View
3
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,
RAĈUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO
Draţen DJUKIĆ
STROBOSKOPSKA NAPRAVA
Diplomska naloga
Maribor, december 2009
I
Diplomska naloga univerzitetnega študijskega programa
STROBOSKOPSKA NAPRAVA
Študent: Draţen DJUKIĆ
Študijski program: Univerzitetni, Elektrotehnika
Smer: Elektronika
Mentor: izr. prof. dr. Rudolf BABIĈ
Somentor: doc. dr. Mitja SOLAR
Maribor, december 2009
II
III
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju izred. prof. dr. Rudolfu Babiču za pomoč in vodenje pri
opravljanju diplomskega dela. Prav tako se
zahvaljujem tehniškemu sodelavcu dipl. inž.
Antonu Vesenjaku za vse strokovne nasvete
in pomoč pri laboratorijskem delu.
Posebna zahvala je namenjena mojim
staršem in sestri, ki so mi v času študija ves
čas stali ob strani in me finančno podpirali.
Hvala tudi moji punci za spodbujanje in
moralno podporo v napornem, vendar
lepem študijskem obdobju.
IV
V
STROBOSKOPSKA NAPRAVA
Ključne besede: stroboskop, merilnik vrtljajev, impulzna krmilna vezja LED,..
UDK:681.5:620.178.5(043.2)
Povzetek
Stroboskop, kot merilna naprava, je omogočil nekatera merjenja na nazoren način. To
dosegamo z zelo kratkimi svetlobnimi bliski v točno določenih časovnih intervalih. V
preteklosti se je uveljavil kot pripomoček v avtomobilski industriji za nastavljanje
predvžiga pri bencinskih motorjih, za merjenje vrtljajev, analiziranje mehanskih vibracij,
opazovanje glasilk med artikulacijo glasu, testiranje mehanskih sklopov raznih
industrijskih strojev, itd…
Namen diplomskega dela je izdelati in spoznati stroboskopsko napravo ter njegovo
vsestransko uporabnost za merjenje frekvence in odmikov gibajočih delov
elektromehanskih aktuatorjev. Za osvetljevanje smo uporabili svetleče LED diode. Naša
ciljna aplikacija je uporaba stroboskopa za upočasnjeno opazovanje gibanja membrane
zvočnika med obema skrajnima legama in v točno določenem položaju pri različnih
amplitudah in frekvencah. Na ta način bo mogoče sklepati o normalnem delovanju
zvočnika.
VI
STROBOSCOPE
Key words: stroboscope, rotational speed measurment, impulse control circuit with LED,
LED flash light.
UDK:681.5:620.178.5(043.2)
Abstract
Stroboscope, like measurment device, allow obvious way of measuring. This is achived
with very short light flashes at exact time interval. In the past was primarily established as
an irreplaceable tool in car factory, analizing mehanical vibration, monitoring of machine
operation, etc..
The purpose of this diploma work is to build and research stroboscope and its
comprehensive usage for measuring frequency and deviations moving parts of
electromehanical actuators. We used LED diodes for illuminating. The target application
will be delayed observation of movement loudspeaker membrane; at different amplitude,
observing the exact position and between the two extreme positions. In this way can be
infer of normal loudspeaker operating.
VII
VSEBINA
1 UVOD ............................................................................................................................ 1
2 STROBOSKOP ............................................................................................................. 3
2.1 Prve gibajoĉe slike .................................................................................................. 4
2.2 Uporaba ................................................................................................................... 7
2.2.1 Merilnik obratov .............................................................................................. 7
2.2.2 Testiranje delovanja zvoĉnika ......................................................................... 9
2.2.3 Merjenje momenta ......................................................................................... 10
2.2.4 Nadzor delovanja detektorjev pregretih leţajev ............................................ 11
2.2.5 Merjenje linearne hitrosti............................................................................... 12
2.2.6 Raziskava fotoelastiĉnosti ............................................................................. 13
2.2.7 Merjenje vibracij............................................................................................ 14
3 OPIS POSAMEZNIH GRADNIKOV APLIKACIJE ................................................. 15
3.1 Led diode .............................................................................................................. 15
3.2 Zvoĉniki ................................................................................................................ 21
3.3 Mikrofoni .............................................................................................................. 25
3.4 Primerjalnik (komparator) .................................................................................... 28
3.5 Multivibratorji ....................................................................................................... 29
3.5.1 Monostabilni multivibrator ............................................................................ 30
3.6 Univerzalno integrirano vezje NE555 .................................................................. 34
4 STROBOSKOPSKO OPAZOVANJE GIBANJA MEMBRANE ZVOĈNIKA ........ 35
4.1 Stroboskop za statiĉno opazovanje ....................................................................... 38
4.2 Opazovanje amplitud nihanj (mehansko) – hkratno ............................................. 39
4.3 Upoĉasnjeno opazovanje nihanja membrane ........................................................ 51
4.4 Stroboskopsko statiĉno opazovanje s PLL zanko ................................................. 56
5 SKLEP ......................................................................................................................... 57
VIII
6 LITERATURA ............................................................................................................ 58
7 PRILOGE .................................................................................................................... 60
IX
KAZALO SLIK
Slika 1: Odbijajoĉa ţoga zajeta s stroboskopsko ţarnico pri 25ih slikah na sekundo ........... 4
Slika 2: Plateauov Fenakistoskop in Stampferov stroboskopski disk ................................... 6
Slika 3: Znaĉka se pojavi na nakljuĉnih toĉkah okrog objekta ............................................. 7
Slika 4: Frekvenca stroboskopa enaka hitrosti objekta; znaĉka miruje ................................. 7
Slika 5: Frekvenca stroboskopa niţja od hitrosti objekta; znaĉka se pomika naprej ............ 8
Slika 6: Frekvenca stroboskopa višja od hitrosti objekta; znaĉka se pomika nazaj .............. 8
Slika 7: Stroboskopsko testiranje zvoĉnika ........................................................................... 9
Slika 8: Merjenje navora s stroboskopom ........................................................................... 11
Slika 9: Raziskovanje pregretih leţajev............................................................................... 11
Slika 10: Merjenje linearne hitrosti ..................................................................................... 12
Slika 11: Fotoelastiĉna raziskava napetostnega sunka ........................................................ 13
Slika 12: Merjenje vibracij s pomoĉjo stroboskopa ............................................................ 14
Slika 13: LED stroboskopsko merjenje ............................................................................... 15
Slika 14: Razliĉne svetleĉe diode ........................................................................................ 17
Slika 15: Impulzno vzbujanje z direktnim in indirektnim prehodom .................................. 17
Slika 16: Krmiljenje LED diode .......................................................................................... 18
Slika 17: Ţivljenjska doba LED .......................................................................................... 19
Slika 18: I - U karakteristika LED diode ............................................................................. 19
Slika 19: Notranjost LED diode .......................................................................................... 20
Slika 20: Dinamiĉni zvoĉnik s trajnim magnetom .............................................................. 22
Slika 21: Membrana noter ................................................................................................... 23
Slika 22: Membrana ven ...................................................................................................... 23
Slika 23: Model membrane z navitjem ................................................................................ 23
Slika 24: Model akustiĉnega sistema nihajoĉega zraka, ki niha skupaj z membrano ......... 23
Slika 25: Elektriĉna nadomestna shema zvoĉnika ............................................................... 24
Slika 26: Frekvenĉna odvisnost nihanja membrane ............................................................ 24
Slika 27: Zgradba dinamiĉnega mikrofona ......................................................................... 25
Slika 28 : Shema pretvarjanja akustiĉnih nihanj v elektriĉna .............................................. 25
Slika 29: Frekvenĉni diagram dinamiĉnega mikrofona ....................................................... 27
Slika 30: Kondenzatorski mikrofon ..................................................................................... 27
X
Slika 31: Dinamiĉni mikrofon ............................................................................................. 27
Slika 32: Kristalni mikrofon ................................................................................................ 28
Slika 33: Ogleni mikrofon ................................................................................................... 28
Slika 34: Primerjalnik (komparator) .................................................................................... 28
Slika 35: Blokovna shema multivibratorja .......................................................................... 30
Slika 36: Elektriĉno vezje MMV na osnovi IC 555 ............................................................ 31
Slika 37: Potek veliĉin MMV .............................................................................................. 32
Slika 38: Notranja zgradba NE 555 ..................................................................................... 34
Slika 39: Blokovna shema osvetljevanja vrteĉe vetrnice s stroboskopom .......................... 36
Slika 40: Vezalna shema MMV za osvetljevanje vetrnice .................................................. 36
Slika 41: Blokovna shema stroboskopske naprave.............................................................. 38
Slika 42: Shema statiĉnega opazovanja nihanja .................................................................. 39
Slika 43: Hkratno opazovanje skrajnih leg nihajoĉe membrane ......................................... 40
Slika 44: Shema hkratnega opazovanja skrajnih leg ........................................................... 40
Slika 45: Mikrofonski ojaĉevalnik ...................................................................................... 42
Slika 46: Blok shema LM 324 ............................................................................................. 42
Slika 47: Ojaĉeni mikrofonski signal frekvence 50 Hz ....................................................... 43
Slika 48: Primerjalnik (za nastavitev faze) .......................................................................... 44
Slika 49: Pomikanje pulza po x – u ..................................................................................... 44
Slika 50: Prekrmiljeni signal na vhod primerjalnika ........................................................... 45
Slika 51: Nastavljanje potenciometra v poziciji A .............................................................. 46
Slika 52: Ĉasovni potek proţilnega pulza ........................................................................... 47
Slika 53: Prilagoditveno vezje ............................................................................................. 47
Slika 54: Proţenje na pozitivnem delu opazovanega signala .............................................. 48
Slika 55: Nastavljanje UREF za opazovanje nihanja (amplitude) membrane ....................... 48
Slika 56: Pulz za proţenje NE 555 ...................................................................................... 49
Slika 57: MMV .................................................................................................................... 49
Slika 58: Nastavljanje širine pulza ...................................................................................... 50
Slika 59a: Osvetljenost membrane pri 20Hz ....................................................................... 50
Slika 60b: Osvetljenost membrane pri 100Hz ..................................................................... 51
Slika 61: Blokovna shema upoĉasnjenega opazovanje nihanja membrane ......................... 51
Slika 62: Shema upoĉasnjenega nihanja .............................................................................. 52
XI
Slika 63: Stikalo v poziciji B ............................................................................................... 53
Slika 64: Nastavljanje potenciometra v poziciji B .............................................................. 53
Slika 65: Generator trikotne oblike ..................................................................................... 53
Slika 66: Ĉasovni potek signalov integratorja in schmitt – proţilnika ................................ 54
Slika 67: Trikotni signal za poĉasno opazovanje nihanja membrane .................................. 55
Slika 68: Statiĉno opazovanje s PLL ................................................................................... 56
Slika 69: Izbira ĉasa bliska .................................................................................................. 56
Slika 70 : Tiskano vezje stroboskopske naprave ................................................................. 61
Slika 71 : Sprednja stran plošĉice ........................................................................................ 62
Slika 72 : Spodnja stran plošĉice ......................................................................................... 62
XII
Stroboskopska naprava
1
1 UVOD
Dandanes bi veĉina ljudi ob besedi stroboskop pomislila na le eno stvar, in sicer utripanje
»luĉke« v zelo kratkih ĉasovnih razmikih ob ritmih glasbe. Kar je tudi res, vendar
stroboskop ni le »luĉka«, ki utripa ampak je tudi naprava, ki jo lahko uporabljamo tudi za
kompleksnejše aplikacije, kot npr.: merjenje in testiranje raznih vibracijskih in rotacijskih
premikov, merjenje hitrosti vrtenja, merjenje navora, raziskave fotoelastiĉnosti, itd.
