000MAH 25,9V 40C 7S1P. Modelar Tehnik. Dostopno prek:

http://www.modelartehnik.si/index.php?p=1&a=1&id=3100&idk1=500&idk2=500&idn=215

3 (7.2.2016)

[21] 100W Cool/Warm White High Power SMD LED Chip Bead Lamp Bulb For Flood

Light. eBay Inc. Dostopno prek: http://www.ebay.com/itm/100W-Cool-Warm-White-High-

Power-SMD-LED-Chip-Bead-Lamp-Bulb-For-Flood-Light-

/391301069681?var=&hash=item5b1b5c7b71:m:mvdVt3XqtUGza1TMArofehA (10.2.2016)

[22] Operators. Dostopno prek: http://www.cplusplus.com/doc/tutorial/operators/

(10.2.2016)

19. Sheehan R.Understanding and applying current- mode control theory /Practical Design

Guide for Fixed-Frequency, Continuous Conduction-Mode Operation. Principal Applications

Engineer National Semiconductor Corporation Santa Clara,CA ,2007. Dostopno prek:

http://www.ti.com/lit/an/snva555/snva555.pdf (10.2.2016)

https://www.fairchildsemi.com/technical-articles/Practical-Feedback-Loop-Design-Considerations-for-Switched-Mode-Power-Supplies.pdf

https://www.fairchildsemi.com/technical-articles/Practical-Feedback-Loop-Design-Considerations-for-Switched-Mode-Power-Supplies.pdf

http://www.mouser.com/ds/2/268/41350D-80474.pdf

http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/slva636/slva636.pdf

http://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_4.html

http://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_4.html

http://martin-jones.com/2013/02/15/150w-boost-converter-schematic/

http://artofcircuits.com/product/oskj-150w-dc-dc-boost-converter-10-32v-to-12-35v-6a-output

http://fab.cba.mit.edu/classes/961.04/topics/pwm.pdf

http://www.ebay.com/itm/100W-Cool-Warm-White-High-Power-SMD-LED-Chip-Bead-Lamp-Bulb-For-Flood-Light-/391301069681?var=&hash=item5b1b5c7b71:m:mvdVt3XqtUGza1TMArofehA



http://www.cplusplus.com/doc/tutorial/operators/

http://www.ti.com/lit/an/snva555/snva555.pdf


57

[23] Sheenhan R. A new way to model current-mode control/ Part one. Principal

Applications Engineer National Semiconductor Corporation Santa Clara, Calif. Dostopno

prek: http://powerelectronics.com/site-

files/powerelectronics.com/files/archive/powerelectronics.com/power_management/pwm_con

trollers/705PET20.pdf (10.2.2016)

[24] Sheenhan R. A new way to model current-mode control/ Part Two. Principal

Applications Engineer National Semiconductor Corporation Santa Clara, Calif. Dostopno

prek: http://powerelectronics.com/site-

files/powerelectronics.com/files/archive/powerelectronics.com/mag/706PET21.pdf

(10.2.2016)

[25] Positive voltage regulator Ics/ Datasheet -production data. STMicroelectronics 2014.

Dostopno prek:

http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000444.pdf

(15.2.2016)

[26] Sanchez N. Complete Guide to lipo batteries. Dostopno prek:

http://diydrones.com/profiles/blogs/complete-guide-on-lipo-batteries (15.2.2016)

[27 ] Silicon Planar Power Zener Diodes (BZX55C2V0). Micro Commercial Components.

2011. Dostopno prek:

http://www.mccsemi.com/up_pdf/BZX55C2V0-BZX55C100%28DO-35G%29.pdf

(10.3.2016

http://powerelectronics.com/site-files/powerelectronics.com/files/archive/powerelectronics.com/power_management/pwm_controllers/705PET20.pdf



http://powerelectronics.com/site-files/powerelectronics.com/files/archive/powerelectronics.com/mag/706PET21.pdf

http://powerelectronics.com/site-files/powerelectronics.com/files/archive/powerelectronics.com/mag/706PET21.pdf

