Elektromagnetiline löögihaamer

Tartu ülikooli robotiklubi on teinud mitu robootika alast video. Seeria kolmas video keskendub robotitele, mis peavad asju lööma. Täpsemalt siiski – tugevalt ja kiirelt palle lööma. Pallide löömine on väga vajalik näiteks robotjalgpalli mängivatele robotitele.

Video räägib pikalt elektromagneetilisest palli löömise mehhanismist, mis kasutab kõrge pingega elektromagnetit. Video asub aadressil: http://youtu.be/Q9CXS5nSgFE

Sisukord:

  • Erinevate löögimehhanismide võrdlus
  • Elektromagnetilise löögimehhanismi tööpõhimõte
  • Elektriline tööpõhimõte
  • Löögimehhanismi mehhaaniline ülesehitus
  • Elektriline simulatsioon
  • Mähise disainimine ja valmistamine
  • Juhtelektroonika tutvustus
  • Juhtelektroonika ühendamise demonstratsioon
  • Arvutist juhtimine
  • Kõrgepinge juhtelektroonika ohutus ja elektrihäirete vältimine
  • Mehhaaniline ülesehitus ja nipid
  • Füüsikaline taust

Pallihoidja valmistamine

Tartu ülikooli robotiklubi on teinud mitu robootika alast video. Seeria teine video keskendub ringi liikuvatele robotitele, kes peavad palli liigutama. Sellised robotid on väga levinud igasugu robotivõistlustel. Näiteks Eesti suurima robotivõistluse Robotex, kõige suurem ülesanne on golfipallidega jalgpalli mängimine. Robotjalgpall on üks kõige tuntum robotivõistluse liik ning kõige suurem robotite jalgpalli võistlus on RoboCup.

Video räägib pikalt rullikuga mehhanismist, millega palli liikumise ajal käsitleda. Video asub aadressil: http://youtu.be/EVIe4i2XBOo

Sisukord:

  • Miks pallihoidjat vaja on?
  • Robotexi pallihoidmise mehhanismi näide
  • Teooria
  • Teoreetiliselt oluline
  • Reaalselt oluline
  • Rulli allasurumise jõud
  • Rulli kiirus
  • Rulli läbimõõt
  • Hõõrdejõud palli ja rulli vahel
  • Süsteemi paigaldamine

3D joonestamine robootikule

Tartu ülikooli robotiklubi on teinud mitu robootika alast video. Esimene video teeb sissejuhatuse arvutiga 3D joonestamisse SolidWorksi programmi näitel. SolidWorks on üks kõige laialt levinum joonestamise programm nii amatööride kui professionaalide seas. Video asub aadressil http://youtu.be/2Kll2pOP_54

Video sisukord:

  • Sketch ehk alusjoonised
  • Alusjooniste muutmine
  • Add Relations – elementide vahelised seosed alusjoonisel
  • Alusjoonise abil avade tegemine
  • Kiirkäsud
  • Elementide defineerimise loogika
  • Alusjoonise elementide kandmine uuele joonisele
  • Extruded Cut – avade tegemine detaili
  • Loodud ava või muu elemendi edasikandmine järgmistele 3D elementidele
  • Alusjoonisest ava tegemine kui ava asemel tekkis detail
  • Fillet – ümarate servade tegemine
  • Hole wizard – keermestatud avade tegemine
  • Milliseid keermeid on soovitav teha
  • Elementide ja tasapindade ühendamine
  • Mirror – Kolmedimensioonilistega elementide peegeldamine
  • Elementide ümbernimetamine
  • Measure – detailide mõõtmine
  • Failide salvestamine ja vormistamine
  • Mirror ja abijooned – alusjoonise elementide peegeldamine
  • Salvestamise iseärasused
  • Dünaamiliste alusjooniste loomine

filtritest veidi.

Aegajalt on tarvis teha pulseerivast voolust alalisvoolu, eraldada alalisvoolust sageduskomponente või näiteks pwm signaalist kena sile nivoosignaal.

Selleks, et selline asi ette võtta on võimalik kasutada ülilihtsaid passiivahelaid. Näiteks kui on tegemist audiovõimendiga, mis on tundlik alalisvoolule on võimalik  kasutada kõrgpääsuga filtreid.

Kõrgpääsufilter

Kuna on teada, et kondensaator lubab kõrgetel sagedustel ilma takistuseta läbida ning madalad sagedused näevad seda kui lahti ühendatud vooluringi, siis sellel samal põhimõttel eelmainitud filter töötabki.

