Sterownik sygnalizatora świetlnego (przerzutnik monostabilny na IRF150) — diagnostyka usterki i modyfikacja czasu świecenia diody D1

Zadanie egzaminacyjne

Uszkodzeniu uległ sterownik sygnalizatora świetlnego, którego schemat ideowy przedstawia rysunek 1. W wyniku uszkodzenia układu po włączeniu zasilania i odczekaniu kilkunastu sekund (w tym czasie przycisk S jest w stanie spoczynkowym) stwierdzono, że świeci wyłącznie dioda D2 o barwie czerwonej. Następnie naciśnięto na chwilę przycisk S i zaobserwowano, że obie diody nie świecą przez czas około 12 s, po czym ponownie świeci wyłącznie dioda D2 o barwie czerwonej. W ramach diagnostyki uszkodzonego układu pomierzono występujące napięcia w punktach pomiarowych PP01 ÷ PP09 – zapisane w tabeli 3 oraz zarejestrowano oscylogramy: rysunki 2 ÷ 4.

Na podstawie opisu uszkodzenia, wyników pomiarów napięć i rezystancji oraz przebiegów napięć i prądów wskaż przyczynę wadliwego działania układu i sposób jego naprawy.

Przeprowadź modyfikację układu tak, aby czas świecenia diody o barwie zielonej D1 był dwa razy dłuższy. Wartości rezystorów R2 i R4 pozostaw bez zmian.

Zadanie egzaminacyjne rozwiąż, wypełniając kartę badania sterownika sygnalizatora świetlnego.

Opis działania sterownika sygnalizatora świetlnego

Układ steruje dwiema diodami LED tak, że zawsze tylko jedna z nich świeci. W stanie stabilnym świeci dioda D2 o barwie czerwonej. Po naciśnięciu przycisku S układ przechodzi do stanu niestabilnego, w którym następuje zaświecenie diody D1 o barwie zielonej. Po czasie t_i, ustalonym przez wartość kondensatora C1 i połączonego z nim rezystora R4 oraz rezystora R2, układ powraca do stanu stabilnego.

Algorytm działania układu

1. Przycisk S w stanie spoczynkowym:

• a) T3 zatkany, U_GST2 ≈ U_Z − U_D1 > U_T2th, T2 przewodzi, D2 świeci,
• b) U_R4 ≈ U_C1 ≈ 0, T1 zatkany, D1 nie świeci.

2. Po wciśnięciu przycisku S:

• a) impuls wyzwala T3, który zwiera do masy bramkę T2, U_GST2 ≈ 0, T2 zatyka się, D2 nie świeci,
• b) U_GST1 gwałtownie rośnie, T1 przewodzi, D1 świeci,
• c) U_C1 rośnie (C1 się ładuje), U_GST1 maleje,
• d) gdy U_GST1 spadnie poniżej U_T1th, T1 się zatyka, D1 przestaje świecić, T2 przewodzi, D2 świeci, kondensator C1 rozładowuje się.

Czas świecenia diody D1 (wzór — patrz rysunek „Czas świecenia diody D1”):

t_i = (R2 + R4) · C1 · ln[ R4 · (U_Z − U_D2 − U_C1) / ((R2 + R4) · U_T1th) ] = K · C1

Do zmiany czasu świecenia diody D1 należy wykorzystać kondensator C1. W prawidłowo działającym układzie czas ten dla danych znamionowych elementów układu oraz napięcia na diodzie D2 U_D2 ≈ 1,3 V (w tym stanie dioda nie świeci) i napięcia odcięcia tranzystora T1 U_T1th = 2,89 V (zakładając, że przed naciśnięciem przycisku S kondensator C1 był rozładowany, U_C1 = 0 V) wynosi:

t_i = 100180 · 270 · 10^-6 · ln[ 100 · 10^3 · (6 − 1,3 − 0) / (100180 · 2,89) ] = K · C1 = 13,1 s

gdzie:

• U_GST1 – napięcie bramka-źródło tranzystora T1,
• U_GST2 – napięcie bramka-źródło tranzystora T2,
• U_Z – napięcie zasilające,
• U_T1th – napięcie odcięcia tranzystora T1,
• U_T2th – napięcie odcięcia tranzystora T2,
• U_D1 – napięcie na diodzie D1,
• U_D2 – napięcie na diodzie D2,
• U_R4 – napięcie na rezystorze R4,
• U_C1 – napięcie na kondensatorze C1,
• K – współczynnik o wartości 48538 s/F.

Pozostałe elementy dostępne na stanowisku: rezystory o wartościach i odchyłkach wynikających z szeregu E12 w zakresie 1 Ω do 1 MΩ o mocy znamionowej 0,25 W oraz kondensatory elektrolityczne o wartościach i odchyłkach wynikających z szeregu E12 w zakresie 10 μF do 1 mF na napięcie 50 V i wyższe.

Szereg E12 (maksymalna tolerancja 10%): 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82.

Co masz zrobić:

• R.1 — wpisz przyrządy pomiarowe do sprawdzenia działania sterownika i przeznaczenie każdego z nich w tym układzie – tabela 5,
• R.2 — porównaj wyniki wykonanych pomiarów (tabela 3) z przewidywanymi dla sterownika funkcjonującego poprawnie i zapisz wniosek: zgodny lub niezgodny – tabela 6,
• R.3 — oceń poprawność działania wybranych elementów sterownika i zapisz wniosek: sprawny lub niesprawny – tabela 7,
• R.4 — wpisz element przeznaczony do wymiany w celu naprawy (oznaczenie na schemacie, typ/wartość znamionowa) oraz typ/wartość znamionową elementu zastępczego – tabela 8,
• R.5 — wpisz element przeznaczony do wymiany w celu modyfikacji (oznaczenie na schemacie, typ/wartość znamionowa) oraz typ/wartość znamionową elementu zastępczego – tabela 9.

Ocenie podlegać będzie 5 rezultatów:

• R.1 (6 pkt) — wykaz przyrządów pomiarowych do sprawdzenia działania sterownika sygnalizatora świetlnego – tabela 5,
• R.2 (10 pkt) — porównanie wyników wykonanych pomiarów z przewidywanymi dla sterownika sygnalizatora świetlnego funkcjonującego poprawnie – tabela 6,
• R.3 (7 pkt) — ocena poprawności działania wybranych elementów wchodzących w skład sterownika sygnalizatora świetlnego – tabela 7,
• R.4 (4 pkt) — dobór elementów przeznaczonych do wymiany – tabela 8,
• R.5 (3 pkt) — dobór elementów przeznaczonych do modyfikacji – tabela 9.

⏱ Czas: 180 minut. Punktów: 30 · Próg zaliczenia: 75%.