Värmestyrning i handske

Transkript

1 Värmestyrning i handske Högskolan i Halmstad IDE-sektion Handledare: Arne Sikö Malek Ould Younes E Pero Macut E

2 FÖRORD Denna uppsats är på C nivå och ingår som del i examensarbetet för elektroingenjörerna på Högskolan i Halmstad. Examensarbete har gjorts i samarbete med TSU i Halmstad. Vi tackar Arne Sikö, Ruben Rydberg och Emil Nilsson för stöd och hjälp under examensarbete. Halmstad Malek Ould Younes och Pero Macut 2

3 SAMMANFATTNING Den här rapporten är ett resultat av ett projekt som gick ut på att konstruera en krets som används i en värmehandske. Värmehandsken är ett tekniskt hjälpmedel som tillför värme till händer inuti handskar och vantar. Den är särskild lämplig för gamla människor som har kalla händer på grund av dåligt blodcirkulation. I handsken fanns från början ett gammalt kretskort. I dagens läge ges ut en konstant ström som utvecklas till värme från batteriet genom kretskortet till handsken. Temperaturen ligger maximalt mellan 2 4 o C. Problemet med den befintliga kretsen var att reglera temperaturen. Det fanns bara en on/off knapp och man kunde inte ställa in det önskad värdet (temperatur). För att lösa detta problem har en undersökning av gamla kretsen utförts. En hel ny krets utvecklades vilket resulterade i ett återkopplat reglersystem med en regulator och en sensor. Sensorn känner av (avläser) temperaturen dvs. värmen i handsken som det aktuella värdet vilket i sin tur kopplas till en jämförare där det jämförs med det önskade värdet. Med en potentiometer kan man ställa in önskad temperatur. ABSTRACT This rapport is result of a project. The purpose of which was to design a circuit that is used in a heat glove. The heat glove is the technical aid which provides heat inside a glove. It is specially suited for old people who have problems with cold hands because of decreased blood circulation. There already was an old circuit in the glove that gives a constant current which develops heat from battery to glove through a circuit. The temperature is between 2 and 4 degrees. The problem with the existing circuit was to regulate the temperature. There is only on/off switch and there is no way to adjust desirable value of the temperature. In order to solve the problem the old circuit was investigated. A whole new circuit has developed which resulted in a control system with feedback. This system has a controller and a sensor. A sensor feels the current temperature and connects that to comparator where this shall compare with desirable value. With a potentiometer you can put in a desirable value.

4 INNEHÅLLSFÖRTECKNING SAMMANFATTNING ABSTRACT INLEDNING 6. SYFTE / PROBLEM BESKRIVNING 6.2 AVGRÄNSNING 6 2 BACKGRUND 7 2. DEN URSPRUNGLIGA KRETSEN TEMPERATURMÄTNINGAR 8 2. BATTERIER NiCd (NICKEL KADIUM-BATTERIER) NiMh (NICKEL METALLHYDRID-BATTERIER) 2.. UPPLADDNING OCH URLADDNING AV NiCd OCH NiMh-BATTERIER METOD. BLOCKDIAGRAM.2 LINJÄR RAMPGENERATOR MED RC-TIMER KOMPONENTBERÄKNINGAR FÖR RAMPGENERATOR RAMPGENERATOR AMPASSNING 4. TEMPERATURSENSORN 5.. TEMPERATURSENSORMÄTTNINGAR 5.4 MOS-FET TRANSISTOR 6.4. TRANSISTOR GRUNDFUNKTION BJT-TRANSISTOR 8.4. IRF 7459 TRANSISTORNS ANPASSNING 8.5 P-REGULATOR 9.6 JÄMFÖRARE ( SUBTRACTOR ) 2.7 KOMPARATOR 2.7. KOMPARATOR MED HYSTERES 2 4

5 .8 BATTERI 22.9 REGLERTEKNIK BLOCKSCHEMA PROCESSENS BETEENDE STABILITET 25 4 RESULTAT 27 5 SLUTSATS OCH DISKUSSION TESTNING 29 6 REFERENSLISTA 7 BILAGOR 2 5