Stroboskop je naprava za merjenje frekvence in opazovanja enostavnih gibanj, katera se
periodiĉno ponavljajo in nam dajejo obĉutek optiĉne iluzije poĉasnega oz. mirujoĉega
gibanja. Princip delovanja je zelo podoben delovanju filmske kamere pri kateri zaklopka
razdeli gibanje v nizu statiĉnih slik brez vidnega premikanja. Zaradi vztrajnosti ĉloveškega
oĉesa niz prikazanih slik daje privid kontinuiranega gibanja projekcije slik. Zaklopka
filmske kamere lahko ustvari stroboskopski efekt (uĉinek) v sinhronizaciji s periodiĉnim
gibanjem.
Diplomsko delo se nanaša na naĉrtovanje stroboskopske naprave za opazovanje vrteĉih in
gibajoĉih delov elektromehanskih aktuatorjev z moţnostjo meritve frekvence in odmikov.
Za osvetljevanje bomo uporabili LED diode. Ciljna aplikacija bo upoĉasnjeno opazovanje
gibanja membrane zvoĉnika pri razliĉnih amplitudah in opazovanje membrane v toĉno
doloĉenem poloţaju in med obema skrajnima legama. Na ta naĉin bo mogoĉe sklepati o
normalnem delovanju zvoĉnika.
Frekvenĉno obmoĉje stroboskopske naprave naj bo v obmoĉju od 1Hz do najvišjih tonskih
frekvenc. Stroboskopska naprava bo imela lastno zajemanje signala. Zato naj bo izvedeno
loĉeno krmiljenje elektromehanskega aktuatorja.
Stroboskopska naprava
2
Najprej se bomo seznanili z obstojeĉo literaturo s tega podroĉja. Naĉrtali in izdelali bomo
lastno stroboskopsko napravo ter jo s pomoĉjo eksperimentalnega dela glede na uporabljen
zvoĉnik usposobili za ţeleno ciljno aplikacijo.
Diplomska naloga je razdeljena na 7 poglavij;
V drugem poglavju je opisano o stroboskopih; njihova zgodovina, uporaba (merjenje
obratov, vibracij, nihanj),..
Tretje poglavje opisuje posamezne bloke, ki so potrebni za kasnejšo izvedbo naše
aplikacije.
Ĉetrto poglavje vsebuje opis in zgradbo stroboskopske naprave.
Stroboskopska naprava
3
2 STROBOSKOP
Stroboskop je naprava, ki omogoĉa merjenje pogostosti in opazovanje kroţnega gibanja,
tako da ustvari optiĉno prevaro (iluzijo) ustavljenega ali upoĉasnjenega gibanja.
Osnovni naĉin delovanja stroboskopa je precej podoben delovanju filmske kamere, kjer
zapiralo ustvari niz posameznih posnetkov brez vidnega gibanja. Zaradi uĉinka trajanja
vida ĉloveškega oĉesa dobi niz posameznih posnetkov videz nepretrganega
(kontinuiranega) gibanja. Zapiralo filmske kamere lahko ustvari stroboskopski uĉinek, ki je
blizu ĉasovni usklajenosti kroţnega gibanja. Pri opazovanju vrteĉega mehanizma s 24 s–1
skozi zapiralo kamere, delujoĉe na enaki frekvenci, bo mehanizem pri vsakem pogledu na
enakem mestu in zdelo se bo kot da stoji pri miru. Poveĉevanje hitrosti zapirala na 25 s–1
povzroĉi, da se vsak posnetek pojavi 1/25 sekunde hitreje kot prej, ampak mehanizem še
vedno potrebuje 1/24 sekunde za vrnitev na zaĉetni poloţaj. Zaradi tega je mehanizem
viden v rahlo predhodnem delu svojega gibanja, ustvarjajoĉ videz poĉasi nazaj
obraĉajoĉega mehanizma. Zmanjševanje hitrosti zapirala na 23 s–1
bo povzroĉilo vidnost
mehanizma v poznejših delih njegovega kroga, tako da bo ustvarjen videz poĉasnega
gibanja naprej.
Enak uĉinek bi bil doseţen z usmerjanjem utripajoĉega vira svetlobe na mehanizem pri
ustrezni frekvenci. Vidnost je lahko prekinjena mehaniĉno z oviranjem gledanja predmeta
ali s prekinjanjem osvetlitve opazovanega predmeta.
Glede na osnovni naĉin delovanja stroboskopa, je gibajoĉ predmet, osvetljen z utripajoĉim
virom svetlobe pri enaki frekvenci s katero se predmet premika, viden kot pri miru, zato je
moţno doloĉiti hitrost s katero se predmet premika s spreminjanjem frekvence, pri kateri
vir svetlobe utripa dokler se ne zdi, da se predmet ustavi. Ta moţnost merjenja brez
mehaniĉnega stika s predmetom predstavlja glavno prednost stroboskopa pred obiĉajnimi
metodami merjenja.
Stroboskopska naprava
4
Stroboskopski uĉinki pri frekvencah med 2 in 55 Hz lahko sproţijo obĉutljivost na
svetlobo pri 95% udeleţenih ljudeh, zato varnostne nastavitve omejujejo delovanje
stroboskopskega uĉinka na pol minute ali manj. Zaradi tega so stroboskopi za gledališko in
odrsko produkcijo omejeni na 12 Hz delovanje.
Opazovanje relativno poĉasi premikajoĉih predmetov, kjer utripajoĉa frekvenca ostaja pri
ali blizu praga migetanja (16 – 25 Hz), povzroĉa obremenjenost oĉi. V takšnih primerih,
kjer neposredno opazovanje predstavlja motnje (pregled šivalnih strojev) ali nevarnost
(pregled spremenljivih nagibov letalskih propelerjev) za opazovalca, televizije zaprtega
kroga prenesejo sliko gledalcu. Ne glede na odstranitev vidnih utripanj sistem prikaţe
poveĉano sliko opazovanega predmeta.
Slika 1: Odbijajoĉa ţoga zajeta s stroboskopsko ţarnico pri 25ih slikah na sekundo
2.1 Prve gibajoče slike
Priĉujoĉe poroĉilo je bilo objavljeno v pariškem ĉasopisu dva dni preden sta brata Auguste
in Louis Lumiere prviĉ javno predstavila prikaz filma, posnetega in projiciranega z
uporabo naprave, ki sta jo poimenovala Kinematograf. Ta dogodek je bil pomemben,
ĉeprav niti tehnologija niti teorija, ki sta ga omogoĉila, nista bili novost.
Od leta 1820 naprej so se pojavljale razprave, najveĉ v Angliji in Franciji, glede optiĉnega
fenomena, poznanega kot »uĉinka trajanja vida«, in prvi znanstven ĉlanek na to temo je
leta 1829 objavil Joseph Antoine Ferdinad Plateau. Da bi to raziskovanje postalo uporabno,
je Plateau leta 1832 patentiral igraĉo, katere zaporedje malo razliĉnih slik se je zdelo
zdruţeno v eno gibljivo sliko, ko je vrteĉa plošĉa, na katero so bile naslikane, bila vidna v
Stroboskopska naprava
5
ogledalu skozi previdno razmaknjene reţe na plošĉi. Istega leta kot je Plateau izdal svoj
Fenakistiskop na francoskem trgu, je nemški znanstvenik Simon Ritter von Stampfer
izpopolnil podobno napravo na osnovi plošĉe, katero je poimenoval Stroboskop; leta 1834,
v Angliji, je William Horner pospešil pomen zabave s filmi z izumom Zoëtropa, bobna z
reţami, ki je imel v notranjosti pritrjene izmenljive trakove papirja, ki so vsebovali
natisnjene slike ţonglirajoĉih klovnov, skakajoĉih konjev, itd. Skoraj soĉasno s
Hornerjevim Zoëtropom je Baron Franz von Uchatius v Nemĉiji dobil idejo, da bi film
lahko izkusili ne le z gledanjem skozi reţe hitro vrteĉe plošĉe ali bobna, ampak z
gledanjem zaslona, na katerega je projicirana hitra serija slik.
Uchatiusovi prvi poskusi so vkljuĉevali oviralen in mogoĉe nevaren sestav, ki je vkljuĉeval
hitro premikajoĉ vir svetlobe iz enega projektorja do drugega, ampak do leta 1853 je razvil
naĉin s katerim so slike na vrteĉi prosojni plošĉi lahko vidne na zaslonu s pomoĉjo enega
na sveĉo delujoĉega projektorja.
Te zgodnje filmske naprave so temeljile na naĉelu prviĉ jih je oblikoval Plateau da je
potrebna izpostavljenost najmanj šestnajstim slikam na minuto, zato da ĉloveško oko zazna
serijo mirujoĉih slik kot eno samo »gibljivo« sliko, vse izmed njih pa prikazujejo risbe.
Fotografiranje se ni zaĉelo s sliko, tako rekoĉ do leta 1872, ko je Eadweard Muybridge
izumil tehniko z veĉ fotoaparati, ki mu je omogoĉala v trenutku ujeti ducat prizorov hitro
gibajoĉega predmeta. Muybridge, Britanec po rodu, je delal poskuse, da bi pomagal
kalifornijskemu guvernerju Lelandu Stanfordu dobiti stavo glede poloţaja kopit
galopirajoĉega konja, ampak je hitro spoznal, da so njegove zaporedne fotografske slike
ţivali v gibanju izredno podobne zaporednim risbam, prikazanim v zgodnjih filmskih
napravah. V naslednjih dvajsetih letih, piše Gerald Mast v Kratki zgodovini filma, je
Muybridge izpopolnil svojo tehniko z veĉ fotoaparati. Poveĉal je število baterij
fotoaparatov iz dvanajst na štirideset. Uporabil je hitrejši, bolj obĉutljiv film. Dodal je bele
vodoravne in navpiĉne ĉrte na ĉrno podlago, da bi poveĉal dojemanje gibanja. Poslikal je
zaporedja gibajoĉih konjev, slonov, tigrov, golih ţensk, skakajoĉih ljudi in plešoĉih parov.
Fotografije je namestil na Fenakistiskopski mehanizem in ga zdruţil z laterno magiko za
javna projiciranja svojega dela. Svoj izum je poimenoval dejansko le kot razliĉico
Uchatiusovega Projekcijskega Fenakistiskopa Zoopraksiskop, še eno zelo domiselno ime
za ne – tako domiselno napravo.
Stroboskopska naprava
6
Slika 2: Plateauov Fenakistoskop in Stampferov stroboskopski disk
Stroboskopska naprava
7
2.2 Uporaba
2.2.1 Merilnik obratov
V prvi vrsti uporabljamo stroboskope za testiranje oz. diagnostiĉne preglede naprav.
Vendar pa se lahko stroboskop uporablja tudi za merjenje hitrosti. Da bi ga uporabili za
merjenje hitrosti je potrebno upoštevati: prviĉ merjenec mora biti viden celih 360°. Drugiĉ,
na merjenec je potrebno namestiti košĉek samolepljive odsevne folije (ali po potrebi, kadar
ţelimo prilagoditi merilni doseg, tudi veĉ simetriĉno po obodu merjenca namešĉenih
košĉkov folije).
