1. Protecție 

În multe situații, senzorii sau traductoarele furnizează semnale de ieșire foarte mari, cum ar fi curentul mare sau tensiunea înaltă, care pot deteriora următorul element al sistemului de control, cum ar fi microprocesorul. 

1.1 Protecție împotriva curenților mari

Curentul mare care curge într-un sistem sensibil de control poate fi limitat de:

1. Folosind o serie de rezistoare 

2. Folosirea siguranței pentru a întrerupe circuitul dacă valoarea curentului depășește o valoare presetată sau sigură 

1.2 Protecție de înaltă tensiune 

Circuitele cu diode Zener sunt utilizate pe scară largă pentru a proteja un sistem de control mecatronic de valori înalte ale tensiunilor și polarități greșite. Figura 2.7.1 prezintă un circuit tipic cu diodă Zener.  

Figura 2.7.1 Schema circuitului cu diodă Zener 

Dioda Zener acționează ca dioda obișnuită până la un anumit nivel de tensiune de străpungere, atunci când este în conducție.  Când tensiunea se ridică la nivelul tensiunii de străpungere, dioda Zener se străpunge și oprește tensiunea să treacă la următorul circuit. 

Dioda Zener, fiind o diodă, are o rezistență scăzută pentru curentul care curge într-o direcție prin ea și o rezistență ridicată pentru direcția opusă. Când este conectat în polaritate corectă, o rezistență mare produce o cădere de tensiune ridicată. Dacă polaritatea se inversează, dioda va avea o rezistență mai mică și, prin urmare, duce la o cădere de tensiune mai mică.

Figura 2.7.2 Schema unui optoizolator 

În multe scenarii de înaltă tensiune, este necesară izolarea completă a circuitului de control de tensiunile înalte de intrare pentru a evita posibilele avarii. Acest lucru poate fi realizat de optoizolatori. Figura 2.7.2 prezintă circuitul tipic al unui optoizolator.  Cuprinde o diodă emițătoare de lumină (LED) și un fototranzistor. LED-ul iradiază infraroșu datorită tensiunii furnizate de la un circuit cu microprocesor. Tranzistorul detectează iradierea și produce un curent proporțional cu tensiunea aplicată. În cazul  tensiunilor înalte, curentul de ieșire de la Optoizolator este utilizat pentru deconectarea alimentării la circuit și astfel circuitul este protejat.

2. Puntea Wheatstone 

Figura 2.7.3 Configurația unei punți Wheatstone 

Puntea Wheatstone este utilizată pentru a converti o schimbare de rezistență detectată de un traductor într-o schimbare de tensiune.  Figura 2.7.3 prezintă configurația de bază a unei punți Wheatstone. Când tensiunea de ieșire Vout este zero, atunci potențialul de la b trebuie să fie egal cu cel de la d și putem spune că,

                                                                 𝑉𝑎𝑏 = 𝑉𝑎𝑑,                                                                       (2.7.1) 

                                                               𝐼1 𝑅1 = 𝐼2 𝑅2                                                                      (2.7.2)

 De asemenea, 

                                                                𝑉𝑏𝑐 = 𝑉𝑑𝑐,                                                                         (2.7.3) 

                                                               𝐼1 𝑅2 = 𝐼2 𝑅4                                                                     (2.7.4)

Împărțind ecuația 2.7.2 cu 2.7.4,

                                                              𝑅1/𝑅2 = 𝑅3/𝑅4                                                                 (2.7.5)

Puntea este astfel echilibrată.

Căderea de potențial pe 𝑅1 datorită tensiunii de alimentare Vs,

                                                             𝑉𝑎𝑏 = 𝑉𝑠 𝑅1/(𝑅1+𝑅2)                                                      (2.7.6) 

 În mod similar,

                                                            𝑉𝑎𝑑 = 𝑉𝑠 𝑅3/(𝑅3+𝑅4)                                                     (2.7.7)

Astfel tensiunea de ieșire Vo este dată de,

                                                              𝑉𝑜 = 𝑉𝑎𝑏 - 𝑉𝑎𝑑                                                                (2.7.8)

                                            𝑉𝑜 = 𝑉𝑠 {(𝑅1/[𝑅1+𝑅2]) - (𝑅3/[𝑅3+𝑅4])}                                       (2.7.9)

Când 𝑉𝑜 = 0, ecuația de mai sus dă condiția de echilibru.

Presupunem că un traductor produce o schimbare de rezistență de la 𝑅1 la 𝑅1+𝛿𝑅1 ceea ce dă o modificare a ieșirii de la V𝑜 la  𝑉𝑜+𝛿𝑉𝑜.

Din ecuația 2.7.9 putem scrie, 

Prin urmare,

Dacă 𝛿𝑅1 este mult mai mică decât 𝑅1, ecuația 2.7.11 poate fi scrisă ca 

Putem spune că variația rezistenței 𝑅1 produce o variație a tensiunii de ieșire. Astfel putem converti o schimbare a semnalului de intrare în semnal de tensiune.                                                                    

3. Modulația impulsului 

Figura 2.7.4 Modulația amplitudinii impulsului 

Figura 2.7.5 Modulația lățimii impulsului 

În timpul amplificării semnalelor DC de nivel scăzut de la un senzor, folosind Op-amp, ieșirea dă o deviație din cauza deviației în câștigul Op-amp. Această problemă este rezolvată prin conversia semnalului DC analogic într-o secvență de impulsuri. Aceasta poate fi obținută prin tăierea semnalului DC într-un lanț de impulsuri, așa cum se arată în figura 2.7.4. Înălțimea  impulsurilor este legată de nivelul DC al semnalului de intrare. Acest proces se numește modulare în amplitudine a impulsului. Procesul de modulare în lățime a impulsurilor (PWM) este utilizat pe scară largă în sistemele de control ca mijloc de control al valorii medii a tensiunii DC. Dacă lățimea impulsurilor este variată, atunci valoarea medie a tensiunii poate fi modificată așa cum se arată în figura 2.7.5. Un termen Cycle Duty este utilizat pentru a defini fracția fiecărui ciclu pentru care tensiunea este mare. Ciclul de serviciu de 50% înseamnă că pentru jumătate din fiecare ciclu, ieșirea este High. 

Chestionar:

1. Afirmați aplicațiile punții Wheatstone în automatizarea fabricației bazată pe mecatronică. Explicați unul dintre ele în detaliu.

2. De ce avem nevoie de modularea lățimii impulsului?

3. Cum diferă dioda Zener de dioda obișnuită?