6 INLEDNING I dagens samhälle finns det många personer som besväras av kylan både i det privata och offentliga livet. Kylan är särkilt påfrestande för händer och förhindrar många gånger utförandet av aktiviteter. Andra individer besväras av kalla händer och fötter på grund av dålig blodcirkulation framför allt äldre människor. Företaget TSU som är placerad i Halmstad utvecklar olika hjälpmedel som kommer till användning framför allt inom hälsovården. De produkter som utvecklas av TSU är exempelvis madrasser, sittdynor hälskydd för att förebygga trycksår. TSU har även utvecklat värmehandsken som är ett hjälpmedel för individer som besväras av kyliga händer och fötter. Den värmehandske som har utvecklats av företaget uppnår inte de önskade resultat då bl.a. handskens temperatur inte är reglerbar. Företagets önskemål är att förbättra handskens prestanda, kunna styra temperaturen och göra de mer effektiv.. Syfte/problembeskrivning De mätningar som gjordes på den gamla kretsen visar att tekniken som finns implementerad i handsken är inte tillräckligt bra. Den saknar reglerdelen och återkopplingen. Temperaturen går inte att ställas efter önskan utan istället har man en konstant och kontinuerlig effektutveckling som är oberoende av utetemperaturen. Ytterligare problem är handskens effektförbrukning, konsumtionen är hög och batterierna är icke miljövänliga. Syftet med arbetet är att omkonstruera kretsen genom att införa ett reglersystem. Man ska kunna ställa in ett börvärde med hjälp av en trimpotetiometer. Tekniken ska också innehålla en återkoppling som utnyttjas på bästa sätt för att kunna spara på batterier. När man når börvärdet ska strömmen kopplas ur vilket leder till mindre effektförbrukning..2 Avgränsning Projektets mål är att omkonstruera den befintliga kretsen, det ligger inte i projektets syfte att designa en ny värmehandske eller att ta fram ett nytt material. 6

7 2 BAKGRUND Värmehandsken är tillverkad av polyesternät med mudd och plastad tunn elslinga. Näthandsken träs på handen och ovanpå den tas en vanlig ytterhandske. Ytterhandsken kan vara av skinn, bomull eller ylle. Den drivs av fyra NiCd batterier av typen LR6/R6- AA, 4,8V / mah som i kontinuerlig drift varar i max 2 timmar. Batterierna är placerade i mudd fickan och väger tillsammans gram. Mudd fickan finns på handledens utsida och hindrar inte rörelse. Värmehandsken Värmen som värmetrådarna avger utnyttjas maximalt då alla trådarna är inuti handsken/vanten. Termostaten är integrerad i nätmaterialets översida och inkapslat så att det inte är tillgängligt för brukare. Termostaten är siliconicerad och därmed vattentät. Batteriet varar ca 2 timmar beroende på omgivningstemperatur och ytterproduktens isolerande egenskaper. Således åtgår mycket mer ström vid 2 grader än + 5 grader. Extrabatterier medföljer samt uppladdningsenhet. Obs!!!! Varje batteri måste laddas minst 2 timmar för att ge bra livslängd. 2. Den ursprungliga kretsen Vissa mätningar visar att systemet är tidsberoende medan andra visar att den är temperatur beroende. Dessutom kunde man inte identifiera två komponenter vilket gör undersökningen besvärligare. Figur 2.. nedan visar kretsschema på den ursprungliga kretsen där komponenterna D och J inte går att identifiera. Dessa kan förväxlas med spänningsregulator och diod. Därför bestämde vi oss för att gå vidare och bygga en hel ny krets med nya komponenter och ny teknik. 7

8 R 27 R6 k V 4.8Vdc C 22n.8V D2 D5NH45 D R5.6k.8V J J2SJ6 BAR74 R8 R4.8V U 2 - V+ 7 OUT 6 k + 4 LMC72AIN 444.mV V mV R 6.8V R7 k.8v 79.mV R2 k Figur 2.. Ursprungliga kretsen 2.2 Temperaturmätningar För att testa handskens effektivitet har temperaturmätningar gjorts. Dessa gjordes vid fyra tillfällen, två utfördes då utetemperaturen var grader och två vid 5 grader. Resultatet blev olika vid samma utetemperatur, se figur 2.2. och figur temperatur (grad) Temp tid (min) Figur 2.2. Temperaturmätning temperatur (grad) tid (min) Temp Figur Temperaturmätning 2 8

