سه مدار برای بستن پایه ی خروجی سنسورهای مجاورتی ، به میکروکنترلر و PLC و درایور سروو موتور با بکارگیری ترانزیستور و اپتوکوپلر و رله .
آشنایی با سنسور های مجاورتی
سنسورهای مجاورتی ، خروجی دیجیتال صفر و یکی دارند و هنگامی که چیزی نزدیکشان بشود ، خروجی آنها تغییر میکند .سه یا چهار سیم دارند ، که دو تا برای تغذیه و یک یا دوتای دیگر ، سیم های خروجی سیگنال هستند.
- سیم قهوه ای : Vcc یا پایه ی مثبت تغذیه .
- سیم آبی : زمین .
- سیم مشکی : پایه ی خروجی سیگنال از گونه PNP .
- سیم سفید : پایه ی خروجی سیگنال از گونه NPN .
اگر چیزی به حسگر نزدیک شود ، حالت پایه ی خروجی ( حالت پایه ی خروجی ) ، از روشن به خاموش یا وارونه ، تغییر میکند.
- حالت خروجی خاموش : روی پایه ی خروجی جریان نیست و خاموش یا باز است .
- حالت خروجی روشن : روی پایه ی خروی جریان هست و روشن یا بسته است .
دیتاشیت خوانی سنسور های مجاورتی
دنبال چه چیزی در دیتاشیت حسگر باشیم؟
- اینکه حسگر معمولی-باز یا معمولی-بسته است.
- ولتاژ کاری که برای سنسور من میتونه از 10 تا 30 ولت باشه.
- بیشینه جریان پایه های خروجی ، که برای من 150 میلی آمپر هست .
این دانستنی ها رو نیاز داریم برای بستن مدار میان خروجی حسگر و ورودی PLC یا میکروکنترلر .
انواع خروجی سنسور های مجاورتی
پایه ی خروجی در سنسورهای مجاورتی یکی از چهار گونه زیر هست:
- NPN Normally Open
- NPN Normally Close
- PNP Normally Open
- PNP Normally Close
خروجی NPN یا PNP چیست؟
- اگر پایه ی خروجی در درون حسگر ، به کلکتور یک ترانزیستور NPN برسد ، خروجی از گونه NPN است .
- اگر پایه ی خروجی در درون حسگر ، به کلکتور یک ترانزیستور PNP برسد ، خروجی از گونه PNP است .
معمولی-باز و معمولی-بسته یا NO یا NC چیست؟
باز و بسته اشاره به حالت پایه ی خروجی دارد ، هنگامی که حسگر چیزی ندیده و در وضع معمولی است .
- معمولی-باز یا NO : هنگامی که حسگر ندیده ، از پایه ی خروجی جریان رد نمیشود و خروجی خاموش است .
- معمولی-بسته یا NC : هنگامی که حسگر ندیده ، از پایه ی خروجی جریان رد میشود و خروجی روشن است .
خروجی NPN سنسورهای مجاورتی
- پایه ی خروجی NPN، کلکتور یک ترانزیستور NPN است که درون حسگر با یک مقاومت بالاکش شده ( Pull up شده).
- پایه ی خروجی از گونه NPN ، همچون یک سوئیچ فروسو ( سوئیچ low side ، سوئیچ زمین شونده یا منفی ) است ، چون این پایه به ولتاژ پایین (فرو) بسته میشود .
- خروجی NPN ، فروکش روانه ( سینک کننده جریان ) است و جریان را به ولتاژ پایین ( فرو ) میکشد .
خروجی یا روشن است یا خاموش :
- هنگامی که NPN خاموش است ، کلکتور از امیتر باز است ، پایه ی خروجی بالاکش شده (pull-up) و ولتاژ آن VCC است ولی نمیتواند جریان بدهد .
- هنگامی که NPN روشن شود ، کلکتور به زمین بسته است و پایه ی خروجی به زمین بسته میشود و جریان رو هم فرومیکشه (سینک میکنه) و سوی جریان به درون سنسور هست .
یادآوری : مقاومت بالاکش ، پایه ی خروجی را ولتاژگذاری میکند ، تا ولتاژ آن شناور نباشد . ولی مقاومت بالاکش جریان نمیدهد .
خروجی PNP سنسورهای مجاورتی
- پایه ی خروجی PNP ، کلکتور یک ترانزیستور PNP است که درون حسگر با یک مقاومت پایین کش شده (Pull down شده).
- پایه ی خروجی از گونه ی PNP ، همچون سوئیچ فراسو (high-side) است ، چون این پایه به ولتاژ بالا ( فرا ) بسته میشود.