http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000444.pdf

http://diydrones.com/profiles/blogs/complete-guide-on-lipo-batteries

http://www.mccsemi.com/up_pdf/BZX55C2V0-BZX55C100%28DO-35G%29.pdf

Priloga A

Povezava med mikrokrmilnikom in digitalnim potenciometrom

Za povezavo med čipoma je potrebna serijska komunikacija. Za vzpostavitev ustrezne serijske

komunikacije je potrebna ustrezna povezava nogic čipov. V podatkovnih listih digitalnega

potenciometra najdemo na kateri nogici se kaj nahaja. Enako je potrebno poiskati tudi za

mikrokrmilnik, saj ni vsaka nogica namenjena serijski komunikaciji. Kasneje je potrebno

komunikacijo vzpostaviti tudi programsko. Na naslednji sliki so z barvami prikazane

pripadajoče se nogice ostali vhodi in izhodi mikrokrmilnika.

Poimenovanje nogic mikrokrmilnika in digitalnega potenciometra

Priloga B

Programska koda za mikrokrmilnik

/* * Project name: Boost krmiljenje * System configuration: PIC 18F14K50 * Clock: HS, 12.0 MHz * Dev.board: Eksperimentalna ploščica * Author and Date: Kristijan Korez, 18.1.2016 * Notes: PIC18F14K50 ima napako na Siliciju, zato ni ADC knjižnice za MikroC */ //SPI komunikacija CS na RC0 sbit DigPot_CS at RC0_bit; sbit DigPot_CS_Direction at TRISC0_bit; //definiramo spremenljivke char upornost=160, b=0; unsigned short napetost, i=0, j=0, k=0, l=0, m=0, x=0; //INICIJALIZACIJE// void main() { ANSEL = 0; //digitalni vhodi ANSELH = 0x01; //AN8 naj bo analogni vhod TRISB = 0x30; // RB4 IN RB5 naj bo vhod TRISC = 0x46; //RC1(svetlost++), RC2(svetlost--), RC6(AN8-analogni) naj bodo vhodi T1CON = 0; T2CON = 0; //ker je CS invertiran pomeni 1-onemogoči in 0-omogoči DigPot_CS = 1; //torej za začetek select DigPot_CS_Direction = 0; //in select smer // Inicializacija za SPI1 module SPI1_Init_Advanced(_SPI_MASTER_OSC_DIV16, _SPI_DATA_SAMPLE_MIDDLE, _SPI_CLK_IDLE_LOW, _SPI_LOW_2_HIGH); // inicializacija AD pretvornika ADCON1 = 0x00; // Vref+ = VDD, Vref- = VSS ADCON2 = 0b00011101; // Left justified -> ADFM=0, 6 TAD -> ACQT=011, Fosc/16 -> ADSC=101 ADCON0 = 0b00100001; // Pin 8 naj bo AN8 -> CHS= 1000, vklop AD -> ADON=1 //*******************************************************************************// //GLAVNI PROGRAM// DigPot_CS = 0; //digitalni POT dselect/ izberi SPI1_Write(0); // takšna je komunikacija da najprej pošljemo 0 SPI1_Write(0); //potem nastavimo želeno upornost v tem primeru maksimalna

PORTC=0x10; //Vklop indikatorske led delay_ms(500); //polsekundna zakasnitev PORTC=0; //izklop indikatorske led delay_ms(500); PORTC=0x10; //Vklop indikatorske led //******************************************************* DigPot_CS = 0; //digitalni POT dselect/ izberi SPI1_Write(0); // takšna je komunikacija da najprej pošljemo 0 SPI1_Write(0); //potem nastavimo želeno upornost v tem primeru maksimalna upornost=160; PORTC=0; delay_ms(500); PORTC=0x30; i=0,j=0,k=0,l=0,m=0,x=0; delay_ms(2000); while(1){ //***************************************************************************// //ANALOGNA PRETVORBA// ADCON0.GO=1; // sproži AD pretvorbo while(ADCON0.GO){ asm nop; // cakaj na konec pretvorbe } napetost = ADRESH; // vzamemo samo najtežjih 8 bitov, zadnja dva zanemarimo !! //***************************************************************************// //MERJENJE NAPETOSTI BATERIJE NA VHODU RC6 ALI AN8 //PRVA STOPNJA NAPETOST NAD 3.5V NA CELICO if((napetost<213)&&(napetost>201)&&(m==0)&&(RB5_bit)&&(RC2_bit)&&(!RC1_bit)) //186bit je enako minimalni napetosti 3.5V pri maksimalni napetosti 4.5V { m=1; for(x;x<3;x++){ //pogoj for zanke DigPot_CS = 0; SPI1_Write(0); SPI1_Write(255); //najprej daj upornost na minimum, torej bo na boosto napetost najmanjša LED ne sveti PORTC=0x20; //INDIKATORSKA LED OFF delay_ms(800); //zakasnitev DigPot_CS = 0; SPI1_Write(0); SPI1_Write(160); //na potenciometru je upornost maximalna, LED bo svetila PORTC=0x30; //INDIKATORSKA LED ON delay_ms(800); } DigPot_CS = 0; SPI1_Write(0); SPI1_Write(upornost); //vrni svetilnost na zadnjo nastavljeno vrednost delay_ms(3000);