9 Den första temperaturmätningen (Figur 2.2.) inuti handsken gjordes vid en utetemperatur på ca grader. Maxtemperaturen i handsken blev grader och nåddes första gången efter 5 min och andra gången efter min. Medan den andra temperaturmätningen inuti handsken (Figur 2.2.2) gjordes vid en utetemperatur på c:a + 5 grader. Maxtemperaturen i handsken blev i detta fall ca + 22 grader och nåddes första gången efter min, den andra gången efter 2 min och den tredje efter 22 min. Eftersom hudens temperatur ligger på ca 2-4 grader bör handskens temperatur vara runt grader, en temperatur på 22 grader är oacceptabel Då mätningarna utfördes var skillnaden på utetemperaturen 5 grader Mätningarna visade en skillnad på 5 grader på utetemperatur avgör en större skillnad inuti handsken ( grader - 22 grader = 8 grader). Dessa mätningar kan inte vara lämpliga för att varma upp händerna. Hudens temperatur ligger på c:a 2-4 grader 2. Batterier Ett batteri är en produkt som förvarar energi. I det här fallet omvandlas energi, elektrisk ström, till värmeenergi. Anoderna och katoderna kopplas ihop till en belastning. 2.. NiCd (Nickel Kadium-batterier) Kretsen och värmetråden i handsken försörjs med en ström som levereras av laddningsbara batterier så kallade sekundärceller NiCd. I dessa laddningsbara batterier sker en kemisk reaktion som omvandlar elektrisk energi till värme energi. Processen sker i motsatt riktning vid uppladdning av batterier, vilket innebär att batteriet får tillbaka sin energi []. I figur 2... ses en spännings mätning där batterierna kopplades till ett effektmotstånd på. Ω som motsvarar inre resistansen i värmetråden. Spänningen är relativt kontinuerlig i ca 8 minuter och är ca 4.2 V innan den börjar sjunka. spänningsmätning för batteriet U (V) tid (min) U(V) Figur 2... Spänningsmätning för batteriet 9

10 2..2 NiMH-batterier Nickel Metallhydrid-batterier är även de laddningsbara och används i de flesta apparater så som digitalkameror, videokameror och andra bärbara konsumentprodukter. 2.. Uppladdning och urladdning av NiCd och NiMH-batterier Bägge batterierna har en arbetsspänning på.2 V per batteri (Figur 2...). Vid uppladdning går spänningen upp till.4 V. Den sammanlagda spänningen av fyra seriekopplade batterier är 5.8 V. Vid koppling till handsken sjunker spänningen till.2 V, 4.8 V för alla 4 batterier, där hålls spänningen mycket längre tid och i slutet av urladdningen faller spänningen brant till V. Kapacitet: C = I * t = mah, där I är strömmen och t tiden []. Den drifttid det tar för att batteriet sjunker till slutspänningen V blir t = C/I, där C är kapaciteten. Figur 2... Spänningsområdet i batterier [].

11 METOD För att utnyttja batterierna på bästa sätt ska sensorn utnyttjas för att kontrollera temperaturändringar. När börvärdet nås, stängs av värmen. Regleringen ska vara P-reglering.. Block diagram Potentiometer Jämförare P-Regulator Ramp Komparator Transistor Sensor Handske Figur.. Block diagram Blockdiagram ovan (Figur..) visar de viktigaste byggstenarna som ska användas för att konstruera den nya kretsen. Potentiometer är den komponent som används för att bestämma önskad temperatur, börvärdet. Temperatursensorn är den delen som mäter omgivnings temperatur i handsken och omvandlar den till en elektriskt storhet som kallas för ärvärdet. Både värdena, börvärdet och ärvärdet jämförs. För att nå den önskade värdet infördes en subtraherare/jämförare för att indikera storleken på felet U som är resultat av skillnaden mellan bör - och ärvärdet U pot U sen. Reglerfelet U förstärks med hjälp av en P-regulator som är byggd av operationsförstärkaren LM 24 Formeln för förstärkningen av U = U in U R * + R = 2 ut in Utsignalen från rampen kopplas till + ingången på en komparator. Medan utsignalen från P- regulator kopplas till - ingången. Rampgeneratorn är konstruerad av RC-timer 555 och U

12 oscillerar ständigt med en viss frekvens som avgör två referensspänningar vilka är 2V potentialerna för s V och s. Själva komparator består av operations förstärkare LM 24. Utspänningen i komparatorn växlar mellan hög och låg nivå enligt följande: U ramp > U reg => U ut = VOH = Vcc ( Output High Voltage) U < U => U = V V ( Output Low Voltage) ramp reg ut OL = Alla komponenter matas med en enkel matningsspänning på ca 5 volt. Komparatorn lämnar ifrån sig en pulserande signal ( U gs ) som blir själva insignalen till FET- transistor IRF7459. Transistorn jobbar i det fallet som en switch eller tvålägeskrets det vill säga bottning eller strypning beroende på U. Strypt tillståndet inträffar när gate - source spärras medan bottnad tillstånd fås då gate - source leder. Belastningen eller värmetråden får genom elektrisk ström vid transistors stryptillstånd. gs.2 Linjär ramp generator med RC timer 555 VCC R2 k tröskel UA 6 + OUT 2Vs/ - R k RS-v ippa Inv erterare Q 2Vs/ + U4A urladdning OUT trigg 2 - Q R k Figur krets Integrerande kretsen 555 kallas också för tidskrets (Figur.2. ). I 555 kapseln ingår 2 komparatorer, RS-vippa, R för Reset och S för Set, inverterare, transistor och motstånd. De motstånden avgör referensspänningar som är 2V potentialerna s V och s 2V. Reset fås då ben 6 får en spänning som är större än s. Set fås då ben 2 får en spänning som är mindre än V s [2]. I Figur.2.2 visas hur 555: an utnyttjas för att konstruera en rampgenerator []. 2

