این مقاله مقدمه ای بر آموزش مبانی طراحی برد پکیج دیواری است. در این مقاله ما به معرفی 6 قسمت برد پکیج دیواری می پردازیم. تقریبا تمام پکیج های دیواری و آبگرمکن های برقی این 6 قسمت را دارند. بنابراین آشنایی با این موارد، اصلی اساسی برای فراگیری اصول طراحی اینگونه بردها می باشد.
معرفی 6 قسمت برد پکیج دیواری
تقریبا هر برد پکیج دیواری یا آبگرمکن برقی این موارد را دارند. این 6 قسمت ها عبارتند از:
- تغذیه سوئیچینگ و رگولاتورها
- پردازنده (میکروکنترلر)
- جرقه زن و مدار تشخیص شعله
- رله ها و خروجی های مدار
- سنسورها و ورودی های مدار
- نمایشگر یا پنل
در ادامه به معرفی هر کدام از این قسمت ها می پردازیم.
تغذیه سوئیچینگ و رگولاتورها
برای روشن کردن و اعمال ولتاژ به برد پکیج دیواری کافیست کابل برق ورودی که از ولتاژ برق شهر استفاده می کند را وصل کنیم. (در ایران برق شهر 220 ولت متناوب (AC) استفاده می شود.)
کانکتور ورودی پس از دریافت 220 ولت متناوب این ولتاژ را به چندین قسمت منتقل می کند. مهم ترین مسیر ورودی این ولتاژ به ورودی مدار تغذیه سوئیچینگ است. در مدار تغذیه سوئیچینگ با دریافت 220 ولت متناوب، این ولتاژ توسط یک پل دیود یکسوسازی می شود و سپس توسط یک خازن الکترولیتی به طور مثال 22 میکروفاراد 400 ولت فیلترشده و یک ولتاژ حدود 310 ولت جریان مستقیم (DC) به آیسی سوئیچینگ و ترانس سوئیچینگ (یا همان چوک) وارد می شود. در کنار آیسی سوئیچینگ ممکن است قطعات دیگری مثل دیود سوئیچینگ و گاهی در برخی مدارات ماسفت سوئیچینگ حضور داشته باشند.
این مجموعه از مدارت وظیفه دارند با سوئیچ کردن ولتاژ (یعنی قطع و وصل کردن ولتاژ یا همان PWM) و سپس فیلتر آن (توسط ترانس سوئیچینگ، سلف فیلتر و خازن ها) در نهایت ولتاژ مد نظر این مدار را با راندمان بالا به عنوان ولتاژ خروجی تحویل دهند. در برد پکیج دیواری ولتاژ خروجی تغذیه سوئیچینگ معمولا یا 12 ولت DC یا 24 ولت DC است. تصویر زیر نمونه یک تغذیه سوئیچینگ 12 ولت 1.2 آمپر را نشان می دهد.
ولتاژ خروجی تغذیه سوئیچینگ برای قسمت های مختلفی استفاده می شود. برای تحریک پایه های رله ها از این ولتاژ به صورت مستقیم استفاده می شود. بعلاوه برای اینکه پردازنده مدار یا همان میکروکنترلر به درستی کار کند نیاز است که یک ولتاژ مناسب به پایه های تغذیه میکرو وارد شود. این ولتاژ معمولا 5 ولت DC یا 3.3 ولت DC است. میکروکنترلرهای قدیمی تر مثل سری های AVR عموما با 5 ولت کار می کنند و میکروکنترلرهای جدیدتر که سرعت بیشتر و عملکرد بهتری دارند مانند سری STM32 عموما با 3.3 ولت عمل می کنند.
این ولتاژ 5 ولت یا 3.3 ولت توسط قطعه به نام رگولاتور ساخته می شود. رگولاتور با دریافت یک ولتاژ ورودی وظیفه تبدیل آن به یک خروجی مشخص را دارد. به طور مثال با دریافت 24 ولت آن را به 5 ولت تبدیل می کند و به این ترتیب میکرو و قطعات دیگر مثل سنسورها از این ولتاژ استفاده می کنند. تصویر زیر یک رگولاتور 7805 را نشان می دهد. این رگولاتور ولتاژ 5 ولت در خروجی ایجاد می کند.
پردازنده (میکروکنترلر)
برای اجرای عملیات های برد پکیج از قطعه ای برای پردازش استفاده می شود. این پردازنده در بردهای پکیج یک میکروکنترلر است. میکروکنترلر وظایف متعددی دارد. برخی از این وظایف عبارتند از:
- پردازش اطلاعات و تصمیم گیری در مورد عملیات ها
- ذخیره اطلاعات روی حافظه
- خواندن مقدار سنسورهای ورودی
- ارسال مقادیر لازم برای خروجی ها (مثل رله ها یا جرقه زن)
- زمان بندی عملیات ها
- ارسال و دریافت اطلاعات به بردها یا ماژول های دیگر
میکروکنترلر در واقع پکیجی از قطعات مختلف یک کامپیوتر در سایز کوچک است. این قطعه به تنهایی خود یک حافظه فلش (Flash) برای ذخیره سازی کد، حافظه رم (RAM) برای پردازش، یک یا چند هسته پردازنده، واحد های تایمر و ساعت، واحدهای ارتباطی سریال و موازی مانند UART و I2C، مبدل های دیجیتال به آنالوگ (DAC) و آنالوگ به دیجیتال (ADC) و … را دارد.