} //DRUGA STOPNJA NAPETOST POD 16.5V if((napetost<200)&&(j==0)&&(RB5_bit)&&(RC2_bit)&&(!RC1_bit)) //205 bit je enako minimalni napetosti 3.2V pri maksimalni napetosti 4.5V { j=1; for(i;i<4;i++){ //pogoj for zanke DigPot_CS = 0; SPI1_Write(0); SPI1_Write(255); //najprej daj upornost na minimum, torej bo na boosto napetost najmanjša LED ne sveti PORTC=0x20; //INDIKATORSKA LED OFF delay_ms(800); //zakasnitev DigPot_CS = 0; SPI1_Write(0); SPI1_Write(160); //na potenciometru je upornost maximalna, LED bo svetila PORTC=0x30; //INDIKATORSKA LED ON delay_ms(800); } for(upornost=160; upornost<212; upornost++){ //postopoma zmanjšujem upornost in s tem svetlost žarnice //hkrati tudi pošiljaj vrednost na digitalni potenciometer// DigPot_CS = 0; SPI1_Write(0); SPI1_Write(upornost); Delay_ms(50); } delay_ms(3000); } //PREVERJANJE TEMPERATURNEGA STIKALA, V PRIMERU PREVISOKE TEMPERATURE IZVAJAJ SLEDEČE...// if(RC1_bit) //NA TEM PORTU SE NAHAJA TEMPERATURNO STIKALO { delay_ms(3000); //malo počakaj če sločajno zaniha napetost, da ni napak if((l==0)&&(RC1_bit)){ l=1; for(k;k<2;k++){ //pogoj for zanke DigPot_CS = 0; SPI1_Write(0); SPI1_Write(255); //najprej daj upornost na minimum, torej bo na boosto napetost najmanjša LED ne sveti PORTC=0x20; //INDIKATORSKA LED OFF delay_ms(800); //zakasnitev DigPot_CS = 0; SPI1_Write(0); SPI1_Write(160); //na potenciometru je upornost maximalna, LED bo svetila PORTC=0x30; //INDIKATORSKA LED ON delay_ms(800);

} for(upornost=160; upornost<212; upornost++){ //postopoma zmanjšujem upornost in s tem svetlost žarnice //hkrati tudi pošiljaj vrednost na digitalni potenciometer// DigPot_CS = 0; SPI1_Write(0); SPI1_Write(upornost); Delay_ms(50); } delay_ms(3000); } } //ČE NI IZPOLNJEN NOBEN IZMED ZGORNJIH POGOJEV NAREDI TO else{ PORTC=0x30; //INDIKATORSKA LED ON l=0; k=0; i=0; x=0; } //SPREMINJANJE SVETILNOSTI ŽARNICE// if(((!RB5_bit)&&(upornost<212)&&(!RC1_bit)&&(j==0))||((!RC2_bit)&&(upornost>160)&&(!RC1_bit)&&(j==0))) { for(b=0;b<255;b++) //uvedem to zanko da nekoliko zakasnim izstop iz if stavkov, da se napetost ustali { if((!RB5_bit)&&(upornost<212)&&(!RC1_bit)&&(j==0)){ // ČE DRŽIMO TIPKO NA PORTU RC1 ZMANJŠUJEMO UPORNOST IN S TEM SVETILNOST upornost ++; DigPot_CS = 0; SPI1_Write(0); SPI1_Write(upornost); Delay_ms(90); b=0; } if((!RC2_bit)&&(upornost>160)&&(!RC1_bit)&&(j==0)) { // ČE DRŽIMO TIPKO NA PORTU RC2 POVEČUJEMO UPORNOST IN S TEM SVETILNOST upornost --; DigPot_CS = 0; SPI1_Write(0); SPI1_Write(upornost); Delay_ms(90); b=0; } delay_ms(15);

}}}}

Datum ImeIzdel.Kontr.K.std.