Kõrgpääsufiltri simulatsioon

Kõrgpääsufiltri simulatsioon

Nagu näha, siis mida kõrgem on sagedus, seda rohkem pääseb sisendsignaal läbi ning mida madalamaks sagedus muutub, seda rohkem hakkab filter seda summutama.

Kui varieerida vaid takistit ja kondensaatorit, saab panna filtri lõikama erinevaid sagedusi.

Väga sarnane on ka skeem mis lubab läbi alalisvoolu ning summutab kõrgema sagedusega signaale

Madalpääsufilter

Madalpääsufilter

Tegemist on samasuguse skeemiga kui eelmine kuid Vin ja gnd on omavahel välja vahetatud. Nüüd lubab takisti alalisvoolul läbi minna, kuid vahelduvvool lühistatakse kondeka abil maandusesse.

Madalpääsufiltri simulatsioon

Kuna ma üritan valemitest eemale hoida veel natukene aega, siis sel korral ma filtritest lähemalt rääkima ei hakka. Teinekord kui jõuan aktiivfiltriteni, siis tulevad juurde juba valemid ja muu mis võimaldab aju kokkujooksmist jupi korralikumal tasemel kui see sissejuhatus passiivfiltritesse.

Operatsioonivõimendi

Operatsioonivõimendi tingmärk

Operatsioonivõimendi tingmärk

Operatsioonivõimendi ehk opvõimendi (või opamp) on kahe sisendiga differentsiaalvõimendi. Ehk siis kiip, mis võimendab kahe sisendi erinevust. Algselt kasutati neid analoogarvutites matemaatiliste arvutuste tegemiseks. Tänapäeval tüütute transistorite (kas sai ikka eelpingestatud?) asendamiseks analoogelektroonikas. Üksikuid transistoreid on jätkuvalt vaja näiteks raadiosagedust võimendades või mootoreid juhtides. Täpsete ja aeglaste signaalide jaoks on operatsioonivõimendi ülim.

Operatsioonivõimendil on kaks toiteühendust, kaks sisendit (+ ja -) ning üks väljund. Toimimispõhimõte on väga lihtne: kui + sisendi pinge on kõrgem kui – sisendil tõuseb väljundi pinge. Kui vastupidi – siis väljundpinge langeb. Kui need on täpselt sama suured siis jääb väljundpinge samaks. Väljundpinge muutumise kiirus (slew rate) on väga suur, näiteks LM358 puhul 0,6 V/µs. Seetõttu peab sellega arvestama ainult väga kiire signaalide puhul (nt. raadiosagedus).

Aku tühjenemise hoiatus pingevõrdlejast.

Aku tühjenemise hoiatus pingevõrdlejast.

Kõige lihtsam on operatsioonivõimendit kasutada pingevõrdlejana. Näiteks saab konstrueerida aku pinget pingeregulaatori pingega võrdleva skeemiga, mis annab valgusdioodiga märku kui aku on tühjaks saamas ehk pinge liiga madalaks langeb.

Alumine pingejagur teeb toitepingest 2,5 V, sest operatsioonivõimendi ei tööta oma toitepingest kõrgemate pingete juures. Ülemine pingejagur jagab 2,5 V nii, et 10,75 V akupinge juures on mõlemad sisendid võrdsed. Kui aku pinge langeb kasvõi 0,0001 V madalamaks kui 10,75 V siis läheb valgusdiood põlema ja püsib sellises olekus.

Andurist tulevat pinget 11 korda võimendav pingevõimendi

Andurist tulevat pinget 11 korda võimendav pingevõimendi

Teine lihtne skeem on võimendi. Paremal on anduri sisendpinget 11 korda võimendav mitteinverteeriv võimendi. Ehk siis kui anduri väljundpinge on 0,1 V siis võimendi väljund on 1,1 V. See on äärmiselt kasulik tundlike andurite signaali võimendamiseks enne mikrokontrolleriga mõõtmist.

Mõistmiseks võib mõelda nii, alguses on väljundpinge 0 V ja pingejagur jagab selle ka – sisendisse 0 V peale. Kui nüüd on anduri sisend 0,1 V siis on positiivne sisend kõrgema pingega ja väljund hakkab tõusma. Väljund tõuseb nii kaua kui pingejagur jagab teisse sisendisse ka täpselt 0,1 V. Pingejaguri valemist saame arvutada: Vsisend = Vväljund(R1+R2)/R2. Vsisend = 0,1 V * 11 kΩ / 1kΩ = 1,1 V

Mis on sisetakistus?

