UDK 621.3:(53+54+621 +66), ISSN 0352-9045 Informacije MIDEM 22(1992)2, Ljubljana Mikroelektronski krmilnik za elektronske sanitarne baterije R. Babič, T. Dogša, M. Solar, A. Vesenjak, S. Solar, A. Rečnik KLJUČNE BESEDE: elektronski krmilniki, elektronska vezja, krmiina vezja, mikroelektronika, elektronske sanitarne baterije, računalniško načrto­ vanje vez ij POVZETEK: V članku je opisan primer načrtovanja krmilnika za elektronske sanitarne baterije, ki je prirejen za mikroelektronsko izvedbo. Krmilnik deluje na osnovi zaznavanja odboja infrardeče svetlobe in omogoča aktiviranje vodovodnih armatur brez fizičnega dotika. Po tej zasnovi, ki vključuje analogne in digitalne dele vezja in upošteva omejitve povezane z mikroelektronsko tehnologijo, smo izdelali laboratorijsko vezje v klasični obliki s standardnimi elektronskimi komponentami. Za posamezne dele vezja smo uporabili postopke računalniško podprtega načrtovanja. Microelectronic Sanitarian Batteries Driver Circuit. KEY WORDS: electronic drivers, electronic circuits, driver circuits, integrated circuits, electronic sanitarian batteries, computer aided circuits design ABSTRACT: ln this article the computer aided design of electronic sanitarian batteries driver circuit with the purpose to be realized in the integrated circuit is described. The driver circuit acts on the basis of perception of emitted infra red light reflection and enables activation of sanitarian batteries without touching. The laboratory version of driver circuit is realized with discrete analog and digital components on the basis of integrated circuit design principles where the restrictions of microelectronic technology are taken into account. 1. UVOD Elektronske sanitarne baterije uporabljamo v armatu- rah, ki jih aktiviramo brez fizičnega dotika. S tem je zagotovljena higienska uporaba armatur, enostavno ro- kovanje in optimalno varčevanje z vodo. Posebej po- membna je uporaba v zdravstvu, sanitarnih prostorih, prehrambeni industriji, turističnih objektih, šolah in vrtcih. Elektronski krmilnik je sestavljen iz oddajnika, ki oddaja usmerjeno, infrardečo svetlobo v prostor pred armaturo in sprejemnika za zaznamovanje dela odbite svetlobe ter aktiviranje elektromagnetnega ventila. Vezje vsebuje analogne in digitalne komponente. Za krmiljenje od- dajne LED diode in elektromagnetnega ventila pa sta potrebni tudi močnostni izhodni stopnji. Povezave močnostnih komponent z običajnimi analogno digitalni- mi deli vezij označujemo kot SMART POWER integrira- na vezja. Taka vezja postajajo vedno bolj aktualna, ker omogočajo neposredno vzbujanje različnih vrst elektro- magnetnih aktuatorjev. To pa pomeni večjo zanesljivost delovanja in prihranek na velikost in teži končnih izdel- kov. Elektronski krmilnik smo izdelali v laboratorijski obliki s standardnimi elektronskimi komponentami. Pri zasnovi vezja smo upoštevali omejitve povezane z mikroelektronsko tehnologijo, da bi bil možen enostavni prenos vezja v integrirano strukturo. Pri postopkih načrtovanja smo za analogne dele vezja uporabili simu- lacijo s Simulatorjem SPICE, za digitalne dele vezja pa smo uporabili logično simulacijo s programskim pake- tom SCEPTRE. 