- خروجی PNP ، فراده جریان (سورس کننده) است و جریان را از ولتاژ بالا ( فرا ) به بیرون پایه میدهد .
خروجی PNP یا روشن است و یا خاموش :
- هنگامی که PNP خاموش است ، کلکتور از امیتر باز است ، پایه ی خروجی پایین کش (pull-down) شده و ولتاژ آن زمین است. ولی نمیتواند جریان فروکشد(سینک کند).
- هنگامی که PNP روشن شود ، پایه ی خروجی به VCC بسته میشود و جریان رو هم فرامیده (سورس میکنه) .
چالش ها در بستن خروجی سنسور به ورودی دستگاه ها
میخواهیم خروجی حسگر مجاورتی را به ورودی دستگاه ها ببندیم . اگر ولتاژ کاری حسگر و دستگاه یکی باشه، برای بستن حسگر به دستگاه باید :
- اگر پایه ی ورودی دستگاه NO هست ، باید خروجی سنسور هم NO باشه، برای NC هم همینه .
- اگر پایه ی ورودی دستگاه فراسو (ورودی high-side) باشد، خروجی حسگر که به آن میبندیم هم باید فراسو باشد مانند خروجی PNP ، برای فروسو ها هم همین است .
چالش های پیش رو :
- برای بستن به میکروکنترلر باید ناهمسانی ولتاژ رو چاره کنیم و همچنین باید میکروکنترلر رو از سنسور جداروان ( ایزوله ) کنیم.
- برای بستن به ورودی PLC ، گاهی نیاز است، خروجی NPN را به PNP یا PNP را به NPN تبدیل کنیم .
- برای بستن به ورودی سروو درایو، گاهی نیاز است که خروجی NO به NC یا NC به NO تبدیل شود .
بستن سنسور مجاورتی به میکروکنترلر STM32 با اپتوکوپلر 4N35
وظیفه ی مدار میان پایه ی خروجی سنسور و پایه ی ورودی میکروکنترلر، تنها جداروانسازی ( ایزوله کردن ) است . تقویت جریان یا ولتاژ لازم نیست.
- جریان پایه ی خروجی سنسور تا 150mA است و جریان مورد نیاز پایه ی ورودی میکرو برای روشن شدن 60uA است . پس هیچ نگرانی برای تقویت جریان نداریم . چون سیگنال از جایی که جریان بالا دارد به جایی که جریان پایین نیاز دارد میاید.
- ولتاژ نیاز پایه ی میکروکنترلر 3.3 ولت است . بیشینه ولتاژ خروجی برای اپتوکوپلر ها 6 یا 7 ولت است و آنها 3.3 ولت را بدون نگرانی خروجی مینهند.
اگر بخواهیم یک رله رو با پایه ی میکرو روشن کنیم ، سیگنال از میکروکنترلر ( جریان پایین ) به رله ( جریان بالا ) میرود و نیاز به تقویت جریان و تقویت ولتاژ نیز هست . در نوشته ی زیر درباره ی مدار بستن خروجی میکروکنترلر به رله با اپتوکوپلر و ترانزیستور بیشتر بخوانید.
کنترل رله با میکروکنترلر با ترانزیستور برای تقویت جریان و اپتوکوپلر برای جداروانسازی (ایزوله کردن)
بستن حسگر نوری مجاورتی به اپتوکوپلر
- سیگنال باید از حسگر به میکروکنترلر بره و برای جداروانسازی ( ایزوله کردن) این دو ، سر راه سیگنال اپتوکوپلر میذاریم.
- درون اپتوکوپلر ، یک دیود نوری با پذیرفتن سیگنال روشن میشود و نور تابیده، ترانزیستور خروجی را روشن میکند.
- پایه ی خروجی سنسور باید دیود نوری در ورودی اپتوکوپلر را روشن کند .
- ترانزیستور خروجی درون اپتوکوپلر باید پایه ی ورودی میکرو را روشن کند.
هم پایه ی کاتد و هم آند دیود اپتوکوپلر ، میتوانند پایه ی ورودی سیگنال باشند و به خروجی سنسور بسته شوند.
- پایه ی کاتد ، ورودی فروسو است و باید به ولتاژ فرو ( پایین ) بسته شود تا روشن شود . اگر کاتد پایه ی ورودی سیگنال باشد، آند باید به VCC بسته شود .
- پایه ی آند ورودی فراسو است و باید به ولتاژ فرا ( بالا ) بسته شود تا روشن شود . اگر آند ورودی سیگنال باشد ، کاتد باید به زمین بسته شود .