13 En astabil ramp vippa är en oscillator som har två instabila lägen och den svänger hela tiden mellan dessa två lägen. Den tid det tar för att de ska växla från den ena till den andra tillstånd bestäms av värdena på R och C4. Utsignalen kallas också för sågtandvåg. Dess funktion bygger på upp- och urladdning av C4. Fourieranalysen ger momentan värdet för ramp vågen enligt: (Figur.2.2) 2U U = * sin w π däru =, 5V. * t *sin 2w 2 * t + *sin w * t *sin 4w * 4 t Amplituden i varje term avtar med ordningsnumret hos tonen vilket innebär att urladdnings tiden för C4 blir mycket snabb. VCC_ARROW R4 Q2 BC86C 9K R K U GND OUT LM555 VCC 8 TRG 2 THR 6 4 RST CV 5 DSCHG 7 R2 6.8K C.u Q IRF7459 R K Figur.2.2 Rampgenerator Under tiden t laddas upp C 4 genom BJT - transistorn ( Q ) och t 2 är den tiden som C4 urladdas med genom R. 5* C4 Vcc t =.* R * C4 där Ic I = c 2.7 * R * C4 t << t T.* R * C 4 t Om 2.9 f = = T R * C 4 R.2. Komponent beräkningar för rampgenerator

14 Följande beräkningar gjordes för att få fram lämpliga värden på C 4 och R. T =.* R * C T = s.5 R = C = 47µ F.*47* 6 R = 9.4kΩ 6 T =.* 22* ** =. 24 s T =.24s.24 R = C = µ F.** 6 R = 22 kω T =.5s.5 R = C = µ F.** 6 R = kΩ T = s. R = C = µ F.** 6 R = 9.99kΩ R = k Ω 6 T =.** ** T =.s C = µ F T är tiden, R resistans och C kapacitans..2.2 Rampgenerator anpassning Efter att rampgeneratorn kopplats upp uppstod något oväntat. Utsignalen från generatorn höjdes med en likspänning på.7 V, se figur.2.2. VCC_ARROW R4 Q2 BC86C 9K R K U GND OUT LM555 VCC 8 TRG 2 THR 6 4 RST CV 5 DSCHG 7 R2 6.8K C.u Q IRF7459 R K Figur.2.2. Rampgenerator med utsignalen 4

15 För att sänka rampsignalens bottennivå från.7v ner till V infördes en subtraktor. Subtraktors ena ingången får den rampsignalen och den andra ingången får en likspänning på.7v. Efter jämförelsen sjunker rampen med.7 V, se figur VCC_ARROW R5 2K 4 U2A R 6.8K R9 2K LM24 R K R6 2K R7 2K Figur Ramputsignalen efter sänkningen.. Temperatursensorn Temperatursensorn är den delen som mäter omgivnings temperatur och omvandlar den till en elektriskt storhet (spänning / ström)[4]. Syftet med temperatursensor är att ta reda på temperaturen inuti handsken. Sensorn ska känna av temperaturen i handsken. Användaren ska bestämma hur varmt det ska vara i handsken genom att vrida på ratten. När börvärdet är lika med ärvärdet har man nått rätt temperatur. Men när temperaturen faller under det önskade värdet, kommer jämföraren att upptäcka temperaturskillnaden. Sedan ger den en signal som sätter igång värmen igen. Givaren ska kontrollera att temperaturen i handsken är hela tiden konstant. Den sensor som används i konstruktionen är LM 45. LM 45 är en liten och enkel temperatursensor vars utgångsspänning har ett linjärt samband med temperaturen. Sensorn har en onoggrannhet på ± m V/ C över hela mätområdet. Den är lämplig att användas vid övervakning av t ex batteriladdning, i nätdelar och datorer. Matningsspänningen kan ligga på +4V upp till +V. Strömförbrukning 6 µa max. Temperaturområdet för LM 45 är från - 2 upp till + C. Skalfaktor är enligt databladet [5] är mv/ C. En del mätningar på LM 45:an vid samma rumstemperatur ger olika värden, men med mycket små variationer ± m V/ C beroende på yttre störningar... Temperatursensorns mätningar Mättningar på temperaturgivare visar att givaren arbetar linjärt. Ekvationen för sensorn blir: o U = K T + U där K.8mV / C och U 5mV. * 5

