מבואות ומוצאים
🎯 מטרות למידה
בסוף הפרק תוכלו:
- לחווט מבוא ספרתי בשתי השיטות: משותף למינוס ומשותף לפלוס.
- לבחור מגע פתוח או סגור בסולם לפי אופן החיווט בשטח.
- להבחין בין מוצא ממסר למוצא טרנזיסטור ולבחור ביניהם.
- להגן על מוצאים ועל סלילים.
- להסביר למה מודדים ב-4 עד 20 מיליאמפר ולהמיר זרם לאחוזים.
❓ שאלת פתיחה
חיישן מפלס במרחק 200 מטר מהבקר שולח מתח של 0 עד 10 וולט. כשהמכל מלא לגמרי, הבקר מציג רק 92%.
לאן "נעלמו" 8 האחוזים? ואיך התעשייה פותרת את זה?
ידע נדרש
- חוק אוהם ומפל מתח על מוליך.
- פרק 2: מודול מבואות ומודול מוצאים.
ציוד וזמן
| ציוד | כמות |
|---|---|
| בקר אומרון וספק כוח 24 וולט | 1 |
| לחצן פתוח, לחצן סגור ומפסק גבול | 1 מכל סוג |
| חיישן קרבה תלת-גידי | 1 |
| נורית 24 וולט וממסר עזר 24 וולט | 1 מכל סוג |
| רב-מודד | 1 |
⏱️ זמן מומלץ: שני שיעורים. שיעור עיוני ושיעור מדידות.
- כל החיווט בפרק הזה ב-24 וולט ישר בלבד.
- מודדים מתח עם רב-מודד במצב מתח ישר, ולא במצב זרם.
3.1 מבוא ספרתי: איך הבקר "מרגיש" לחצן
בתוך כל מבוא יש דיודת אור קטנה, חלק ממצמד אופטי. כשזורם דרכה זרם, הבקר רואה 1. כדי שיזרום זרם צריך מעגל סגור: מהספק, דרך הלחצן, דרך המבוא, אל המשותף (COM) וחזרה לספק.
בחוברת הזו עובדים בשיטה הראשונה: המשותף מחובר למינוס, והלחצנים מחוברים בין 24+ לבין המבואות. בבקרי אומרון רבים אפשר לחבר את המשותף לכל אחד מהקטבים. בודקים את זה בגיליון הנתונים של הדגם.
חיישנים תלת-גידיים. לחיישן קרבה יש שלושה גידים: פלוס, מינוס ויציאה. חיישן PNP מוציא פלוס כשהוא מזהה, ולכן מתאים לשיטה עם משותף למינוס. חיישן NPN מוציא מינוס, ומתאים למשותף לפלוס.
מדידה במעבדה. חברו את שלושת הרכיבים למבואות 0.00 עד 0.02, ומלאו את הטבלה.
| רכיב | מצב | מתח בהדק המבוא | נורית המבוא |
|---|---|---|---|
| לחצן פתוח | לא לחוץ | ||
| לחצן פתוח | לחוץ | ||
| לחצן סגור | לא לחוץ | ||
| לחצן סגור | לחוץ | ||
| חיישן קרבה | אין חפץ | ||
| חיישן קרבה | יש חפץ |
בדיקה ברב-מודד: מוליך שחור ל-0 וולט, מוליך אדום להדק המבוא. לחצן לא לחוץ: 0 וולט. לחצן לחוץ: כ-24 וולט, ונורית המבוא בבקר נדלקת. אם יש מתח ואין נורית, הבעיה במשותף.
3.2 מגע בשטח מול מגע בסולם
זה הנושא שהכי מבלבל בהתחלה, ולכן כדאי להבין אותו פעם אחת עד הסוף. יש שתי שאלות נפרדות:
- בשטח: האם הלחצן מחובר דרך מגע פתוח או סגור? זה קובע מתי המבוא דולק.
- בסולם: האם כותבים מגע פתוח או סגור? זה קובע מתי השורה מוליכה, לפי מצב המבוא.
| חיווט בשטח | לא לוחצים | לוחצים | מגע פתוח בסולם מוליך... | מגע סגור בסולם מוליך... |
|---|---|---|---|---|
| מגע פתוח | מבוא 0 | מבוא 1 | כשלוחצים | כשלא לוחצים |
| מגע סגור | מבוא 1 | מבוא 0 | כשלא לוחצים | כשלוחצים |
הכלל: מגע פתוח בסולם מוליך כשהמבוא דולק. מגע סגור בסולם מוליך כשהמבוא כבוי. כדי לבחור, שואלים: "מה מצב המבוא ברגע שהשורה צריכה להוליך?"