بستن حسگر به کاتد یا آند دیود
- اگر خروجی NPN سنسور را بکار میبریم باید به کاتد اپتوکوپلر بسته شود و آند هم باید به VCC بسته شود.
- اگر خروجی PNP سنسور را بکار میبریم باید به آند اپتوکوپلر بسته شود و کاتد هم باید به زمین بسته شود.
چرا ؟
- چون خروجی NPN سنسور، از نوع فروسو (low-side) است و به ولتاژ فرو ( پایین ) میبندد باید به پایه ی کاتد اپتوکوپلر بسته شود ، چون کاتد هم فروسو است و باید به ولتاژ پایین بسته شود تا روشن شود .
- چون خروجی PNP سنسور فراسو (high-side) است و به ولتاژ فرا ( بالا ) میبندد باید به پایه ی آند بسته شود ، چون آند هم فراسو است و باید به ولتاژ بالا بسته شود تا روشن شود .
درباره ی سوی جریان :
- خروجی PNP سنسور ، فراده جریان (سورس کننده) و ورودی آند در اپتوکوپلر فراگیر جریان ( جریان را از ولتاژ بالا میگیرد) است.
- خروجی NPN سنسور ، فروکش جریان (سینک کننده) و ورودی کاتد در اپتوکوپلر فروران جریان (جریان را بسوی پایین میراند) است .
مدار بستن حسگر نوری مجاورتی به میکروکنترلر با اپتوکوپلر
در ورودی اپتوکوپلر :
- خروجی PNP حسگر با یک مقاومت و یک دیود به پایه ی آند بسته شده .
- پایه ی کاتد به زمین بسته شده .
در خروجی اپتوکوپلر :
- پایه ی میکروکنترلر با یک مقاومت 10k بالاکش شده ( به 3.3v بسته شده = Pull up).
- هنگامی که خروجی اپتوکوپلر 4N35 روشن بشه، پایه ی میکرو به زمین بسته میشه.
- یک خازن 100nF هم پایه ی میکروکنترلر رو به زمین بسته. تا جایی که میشه بایستی این خازن رو نزدیک پایه ی میکروکنترلر بذارید. وظیفه ی این خازن پیشگیری از دگرگون شدن ناخواسته ی ولتاژ روی پایه، با نویز هست.
برای بایاس اپتوکوپلر در حالت کاری سرشار باید اندازه مقاومت R1 رو حساب کنیم. که سه گام داره:
1. دانستن جریان کلکتور ترانزیستور خروجی اپتوکوپلر.
2. محاسبه ی روانه ی فوروارد در دیود نوری در ورودی اپتوکوپلر.
3. نوشتن معادله ولتاژ و محاسبه ی مقاومت R2.
1. بیشینه ی جریانی که از کلکتور 4n35 رد میشه ، جریانی هست که پایه ی ورودی میکروکنترلر برای روشن شدن نیاز داره .
با مولتی متر جریانی که یک پایه ی ورودی میکروکنترلر میکشه رو 60 میکروآمپر اندازه گرفتم . برای میکروکنترلر هایی که فیک هستند، جریانی که پایه ی ورودی میکرو میکشه نزدیک 400 میکروآمپر هست. در براورد ها جریان کلکتور در حالت کاری سرشار رو 500 میکروآمپر یا 0.5 میلی آمپر میگذارم .
2. برای دل آسوده بودن از اینکه اپتوکوپلر 4N35 در حالت کاری سرشار کار میکند، جریان دیود رو 5 برابر جریان کلکتور بخش بر CTR میگذارم که میشه 2.5 میلی آمپر.
ولی چون خروجی حسگر مجاورتی نوری تا 150 میلی آمپر میتونه جریان بده و دستمون باز هست ، اندازه ی جریان فوروارد دیود رو 10 میلی آمپر میذارم.
3. معادله ی ولتاژ رو در راستای نقطه چین مینویسیم تا اندازه ی مقاومت R2 رو بدست بیاریم. یک led هم سری کردم تا هنگامی که حسگر حس کرد، led روشن بشه. افت ولتاژ دو سر led هم 2 ولت هست.
خوبه توان اتلاف شده در مقاومت R2 رو هم حساب کنیم ، تا دل آسوده بشیم مقاومت آتش نمی گیرد. توان تلف شده این مقاومت 0.092 وات هست، پس یک مقاومت 0.25 وات پاسخگوی کار ما هست.