16 Exempel: Vid +2 grader, visar multimeter 76mV. Vilket resulteras av:.8 * mv. För 4 grader visas c:a 972mV. ( Se Figur...) temperatursensorn mätning U/mV T/grad U(T) Figur... Temperatursensorns mätningar.4 MOS- FET transistor Figur.4. Transistorns uppbyggnad [6] I mitten av 6- talet lyckades man tillverka MOS-FET transistor. MOS står för Metal Oxid Semiconductor och FET för Fälteffekttransistor[6]. Fälteffekttransistor består av en kanal med halvledarmaterial av n- eller p-typ och därför kallas de för nmosfet eller pmosfet. Traditionellt används kisel som halvledarmaterial (se Figur.4. [6]) 6

17 I figur.4.2 visas symbolen för n kanals MOSFET. Figur.4.2 Transistorns symboler n - kanals MOSFET.4. Transistor grundfunktion Fälteffekttransistor används för att styra en stor elektrisk ström som passerar mellan elektroderna drain och source. Detta sker genom att en liten elektrisk spänning läggs på elektrodens gate och på så sätt skapas ett elektriskt fält. Bredden på de kanaler där elektronerna färdas bestäms av det elektriska fältet. I detta fall används fälteffekttransistor som en switch eller tvålägeskrets dvs. bottning och strypning Strypt tillstånd: U ds V2 Bottnad tillstånd: U ds I figur.4.. visas en switch med FET transistor. Switchen växlar mellan läge och 2 vilket innebär att transistorn kommer att växla mellan strypt och bottnat tillstånd. I d RL. 4.8Vdc V2 2 S M IRF7459 Uds G Figur.4.. Switch med FET transistor V = I * RL + U 2 d ds Strypt transistor => I d = U ds V2 Kirchoffs spänningslag Bottnad transistor => I blir som max U d ds 7

18 I relation med formeln ovan kan man dra en slutsats angående bottning. Detta tillstånd tillkommer genom att I d får ett värde skilt från så att U ds sjunker till nära V (Figur.4..2 [8]). Figur.4..2 Strypt bottnad tillstånd [8].4.2 BJT- Transistorn som switch Efter en del beräkningar och mätningar på BJT transistor upptäcktes att denna transistor aldrig bottnar. Pulsen ligger över en likspänning på,8 V. Dessutom blir transistor mycket varm och kan vara skadlig för användaren..4. IRF7459 transistorns anpassning MOSFET HEXFET transistor VCC R. Q2 IRF74S/SM V = V2 = 5 TD =.5 TR =.5 TF =.5 PW = PER = V Figur.4.. HEXFET transistor IRF7459 transistorn bottnar, och effektutveckling i denna transistorn (Figur.4..) är så liten att den inte påverkar systemet som föregående transistorn vilket gjorde att denna valdes till konstruktionen. Nedan visas mätningar på effektutvecklingen. 8

19 Strömmen I d = 5 V I d =. 52 A. Ω Inre resistansen r =. 67 Ω ds Maximala ström I = max 2 A Gate source spänningen V gs =.6 2 V Effektutveckling i transistorn 2 2 P = I * R =.52 *.67 =. 8W.5 P-regulatorn Formel VCC U ut U R * + R = 2 in U in 2 LM24 U9A V+ R2 V- OUT U ut R k k Figur.5. P regulator I det aktuella reglersystemet används en linjär regulator som är en viktig del av konstruktionen. En elektronisk P regulator (Figur.5. ) byggs med en operationsförstärkare LM 24 och två motstånd. Förstärkningen K är proportionell mot R 2 R. Laplace transform blir G ( s) = K. Ett lämpligt värde på K bestäms. Om K ökas förbättras snabbheten. Med snabbheten menas hur snabbt systemet reagerar på börvärdesändringar. Förändringar i styrsignalen u är proportionell mot reglerfelet e. Denna beskrivs med följande formeln: u = u + K * e, där u är normalvärdet. När e = är styrsignalen u = u. Med P reglering påverkas amplitudkurvan medan faskurvan blir opåverkad. K bestäms genom att testa olika spänningar. Den spänningen som går ut får inte stiga över.5v. Reglerfelet e är skillnaden mellan börvärdet /önskad värdet och ärvärdet/ aktuella värdet. 9