Primer:
Na plošĉi, kateri ţelimo izmeriti frekvenco vrtenja, je nalepljen košĉek odsevne folije. Ĉe
tako vrteĉo plošĉo osvetlimo s stroboskopom, pri doloĉenih frekvencah stroboskopa ĉrta
navidezno miruje. Takrat je frekvenca vrtenja plošĉe enaka ali 2, 3, 4 ... X veĉja od
frekvence utripanja stroboskopa. Meritev napravimo najlaţje, ĉe na zaĉetek na stroboskopu
nastavimo frekvenco, ki je zagotovo veĉja od frekvence vrtenja .
Nato frekvenco stroboskopa poĉasi zmanjšujemo. Ko ĉrta na vrteĉi se plošĉi navidezno
miruje, je frekvenca vrtenja enaka frekvenci stroboskopa s.
Slika 3: Znaĉka se pojavi na nakljuĉnih toĉkah okrog objekta
Slika 4: Frekvenca stroboskopa enaka hitrosti objekta; znaĉka miruje
Stroboskopska naprava
8
Slika 5: Frekvenca stroboskopa niţja od hitrosti objekta; znaĉka se pomika naprej
Slika 6: Frekvenca stroboskopa višja od hitrosti objekta; znaĉka se pomika nazaj
Ko je predmet videti da miruje, stroboskop utripa z enako frekvenco kot vrteĉi predmet.
Ko imamo znano frekvenco, je znana tudi rotirajoĉa hitrost in jo lahko navedemo v RPM
(roots per minute) z uporabo formule: strobeRPM 60 f .
Stroboskopska naprava
9
2.2.2 Testiranje delovanja zvočnika
Pravilno delovanje zvoĉnika testiramo s pomoĉjo avdio oscilatorja. Stroboskop dobi
impulz za blisk od tega istega oscilatorja, ki je prikljuĉen preko frekvenĉnega delilnika.
Frekvenĉni delilnik zniţa frekvenco na vhodno obmoĉje stroboskopa, vendar pa zadrţi
harmoniĉno razmerje potrebno za stroboskopsko opazovanje.
Opazovalec lahko opazuje razliĉne faze delovanja zvoĉnika, z dodajanjem ĉasovnega
razmika vezja med frekvenĉnim delilnikom in samim stroboskopom.
Ĉe pride do eventualnih nepravilnosti pri membranah zvoĉnika, se le te razišĉejo z
lepljenjem radialnih ĉrt tankih umetnih vlaken na membrani zvoĉnika. Pri testiranju
bliskavice pri stroboskopu, frekvenca mora biti neznatno razliĉna od celoštevilĉnega
manjkratnika frekvence krmilnega oscilatorja zato, da se lahko opazijo glavne toĉke in
vibracije membrane zvoĉnika z opazovanjem prostih koncev umetnih vlaken. Testiranja
takšne vrste se obiĉajno izvajajo s pomoĉjo mikroskopa ali lupe.
Slika 7: Stroboskopsko testiranje zvoĉnika
Stroboskopska naprava
10
2.2.3 Merjenje momenta
Dve gredi povezani z elastiĉnimi sklopkami se medsebojno vrtita glede na preneseni navor.
Elastiĉna sklopka pravzaprav predstavlja torzijsko vzmetnico, ki je definirana s sledeĉo
enaĉbo:
–k ,
kjer je:
– vrtilni moment v Nm,
k – koeficinet in
– magnetni pretok v Vs.
M
M
Torej je dovolj dodati kalibrirano lestvico z »znaĉko«, da bi se izmeril preneseni navor.
Stroboskop utripa s frekvenco, katera ustreza številu obratov motorja, da bi se dobila
ustavljena slika lestvice in »znaĉke«. Takšni merilniki so namenjeni merjenju
primanjkljaja v pogonih mehanskih tahometrov ter ostalih natanĉnih orodjih.
Cev dolga 50 cm, se postavi na izhodno gred elektromotorja, medtem ko se boben postavi
na drug konec cevi, blizu leţišĉa. Znotraj cevi se nahaja kos klavirske strune. Ta je trdno
pritrjen na tisti strani cevi, kjer se nahaja elektromotor, medtem ko je na drugi strani
pritrjen na kratko gred, ki se obraĉa na leţišĉu postavljenem na drugi strani cevi. Na tej
gredi se nahaja oznaka, ki kaţe na rotacijo v odvisnosti bobna, ki je postavljen na koncu
cevi, dokler se vezje, s katerim se meri izguba moĉi, veţe na prost konec kratke grede. Pri
rotaciji male gredi prihaja do sukanja klavirske strune, kar privede do pomikanja »znaĉke«
v odvisnosti bobna. Rotacija kratke gredi je omejena na 180 .
Pri vklopu motorja ţica prenaša zelo velik navor, zato se obrne do konca, kjer se moĉ
prenaša neposredno prek cevi, ki se naslanja na omejevalnike. Medtem ko se doseţejo
stalni pogoji obremenitve, se ţica poĉasi odvije, pokazatelj se ustavi na poloţaju, ki ustreza
prenesenem navoru. Stroboskop se prilagaja, kolikor je potrebno za pridobitev mirujoĉe
slike.
Merilnik navora se kalibrira z obremenjevanjem znanega navora, ter opazovanjem gibanja
pokazatelja v odvisnosti bobna, zato je lestvica obiĉajno linearna.
Stroboskopska naprava
11
Moĉ P se enostavno izraĉuna kot produkt navora M in kotne hitrosti gredi P M .
Natanĉnost in merilno obmoĉje doloĉata premer in material ţice, prav tako je mogoĉe
izmeriti majhne moĉi velikosti od 0,5W.
Slika 8: Merjenje navora s stroboskopom
2.2.4 Nadzor delovanja detektorjev pregretih ležajev
Varnost ţelezniškega prometa jamĉijo razne naprave kot so detektor pregretih leţajev,
števci osi, auto – stop naprave, itd.
Na primer, pregreti leţaj osi lahko privedejo do blokade osi poţara ali iztirjenja vlaka.
Zaradi tega detektor pregretih leţajev meri infrardeĉe sevanje gibanja vlaka in tako
obvešĉa osebje ali prometnika da je vse v redu oziroma doloĉa številko tiste osi, ki ima
pregreti leţaj (slika 9).
Slika 9: Raziskovanje pregretih leţajev
Stroboskopska naprava
12
Na traĉnice se postavi mehanski ali magnetni sproţilec, ki se aktivira s prehodom kolesa,
takrat daje stroboskop eden blisk. Hkrati se kolo snema s fotoaparatom, na kar se s
posnetimi slikami preverja poloţaj kolesa vlaka glede na detektor s katerim bi se preverilo
pravilno delovanje detektorja.
2.2.5 Merjenje linearne hitrosti
Moţna je tudi meritev linearne hitrosti gibanja simetriĉnega strojnega elementa (valj,
boben, kolo, jermen…) ob uporabi merjenega kolesa (slika 10).
Merjeno kolo se prislanja na površino merjenega predmeta, in sicer tako, da se obod kolesa
giblje s hitrostjo površine predmeta, medtem ko na kolesu obstaja merjena oznaka za
stroboskopsko merjenje. Premer kolesa je doloĉen tako, da se doseţe enostavna zveza med
številom obratov kolesa in merjeno hitrostjo, npr. kolo se vrti z hitrostjo 10 s–1
v trenutku
ko je njegova obodna hitrost enaka 1 ms–1
. Takšen disk je v praksi potrebno pazljivo
namestiti v odvisnosti na merjeni element in se tako izogniti trenju, katero bi nastalo zaradi
pretiranega pritiska. Zunanji premer diska se obĉasno meri zato, da bi se izognili vplivu
napake merjenja.
Slika 10: Merjenje linearne hitrosti
Stroboskopska naprava
13
2.2.6 Raziskava fotoelastičnosti
Sunkovite napetostne valove lahko razišĉemo v navidezno upoĉasnjenem gibanju ob
uporabi elektromagnetnega vibratorja, polariskopa in monokromatske bliskavice
(stroboskop).
Vzorec, ki ga ţelimo testirati se montira v polariskop, vibrator pa se postavi tako, da
kontinuirano udarja v vzorec. Z nastavljanjem stroboskopske frekvence je mogoĉe
navidezno pohitriti, upoĉasniti, ustaviti ali pa zamenjati smer vrtenja, kar omogoĉa
raziskave izoklin in vrhov valov. Toĉka udarjanja vibratorja in energija udara se lahko z
lahkoto menjajo z namenom preuĉevanja njihovega uĉinka valov, moţno je pa tudi
fotografirati poskus, saj je to najlaţji naĉin raziskovanja.
Slika 11: Fotoelastiĉna raziskava napetostnega sunka
Stroboskopska naprava
14
2.2.7 Merjenje vibracij
Pri merjenju vibracij nas zanima pospešek v odvisnosti od ĉasa, ki ga z merilnikom
zaznamo na doloĉenem delu stroja ali naprave. To nam pove, kako je stroj ali naprava
kvalitetna in zanesljiva tudi po daljšem ĉasu obratovanja. Merilnike vibracij, imenovane
tudi pospeškomere pritrdimo na del vibrirajoĉe strukture, preko katere se vibracije
prenašajo na okoliški zrak ali na druge dele stroja.
Kot primer naj navedemo, da se vibrirajoĉi del premika do nekaj deset μm glede na fiksne
notranje dele stroja katere vibracije merimo. Ĉe merimo vibracije v stavbah, merilnike
obiĉajno namestimo na toga betonska tla ob temeljih hiše.
Stroboskopsko merjenje vibracij
Pritrjeni merjenec (kazalec), prikazan na sliki 12, je pritrjen na vibrirajoĉe površje in ga
uporabljamo za prikazovanje premikanja le – tega. Uporaba stroboskopske naprave nam z
svojim utripanjem daje privid »ustavljanja« ali »upoĉasnjenosti gibanja« merjenca, zato
lahko izmerimo visoke frekvence malih amplitud vibracije. Tipiĉna zgornja frekvenca je
omejena na 500Hz za direktno merjenje.
Slika 12: Merjenje vibracij s pomoĉjo stroboskopa
Stroboskopska naprava
15
3 OPIS POSAMEZNIH GRADNIKOV APLIKACIJE
3.1 Led diode
Poznamo veĉ vrst stroboskopskih virov svetlobe kot npr.: tlivka, ksenonska ţarnica,
svetleĉa dioda LED. Naša aplikacija je bila izvedena z LED diodami, predvsem zaradi
nizke napajalne napetosti, primernega izkoristka in tudi visoke jakosti svetlobe. Danes jih
uporabljajo v profesionalnih napravah (slika 13).
Slika 13: LED stroboskopsko merjenje
LED so polprevodne svetleĉe diode, ki pri rekombinaciji oddajo foton svetlobe.
Polprevodniške snovi primerne za svetleĉe diode imajo energijo energijske reţe veliko
med 1,5 in 3,1 eV. Pragovna napetost takih svetleĉih diod je pribliţno 3,5V.
V aplikaciji smo uporabili bele svetleĉe diode. Belo svetlobo dobimo s pomoĉjo modre
LED diode in premaza z rumenim fosforjem.