Disainides mõnda skeemi akudega võib märgata, et tihtipeale ei anna 1 oomine takisti ja 9V patarei välja 9A

Mis takistab oomiseadusel intuitiivselt töötamast kui me ühendame takisti näiteks 9V patarei külge?

sisetakistuse mudel

Sisetakistuse mudel. Aku on piiratud kollasega

Vaadates loodud mudelit ei tohiks olla küsimust miks me saame 9V patarei korral välja ainult 0.818A. Küll aga tekib see küsimus kohe, kui katsetada ühe oomist takistit päris akuga.

Reaalsuses tekib aku sisetakistus aku sees olevate metallide, sisekomponentide, materjalide kontakti, keemiliste reaktsioonide kiiruse ning ka aku ühenduste tagajärjel. Kui aku ühendada suure koormusega seadme külge, on kohe märgata, et pinge hakkab langema ning aku enda temperatuur hakkab tõusma.

Kuigi disaini tehes on alati vaja vaadata mis voolu jaoks aku loodud on, võivad algajad sellise väikese asjaga tekitada potentsiaalselt ohtliku olukorra kuna akut liiga palju koormates võib lekkima hakata või mõnel ekstreemsel juhul põlema minna (siinkohal mainin ära ohtlikud liitium polümeer akud).

Alati tehes mingisugust skeemi peab jälgima, et toiteallikas oleks loodud soovitud koormuse all töötama.

Mõnel üksikul olukorral on aga nii, et on vaja vahepeal harva korraks tarbida suurt voolu mida toiteallikas ei ole võimeline pakkuma. Sel juhul tulevad päästma kondensaatorid. Nendel seadmetel on tavaliselt väga väike sisetakistus kuid saab rahulikult ja aeglaselt täis laadida ning vajadusel kasutada reserv-voolu allikana. Kõige lihtsam kasutuskoht selleks on auto käivitamine, mille jaoks on võimalik auto-aku pealt laadida täis superkondensaator (seda aeglaselt ja väikese vooluga) ning kui masinat käivitada, tarbitakse põhiliselt voolu mis tuleb kondensaatorist. Samal ajal aga auto aku enda pealt töötab masina soojustus, raadio, kesklukk vms.

Loodan, et sai akud natukene selgemaks ning kiireks lisaks manin, et samamoodi nagu akul on piirangud ka suurtel ja võimsatel toiteplokkidel. Ärge kasutage seadmeid väljaspool spetsifikatsioonides mainitud piire!

Ohutuse ja skeemivigade otsimise terviseks!

 

Sidruniaku, vesinik ja valgus.

Tänases postituses tahan ma natukene veel rääkida sidrunitest.

Võtsin kodus ette ning panin mõned sidrunilõigud lauale. Lisasin galvaniseeritud polte ja vaske, ning sain tasuta energiat!

Neljast sidrunist sai kokku 3.06V

Neljast sidrunist sai kokku 3.06V

Nagu on näha, siis nendest lõikudest minu seadistus just väga massiivselt pinget ei andnud.

Seadistatud tükkidest ka voolumõõde välja

Seadistatud tükkidest ka voolumõõt välja

Tehes kiire arvutuse saame nende sidrunite võimsuseks umbes 0.000069W Lihtsalt et teile seda paremini selgitada näitan milline LED välja näeb sellise seadistuse juures.

Leekiv LED

Leekiv LED

Nagu näha on, sai see LED kaamera ees natukene häbelik olema, ning pidin tuled kinni panema, et saaks usutava pildi. Ega ma ise ka ei uskunud, et ta päriselt põleb.

Sidruniaku keemiast

Sidruniaku keemiast

Nüüd aga, et rääkida kuidas üldse meie mõõdetud ja testitud elekter tekkis.

Nagu enamikud inimesed teavad, siis sidruni korral on tegemist viljaga mille mahl on korralikult happeline. See siis tähendab, et vees on palju vabu happeioone. Nüüd kui me lisame happe sisse tsingi ja vasetüki tekib olukord kus tsink hakkab oksüdeeruma. Tsingi oksüdeerumise käigus lahustub vette tsingi ioon kusjuures elektronid jäävad metalli.  (Zn → Zn2+ + 2e-) Metallist edasi liiguvad need juhet mööda vask elektroodile kus omakorda liituvad need vesiniku ioonidega ning saame teise valemi  (2H++ 2e- → H2 ) See valem näitab kuidas 2 elektroni saanud vesiniku ioon muutub vesiniku molekuliks. Kuna toatemperatuuril on vesinik gaasilises olekus ja kergem kui vesi, siis see aurustub . 