تصویر مدار :
اپتوکوپلر چگونه گزینش شده؟
در این مدار اپتوکوپلر :
- جریان کلکتور اپتوکوپلر 0.5mA هست و تقویت جریان هم نداریم.
- ولتاژ در خروجی اپتوکوپلر 3.3V هست و در حالت خاموشی اپتوکوپلر، ولتاژ کلکتور-امیتر یا Vce اپتوکوپلر 3.3 هست و بیشتر اپتوکوپلر ها میتونن این ولتاژ رو تاب بیارن .
- سرعت بالا برای روشن و خاموش شدن هم که نیاز نیست.
هر اپتوکوپلری میتونه این کار رو انجام بده، یک اپتوکوپلر ارزون و دم دستی گزینش کنید مثل 4n35 یا PC817 .
تبدیل خروجی NPN به PNP و یا PNP به NPN
با گزینش کاربر ، خروجی های پی ال سی دلتا ، یا همگی فراسو (high-side) یا فروسو ( low-side ) هستند .
- اگر ورودی PLC فراسو (high-side) باشد ، خروجی PNP سنسور (که فراسو است) به آن بسته میشود. فراگیر به فراده جریان بسته میشود .
- اگر ورودی PLC فروسو (low side) باشد، خروجی NPN سنسور مجاورتی به آن بسته می شود. فروران به فروکش جریان بسته میشود .
اگر ورودی های PLC رو فروسو (low side) تنظیم کرده باشید و یک حسگر با خروجی PNP را که فراسو (high side) است بخواهید به PLC ببندیم چه؟
باید خروجی PNP سنسور رو به NPN تبدیل کنیم. چجوری ؟ با یک ترانزیستور NPN.
مدار تبدیل خروجی PNP به NPN
برای بایاس ترانزیستور NPN بکار رفته در این مدار ، باید اندازه ی مقاومت R2 حساب شود. که این کار سه گام دارد:
- دانستن بیشینه ی جریان کلکتور که اینجا 150 میلی آمپر است.
- براورد بیشینه ی جریان بیس در حالت کاری سرشار.
- نوشتن معادله ی ولتاژ در راستای نقطه چین و محاسبه ی مقاومت R2 .
برای گزینش تراتزیستور NPN
- در حالت کاری قطع، چه ولتاژی روی کلکتور – امیتر است؟ در اینجا 24 ولت است. Vce که در دیتاشیت نوشته شده باید از 24 ولت بیشتر باشد.
- در حالت سرشار، بیشینه ی جریانی که از کلکتور رد میشود، چه اندازه است. که در اینجا 150 میلی آمپر است.
بریم به داده نامه (دیتاشیت) ترانزیستور BC337 :
- بیشینه ی ولتاژ کلکتور-امیتر در مدار ما، باید از بیشینه ولتاژ تاب آوری Vce که در دیتاشیت هست، کمتر باشد. برای ترانزیستور BC337 بیشینه ولتاژ کلکتور – امیتر 45 ولت است، که از 24 ولت در مدار ما بیشتر است.
- بیشینه ی تاب آوری جریان کلکتور یا Ic هم ، 800 میلی آمپر است که در مدار ما 150 میلی آمپر است. و ترانزیستور این جریان را هم تاب میاورد.
ولی این ترانزیستور برای این کار بزرگ است، میتوانید ترانزیستور ارزان تر و کوچک تری برگزینید.
به نادرست، جدول رو از دیتاشیت ترازیستور BC327 برداشتم، ولی اندازه ها همسان هستند.
تبدیل خروجی NPN به PNP با ترانزیستور PNP
این هم مدار تبدیل NPN به PNP با ترانزیستور PNP BC327 ، همان کاری که برای مدار پیشین کردیم، اینجا هم همونه.
تبدیل خروجی NO به NC و یا NC به NO با رله
اگر پایه ی COM+ به VCC بسته شود .
- پایه های ورودی سروو درایور هنگامی روشن میشوند ( جریان رد می شود ) که به زمین بسته شوند . آنها فروسو ( low side ) و فروران جریان هستند ( جریان را بسوی سینک میفرستد) .
- بایستی خروجی NPN حسگر ( فروسو و فروکش جریان = سینک کننده ) به آنها بسته شود.
همچین برای حسگر های حد مثبت و منفی سروو درایور ( positive limit and negative limit ) بایستی حسگر های با گونه ی خروجی معمولی-بسته بکار برد. ولی اگر حسگر معمولی-باز داشتیم چه کنیم؟
میتوان با یک رله کمکی ( یا slave relay ) ، معمولی -باز را معمولی-بسته کرد.