שתי שיטות לחיבור לחצן עצירה
| שיטת החוברת | שיטת התעשייה | |
|---|---|---|
| בשטח | לחצן עצירה פתוח | לחצן עצירה סגור |
| המבוא כשהכול תקין | 0 | 1 |
| בסולם | מגע סגור | מגע פתוח |
| אם החוט נקרע | אי אפשר לעצור | המכונה עוצרת |
השיטה התעשייתית נקראת "בטוח בכשל": כל תקלה בחוט מובילה למצב בטוח. בתרגילי החוברת נשארים עם לחצנים פתוחים, כמו בתרגילי 6001 עד 6012, אבל בפרויקט אמיתי מחברים עצירה, חירום ומפסקי גבול במגע סגור.
השלימו את הטבלה. לכל רכיב רשמו איזה מגע תכתבו בסולם כדי שהשורה תוליך במצב המבוקש.
| רכיב בשטח | חיווט | השורה צריכה להוליך כש... | מגע בסולם |
|---|---|---|---|
| לחצן הפעלה | פתוח | לוחצים | |
| לחצן עצירה | סגור | לא לוחצים | |
| ממסר תרמי 95-96 | סגור | אין עומס יתר | |
| מפסק גבול | פתוח | השער לא הגיע לגבול |
3.3 מוצאים
| מוצא ממסר | מוצא טרנזיסטור | |
|---|---|---|
| מתח עבודה | ישר או חילופין, גם 230 וולט | מתח ישר בלבד, בדרך כלל 24 וולט |
| מהירות מיתוג | איטי, עשרות מיתוגים בדקה | מהיר מאוד, אלפי פולסים בשנייה |
| אורך חיים | מגע מכני שנשחק | ללא בלאי מכני |
| שימוש טיפוסי | סלילי מגענים, נוריות, שסתומים | פולסים למנוע צעד, הבהוב מהיר |
משותף בקבוצות
המוצאים מחולקים לקבוצות, ולכל קבוצה הדק משותף אחד. כל המוצאים באותה קבוצה עובדים עם אותו מתח. אם צריך גם 24 וולט ישר וגם 230 וולט חילופין, מחברים אותם לקבוצות שונות.
בחרו מוצא ממסר או מוצא טרנזיסטור לכל עומס, ונמקו במילה או שתיים.
| עומס | סוג מוצא | נימוק |
|---|---|---|
| סליל מגען 230 וולט חילופין | ||
| נורית סימון 24 וולט ישר | ||
| פולסים למנוע צעד, 5,000 בשנייה | ||
| שסתום סולנואיד 24 וולט ישר, פעם בדקה |
- זרם מקסימלי: מגע ממסר בבקר עומד בדרך כלל בכ-2 אמפר. מנוע תמיד מופעל דרך מגען.
- נתיך: שמים נתיך על המשותף של כל קבוצת מוצאים.
- דיכוי ניצוצות: על סליל של מגען בזרם ישר מחברים דיודה הפוכה, ועל סליל בזרם חילופין מחברים מסנן או וריסטור. כך מגעי הבקר מחזיקים הרבה יותר זמן.
3.4 מבואות ומוצאים אנלוגיים
מבוא ספרתי יודע רק "יש" או "אין". כשצריך לדעת כמה, כמו מפלס, טמפרטורה או לחץ, משתמשים במבוא אנלוגי. המבוא מתרגם מתח או זרם למספר שלם, למשל בתחום 0 עד 4000, לפי סוג הכרטיס.
למה זרם ולא מתח? במדידת מתח, מפל המתח על כבל ארוך מקטין את הקריאה. בחוג זרם אותו זרם עובר בכל החוג, ולכן הכבל לא משנה את המדידה. זו התשובה לשאלת הפתיחה.
למה מתחילים ב-4 ולא ב-0? כך 0 מיליאמפר אומר "נתק", ולא "מכל ריק". הבקר יכול להבחין בין חיישן תקול לבין ערך אמיתי.
המשדר מודד 12 מיליאמפר. האחוז: (12 − 4) / 16 × 100 = 50%. אם הוא מודד 2 מיליאמפר, זה מתחת ל-4: הבקר צריך להציג "תקלת חיישן".
מוצא אנלוגי עושה את הכיוון ההפוך: הבקר מוציא 0 עד 10 וולט או 4 עד 20 מיליאמפר. כך מכתיבים מהירות לממיר תדר של מנוע, או אחוז פתיחה לשסתום רציף.