Merilo:

List

Ozn. Sprememba Datum ImePro/ENGINEER

Material:

Naziv:

St. risbe:

Nadom: Nadom. z:

Masa: KgTolerance odprtihmer

Povrsinskahrapavost

49,8

33+0

,02 0 8024

6

76

135°

31

55,8

69,51

72,51

90,8

74,41

89,3

62,8

66,8

72

87,8

26,6

1

2,5

67

5

3

4,5

3

1,9+0,1 0

1,15

+0,05

-0,01

1,5+0,05 0

2,6+0

,2 0

3

24,05

28,25

UNIVERZA V MARIBORU glava_1 1/1

GLAVA_SVETILKE1Kristijan Korez29-Mar-16

Aluminij±0.1 Struzeno Ra=1.6

0.2931,000

PREREZ A-A

M26x1.5

SEE DETAIL A

SEE DETAIL B

M76x1.5

MERILO 5,000DETAIL A

MERILO 5,000DETAIL B

Uporabnik

Tipkano besedilo

PRILOGA C: Delavniške risbe


Merilo: Masa:

List

Ozn. Sprememba Datum Ime

Pro/ENGINEER

Material:

Naziv:

St. risbe:

Nadom: Nadom. z:

KgTolerance odprtihmer

Povrsinskahrapavost

76.382.6

1.5

27

R1

62.8

R1

30

79.6

2.35

1.9+0.2 0

2.5

1.15+0.05 0

23

UNIVERZA V MARIBORU MATICA1 1/1

MATICAKristijan Korez25-Mar-16


0.0881.000

PREREZ A-A

SEE DETAIL AM76.3x1.5

MERILO 5.000DETAIL A


Merilo: Masa:

List


Pro/ENGINEER

Material:

Naziv:

St. risbe:

Nadom: Nadom. z:


Povrsinskahrapavost

76.3 80

4

3 R0.1

5

68.3

16.3211.18

1.9+0.2 0

1.15+0.07 0

3

17.32

UNIVERZA V MARIBORU pokrov1 1/1

POKROVKristijan Korez27-Mar-16


0.1141.000

M76.3x1.5

PREREZ A-A

SEE DETAIL A



Merilo: Masa:

List


Pro/ENGINEER

Material:

Naziv:

St. risbe:

Nadom: Nadom. z:


Povrsinskahrapavost

68.376.3 26.320 80

11.18

5

18

12.26

12.42

13.1

21.32

17.32

14.32

1.9+0.2 0

1.15+0.07 0

3

1.9+0.2 0

3

1.15+0.05 0

UNIVERZA V MARIBORU pov pokr1 1/1

POKROV_POVEZOVALNIKristijan Korez26-Mar-16


0.1021.000

M76.3x1.5

M26.6x1.5

PREREZ A-A

SEE DETAIL A

SEE DETAIL B


MERILO 2.000DETAIL B


Merilo: Masa:

List


Pro/ENGINEER

Material:

Naziv:

St. risbe:

Nadom: Nadom. z:


Povrsinskahrapavost

76.6

80

74

200 45°1

1.7

3

UNIVERZA V MARIBORU valj1 1/1

VALJKristijan Korez27-Mar-16


0.3490.5

MERILO 0.500PREREZ A-A

SEE DETAIL A

M76.6x1.5


Uporabnik

Tipkano besedilo

PRILOGA D: Realna in virtualna (3D) slika svetilke

POTAPLJAŠKA SVETILKA - core.ac.uk · III ZAHVALA Z diplomskim delom se končuje najlepši del...

Documents

Transcript of POTAPLJAŠKA SVETILKA - core.ac.uk · III ZAHVALA Z diplomskim delom se končuje najlepši del...