Stroboskopska naprava
16
Prednosti svetleĉih LED diod pred klasiĉnimi ţarnicami
Nima gibljivih delov oz. krhke ţarilne nitke, nima lomljivih steklenih delov, ni
strupenih plinov, zato se ne more tako enostavno poškodovati, zdrobiti ali
onesnaţiti okolja. Je robustna in odporna na vibracije.
Ob okvari ne preneha svetiti v trenutku, kot bi se to zgodilo pri pregretju ţarilne
nitke, saj svetilnost LED zgolj upada s ĉasom. Kljub temu je ţivljenjska doba zelo
dolga, saj pri visoko svetilnih LED svetilnost po 50000 urah pade na 70%. Pri
ţarnicah z ţarilno nitko ţivljenjska doba znaša pribliţno 3000 ur.
Izkoristek LED diode je 42lm/W in je pribliţno 5x boljši od ţarnice z ţarilno nitko.
Doseganje razliĉnih barv je izvedeno ţe s samo tehnologijo. Tako za pridobivanje
npr. zelene ali rdeĉe ni potreben barvni filter, ki lahko zatre do 70% svetlobe. Prav
tako svetlobni spekter ne vsebuje UV svetlobe, ki lahko uniĉuje osvetljen material.
Po vklopu zaĉne svetiti takoj in ne potrebuje periode za zagon, kot npr. pri
halogenskih ţarnicah.
Nizka delovna napetost omogoĉa varno rokovanje in zadostuje varnostnim
zahtevam. To hkrati poenostavlja napajanje iz baterij.
Primerljivost z ţarnico z ţarilno nitko
Pri primerjavi svetilnosti svetil razliĉnih tipov ali proizvajalcev moramo biti pozorni na
razliĉne veliĉine, ki so pri tem podane:
svetlobni tok (lumen [lm])
svetilnost (candela [cd])
osvetljenost (lux [lx] = lumen / m2)
Proizvajalci LED diod pogosto podajajo svetilnost, izraţeno v mcd. Ta pa je odvisna od
kota sevanja svetlobnega snopa. Pod kotom 30 od smeri sevanja se jakost sevanja
zmanjša na polovico. Za vsakdanjo praktiĉno meritev je v uporabi enota lx, z luxmetrom
lahko primerjamo jakost razliĉnih svetlobnih virov. Z oddaljenostjo od vira osvetljenost
(lx) pada.
Stroboskopska naprava
17
Slika 14: Razliĉne svetleĉe diode
Delovanje
Svetleĉe diode sevajo na principu t.i. sevanju trdnih teles. Bistvo delovanja predstavlja
dejstvo, da kadar se elektron spusti na niţje energijsko stanje odda odveĉno energijo v
obliki elektromagnetnega sevanja. Ĉe je odveĉne energije zadosti, jo zaznamo kot
svetlobo. Svetleĉe diode so v osnovi pn spoj ali polprevodniška dioda, ki pa ni zgrajena iz
silicija, temveĉ iz drugih materialov, ki sicer porabijo veĉ moĉi, a sevajo svetlobo.
Izsevana svetloba je odvisna od uporabljenih materialov – substratov.
Slika 15: Impulzno vzbujanje z direktnim in indirektnim prehodom
WT – termiĉna energija
WV - najvišja energija valenĉnega pasu atoma
WC – najniţja energija prevodnega pasu
Stroboskopska naprava
18
Krmiljenje LED diode
Slika 16: Krmiljenje LED diode
Impulzno priţiganje LED diode uporabljamo za multipleksirani prikaz na zaslonu.
ID je povpreĉni tok (10mA)
IDmax = 100mA v ĉasu trajanja t1, razmerje t1=0,1 x t2, da se spoj ne pregreje
Pri IDmax je izhodna svetilnost (svetloba) 20mlm, pri ID pa 2mlm
Temperaturni koeficient napetosti diode znaša med – 1,3 in – 2,5 mV/ °C
Ţivljenjska doba
Ţivljenjska doba je ena od prednosti LED diod. LED diode so polprevodniki, zato je
njihova ţivljenjska doba pribliţno 10 let. Pri proizvodnji komponent LED diod se
uporabljajo kemiĉne snovi, ki pa sĉasoma izgubljajo svoj uĉinek. Ţivljenjska doba LED
diod se primerja s procesom zmanjšanja svetlobnega fluksa skozi ĉas; to pa kaţe, da je
LED diodo potrebno zamenjati, ko je moĉ svetlobnega fluksa le še 50% zaĉetne
zmogljivosti. Ţivljenjska doba LED diod je torej okrog 50.000 ur, pri maksimalni
dovoljeni temperaturi delovanja.
Stroboskopska naprava
19
Slika 17: Ţivljenjska doba LED
Slika 18: I - U karakteristika LED diode
Naslednji pomemben podatek je barva svetlobe. Najbolj zaţelena je bela svetloba, ki
nadomešĉa dnevno svetlobo. Dolgoroĉno izpostavljanje neprimerni barvi ali njenemu
odtenku povzroĉa neudobje. Odtenek bele svetlobe opisujemo z njeno temperaturo, podaja
pa se v Kelvinih [K]. Tako ima rumenkasto – bela svetloba, enaka tisti z ţarnico z ţarilno
nitko, temperaturo cca. 3000K in jo imenujemo toplo bela. Nasprotno ima bela, enaka
svetlobi halogenske ţarnice, temperaturo cca. 5000K. Temperatura med 6000K in 9000K
pa velja za hladno – belo, njen odtenek svetlobe je med belo in modro – belo. Za LED
svetila velja, da imajo toplo – bele LED nekoliko slabši svetlobni izkoristek [lm/W].
Stroboskopska naprava
20
Slika 19: Notranjost LED diode
Stroboskopska naprava
21
3.2 Zvočniki
Zvoĉnik je elektromehanski pretvornik, ki elektriĉno energijo prek nekega mehanskega
sistema (npr. membrane) pretvori v akustiĉno energijo. Idealen zvoĉnik bi moral pri
konstantni dovedeni elektriĉni energiji proizvajati konstanten zvoĉni tlak v celotnem
slišnem podroĉju 20 – 20kHz. To bi bil idealen širokopasovni zvoĉnik, ki pa ga je teţko
uresniĉiti. Kot mehanski sistem sluţi najpogosteje membrana. Membrana se lahko smatra
kot mehanski nihajni sistem. Sila se prenese na membrano (na sredini, linijsko ali celi
površini). Za pretvorbo elektriĉne energije, dobljene iz ojaĉevalnika, v mehansko, lahko
uporabljamo vse znane metode elektromehanske transformacije energije. Danes za te
namene najveĉ uporabljajo elektrodinamiĉne, elektromagnetne ali elektrostatiĉne principe
pretvorbe. S pomoĉjo enega od teh pogonskih sistemov se membrana odziva na vzbujanje
z nihanjem v ritmu tonskih frekvenc z doloĉeno silo, ki jo ustvarja tok zvoĉnih frekvenc, ki
pritekajo skozi nihajno navitje. Nihanje membrane se prenese na delce okoliškega zraka in
s tem nihaji membrane v njem ustvarjajo zvoĉne valove. Sila, ki deluje na membrano,
mora pri tem premagati tri vrste sil:
inercijske sile (sorazmerne pospešku)
sile trenja ( sorazmerne hitrosti nihanja)
elastiĉne sile (sorazmerne pomiku).
Te sile so v razliĉnih podroĉjih razliĉno izraţene. Za silo inercije je odloĉilna skupna masa
membrane in zraka, ki niha skupaj z njo. Trenje je pogojeno z notranjim trenjem v sistemu
membrane in trenjem delcev zraka. To je edino koristno za ustvarjanje zvoĉnih valov.
Velikost elastiĉne sile je odvisna od togosti celega sistema.
Stroboskopska naprava
22
Vrste zvoĉnikov
Princip delovanja pretvorniškega sistema je isti pri zvoĉnikih in pri mikrofonih. V principu
bi vsi mikrofoni lahko delali tudi kot zvoĉniki. Od pretvorniških sistemov se najpogosteje
uporabljajo dinamiĉni, elektrostatiĉni in piezoelektriĉni sistemi (danes se najveĉ
uporabljajo dinamiĉni, elektrostatiĉni in kristalni zvoĉniki).
Dinamiĉni zvoĉnik s trajnim magnetom
Imajo najširšo in najbolj vsestransko uporabo. V zraĉni reţi med magnetoma se nahaja
nihajoĉe navitje, na katerega je pritrjena koniĉna membrana. Ko steĉe skozi navitje tok
slišne frekvence, se zaĉne membrana premikati v ritmu signala naprej in nazaj pod vplivom
osne sile:
2
,
kjer je:
– sila v N,
– gostota magnetnega pretoka v T=V s m ,
F B i l
F
B
– elektriĉni tok v A in
– dolžina vodnika v m.
i
l
Ker sta B in l za doloĉen tip zvoĉnika nespremenljive veliĉine, je sila F odvisna le od
jakosti toka.
Slika 20: Dinamiĉni zvoĉnik s trajnim magnetom
Stroboskopska naprava
23
Slika 21: Membrana noter Slika 22: Membrana ven
Izvedba membrane je odvisna od namena zvoĉnika. Za visokotonske uporabljamo trši in
laţji papir, za nizkotonske pa mehkejši in teţji. Najvaţnejše lastnosti membrane so trdost,
teţa in resonanĉna frekvenca. Permanentni magnet je najdraţji del zvoĉnika, saj mora v
zraĉni reţi ustvariti ĉim veĉjo gostoto magnetnega polja B.
Nihajno navitje je izdelano iz lakirane, bakrene ali aluminijaste ţice. Membrana z
navitjem, pritrjena na košaro, predstavlja mehanski nihajni sistem. V tem sistemu mM
predstavlja maso membrane in navitja, mk 1 C trdoto membrane, Rm pa predstavlja upor
trenja, ki se pri premikanju membrane pojavlja na njenih robovih.
Slika 23: Model membrane z navitjem
Akustiĉna impedanca zraka je sestavljena iz upornosti RS, ki je merilo koristne moĉi in
reaktance, ki jo povzroĉa naša masa zraka mS, ki niha skupaj z membrano. Tudi ta
akustiĉni sitem nihajoĉega zraka se lahko prikaţe z modelom. To pa z njegovo maso mS in
trenjem, ki se pojavlja med njegovimi delci – RS.
Slika 24: Model akustiĉnega sistema nihajoĉega zraka, ki niha skupaj z membrano
Stroboskopska naprava
24
Slika 25: Elektriĉna nadomestna shema zvoĉnika
Lastnosti membran
Na membrano deluje veĉ sil:
sila F po Biot – Savartovem zakonu,
povratna sila, ki vrne membrano v mirovni poloţaj
sila zaradi zvoĉnih delcev, ki nihajo in povratno delujejo na membrano.
Slika 26: Frekvenĉna odvisnost nihanja membrane
Sila, ki povzroĉi premik membrane v njenem središĉu, je odvisna od hitrosti gibanja, ki se
prenese naprej po membrani. Slika 26 nam prikazuje obmoĉja vzbujenosti membrane v
odvisnosti od frekvence vhodnega signala.
Najlepši zvok dobimo iz zvoĉnika, ko se membrana giblje enakomerno – sofazno (slika a).
Ĉe pa je membrana velika (za nizke tone), potem pride do problemov pri višjih frekvencah.