100 2. ZASNOVA KRMILNIKA Delovanje elektronskega krmilnika temelji na zaznavan- ju odbite infrardeče svetlobe. Pri načrtovanju smo upo- števali naslednje zahteve: univerzalna zasnova vezja; za uporabo v sanitarnih baterijah, tuših in splakovalnikih majhne dimenzije končnega vezja zaradi možnosti vgradnje neposredno varmaturo, zanesljivo delovanje v prisotnosti motenj, možnost zunanje nastavitve občutljivosti, impulzno vzbujanje infrardečega senzorja, upočasnjeno impulzno delovanje v neaktivnem času, napajaina napetost vezja naj bo 15 V, neposredno odpiranje elektromagnetnega ventila. Bločno shemo krmilnika, ki upošteva opisane zahteve, prikazuje slika 2.1. V prikazani strukturi se ločita oddajni in sprejemni del vezja. Oddajni del je sestavljen iz oscilatorja simetričnih pravokotnih impulzov, oblikovalnika impulzov, upočasn­ jevalnika ter krmilne in izhodne stopnje za vzbujanje infrardeče LED diode. Sprejemni del pa je sestavljen iz infrardečega senzorja, ojačevalnika vhodnega signala, oblikovalnika impulzov, logičnega vezja za prepozna- vanje odbitih signalov, števnega vezja za določitev ča­ sovnih zakasnitev, impulznega vezja, dekodirnega vezja, logičnega vezja za krmiljenje sanitarnih baterij, logičnega vezja za krmiljenje splakovalnikov ter izhodne stopnje za vzbujanje elektromagnetnega ventila. R. Babič, T. Dogša, M. Solar et. al.: Mikroelektronski krmilnik za elektronske sanitarne baterije OVIRA Slika 2. 1: Bločna shema krmilnika 3. IZVEDBA 3.1. Izvedba z diskretnimi komponentami Elektronski krmilnik smo izdelali kot laboratorijsko verzi- jo z diskretnimi komponentami. Uporabili smo splošno uporabne standardne analogne in digitalne kom- ponente. Električno vezje je prikazano na sliki 3.1. Zas- nova vezja je prirejena izvedbi v integrirani tehnologiji. Zato smo se izognili uporabi kondenzatorjev pri določevanju različnih časovnih zakasnitev, izjemo pred- Yu Slika 3. 1: Elektronski krmilnik v diskretni izvedbi 101 Informacije MIDEM 22(1992)2, str. 100-106 stavljata le kondenzator v oscilatorju in vhodni konden- zator v sprejemnem delu vezja. Izdelano vezje smo uporabili predvsem zaradi potrebe po testiranju vezja ter za izbiro posameznih parametrov vezja, ki določajo njegovo občutljivost. Za infrardeči senzor smo uporabili kombinacijo diskretnih komponent LED diode CQY99 in fototranzistorja MT2. Pri testiranju se je pokazal velik vpliv natančnosti namestitve obeh elementov na nosilno ploščico. Občutljivost senzorja in s tem velikost razdalje do ovire je odvisna od namestitve osi obeh elementov. Zato bi bilo v prihodnje ugodno uporabiti infrardeči senzor, izdelan venem ohišju. Informacije MIDEM 22(1992)2, str. 100-106 d(m) O,, Q O,S 0,1. O,J 0,2 0.1 100 150 200 250 JOO fo(mA; Slika 3.2: Odvisnost med razdaljo do prepreke in velikostjo toka skozi oddajno diodo Vrste preprek: a: bela tkanina b: modra tkanina c: roka S pomočjo izmerjenih rezultatov občutljivosti odbojno objektnega senzorja smo lahko določili parametre ojačevalnega vezja skupaj z oblikovalnikom impulzov. Obe vezji praktično predstavljata vmesnik med fototran- zistorsko stopnjo na vhodu in logičnim delom na izhodu. Ker se na izhodu fototranzistorja pojavljajo koristni sig- nali v območju Uvh = 20 do 100 mV, smo izbrali ojačenje ojačevalnika A = 100, preklopni napetosti Schmittovega preklopnega vezja pa znašata 5,8 in 9,8 V. Zaradi vplivov zunanjih virov osvetlitve smo predvideli kapaci- tivno povezavo med senzorjem in ojačevalnikom. eR vezje predstavlja visoko prepustno sito, s katerim zado- voljivo izsejemo motiine svetlobne signale nizkih frekvenc. Tako smo dosegli želeno imunost vezja na motiine signale iz okolja in na signale, ki so posledica parazitnih kapacitivnih elementov v vezju. Na sliki 3.2 in 3.3 so zbrani rezultati meritev. Na prvi sliki so podane odvisnosti med razdaljo sprejemno oddajne- ga senzorja od