3.5 סיכום
- מבוא ספרתי נדלק כשזורם זרם דרך המצמד האופטי שבתוכו.
- המשותף של המבואות מחובר למינוס או לפלוס, והמגע מעביר את הקוטב השני.
- מגע פתוח בסולם מוליך כשהמבוא דולק. מגע סגור מוליך כשהמבוא כבוי.
- בתעשייה מחברים עצירה ומפסקי גבול במגע סגור, כדי שחוט קרוע יעצור את המכונה.
- מוצא ממסר מתאים לכל מתח אבל איטי. מוצא טרנזיסטור מהיר אבל רק למתח ישר.
- באותה קבוצת מוצאים עובדים עם מתח אחד, ושמים נתיך על המשותף.
- חוג 4 עד 20 מיליאמפר לא מושפע מאורך הכבל ומזהה נתק.
- המרה מזרם לאחוזים: % = (I − 4) / 16 × 100
מונחים
| מונח | באנגלית | הסבר קצר |
|---|---|---|
| מצמד אופטי | Optocoupler | רכיב שמבודד בין השטח לבין הבקר |
| משותף | COM | הדק משותף לקבוצת מבואות או מוצאים |
| בטוח בכשל | Fail-safe | תכנון שבו תקלה מובילה למצב בטוח |
| מוצא ממסר | Relay output | מוצא שסוגר מגע מכני |
| מוצא טרנזיסטור | Transistor output | מוצא אלקטרוני מהיר למתח ישר |
| מבוא אנלוגי | Analog input | מבוא שממיר מתח או זרם למספר |
| חוג זרם | Current loop | חיבור בטור שבו אות המדידה הוא זרם |
בדיקה עצמית
- במבוא שהמשותף שלו מחובר למינוס, איזה קוטב הלחצן מעביר למבוא?
- לחצן עצירה מחובר במגע סגור. איזה מגע נכתוב בסולם, ולמה?
- רוצים להפעיל סליל של מגען 230 וולט חילופין. איזה סוג מוצא מתאים?
- משדר מפלס מודד 16 מיליאמפר. כמה אחוזים זה?
- למה חוג זרם מתחיל ב-4 מיליאמפר ולא ב-0?
התשובות בסוף הפרק.
דף המבוא לבקרים מתוכנתים באתר, עם הסברים והדגמות חיות של הנושאים בפרקים 1 עד 4:
פתרונות תרגילי הפרק
מגע בסולם לפי החיווט (3.2)
| רכיב בשטח | חיווט | מגע בסולם | למה |
|---|---|---|---|
| לחצן הפעלה | פתוח | פתוח | בלחיצה המבוא נדלק, והשורה צריכה להוליך |
| לחצן עצירה | סגור | פתוח | כשלא לוחצים המבוא דולק, והשורה צריכה להוליך |
| ממסר תרמי 95-96 | סגור | פתוח | בלי עומס יתר המבוא דולק |
| מפסק גבול | פתוח | סגור | לפני הגבול המבוא כבוי, והשורה צריכה להוליך |
מדידה במעבדה (3.1)
לחצן פתוח: 0 וולט ונורית כבויה, ובלחיצה כ-24 וולט ונורית דולקת. לחצן סגור: הפוך. חיישן קרבה מסוג PNP: 0 וולט בלי חפץ, וכ-24 וולט כשיש חפץ מולו.
בחירת מוצא (3.3)
| עומס | סוג מוצא | נימוק |
|---|---|---|
| סליל מגען 230 וולט חילופין | ממסר | מתח חילופין |
| נורית סימון 24 וולט ישר | שניהם מתאימים | מתח ישר וזרם קטן |
| פולסים למנוע צעד | טרנזיסטור | מהירות מיתוג גבוהה |
| שסתום 24 וולט ישר, פעם בדקה | שניהם מתאימים | מיתוג איטי |
תשובות לבדיקה העצמית
- פלוס. הזרם זורם מ-24+ דרך הלחצן אל המבוא, ומשם דרך המשותף אל המינוס.
- מגע פתוח. כל עוד לא לוחצים, המבוא דולק והשורה צריכה להוליך. בלחיצה המבוא כבה והשורה נקטעת. גם חוט קרוע יעצור.
- מוצא ממסר, כי מוצא טרנזיסטור מתאים רק למתח ישר.
- (16 − 4) / 16 × 100 = 75%.
- כדי להבחין בין ערך אפס אמיתי לבין נתק. זרם של 0 מיליאמפר אומר שהחוג קרוע או שהחיישן תקול.