Pri visokih frekvencah se takšna membrana ne giblje veĉ kot celota, ker proizvaja višje
harmonske komponente in gibanje posameznih delcev membrane je protifazno (slika b).
Pojavi se toĉka T, v kateri se širši del membrane ne odziva vibracijam. Tej toĉki pravimo
prelom membrane. Ĉe frekvenco še višamo, je prelomov membrane (toĉk T) še veĉ (slika
c).
Stroboskopska naprava
25
3.3 Mikrofoni
Mikrofon je naprava, ki spreminja zvok (nihanje zraĉnega tlaka) v elektriĉno napetost. Ĉe
poveţemo mikrofon s slušalko, nihata membrani v mikrofonu in slušalki v enakem ritmu.
S tem smo dobili prenos zvoka na daljavo.
Pri pretvorbi zvoka v elektriĉno napetost je pomembno, da sta si oblika krivulje napetosti
in zraĉnega tlaka ĉim bolj podobni. Povedano drugaĉe: »ţelimo ĉim manjše linearno in
nelinearno podroĉje signala«. Mikrofon mora biti enako obĉutljiv za vse frekvence, sicer
prihaja do linearnega popaĉenja. V primeru nelinearnih popaĉenj doda mikrofon signalu
višje harmonske tone, ki jih v izvornemu zvoku ni bilo.
Slika 27: Zgradba dinamiĉnega mikrofona
Mikrofon, kot pretvornik ene energije v drugo, opravlja podobno vlogo kot ĉloveško uho.
Moderni mikrofoni prekašajo uho v frekvenĉnem obsegu (ĉlovek teoretiĉno sliši zvok med
20 in 20kHz, mikrofon pa registrira ĉez 100kHz), kakor tudi v dinamiĉnem smislu
(mikrofon lahko registrira zvok, ki bi poškodovalo uho).
Slika 28 : Shema pretvarjanja akustiĉnih nihanj v elektriĉna
Stroboskopska naprava
26
Obĉutljivost mikrofona
Mikrofonska obĉutljivost je vrednost, ki oznaĉuje spremembo napetosti na izhodu
mikrofona v odvisnosti od zvoĉnega signala (spremembi zvoĉnega tlaka, ki vzburi
membrano). Zapišemo jo z izrazom:
Δ
kjer je:
– obĉutljivost v mV/Pa oz. dB,
– sprememba napetosti v V in
s U p
s
U
– tlak v Pa.p
V elektrotehniki se uporablja za obĉutljivost tudi standardna vrednost V bar pri ĉemer
dobimo izrek 20logs U p , v vrednosti izraţeni z bar V. Obiĉajna izhodna
napetost znaša pri mikrofonu ca. 1mV, zato je vrednost ulomka >1, ustrezni logaritem pa je
negativen. Zaradi tega je obĉutljivost mikrofonov izraţena v dB z negativno vrednostjo.
Obĉutljivost je pomemben podatek, kadar ţelimo dobiti veĉjo ali manjšo napetost iz
mikrofona, ki ga nameravamo uporabiti. Glede na dejstvo, da jakost zvoka pada glede na
oddaljenost zvoĉila, je potrebno vedeti, da veĉja oddaljenost mikrofona od izvira daje tudi
manjšo izhodno napetost. Izhodna napetost mikrofona je odvisna tudi od frekvenĉnega
obsega, ki ga prenaša. Ĉe je frekvenĉni pas oţji, se lahko tudi poveĉa obĉutljivost in
obratno. Zaţeleno je, da je obĉutljivost ĉim veĉja, saj je potrebna manjša naknadna ojaĉitev
signala in je s tem doseţeno boljše razmerje med zvokom in šumom. Izjeme so reporterski
mikrofoni, ki se uporabljajo v glasnem okolju in potrebujejo ĉim manj signala iz okolice.
Frekvenĉna karakteristika
Frekvenĉna karakteristika je diagram, ki prikazuje obĉutljivost mikrofona v slišnem
podroĉju med 20 in 20000Hz. Navpiĉna os prikazuje vrednost obĉutljivosti, izraţeno v
mV/Pa ali v dB; vodoravna os pa po logaritemski lestvici prikazuje frekvence, pri katerih
je ta obĉutljivost doseţena. Idealno karakteristiko bi predstavljala vodoravna ĉrta, ki bi
pomenila konstantno obĉutljivost v celotnem frekvenĉnem podroĉju. Obiĉajno je krivulja
malce valovita, dopušĉajo pa se odkloni ±1dB, saj so to vrednosti, ki jih uho ne zaznava
Stroboskopska naprava
27
tako zlahka. Ĉe potrebujemo mikrofon, s katerim bomo snemali izkljuĉno govor, bi nam
zadostovala karakteristika, ki je vodoravna med 300 in 3000Hz, za osnovni prenos glasbe
pa vsaj od 100 do 5000Hz. Za kvalitetno studijsko snemanje glasbe je potrebna
karakteristika vsaj med 30 in 16.000Hz.
Slika 29: Frekvenĉni diagram dinamiĉnega mikrofona
Poznamo veĉ vrst mikrofonov:
oglene,
kondenzatorske,
dinamiĉne,
kristalne.
Slika 30: Kondenzatorski mikrofon
Slika 31: Dinamiĉni mikrofon
Stroboskopska naprava
28
Slika 32: Kristalni mikrofon
Slika 33: Ogleni mikrofon
3.4 Primerjalnik (komparator)
Primerjalnik je analogno stikalo, ki preklopi iz nizkega napetostnega nivoja (L – low) na
visoki napetostni nivo (H – high), ko gre vhodni signal skozi referenĉni napetostni nivo
UREF. Grafiĉni simbol za primerjalnik je enak simbolu za operacijski ojaĉevalnik.
Slika 34: Primerjalnik (komparator)
Pri tem sta vhoda u1 in u2 uporabljena za primerjano in primerjalno napetost. V nasprotju
z operacijskim ojaĉevalnikom se primerjalnik uporablja v vezjih brez povratne vezave in
mora biti stabilen le v podroĉjih »+« in »–«nasiĉenja. OPA mora biti stabilen v linearnem
podroĉju. Iz omenjenega razloga primerjalnik nima vgrajenega dominantnega pola, ki
zagotavlja stabilnost v linearnemu podroĉju.
Stroboskopska naprava
29
3.5 Multivibratorji
Multivibratorji spadajo v skupino regenerativnih vezij, katerih skupna znaĉilnost je
prisotnost povratne vezave v vezju. Pri multivibratorjih je pogoj za nihanje moĉno
preseţen: Aβ > 1.
Poslediĉno imamo pri multivibratorjih opravka z zelo hitrim prehodom iz enega v drugo
natanĉno doloĉeno stanje. Hitrost preklopa izhodnega signala je odvisna samo od
elementov vezja. V osnovi delimo vezja multivibratorjev na: bistabilna, astabilna in
monostabilna vezja. Vsako od navedenih vezij ima dve stanji. Tako ima bistabilno vezje
dve stabilni stanji, monostabilno vezje ima eno stabilno in eno delno stabilno stanje,
astabilno vezje pa ima dve delno stabilni stanji. Stabilno stanje je tisto, v katerem ostaja
vezje trajno oz. do trenutka, ko ţelimo to stanje hote z zunanjim signalom spremeniti.
Delno stabilno stanje pa je tisto, v katerem se vezje nahaja le doloĉen ĉas, ki je doloĉen z
lastnostmi vezja.
Med bistabilna vezja spadajo do sedaj spoznana vezja flip – flop in vezje regenerativnega
primerjalnika. Pomembna lastnost bistabilnih vezij je, da vztrajajo v doloĉenem stanju,
dokler na vhodu ni ustreznega proţilnega signala oz. impulza. Glede na to, da ima vezje
dve stabilni stanji, potrebujemo dva proţilna impulza, da se vrne nazaj v prvotno stanje.
Monostabilna vezja za vsak vhodni proţilni impulz generirajo izhodni impulz s toĉno
doloĉenim ĉasom trajanja. Vhodni proţilni impulz povzroĉi prehod vezja iz stabilnega v
delno stabilno stanje. Ĉas trajanja delno stabilnega stanja je omejen z elementi vezja.
Obiĉajno ga doloĉa polnjenje oz. praznjenje kondenzatorja do mejne vrednosti napetosti.
Astabilna vezja imajo dve delno stabilni stanji, med katerima vezje konstantno prehaja.
Ĉas trajanja posameznega delno stabilnega stanja je doloĉeno z elementi vezja. Astabilna
vezja za svoje delovanje ne potrebujejo vhodnih signalov. Uporabljamo jih kot generatorje
pravokotnega signala in generatorje ure v digitalnih vezjih.
Slika prikazuje dvostopenjsko strukturo, ki je pogosta oblika realizacije multivibratorjev.
Sestavljata jo dva invertirajoĉa ojaĉevalnika z ojaĉenji A1 in A2 ter povezovalni liniji β1 in
β2. Ojaĉevalni vezji sta lahko tudi logiĉni vrati NE.
Stroboskopska naprava
30
Slika 35: Blokovna shema multivibratorja
Dva invertirajoĉa ojaĉevalnika tvorita vezje s pozitivno povratno vezavo. Pri tem velja, da
je v aktivnem podroĉju delovanja ojaĉevalnikov ojaĉenje zanke veĉje od ena, A1A2β1β2>1.
V aktivnem podroĉju delovanja so ojaĉevalniki le v trenutku zamenjave stanj. V stabilnem
ali delno stabilnem stanju sta ojaĉevalnika npr. v nasiĉenju U+
SAT in nasiĉenju U–
SAT.
Takrat je ojaĉenje zanke enako 0. Vrsto multivibratorja doloĉa znaĉaj povezovalnih vezij.
Vezje je bistabilno, ĉe sta obe povezovalni vezji uporovni. Signal na vhodu prvega
ojaĉevalnika, ki povzroĉi menjavo stanja, se prek povezovalnega vezja β1 prenese na vhod
drugega ojaĉevalnika, kjer prav tako povzroĉi menjavo stanja. Odziv drugega ojaĉevalnika
se prek povezovalnega vezja β2 prenese na vhod prvega ojaĉevalnika in vzdrţuje njegovo
stanje do naslednjega proţilnega impulza, ki povzroĉi menjavo stanj.
Ĉe je prvo in/ali drugo povezovalno vezje takšno, da sta ojaĉevalnika kapacitivno loĉena,
se enosmerna napetost ne more prenašati neomejeno. Ker se napetost na kondenzatorju ne
more spremeniti hipoma, se sprememba iz prvega in/ali drugega ojaĉevalnika v prvem
trenutku prenese na vhod naslednjega ojaĉevalnika. Proces polnjenja oz. praznjenja
kondenzatorja pa po doloĉenem ĉasu povzroĉi preklop vezja v prvotno stanje.
Monostabilno vezje vsebuje eno, astabilno vezja pa dve takšni povezovalni vezji. Mi bomo
posvetili malo veĉ ĉasa monostabilnemu multivibratorju, ker smo ga tudi uporabili v
našem vezju.
3.5.1 Monostabilni multivibrator
Naloga monostabilnega multivibratorja je generirati izhodni napetostni pulz definiranega
trajanja, ki se generira šele po detekciji vhodnega krmilnega napetostnega pulza.