prepreke in velikostjo toka skozi oddajno Slika 3.4: Oscilator '1 (mV) S ,oo .200 R. Babič, T. Dogša, M. Solar et. al.: Mikroelektronski krmilnik za elektronske sanitarne baterije Slika 3.3: Odvisnost napetosti U od razdalje med senzorjem in prepreko 102 LED diodo za različne vrste preprek. Za prepreke smo uporabili beli papir, belo in modro tkanino ter roko. Na sliki 3.3 pa so prikazane odvisnosti napetosti na izhodu fototransistorja UF v odvisnosti od razdalje infrardečega senzorja od uporabljenih vrst preprek. Vse meritve so bile izvedene v običajno osvetljenem prostoru. 3.2. Izvedba v integrirani obliki Nova dognanja v mikroelektronski tehnologiji, ki še vedno poudarjajo večje stopnje integracije, omogočajo tudi povezovanje analog nih in digitalnih struktur ter povezavo z močnostnimi ali visokonapetostnimi kom- ponentami, kar imenujemo SMART POWER integrirana vezja. Z njimi lahko neposredno krmilimo izhodne elektromagnetne aktuatorje z napajalnimi napetostmi iz nizkonapetostnega omrežja ter s tokovi v amperskem območju.(1). (2) Elektronski krmilnik za sanitarne baterije predstavlja takšno vezje. Pri zagotavljanju osnovnih funkcij delo- vanja mora poskrbeti tudi za neposredno odpiranje elektromagnetnega ventila. Le tako bodo zagotovljene _ VOl> R. Babič, T. Dogša, M. Solar et. al.: Mikroelektronski krmilnik za elektronske sanitarne baterije Slika 3.5: Oblikovalnik impulzov dovolj majhne dimenzije in bo možna vgradnja v ohišje armature. Zasnova vezja za mikroelektronsko izvedbo je zastavl- jena še nekoliko splošneje kot za vezje, ki smo ga izdelali izvedeno v diskretni obliki. Poglejmo posamezne dele vezja. Opis je skupen tudi za diskretno obliko. 3.2.1. Oddajni del Oddajni del zagotavlja impulzno vzbujanje oddajne LED diode. Sestavljen je iz analognih in digitalnih delov vezij. Osnovo predstavlja oscilator za generiranje simetričnih pravokotnih impulzov. Izbrali smo vezavo, ki je prikaza- na na sliki 3.4. Zanjo smo dobili tudi zelo dobre simula- cijske rezultate. V povezavi z oscilatorjem smo predvideli tudi izdelavo referenčnega generatorja toka, ki se uporablja tudi pri P+ lOOk R Informacije MIDEM 22(1992)2, str. 100-106 CL o 7 krmiljenju LED diode. Ker želimo krmiliti LED diodo s kratkimi impulzi, potrebujemo oblikovalnik impulzov. Iz- veden je s pomočjo 3 bitnega sinhronega števca in ustreznim dekoderjem. Iz osnovnega signala oscilatorja izločimo vsako šesto periodo in s tem generiramo po- trebne pozitivne impulze. Vezje, prirejeno za logično simulacijo prikazuje slika 3.5. Na izhodu oblikovalnika impulzov smo uporabili še de- lilnik impulzov. Njegova naloga je zmanjšati frekvenco vzbujanja oddajne LED diode v času, ko se sanitarne naprave ne uporabljajo. S tem dosežemo manjšo ob- rementitev LED diode. Krmiina stopnja zagotavlja krmiljenje LED diode in omogoča nastavitev občutljivosti vezja. Predvideli smo možnost binarne prednastavitve vrednosti izhodnega toka od 120 mA do 490 mA v 32 nivojih. Vezje je prikazano na sliki 3.6. tokovno vzbuJalnl zrcalo PHOS tran •• bip.tran •. loglka IZHOD LED N+ P- binarno ut~z~ni tokovi R Slika 3.6: Krmilno vezje z izhodno stopnjo 103 Informacije MIDEM 22(1992)2, str. 100-106 HOl 10/90 Hll 10/91 Slika 3.7: Ojačevalno in oblikovalno vezje Sestavljeno je iz skupnega referenčnega generatorja toka. Ta tok se zrcali prek binarno utežene tranzistorske verige, s katero zagotavljamo vzbujalnemu PMOS tran- zistorju potrebni tok za krmiljenje baze izhodnega bipo- larnega tranzistorja. Za grobo oceno razmer velja, da se tokovi zrcalijo z razmerjem širine W in dolžine L posa- meznih tranzistorjev. Vse binarno utežene tokove tokovnih izvorov združimo prek NMOS tranzistorskih stikal z zanemarljivo RON upornost jo v PMOS tokovno zrcalo, prek katerega vzbu- jamo izhodno stopnjo. NMOS tranzistorska stikala kr- milimo prek zunanjih blazinic, oz. priključkov. Želeni 200,., ~f--.