20 e = r y där r är börvärdet och y är ärvärdet r y Jämförare e Regulatorns uppgift är att känna till reglerfelet, bestämma effekten till värmetråden i handsken. Alltså vid behöv av värmen ökar regulatorn automatiskt effekten (temperatur) i värmetråden eller minskar den när det behövs..6 Jämförare U potentiometer U sensor k R9 k R k 2 LM24 U8A + - VCC 4 V+ V- OUT U ut R R8 k Figur.6. Jämförare[5] En jämförare (Figur.6.) används för att bestämma skillnaden mellan två storheter. Den här kretsen byggs upp med hjälp av operationsförstärkare LM 24 och motstånd. I det här fallet används den för att ta fram skillnaden mellan spänningen U från potentiometer potentiometer och spänningen U sensor från sensorn. Formeln är U potentiometer U sensor = Uut. När U potentiometer är större än U sensor blir U ut lika med det maximala positiva värdet. När U potentiometer är mindre än U sensor blir U ut lika med det maximala negativa värdet..7 Komparator Den ramp astabila vippan kopplas till + ingången på en komparator. Själva komparatorn består av operations förstärkare LM 24. Till ingången kopplas den förstärkta likspänningssignalen från regulatorn. 2

21 Uin,ramp Uin,p_reg VCC UA LM24 V+ 4 V- OUT Uut,comp Figur.7. Komparator En komparator (Figur.7.) är en operationsförstärkare som är icke återkopplad. För utspänningen gäller [7]: Uin > U ref ges Uut = V U < U ges U V in ref ut = OH OL ( Output High Voltage) ( Output Low Voltage) OP förstärkare matas med en enkel matningsspänning + 5 volt. I komparator växlas utspänningen mellan hög och låg nivå. Med en potentiometer kan referensspänningen väljas till önskad nivå..7. Komparator med hysteres. VCC R6 k LM R5 V- + U2A 4 V+ OUT 77k Figur.7.. Komparator med hysteres För att undvika störningar som komparator orsakar infördes hysteres (Figur.7..) genom att förskjuta spänningens omslag med. volt (Figur.7..2). 2

22 U in U =. V U ref Figur.7..2 Omslaget vid hysteres U in är spänningen som lämnas ut av rampen och är.5 volt. U ref är den varierande spänningen från P regulatorn. Motstånd R 6 väljs till k Ω. För att beräkna R5 används följande formel: R6 * Vcc *5 5 U =. = R5 = R5 = Ω ( R + R ) + R Batteri Det är många krav som ställs på tekniken idag. En av de är miljökravet. Efter studier om batterier har det visat sig att Nickel Kadium-batterier(NiCd) är klassificerade som miljöfarliga på grund av sitt kadium innehåll. Nickel Metallhydrid-batterier(NiMH) är miljöanpassade. De innehåller inte de miljöfarliga ämnen som bly, kadium eller kvicksilver[]. Detta är en av stora orsakerna till att Nickel Kadium-batterier är idag nästan helt ersatt av Nickel Metallhydrid-batterier(NiMH). Ytterligare orsak till att använda NiMH-batterier istället för NiCd är drifttiden. NiMHbatterier har en drifttid som är 5% längre än NiCd-batterier,se figur Alltså är NiMHbatterier både miljö- och teknisk bättre anpassande för värmehandsken..9 Reglerteknik Definitionen för reglerteknik är vetenskapen om återkopplande system. Eftersom allt fler processer automatiseras, blir reglersystem allt vanligare och kan användas inom flera områden exempelvis inom teknik, ekonomi, biologi och medicin. Regleringen kan användas i linjära, olinjära, analoga och digitala system. I projektet kommer linjär och analog tidskontinuerlig reglering att användas. 22