Stroboskopska naprava
31
Monostabilni multivibrator je torej zopet neko digitalno vezje, ki vsebuje linearni
operacijski ojaĉevalnik. Zaradi generiranja pulza definiranega trajanja pravimo, da imamo
opraviti z enim kvzistabilnim in enim stabilnim stanjem. Monostabilni multivibrator torej
ob nastopu vhodnega krmilnega pulza preklopi v kvazistabilno stanje, ostane v njem
definiran ĉas, nato pa zopet preklopi v stabilno stanje, v katerem ostane do naslednjega
krmilnega pulza. Delovanje monostabilnega multivibratorja si oglejmo na primeru
integriranega vezja NE555, s katerim je moţno realizirati astabilni, monostabilni kot tudi
bistabilni multivibrator.
Slika 36: Elektriĉno vezje MMV na osnovi IC 555
V stabilnem stanju MMV je izhod RS – flipflopa v logiĉnem stanju 0, medtem ko je
njegov invertiran izhod na logiĉni vrednosti 1. Tranzistor zato tedaj kratkostiĉi
kondenzator C, zaradi ĉesar je napetost kondenzatorja enaka 0. Izhod komparatorja 1 ima
logiĉno vrednost 0.
Napetost krmilnega vhoda se mora v ĉasu mirovanja nahajati v visokem logiĉnem stanju.
Napetost mora biti vsekakor višja od UTL tako, da ima tudi komparator 2 na svojem izhodu
logiĉno vrednost 0.
Monostabilni multivibrator sproţimo z negativnim krmilnim pulzom, ĉigar vrednost mora
pasti pod UTL. Takoj ko napetost uTrigger pade pod vrednost UTL, se postavi izhod
Stroboskopska naprava
32
komparatorja 2 v logiĉno stanje 1, s ĉimer postavi izhod RS flip – flopa na logiĉno 1. Ker
sedaj tranzistor ne prevaja, se kondenzator C zaĉne polniti preko upora R. To kvazistabilno
stanje traja le dokler napetost uC ne doseţe zgornjega preklopnega nivoja UTH, ko se
postavi izhod komparatorja 1 v logiĉno stanje 1, zaradi ĉesar tranzistor ponovno kratkostiĉi
kondenzator C. Istoĉasno gre izhodni signal flip – flopa ponovno na logiĉno vrednost 0, to
pomeni da gre ponovno v stabilno stanje.
Slika 37: Potek veliĉin MMV
V trenutku nastopa negativnega krmilnega pulza zaĉne kondenzatorska napetost rasti po
eksponencialni zakonitosti s ĉasovno konstanto .RC
1 ,
kjer je:
– napetost na kondenzatorju,
– baterijska napetost,
t
C b
c
b
u U e
u
U
– ĉas v s in
– ĉasovna konstanta.
t
Ĉe v enaĉbo vstavimo zgornji preklopni nivo TH 2 3C bu U U , ki ga doseţemo v ĉasu
t T , dobimo ln3 1,1 .T RC RC
Stroboskopska naprava
33
Vidimo, da je trajanje napetostnega pulza nastavljivo z ustrezno izbiro upornosti in
kapacitivnosti, ki ju lahko izbiramo v širokih mejah.
Stroboskopska naprava
34
3.6 Univerzalno integrirano vezje NE555
NE555 je zelo stabilen kontroler, ki je sposoben proizvajati toĉne ĉasovne pulze. Za
monostabilno delovanje je trajanje pulza doloĉeno le z dvema elementoma, in sicer z enim
uporom in enim kondenzator. Za astabilno delovanje sta frekvenca in obratovalni cikel
(duty cycle) doloĉena z dvema uporoma in enim kondenzatorjem.
Lastnosti
nastavljiv obratovalni cikel
temperaturna stabilnost 0,005%/° C
ĉasovna nastavitev od µsec – do nekaj ur
izklopni ĉas manj kot 2µsec
visoka tokovna sposobnost delovanja (200mA)
Slika 38: Notranja zgradba NE 555
Uporaba
natanĉen ĉasovnik (timer)
generator pulzov
generator ĉasovne zakasnitve
sekvenĉni ĉasovnik
Stroboskopska naprava
35
4 STROBOSKOPSKO OPAZOVANJE GIBANJA
MEMBRANE ZVOČNIKA
Kot smo ţe omenili v uvodu je namen diplomskega dela izdelati stroboskopsko napravo za
merjenje frekvence in odmikov gibajoĉih delov elektromehanskih aktuatorjev. Za
osvetljevanje bomo uporabili svetleĉe LED diode. Naša ciljna aplikacija je bila
upoĉasnjeno opazovanje gibanja membrane zvoĉnika pri razliĉnih amplitudah in
opazovanje membrane v toĉno doloĉenem poloţaju in med obema skrajnima legama.
Kvaliteta in uporabnost stroboskopa je v veliki meri odvisna od generiranega svetlobnega
pulza. Pomembna je jakost pulza in trajanje pulza. Naša nihajoĉa naprava je bil zvoĉnik,
velikega premera, ki nam je s svojim nihanjem pošiljal signal na mikrofon. Hkrati pa smo s
stroboskopom osvetljevali ta zvoĉnik. Na ta naĉin je bilo mogoĉe sklepati o normalnem
delovanju zvoĉnika. Skonstruirali smo vezje, s katerim smo lahko upoĉasnjeno opazovali
gibanje membrane zvoĉnika pri razliĉnih amplitudah in membrane v toĉno doloĉenem
poloţaju in med obema skrajnima legama. Blokovno zgradbo bomo izpeljali iz analiziranja
osnovne naloge, izvedbo pa bomo opisali in podali v nizanih poglavjih.
Za preprostejše razumevanje si bomo najprej ogledali preprost primer osvetljevanja
raĉunalniškega ventilatorja oz. njegovih vetrnic s pomoĉjo stroboskopa. Na merjenec
(vetrnico) smo namestili košĉek samolepljive odsevne folije in po ţelji pravokotno ali pod
kakšnim naklonom osvetljevali (ali po potrebi, kadar ţelimo prilagoditi merilni doseg, tudi
veĉ simetriĉno po obodu merjenca namešĉenih košĉkov folije).
Ĉe stroboskop utripa hitreje ali poĉasneje v primerjavi z obhodnim ĉasom toĉke (znaĉke),
dobimo vtis da se toĉka (znaĉka), ki jo opazujemo, vrti v nasprotni smeri ali v smeri kot se
v resnici vrti. Le v primeru, ĉe stroboskop utripa tako, da imamo vtis, da toĉka (znaĉka)
Stroboskopska naprava
36
miruje, sta obhodni ĉas toĉke (znaĉke) in utripanje stroboskopa enaka, oziroma sta enaki
njuni frekvenci.
Sestavili smo enostaven monostabilni multivibrator (MMV) z integriranim vezjem NE555,
ki je proţilo visoko svetleĉo LED diodo. Za napajanje smo uporabili laboratorijski
usmernik.
Slika 39: Blokovna shema osvetljevanja vrteĉe vetrnice s stroboskopom
Slika 40: Vezalna shema MMV za osvetljevanje vetrnice
MONOSTABILNI
MULTIVIBRATOR
LED
VENTILATOR
U1
LM555CN
GND
1
DIS7
OUT 3RST4
VCC
8
THR6
CON5
TRI2
VCC
5V
C110nF
VCC
5V
R110k
R262
LED1
XFG1
Stroboskopska naprava
37
Kot prikazuje slika 40 smo na vhod proţilnega vezja (trigger_in) pripeljali pravokotni
signal iz funkcijskega generatorja s katerim smo nastavljali frekvenco utripanja led diode
in skušali z osvetljevanjem »ujeti« vrteĉo »znaĉko«. Hitrost vrtenja ventilatorja smo
nastavljali z loĉenim napajalnim virom s spreminjanjem napetosti od (3 – 12)V.
Z osvetljevanjem smo lahko enostavno ugotovili kdaj se merjenec (ventilator) in utripanje
LED diode sinhronizirata oz. imata enaki frekvenci. In sicer, ĉe je »znaĉka« kljub vrtenju
vetrnice dajala obĉutek kot da miruje smo v tem trenutku »ujeli« toĉno takšno frekvenco s
katero se vrti. Ĉe se je »znaĉka« pomikala poĉasi naprej je bila frekvenca stroboskopa
malo pod frekvenco vrtenja vetrnice. In ĉe se je pomikala poĉasi nazaj je bila frekvenca
vrtenja vetrnice malo pod frekvenco stroboskopa. Odĉitek frekvence smo izvedli s
funkcijskim generatorjem. In ĉe smo to frekvenco pomnoţili s 60 smo dobili pripadajoĉe
obrate vetrnice.
Ta aplikacija bi se lahko še izboljšala z dodatnim mini LCD panelom, ki bi ga dodali v
naše vezje, ki bi nam samostojno odĉitaval vrednosti; v tem primeru frekvenco.
Stroboskopska naprava
38
4.1 Stroboskop za statično opazovanje
Pri samemu naĉrtovanju naše stroboskopske naprave smo si pomagali z obstojeĉo
literaturo s tega podroĉja. Najprej je bilo potrebno naštudirati kaj stroboskop je in kaj z
njim poĉeti oz. narediti.
S stroboskopom za statiĉno opazovanje smo z nastavljanjem potenciometra nastavljali v
kateri legi opazovati membrano oz. prehajanje iz ene lege v drugo s sprotnim
spreminjanjem. Zvoĉnik je preko ojaĉevalnika pošiljal sinusni signal. Stroboskopska
naprava je bila izvedena z lastnim zajemanjem signala – s pomoĉjo mikrofona. Signal smo
nato ojaĉili in ga peljali na prilagoditveno vezje, katero je proţilo monostabilno vezje
(MMV) ta pa LED diode. Osrednja kvalitativna karakteristika stroboskopa je bila v
generiranju svetlobnega pulza, to je ĉas trajanja in poslediĉno jakost svetlobe.
Slika 41: Blokovna shema stroboskopske naprave
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
PRILAGODITVENO
VEZJE
MONOSTABILNI
MULTIVIBRATOR
OJAČEVALNIKMIKROFON
OJAČEVALNIK
ZVOČNIK
FUNKCIJSKI
GENERATOR
LED
NAPAJALNI VIR ZA LED DIODE
PRIMERJALNIK
Stroboskopska naprava
39
Slika 42: Shema statiĉnega opazovanja nihanja
4.2 Opazovanje amplitud nihanj (mehansko) – hkratno
Z opazovanjem amplitud smo ţeleli doseĉi hkratno opazovanje skrajnih leg nihajoĉe
membrane, in sicer tako da smo naredili vezje, ki je dalo 2 bliska; enega na maksimalni
drugega na minimalni vrednosti. Signal, ki smo ga pripeljali iz funkcijskega generatorja
sinusne oblike smo z ojaĉevalnikom ojaĉili in ga poslali na zvoĉnik. Iz zvoĉnika smo
signal »posneli« z mikrofonskim ojaĉevalnikom, ki smo ga nato peljali na blok
prilagoditveno vezje + nastavitev faze. V tem bloku smo uporabili 2 primerjalna vezja,
katera sta na osnovi logiĉnega vezja ALI dala blisk. Oba sta imela na svojem »–« vhodu
(referenca) vezan potenciometer, ki sta morala biti nastavljena tako, da je bil eden na
maksimalni drugi pa na minimalni vrednosti, in smo kot rezultat dobili 2 bliska.
Prilagoditveno vezje je sluţilo za pravilen impulz za proţenje monostabilnega vezja.