برخی از میکروکنترلرهای معروف که در بردهای پکیج استفاده می شوند از خانواده میکروهای زیر هستند:
- خانواده میکروکنترلرهای STM32 (مانند STM32F030C8T6)
- خانواده میکروکنترلرهای ATMEL یا همان AVR (مانند ATMEGA32)
- خانوده میکروکنترلرهای PIC (مانند PIC18F4520)
جرقه زن و مدار تشخیص شعله
در بردهای پکیج یکی از مهم ترین قسمت ها در پکیج فرآیند جرقه زدن و تشخیص شعله است. برای تشکیل شعله پس از باز شدن مسیر شیر گاز و تنظیم ولتاژ توسط ماژوله گاز، مدار جرقه زن با جرقه زدن به بدنه مشعل باعث تشکیل شعله می شود.
در واقع جرقه زدن اعمال یک ولتاژ بسیار بالا جریان پایین توسط ترانس جرقه زن در حد 5 کیلوولت تا 20 کیلوولت است. این ولتاژ بین میله یون و بدنه مشعل قرار می گیرد و به دلیل ولتاژ بالا و حضور یک سیال (گاز شهر) بین میله یون و بدنه مشعل، یک جرقه (آرک) تشکیل می شود. مولکول های گاز شهر نیز که در این محفظه احتراق وجود دارند با تحریکی که توسط این جرقه انجام می شود با گاز اکسیژن واکنش نشان می دهند و شعله تشکیل می شود.
پس از تشکیل شعله توسط میله یون باید تشخیص شعله انجام شود. پس از تشکیل شعله و حرارت دیدن میله یون، گازهای یونیزه شدن در فضای مشعل باعث می شوند الکترون ها بین میله یون و بدنه مشعل جاری شده (تشکیل یک جریان الکتریکی کوچک) و یک ولتاژ را تولید کنند. این ولتاژ به مدار جرقه زن و تشخیص شعله وارد می شود و توسط میکروکنترلر مقدارش خوانده شده و وجود یا عدم وجود شعله تشخیص داده می شود.
معمولا مدار جرقه زن و تشخیص شعله دو مدار ایزوله از بخش میکروکنترلر هستند. اما بعضی از بردهای پکیج برای کاهش هزینه مدار، طوری این مدارها را طراحی می کنند که هزینه به حداقل برسد. البته باید در نظر داشت از لحاظ امنیت و کارکرد مدارهای ایزوله کاملا بهتر عمل می کنند. نمونه یک ترانس جرقه زن را می توانید در تصویر زیر مشاهده کنید.
رله ها و خروجی های مدار
برد پکیج دیواری و آبگرمکن برقی تعدادی خروجی برای المان های مختلف پکیج دارد. این المان ها ممکن است در برخی پکیج ها وجود داشته باشند و در برخی پکیج های دیگر وجود نداشته باشند. این المان ها با برق شهر یعنی 220 ولت AC کار می کنند. بنابراین برای قطع و وصل کردن این المان ها در زمان های مشخص و بر اساس چارت عملکرد پکیج، از رله برای قطع و وصل کردن آن ها استفاده می شود. این موارد عبارتند از:
- شیر گاز: شیر گاز برای قطع و وصل کردن مسیر کلی گاز شهر استفاده می شود. معمولا از یک رله دوبل برای این موضوع استفاده می شود که یک پایه آن به صورت فرمان قطع و وصل از رله است و پایه دیگر یک سیگنال برای قطع و وصل رله ایجاد می کند. حضور هر دو فرمان قطع و وصل و سیگنال برای اتصال رله دوبل ضروری است.
- پمپ سیرکولاتور: پمپ وظیفه جریان انداختن آب در مسیر پکیج بین لوله های ورودی و خروجی پکیج و رادیاتورها را دارد. در پکیج های تک مبدل از پمپ استفاده نمی شود.
- فن: فن برای خارج کردن گازهای سمی و آلوده از محفظه احتراق استفاده می شود.
- شیر سه طرفه: این قطعه برای جابجایی مسیر آب بین مدار گرمایش رادیاتور و مدار گرمایش آب مصرفی استفاده می شود. تصویر زیر یک شیر سه طرفه را نشان می دهد.
رله ها به صورت کلی شامل 2 بخش هستند:
- بخش تحریک (کویل های ورودی) که از میکروکنترلر فرمان می گیرد.