23 Ett system som består av en eller fler givare som ska regleras kallas för återkopplat system. K Första ordningssystem blir G( s) = där K är förstärkningskonstanten och T + Ts tidskonstanten. I stegsvaret för ett system ser man hur utsignalen ändrar sig, som funktion av tiden (se Figur.9.2.). För att reglersystem ska fungera är det viktigt att systemet är stabilt. Ett linjärt tidskontinuerligt system är stabilt om alla rötter till karakteristiska ekvationen finns på vänstra sida av det komplexa talplanet. För att ange graden av stabilitet används stabilitetsmarginaler amplitudmarginalen fasmarginalen φ m. Amplitudmarginalen självsvägningsfrekvensen. A m defineras A m = G(ω π där G är kretsöverföringen och ω π är A m och o Fasmarginalen φ m defineras φ m = 8 + arg( G( ωc )) där G är kretsöverföringen och ω c är frekvensen där amplitudförstärknigen är db (decibel). Amplitud- och faskarakteristik kan man se i den logaritmiska skalan som kallas processens bodediagram (Figur.9.). Bodediagram kan användas för att bestämma reglersystemets egenskaperna. G db G arg(g) arg(g) ω c ω π A m φ m o o 9 o 8 Figur.9. Bodediagram.9. Blockschema Ett linjärtsystem beskrivs med en eller flera insignaler och överföringsfunktionen. Systemet kan vara serie, parallell eller återkopplad. Reglersystem består av en process, en regulator och givare (sensor) som återkopplas i en sluten slinga. Den kallas blockschema av återkopplade systemet (Figur.9..). Styrsignalen är en storhet och används att påverka processen som man vill reglera 2

24 Signalerna visar signalriktningen. I det här fallet representerar signalerna spänningen. Regulatorns utsignal är kopplad till processens insignal. Insignal + Re gulator Pr ocess Utsignal Sensor Figur.9.. Blockschema Överföringsfunktioner för regulatorn kallas G R, för processen Kretsöverföring för det här systemet blir G = G R * G P * G S. GR * GP B Den totala överföringsfunktionen blir GTOT = = + G * G * G A A = + G * G * G = kallas karakteristiska ekvationen. R P S R P S GP och för sensorn G S..9.2 Processens beteende Processens första ordning överföringsfunktionen är G( s) =. + Ts För att bestämma överföringsfunktionen G(s) måste man veta storleken på tidskonstanten T. Tidskonstanten T bestäms som att mäta upp hur lång tid tar för stegsvaret att komma upp till 6 % av slutvärdet K. I figur.9.2. visas stegsvar för första ordnings systemet K 6 % T t Figur.9.2. Stegsvar 24

25 Efter mätningen fås tidskonstanten T = 9 och processen blir G( s) =. + 9s Kretsöverföring för det här systemet blir G = G R * G P * G S * * + 9s G(s) =. + 9s.9. Stabilitet För den här första ordnings kretsöverföringen kan man avgöra stabilitet med polbestämningen. G TOT GR * GP = + G * G * G R P S = + 9s + + 9s = + 9s + 9s + + 9s = + 9s + G TOT = 9s + 4 Karakteristiska ekvationen ges 9s + 4 = och polen blir p = sidan av det komplexa talplanet, dvs. systemet är stabilt. 4. Den ligger på vänstra 9 Man kan bestämma för vilket K är systemet stabilt. Överföringen för processen är G( s) =, + 9s för sensorn är G S (s)= och för regulatorn är G R = K Totala överföringsfunktion blir K GR * G K * P G = TOT + GR * GP * G = + 9s = + 9s + 9s + K S + K * * + 9s + 9s G = K TOT + 9s + K där karakteristiska ekvationen är +9s+K =. Enligt beräkningar blir K > -, dvs. att systemet är stabilt för alla K >, K blir aldrig mindre än i det här fallet. 25

26 5 Stegsvar 25 temperatur (grad) tid (sec) Figur.9.. Stegsvar 4 Bode Diagram Gm = Inf, Pm = 9.7 deg (at.66 rad/sec) Magnitude (db) 2 - Phase (deg) Figur.9..2 Bodediagram Frequency (rad/sec) Fas karakteristiken börjar vid grader och överstiger inte 9 grader. Det är första ordning system.amplitudmarginalen blir oändlig stor A m = och fasmarginalen φ m = 9.7 grader vid ω c =.66 rad. 26

27 4 RESULTAT I den gamla kretsen (Figur 2..) fanns inte något reglersystem, ingen återkoppling. Temperaturen kunde inte regleras. Det fanns bara en on / off knappen och man kunde inte ställa in önskad temperaturen dvs. värme. Oavsett viket temperaturen är ute principen är samma. I den nya kretsen (Figur 4.) byggdes ett reglersystem med återkoppling. Det finns också en sensor som ska känna av temperaturen i handsken. Med en potentiometer kan man ställa in den önskade temperaturen som ska jämföras med sensorns temperatur. Temperaturen kan regleras. Systemet byggdes upp på en kopplingsplatta där de olika komponenterna testades, först var för sig och sedan testades hela systemet ihop (se bilagor). Därefter konstruerades en fungerande krets med ytmonterade komponenter. Den färdiga kretsen monterades in i handsken och dess funktion testades. Det gjordes två tester, en i omgivningstemperaturen på +2 grader och den andra vid -9 grader. Resultatet visade en fungerande produkt. Det färdiga kretskortet visas i figur 4.2 VCC_ARROW R4 9K VCC_ARROW Q2 BC86C U GND OUT VCC 8 TRG 2 THR 6 4 RST CV 5 DSCHG 7 Q IRF7459 R5 2K R 6.8K R9 2K U2A LM24 R K LM555 R2 6.8K C.u R K R K R6 2K R7 2K VCC_ARROW PPA R 2K R8 55K 4 P2PA R2 55K U2B 7 LM U2C LM24 R8 K U2D 4 - LM24 Q IRF7459 R5 55K R4 55K R7 68K R6 5K R9 77K Q4 LM VCC_ARROW C2 u PPA VCC_ARROW P4PA Title <Title> DESIGN HANDSKE Size Document Number Rev A <Doc> 762 Wednesday, July 4, 27 Date: Sheet of Figur 4. Nytt kretsschema 27