U1A
LM324N
3
2
11
4
1
R122k
R21.0M
R322k
C1
100nF
C20.1uF-POL
XLV1
Output
V112 V
V212 V
POS12
Neg12
POS12
POS12
R41M _LIN
Key = A
50%
Neg12
J1
Key = Space
XFG1
A
A
R510K _LIN
Key = B 50%
J2
Key = B
J3
Key = B
(A) (B)
Neg12
POS12
C31.0nF
R610k
R74.7k
Q1
BC547A
U4
LM555CN
GND
1
DIS7
OUT 3RST4
VCC
8
THR6
CON5
TRI2
C410nF
R810k
R962
LED1
U1B5
6
11
4
7
POS12
POS12
R10
1M _LIN
Key = C
50%
Stroboskopska naprava
40
Slika 43: Hkratno opazovanje skrajnih leg nihajoĉe membrane
Slika 44: Shema hkratnega opazovanja skrajnih leg
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
MONOSTABILNI
MULTIVIBRATOR
PRIMERJALNIKOJAČEVALNIKMIKROFON
OJAČEVALNIK
ZVOČNIK
FUNKCIJSKI
GENERATOR
LED
PRIMERJALNIK
PV I
PV II
PRILAGODITVENO
VEZJE
PRILAGODITVENO
VEZJE+NASTAVITEV FAZE
NAPAJALNI VIR ZA LED
DIODE
LED
U1A
LM324N
3
2
11
4
1
R122k
R21.0M
R322k
C1
100nF
C20.1uF-POL
XLV1
Output
V112 V
V212 V
pos12
neg12
pos12
pos12
R41M _LIN
Key = A
50%
neg12
R550%
U4
LM555CN
GND
1
DIS7
OUT 3RST4
VCC
8
THR6
CON5
TRI2
C410nF
R810k
R962
LED1
U2B5
6
11
4
7
U3C10
9
11
4
8
pos12
R10
1M _LIN
Key = C
50%
R6
50%
pos12
neg12
pos12
neg12
R710k
R1110k
C3
1.0nF
C5
1.0nF
Q1
BC547B
Q2
BC547B
D11N4148
D2
1N4148R124.7k
pos12
Stroboskopska naprava
41
Zgornji sliki smo blokovno opisali zdaj pa ju bomo opisali podrobneje. Prvi del vezja, ki
smo ga analizirali je dokaj preprost ojaĉevalnik. Ta nam vhodni signal iz mikrofona ojaĉi.
Samo velikost ojaĉenja pa doloĉamo s spremenljivim uporom R4. Izraĉun je prikazan
spodaj. Potenciometer smo morali nastaviti tako, da na izhodu ojaĉevalnika nismo dobili
popaĉeni signal, ampak lep ojaĉeni sinus. Ojaĉevalnik smo naredili z nizko šumnim
integriranim vezjem LM324, ki vsebuje 4 ojaĉevalne sklope. V vezju smo uporabili vse 4
ojaĉevalne sklope, in sicer enega za ojaĉenje signala iz mikrofona, drugega za
primerjalnik, tretjega in ĉetrtega pa za generator trikotne napetosti. Napajalno napetost
12V smo izbrali zaradi simetriĉnosti samega vezja. Najprej si poglejmo preprosti
ojaĉevalnik, ki smo ga uporabili za ojaĉenje signala iz mikrofona.
Stroboskopska naprava
42
Slika 45: Mikrofonski ojaĉevalnik
Slika 46: Blok shema LM 324
U1A
LM324N
3
2
11
4
1
R122k
R21.0M
R322k
C1
100nF
C20.1uF-POL
XLV1
Output
V112 V
V212 V
Pos12
Neg12
Pos12
Pos12
R41M _LIN
Key = A
50%
Neg12
comp_in
J1
Key = Space
XFG1
A
A
Stroboskopska naprava
43
Slika 47: Ojaĉeni mikrofonski signal frekvence 50 Hz
Mikrofon prejme signal iz zvoĉnika, kateri je prikljuĉen na dodatno ojaĉevalno vezje.
Signal na zvoĉnik pripeljemo iz funkcijskega generatorja, kateremu nastavljamo poljubno
frekvenco. Mikrofonski signal prikljuĉimo na neinvertirajoĉo vhodno sponko
operacijskega ojaĉevalnika, z uporoma R1 in R4 pa poskrbimo za zunanjo negativno
povratno vezavo. Izhodna napetost je v fazi z vhodno napetostjo.
Vrednost ojaĉenja izberemo z razliĉnimi meritvami, pri tem pa pazimo da signala ne
prekrmilimo.
Ojaĉevalnik nam ojaĉi signal za najveĉ faktor . To ojaĉenje se dobi iz enaĉbe:
4 4
1 1
4max
1
1 ;
1M
22k .
R RA
R R
R
R
Ta ojaĉeni signal smo nato uporabili za naslednji sklop vezja, in sicer za primerjalnik
(komparator).
Stroboskopska naprava
44
Slika 48: Primerjalnik (za nastavitev faze)
Slika 49: Pomikanje pulza po x – u
Primerjalnik je v bistvu ojaĉevalnik, ki deluje brez povratne vezave. Ĉe je napetost na
comp_in malo veĉja od u2 je izhod operacijskega ojaĉevalnika v pozitivnem nasiĉenju, ko
pa je comp_in
Stroboskopska naprava
45
nizkega napetostnega nivoja na visoki napetostni nivo, ko gre signal skozi referenĉno
napetostni nivo UREF. Vhodni signal je bil ojaĉeni sinusni signal, referenco pa smo
nastavljali s potenciometrom.
Ugotovili smo da, ĉe smo na vhod »+« primerjalnika pripeljali signal pravokotne oblike oz.
prekrmiljeni signal nihanja membrane z nastavljanjem UREF ni bilo mogoĉe lepo opazovati.
Kot prikazuje slika 50; USIG je signal na »+« vhodu, UREF pa »–« vhodu primerjalnika. In
ĉe sedaj opišemo ĉasovni potek, vidimo da pri UREF (1), dobimo na izhodu primerjalnika
logiĉno »0«, ĉe pa to UREF dvigujemo (2, 3) je izhod iz primerjalnika vedno visok, logiĉna
»1«. Torej pri prekrmiljenem signalu ne moremo izbirati trenutka opazovanja
(osvetljujemo vedno isto lego).
Slika 50: Prekrmiljeni signal na vhod primerjalnika
Stroboskopska naprava
46
Stikalo v poziciji A – statiĉno opazovanje nihanja membrane, s spreminjanjem vrednosti
potenciometra doseţemo prehajanje membrane iz maksimalne v minimalno lego in
obratno.
Slika 51: Nastavljanje potenciometra v poziciji A
S primerjalnikom smo izbrali ţeleni poloţaj – lego opazovanja membrane. Na zgornji sliki
se vidi ta doloĉitev pulza, ki smo ga lahko premikali po x osi in na ta naĉin doloĉili, v
kateri legi opazovati membrano. Sinusni signal je vstopajoĉi signal v primerjalnik, pulzi pa
iz primerjalnika.
Stroboskopska naprava
47
Ugotovili smo da pulzi (comp_out) ne proţijo monostabilnega vezja, zato je bilo potrebno
skonstruirati dodatno vezje, ki smo ga vstavili med primerjalnik (komparator) in
monostabilno vezje. Monostabilno vezje potrebuje proţilni pulz z negativnim naklonom, to
je prehod iz visokega v nizko stanje.
Pulz, potreben za svetlobni vir smo realizirali z monostabilnim vezjem NE555. Iz podatkov
smo razbrali, da mora biti proţilni pulz mnogo krajši od monostabilnega stanja te
amplitude 2/3 UCC. Omenjeno je prikazano na sliki 52.
Slika 52: Ĉasovni potek proţilnega pulza
Slika 53: Prilagoditveno vezje
Iz operacijskega ojaĉevalnika (oz. primerjalnika – comp_out) dobimo premajhne
spremembe napetosti, zato vgradimo vmesno prilagoditveno vezje. S tem dobimo
C3
1.0nF
R610k
R74.7k
Q1
BC547A
trigger_in
comp_out
V112 V
pos12
pos12
Stroboskopska naprava
48
zadostno spremembo izhodne napetosti, ki je potrebna za proţenje (trigger_in) NE555. Za
to poskrbijo C3, R6 in Q1. Hkrati pa smo dosegli proţenje na pozitivnem naklonu (vzponu)
opazovanega signala slika 54.
Slika 54: Proţenje na pozitivnem delu opazovanega signala
Slika 55: Nastavljanje UREF za opazovanje nihanja (amplitude) membrane
Zgornja slika nam prikazuje proţenje stroboskopa z nastavljanjem razliĉne vrednosti na
primerjalniku UREF. In sicer, slika 55a prikazuje kdaj se zgodi blisk ob nastavitvi UREFmin,
slika 55b pa ob nastaviti UREFmax.
Stroboskopska naprava
49
Slika 56: Pulz za proţenje NE 555
Slika 57: MMV
U2
LM555CN
GND
1
DIS7
OUT 3RST4
VCC
8
THR6
CON5
TRI2
C410nF
R810k
R91M _LIN
Key = C 50%
trigger_in
pos12 pos12
LED1
V112 V
pos12
R1062
Stroboskopska naprava
50
Slika 58: Nastavljanje širine pulza
Monostabilno vezje je sestavljeno iz integriranega vezja NE555, kondenzatorja,
potenciometra in navadnega upora. Na vhod trigger_in pripeljemo kratek pulz (roza), ki
proţi naše vezje (zelena). Za ta kratek pulz poskrbi prilagoditveno vezje. Potenciometer v
vezju sluţi za nastavljanje ĉasa trajanja pulza.
Potenciometer smo v vezje vstavili naknadno, saj je bilo potrebno pri višjih frekvencah ta
ĉas pulza zmanjšati na minimum pri niţjih pa poveĉati na maksimum, da se izognemo
nejasni sliki membrane pri višjih frekvencah.
Slika 59a: Osvetljenost membrane pri 20Hz
Stroboskopska naprava
51
Slika 60b: Osvetljenost membrane pri 100Hz
Zgornja slika nam prikazuje osvetljenost membrane pri dveh razliĉnih frekvencah, npr.: 20
in 100Hz. Pri 20Hz je za osvetlitev oznaĉenega dela (membrane) potreben blisk, takšne
širine kot ga vidimo pod to sliko (slika 59a). Ta isti blisk bi se pri 100Hz videl na drugem
mestu oz. razmazano. Ĉe bi pri 100Hz hoteli osvetliti tisti del kot smo ga pri 20Hz bi za to
potrebovali bistveno krajši blisk (slika 60b).
4.3 Upočasnjeno opazovanje nihanja membrane
Ideja rešitve te zahteve je v poĉasi spreminjajoĉi referenĉni napetosti. V osnovno blokovno
shemo smo vkljuĉili dodatni generator trikotne oblike.
Slika 61: Blokovna shema upoĉasnjenega opazovanje nihanja membrane
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
PRILAGODITVENO
VEZJE
MONOSTABILNI
MULTIVIBRATOR
OJAČEVALNIKMIKROFON
OJAČEVALNIK
ZVOČNIK
FUNKCIJSKI
GENERATOR
LED
NAPAJALNI VIR ZA LED DIODE
OSCILATOR
TRIKOTA
PRIMERJALNIK
Stroboskopska naprava
52
Slika 62: Shema upoĉasnjenega nihanja
Stikalu v poziciji B pripeljemo na sponko signal trikotne oblike (frekvence 0,5Hz). Pri tem
pa potenciometer nastavimo tako, da zavzame ĉim veĉje nihanje membrane. In potem
lahko opazujemo prehajanje membrane iz maksimalne v minimalno lego brez našega
sprotnega nastavljanja (avtomatiĉno).