See elekter mida ma katsetes mõõtsin olidki needsamad elektronid mis juhetmööda elektroodilt elektroodile liikusid. Kahjuks ei ole neid elektrone just kuigi palju.

Kõike parimat soovides,

Markus!

EagleCAD

EagleCAD on tasuline trükkplaatide joonistamise tarkvara. Piirangutega versiooni saab tasuta kasutada lõputult kaua. Piiranguteks on trükkplaadi suurust ning kohustus kasutada seda ainult mitte-ärilistel eesmärkidel.

Eagle on algajatele õppimiseks väga lihtne ja võimaldab kiirelt väikeseid skeeme teha. Erinevalt KiCADist on Eagle aastaid kasutusel olnud. Sellest tulenevalt on tegemist hetkel hobielektroonikas kõige populaarsema elektroonikapaketiga. Kasulik on vähemalt natukene kursis olla selle kasutamisega.

Ise ma ei kasuta enam EagleCADi ja põhiliseks tööriistaks ei soovita ka teistele. Kuigi alguses võib skeeme lihtne teha olla, siis natukenegi suuremate skeemidega muutub töö väga palju keerulisemaks. EagleCADiga kaasas oleva komponendiraamatukogu kvaliteet on varieeruv ning ainult sellele toetumine ei ole võimalik. Raamatukogu täiendamine tingmärkide ja jalajälgedega on nii keeruline – ainuüksi see suudab rikkuda kogu kasutamismugavuse.

Alo Peetsi koostatud eestikeelne EagleCADi kasutamise õpetus.

Kicadis skeemide joonistamine

KiCad on vaba tarkvara elektroonikaskeemide ja trükkplaadidisainide loomiseks. Tegemist on kõige levinuma ilma piiranguteta elektroonika disaini tarkvaraga. Debiani baasil linuxites saab KiCadi paigaldada tarkvarakeskusest. Info teiste operatsioonisüsteemide kasutajatele.

Täna teeme nimelt 555 ajastuskivist mudelismi servomootoritestimise skeemi. Soovitan esimese asjana luua eraldi kaust “projektid” ja sinna sisse projekti kaust “555_servo”.

555 servo testija skeem

555 servo testija skeem

Peale KiCadi käivitamist tuleb teha uus projekt. Vali File -> New -> Blank ja pane projektile nimeks 555_servo. KiCadi projektiaknas vajuta nupu Eeschema – avaneb skeemi joonistamise programm. Soovitan programmiga põgusalt tutvuda. Tuletan meelde, et hea on pidevalt oma tööd salvestada.

Uue sümboli lisamiseks vajuta “a”. Selle peale avaneb otsingukast, kust saab komponente nime järgi otsida. Otsingukastis on ka selles projektis kasutatud komponentide kiirvalik. Esiteks otsi “555”, vastustena leitakse LM555N, mis ongi meie otsitav komponent. Vali see komponent ja lisa sümbol skeemi. Järgmisena lisa kolme kontaktiga pesa – “CONN_3″. Erineva kontaktide arvuga pesasid saab otsingusõnadega “CONN_5″, “CONN_10″, “CONN_3x2″ jne. Lisa veel skeemile kaks kondensaatorit “C”, kaks takistit “R”, diood “DIODE” ja potentsiomeeter “POT”.

Komponentide liigutamiseks vajuta hiirt nende kohal hoides “m” tähte (move) ja keeramiseks “r” (rotate). Kui komponendid on paigas, saab nupuga “w” (wire) nende vahele ühendusi vedada. Kui mõnda vajalikku kohta ei teki ühendussõlme, siis saab selle sinna joonistada “j” tähega (junction). Elemente saab kustutada Delete klahvi vajutades.

Näidiskeemil on näha ka toite- ja maaühendusi, need on komponendid nimedega “VCC” ja “GND”. Kui joonisel olevat 555 ajastuskiipi lähedalt vaadata, siis võib tähele panna, et sellel pole toiteühendusi. Need on peidetud. Enne varjatud viikude ühendamiseks peab vasakul olevas menüüs vajutama nuppu  “Show hidden pins”. Peale seda saab kiibi ära ühendada toite ja maandusega.

Kõigile komponentidele peab kirjutama väärtused. Nende määramiseks peab vajutama skeemi sümboli kohal nuppu “v” (value) ja avanenud kasti pealkirjaga “Edit Value Field” kirjutama soovitud väärtused.