28 Figur 4.2 Nytt kretskort 28

29 5 SLUTSATS OCH DISKUSSION I stort sett är vi nöjda med resultatet av projektet. Det enda som vi är missnöjda med är arean på kretsen. Den blev större än vad vi hade tänkt oss från början. Anledningen till det är att vi använde en transistor (IRF7459) med åtta ben vilken tar mycket plats. Arean kan minskas genom att använda en transistor med tre ben(2n49) som inte finns tillgänglig i Sverige. Eftersom det skulle ta lång tid att få den transistorn valde vi (IRF7459). I början av examensarbetet lade vi fyra veckor på den gamla kretsen där vi försökte identifiera dess komponenter. Vi gjorde en del olika mätningar där det visade sig att kretsen inte fungerade som det var önskat. Dessutom var vissa komponenter oläsbara och kunde inte identifieras. Om vi hade bestämt oss från början att konstruera ett helt nytt kretskort skulle vi ha sparat mycket tid. Trimpotentiometer typ 2 B skulle kunna ersättas med en potentiometer med vridratt. Temperaturen i handsken ställs genom att vrida på ratten. På grund av tidsbrist använde vi oss av typ 2. Vi hittade inte något bättre potentiometer hos ELFA dessutom att beställa från andra återförsäljare tar längre tid. Ett bra sätt att spara på effekten som ges av batterier är att ha en bra isolering på ytterhandske. Enligt termodynamikens lag överförs värme från en varmare kropp till en kallare. Finns det dålig isolering i handsken blir effektivitet sämre. 5. testning För att kontrollera att kretsen fungerar, har vi testat värmehandsken i en frysbox. Isoleringen runt handsken var relativ bra. Yttertemperaturen på mätning var vid + 2 grader och på mätning 2 var vid 9,5 grader. Figurerna nedan 5.. och 5..2 visar temperaturens beteende som funktion av tiden. Temperaturmätning 4 temp/grader Temp tid/min Figur 5.. Temperaturmätning (yttertemperatur vid +2 grader ) 29

30 Temperaturmätning 2 temp/grader tid/min Temp Figur 5..2 Temperaturmätning 2 (yttertemperatur vid -9,5 grader ) Under testningarna övervakades batteriernas spänningen och drifttiden. Batterierna laddas upp från början till 5,6 V. Under tiden som värmehandsken kopplas till batterierna, sjunker spänningen. Samtidigt som det gjordes temperaturmätningar, testades spänningen i batterierna

31 6 REFERENSLISTA [] Batteriföreningen, www. batteriföreningen.se, Fa: NRC ELEKTRONIK Curt Östberg. [2] Bertil Nilsson, Pulsteknik, andra upplagan, Halmstad (996). [] Walker G. Jung, IC Timer Cookbook, third edition, edited by Welborn Associates(986). [4] Betil Thomas, Modern Reglerteknik, tredje upplagan, Bertil Thomas & Liber Utbildning AB (2). [5] Elfa, [6] Wikipedia, [7] Allan R. Hambley, Electronics, second edition, by Syprentice Hall inc, (2). [8] Hans Lundqvist, Analog kretselektronik, första upplagan, Liber Utbildning, (995).

32 7 BILAGOR Följande sidor innehåller bilagor som visar utsignal till varje komponent. Bilaga A: Signalen från rampgenerator. Bilaga B: Signalen från rampgenerator efter anpassning. Bilaga C: Skillnaden mellan potentiometer och sensor. Bilaga D: Signalen från transistor. Bilaga E: Signalen från komparator. Bilaga F: Signaler från både komparator och transistor. 2

33

34 4

35 5

36 6

37 7

38 8