U1A
LM324N
3
2
11
4
1
R122k
R21.0M
R322k
C1
100nF
C20.1uF-POL
XLV1
Output
V112 V
V212 V
POS12
Neg12
POS12
POS12
R41M _LIN
Key = A
50%
Neg12
J1
Key = Space
XFG1
A
A
R510K _LIN
Key = B 50%
J2
Key = B
J3
Key = B
(A) (B)
Neg12
POS12
C31.0nF
R610k
R74.7k
Q1
BC547A
R12
1.0M
R13
68k
R11
100k
C5
330nF
U4
LM555CN
GND
1
DIS7
OUT 3RST4
VCC
8
THR6
CON5
TRI2
C410nF
R810k
R962
LED1
U1B5
6
11
4
7
U1C10
9
11
4
8
U1D12
13
11
4
14
POS12
STROBOSKOPSKA NAPRAVA
POS12
R10
1M _LIN
Key = C
50%
Stroboskopska naprava
53
Slika 63: Stikalo v poziciji B
Slika 64: Nastavljanje potenciometra v poziciji B
Vezje je sestavljeno iz dveh preostalih ojaĉevalnih sklopov LM324: prvi deluje kot
integrator, drugi pa kot primerjalnik s histerezo (Schmitt – trigger).
Slika 65: Generator trikotne oblike
U1B5
6
11
4
7
R510K _LIN
Key = B 50%
comp_in
comp_outJ3
Key = Space
J2
Key = Space
u2
pos12
neg12
V112 V
V212 V
pos12
neg12
trikot
(A) (B)
U1C10
9
11
4
8 U1D12
13
11
4
14
R12
1.0M
R13
68k
R11
100k
C5
330nF
trikot
V1
V+
Vc
Vout=Vo+, Vo-
Stroboskopska naprava
54
Analiza delovanja vezja
Ţe pri obravnavi primerjalnika smo ugotovili, da je njegov izhod lahko le v stanju
out 0 0V V oz. V , odvisno od vrednosti napetosti na + in – vhodu: v > v oz. v v . Torej
je izhod Vout v stanju 0V v nekem ĉasu T1 in v stanju 0V
v nekem ĉasu T2 (slika 66).
Zaradi povratne vezave pride napetost izhoda ,0V na vhod integratorja. Kot vemo se pri
integratorju v ĉasu T1,2 kondenzator polni s konstantnim tokom iC1,2. Ĉe upoštevamo še
zvezo med tokom in napetostjo na kondenzatorju,
velja ,
1,20
1,2
vVconst
C
C
di C
R dt
.
Zato ima napetost na kondenzatorju VC in s tem na izhodu integratorja V1 odsekoma
linearen potek s ĉasom, brez nezveznosti – torej obliko lepih trikotnih pulzov (slika 66).
Izraĉun amplitude 131 011
V VR
R
in amplitude 131 011
V VR
R
.
Slika 66: Ĉasovni potek signalov integratorja in schmitt – proţilnika
V enem ĉasovnem intervalu, T1 ali T2, se napetost na kondenzatorju spremeni za
+ 131 1 0 011
v V V V .CR
VR
Doloĉitev ĉasa T1: kot smo videli, se v ĉasu T1 kondenzator nabija s tokom iC1 in se zato
naboj na kondenzatorju spremeni za C C1 1Q i T . Ob upoštevanju zapisanih enaĉb je ĉas
Stroboskopska naprava
55
C 5 C 0 0 13
1 C 12 5
C1 110 12 0
0 0 13
2 12 5
110
v V v ,
V
V .
Q C V RT R C
i RR V
V RT R C
RV
Perioda oscilacij T oz. frekvenca je enaka :
0 0 0 0 131 2 12 5
110 0
V V V V1
V V
RT T T R C
f R
Ker imamo simetriĉno napajanje operacijskega ojaĉevalnika 0 0 0V V V !
Tedaj se izrazi poenostavijo 131 2 12 511
2R
T T T R CR
. Pulzi so torej simetriĉni.
Frekvenca oscilacij f je enaka 13
12 5 11
1 1
2 4
Rf
T R C R .
Slika 67: Trikotni signal za poĉasno opazovanje nihanja membrane
Zgornja slika prikazuje trikotno obliko signala, ki smo jo dobili z uporabo primerjalnika s
histerezo in integratorja. Ta trikotni signal smo peljali na stikalo B primerjalnika.
Frekvenco s katero smo opazovali nihanje membrane smo izraĉunali iz zgoraj navedenih
enaĉb.
Stroboskopska naprava
56
4.4 Stroboskopsko statično opazovanje s PLL zanko
Aplikacijo bi bilo moţno še nadgraditi s PLL zanko (fazno zaklenjena zanka). Katere
naloga bi bila samodejno prilagajanje dolţine bliska. Na izhodu primerjalnika bi dobili
impulze, katere bi potem zgladili z RC ĉlenom. Napetost z filtra bi nato peljali na VCO, ki
bi nam generiral frekvenco v odvisnosti od napetosti. Z VCO – ja bi naprej peljali vlak
pulzov, na Johnsonov števec, ki bi ga uporabili za delitev frekvence z 10. Njegove izhode
pa bi izkoristili za proţilno vezje. In sicer tako, da bi preko stikala omogoĉali izhode Q0 –
Q9. Te pa preko prilagoditvenega vezje peljali na proţilno vezje in na LED diode.
Slika 68: Statiĉno opazovanje s PLL
Slika 69: Izbira ĉasa bliska
VCONizko -
frekvenčni
filter
Primerjalnik
Delilnik
frekvence
/10
fvhfizh=fvh*10MIKROFON
CP0
Stroboskopska naprava
57
5 SKLEP
Namen diplomske naloge je bil naĉrtovanje stroboskopske naprave za opazovanje vrteĉih
in gibajoĉih delov elektromehanskih aktuatorjev z moţnostjo meritve frekvence in
odmikov. Poudarek je bil na opazovanju gibanja membrane zvoĉnika. Na ta naĉin je bilo
mogoĉe sklepati o njegovem normalnem delovanju. Za osvetljevanje smo uporabili
svetleĉe LED diode.
Naĉrtali in izdelali smo lastno stroboskopsko napravo, katere naloga je bila:
Upoĉasnjeno opazovanje gibanja membrane zvoĉnika pri razliĉnih amplitudah in
frekvencah,
opazovanje membrane v toĉno doloĉenem poloţaju in med obema skrajnima
legama.
Ta naloga bi se lahko tudi nadgradila, vendar je zaradi obseţnosti ostala le pri razmišljanju
in snovanju vezja, ni pa bila tud testirana. Zamisel je bila kako bi v primeru ko nimamo
dostopa do elektriĉnega signala, ki vzbuja zvoĉnik ali drugi senzor potrebno doseĉi
sinhronizacijo med signalom elektromehanskega aktuatorja in impulznim krmiljenjem
LED diode. To lahko doseţemo s PLL vezjem.
Stroboskopska naprava
58
6 LITERATURA
1) D. Fefer, A. Jegliĉ, Elektroakustika, Fakulteta za elektrotehniko, raĉunalništvo,
Ljubljana, 1993
2) J. Millman, A. Grabel, Microelectronics, Mc Graw-Hill Book Company, New York,
1987
3) U. Tietze, Ch. Schenk, Electronic circuits: Design and applications, Springer – Verlag,
Berlin/Heidelberg, 1991
4) R. Babiĉ, Operacijski ojaĉevalniki, Fakulteta za elektrotehniko, raĉunalništvo in
informatiko, Maribor, 2001
5) Roland. E. Best, Phase – locked loops, McGraw – Hill, 1984
6) M. Solar, Osnove elektronike, zapiski predavanj, Fakulteta za elektrotehniko,
raĉunalništvo in informatiko, Maribor
7) P. Šuhel, Operacijski ojaĉevalnik v sistemih, D design, Mengeš, 1995
8) http://www.google.si/url?sa=t&source=web&ct=res&cd=1&ved=0CAkQFjAA&url=h
ttp%3A%2F%2Fhrcak.srce.hr%2Ffile%2F61894&rct=j&q=primjene+stroboskopa&ei
=YoEmS7_BDozCsAb6_eX1Bw&usg=AFQjCNHdzoy-Ib3F15G--
3bRDykAEKgLSQ
9) www.fairchildsemi.com/ds/LM/LM555.pdf
10) http://web.mit.edu/6.933/www/Fall2000/edgerton/www/stroboscope.html
11) http://homepages.which.net/~paul.hills/Circuits/Stroboscope/Stroboscope.html
12) http://books.google.com/books?id=SCmbzIVChFQC&pg=PA14&dq=Joseph+Antoine
+Ferdinand+Plateau&lr=&hl=sl#v=onepage&q=Joseph%20Antoine%20Ferdinand%2
0Plateau&f=false
http://www.fairchildsemi.com/ds/LM/LM555.pdfhttp://web.mit.edu/6.933/www/Fall2000/edgerton/www/stroboscope.htmlhttp://homepages.which.net/~paul.hills/Circuits/Stroboscope/Stroboscope.htmlhttp://books.google.com/books?id=SCmbzIVChFQC&pg=PA14&dq=Joseph+Antoine+Ferdinand+Plateau&lr=&hl=sl#v=onepage&q=Joseph%20Antoine%20Ferdinand%20Plateau&f=falsehttp://books.google.com/books?id=SCmbzIVChFQC&pg=PA14&dq=Joseph+Antoine+Ferdinand+Plateau&lr=&hl=sl#v=onepage&q=Joseph%20Antoine%20Ferdinand%20Plateau&f=falsehttp://books.google.com/books?id=SCmbzIVChFQC&pg=PA14&dq=Joseph+Antoine+Ferdinand+Plateau&lr=&hl=sl#v=onepage&q=Joseph%20Antoine%20Ferdinand%20Plateau&f=false
Stroboskopska naprava
59
Stroboskopska naprava
60
7 PRILOGE
Seznam prilog:
A. Vsebina priloţene zgošĉenke
B. Slike
C. Ţivljenjepis
Stroboskopska naprava
61
A. Vsebina priloţene zgošĉenke
Diplomska naloga v .pdf formatu
B. Slike
Slika 70 : Tiskano vezje stroboskopske naprave
Stroboskopska naprava
62
Slika 71 : Sprednja stran plošĉice
Slika 72 : Spodnja stran plošĉice
Stroboskopska naprava
63
Stroboskopska naprava
64
C. Ţivljenjepis
Ime in priimek: Draţen Djukić
Rojstni podatki: 26. 07. 1984
Šolanje: 1991 – 1999 3. Osnovna šola Celje
1999 – 2004 Srednja elektro in kemijska šola, Celje, smer
elektronika
2004 – 2009 Fakulteta za elektrotehniko, raĉunalništvo in
informatiko, smer elektronika, Maribor.
Naslov študenta:
Draţen Djukić
Savinova 4
3000 Celje
E – mail: drazen.djukic@uni-mb.si
Recommended