Kui skeem on valmis, peab ka komponentidele nimed genereerima. Selleks vajuta ülemises menüüs nuppu  “Annotate the components in the schematic” ja tekkinud kastis nuppu “Annotate”. Selle tulemusena saavad kõik elemendid endale nimed. Skeem on nüüd valmis ja on viimane aeg uuesti salvestada.

 

PS. Kui tahta, et kõik oleks täiuslik, peab lisama ühe kahese pesa voolu jaoks ja ühe kondensaatori voolu ja maanduse vahele.

555 ajastuskiip

555 ajastuskiip on üks enimkasutatavaid kiipe lihtsates elektroonikaprojektides. Selle blogi esimene projekt oli 555el põhinev ja nüüd räägin ka veidi pikemalt selle kasutamisest.

Tegemist on 8 jalaga kiibiga, mida müüakse nii kaherealises läbi augu monteeritavas (DIL8) kui ka pindmonteeritavas (SO8) pakis. Lisaks toitejalgadele VCC (8) ja GND (1) on veel RESET viik (4), millel kõrget signaali (ehk siis üle 2V) hoides kiip töötab ja madalal hoides on kiip välja lülitatud. Signaali väljundit annab kiip jalast OUT ja stabiilseks tööks vajab ühte väikest (keraamilist) kondensaatorit CTRL viigu ja maanduse vahele.

Enimlevinud skeemitüübid, mille koostamisel kasutatakse 555 ajastuskiipi on stabiilne ja võnkuv.

Üheselt stabiilne 555 ajastuskiip

Stabiilne 555 ajastuskiibiga skeem

Stabiilses skeemis on üks sisendsignaal, mis on ühendatud TRIG viigu külge. Kui sisendsignaal muutub kõrgeks, läheb OUT jalast tulev väljundsignaal samuti kõrgeks (võrdseks skeemi toitepingega). Peale teatava aja möödumist läheb signaal OUT jalast madalaks (pinge 0V). Aega saab määrata takistiga R ja kondensaatoriga C, valemiga t ≈ 1.1 * R * C või mõne netikalkulaatoriga.

Näide ühest kasutusviisist: ma tahan, et peale TRIG viigu ja toite vahele ühendatud nupu vajutamist põleks väljundisse (Out) ühendatud valgusdiood umbes 10 sekundit (t ≈ 10 s). Kasutan kodus olevat 100 nF keraamililist kondensaatorit(C = 100 nF (nano Farad)) ning arvutan välja takistuse: 10 s / (1.1 * 100 nF) ≈ 90 MΩ. Selgub, et nii suure takistusega takistit mul ei ole. Üldiselt on kasulik vältida nii suuri takistite väärtus, kuna lekkevoolud jms hakkavad skeemi toimimist pärssima. Järgnevalt proovin kasutada suurt 10 µF elektrolüütkondensaatorit (C = 10 µF) ja arvutan sellega: 10 s / (1.1 * 10 µF (mikro Farad)) ≈ 909 kΩ. Tulemuseks on juba oluliselt parema suurusega takisti. Täpselt sellist takistit mul jällegi ei ole, seetõttu teen ümaradmise ning kasutan 1 MΩ standardväärtusega takistit.

Võnkuva väljundiga 555 kiip

Võnkuva väljundiga 555 ajastuskiibga skeem

Võnkuvas skeemis ehk võnkuva väljundiga skeemis on takisteid rohkem. Takisti R2 ja kondensaator C määravad väljundsignaali madalal olemise aja. Kõrgel olemise aja määrab takistite R1 ja R2 väärtuste summa ning kondensaatori C mahtuvus.

Täpsemad valemid on:

tkõrge = ln(2) * (R1 + R2) * C

tmadal = ln(2) * R2 * C

Nagu valemist näha, siis kõrgel olemise aeg (tkõrge) sõltub mõlemast takistist. Seetõttu ei ole võimalik saavutada väljundsignaali, mis oleks madalal kauem kui kõrgel. Sellise väljundsignaali saavutamine on siiski võimalik, kasutades dioodi, mis on paralleelselt takistiga R ja suunatud kondensaatori C poole. Dioodi lisamine skeemi kaotab ära kõrgel olemise aja (tkõrge) sõltuvuse takistist R( tkõrge = ln(2) * R1 * C ). Nii on võimalik saavutada ükskõik millise täiteteguriga (signaali ühe perioodi ja signaali kõrgel olemise aja suhe) väljundsignaale.

Ingliskeelne 555 ajastuskiibi andmeleht. Ühikutega arvutamiseks saab kasutada Qalculate! või Wolfram|Alphat.