- بخش کنتاکت (خروجی های قدرت) که برق 220 ولت را قطع و وصل می کند.
مدار برد پکیج معمولا خروجی های دیگری نیز دارد که با رله کار نمی کنند. این موارد عبارتند از:
- ماژوله گاز: برای تنظیم سطح شعله گاز که خود در میزان گرم شدن و سرعت گرم شدن تاثیر دارد از ماژوله گاز استفاده می شود. مدار ماژوله گاز در واقع سطح ولتاژ تنظیم می کند و تنظیم شدن ولتاژ در یک مقدار مشخص به همان میزان ماژوله گاز مسیر گاز را بیشتر و یا کمتر باز و بسته می کند.
- جرقه زن: همانطور که توضیح داده شد با ارسال فرمان از سمت میکرو به مدار جرقه با اعمال ولتاژ بسیار بالا توسط ترانس جرقه زن عملیات جرقه زدن انجام می شود.
تصویر زیر یک شیر گاز سیگما 845 را نشان می دهد. شیر گاز و ماژوله گاز در این المان تعبیه شده اند.
سنسورها و ورودی های مدار
برد پکیج برای تحلیل داده ها و تصمیم گیری در مورد قطع و وصل کردن خروجی ها نیاز دارد که یک سری سنسور های ورودی را بخواند. در هر برد پکیج دیواری تعدادی از این سنسورها استفاده می شوند. برخی از این سنسورها عبارتند از:
- ان تی سی (NTC): یک سنسور برای اندازه گیری دمای آب است. در برد پکیج معمولا تعدادی ان تی سی برای تشخیص دمای قسمت های مختلف مثل دمای آب مصرفی یا دمای لوله رفت رادیاتور استفاده می شود.
- فلوسوئیچ/فلومتر: برای تشخیص باز و بسته شدن شیر آب مصرفی استفاده می شود.
- پرشرسوئیچ آب/ترنسدیوسر فشار آب: برای تشخیص میزان فشار آب ورودی و مجاز بودن آن استفاده می شود.
- سنسور حد یا بیمتال: برای تشخیص دمای بالا و محدوده خطر مورد استفاده قرار می گیرد.
- ترموستات اتاقی: این قطعه معمولا روی بردهای پکیج به صورت اتصال کوتاه است و برای تعیین دمای مناسب اتاق جهت روشن کردن مدار گرمایش رادیاتور استفاده می شود.
- پرشرسوئیچ هوا: این سنسور در پکیج های فن دار برای تشخیص وضعیت اتصال فن استفاده می شود.
- ترموستات دود: در پکیج های بدون فن از این سنسور بجای پرشرسوئیچ هوا برای تشخیص دمای بالای دودکش استفاده می کنند.
تصویر زیر یک نمونه سنسور ان تی سی مستغرق 10 کیلواهم را مشاهده می کنید.
نمایشگر یا پنل
نمایشگر یا پنل در برد پکیج دیواری آخرین بخش از 6 قسمت برد پکیج دیواری است. نمایشگر می تواند صرفا چند ال ای دی (LED) باشد یا یک نمایشگر کاراکتری و یا یک سون سگمنت. نمایشگر برای نشان دادن وضعیت سنسورها، ارورها و موارد دیگری مثل نمایش دمای دستگاه و یا ساعت استفاده می شود.
نمایشگر صرفا یک عنصر نمایشی است و وجود یا عدم وجود آن خللی در چارت عمکلرد پکیج ایجاد نمی کند صرفا برای استفاده راحت و بهتر روی برد پکیج قرار می گیرد. تصویر زیر عکس نمایشگر یک پکیج دیواری است.
نتیجه:
در این مقاله درباره 6 قسمت اصلی یک برد پکیج صحبت شده است. در آینده مقالات بیشتری در مورد پکیج دیواری، اجزای آن و برد پکیج منتشر خواهیم کرد.
تصویر زیر یک برد پکیج است که توسط تیم مکاترونیک طراحی شده است. به این برد یک پنل هوشمند متصل می شود که قابلیت کنترل از راه دور را دارد.
سایر مطالب مربوط به برد پکیج دیواری را می توانید از اینجا دنبال کنید.
ما در مکاترونیک خدمات مختلفی در زمینه تولید بردهای الکترونیکی از مرحله طراحی، سپس تامین قطعه و چاپ برد و در نهایت مونتاژ بردهای الکترونیکی ارائه می دهیم. جهت مشاوره در زمینه طراحی و تولید بردهای الکترونیکی و ارتباط با واحد فروش می تواند از طریق شماره تماس با واحد فروش ارتباط برقرار کنید.
شماره تماس: 09157336454
تلگرام: mekatronik_ir@
سلام بسیار عالی موفق باشید
با عرض سلام و احترام. تشکر از شما بابت بازخورد مثبتتون🙏