--I - VDO/2 - S ev ~. R. Babič, T. Dogša, M. Solar et. al.: Mikroelektronski krmilnik za elektronske sanitarne baterije COl 3,,1'" H05 550/10 H14 300/10 položaj stikala bomo naslovili z vezavo priključka na + ali - napajaino napetost. Pri nazivnem toku skozi LED diodo ID =0,3 A, znaša pri tokovnem ojačanju bipolarnega tranzistorja hfe ;:::: 100 krmilni tok IB =3 mA. Ta tok moramo zagotoviti ob upoštevanju bremena v emitorju tranzistorja in zahteva- ni napetosti na oddajni diodi UD =3 V. Vzbujevalni PMOS tranzistor deluje v zasičenju in tok je določen z razmer- jem razsežnosti vseh tranzistorjev in vsiljenim tokom iz binarno uteženih tokovnih izvorov. e -VOD ~ 1.1.6V R7 lOOk '--___ -.44 R6 321k Rw.ub 0.001 Slika 3.8: Struktura operacijskega ojačevalnika 104 R. Babič, T. Dogša, M. Solar et. al.: Mikroelektronski krmilnik za elektronske sanitarne baterije Slika 3.9: Števno vezje Za vzbujanje LED diode bomo uporabili bipolarni tran- zistor, ki je standardni gradnik tudi v MOS strukturah. V primeru W podlage je bipolarni tranzistor tipa NPN s skupnim kolektorjem. Velikost tranzistorja je določena s tokovno zmogljivostjo difuzije. Pri uporabi W podloge pa dobimo kombinirani lateralno vertikalni tranzistor. W difuzija pa še dodatno zmanjšuje medsebojne površinske vplive do drugih gradnikov integriranega vezja. 3.2.2. Sprejemni del Sprejemni del zaznava odbito infrardečo svetlobo, pre- poznava prave impulze ter poskrbi za vzbujanje elekto- magnetnega ventila. Tako kot oddajni del je tudi 105 Informacije MIDEM 22(1992)2, str. 100-106 sprejmni del sestavljen iz analognih in digitalnih delov vezij. Na sliki 3.7 je prikazano ojačevalnci in oblikovalno vezje za signale iz infrardečega senzorja. Pri analogni simu- laciji smo uporabili strukturo operacijskega ojačevalni­ ka, ki ga kaže slika 3.8. Pri izbiri operacijskih ojačeval­ nikov danes ni večjih problemov(3). (4). Izhod oblikovalnika impulzov vodimo na logično vezje za razpoznavanje koristnih signalov. Izhod logičnega vezja sme biti na visokem nivoju le v primeru, ko sta sprejeti in oddani signal po obliki in frekvenci enaka. Za uspešno razpoznavanje koristnih signalov smo uporabili kombinacijo pomičnega registra v povezavi z vezjem za navzkriž no primerjavo signalov na vhodu. Informacije MIDEM 22(1992)2, str. 100-106 T2 500/6 3.5mm2 0.6A N+ p- Slika 3. 10: Izhodna stopnja za vzbujanje elektromagnetnega ventila UbAt NAVITJE RELE JA Časovno dogajanje krmilnika je določeno s števnim vezjem, ki je sestavljen iz števca, dekoderja in impulz- nega vezja za resetiranje števca. Na izhodu iz števnega vezja dobimo štiri vrste impulzov, ki določajo želene zakasniine čase. Pri tem časovni zakasnitvi t1 in t2 uporabljamo pri uporabi krmilnika za sanitarne baterije, zakasnitvi 13 in t4 pa pri uporabi krmilnika za splakoval- nik. Števno vezje prikazuje slika 3.9. Vzbujanje elektromagnetnega ventila sanitarne baterije omogoča visok nivo iz logičnega vezja za razpozna- vanje koristnih signalov z uporabljenima časovnima za- kasnitvama pri vklopu in izklopu. S tem vezje odpravlja možnosti kratkotrajnih neželenih aktiviranj. Izhodna stopnja za vzbujanje elektromagnetnega ventila je po- dobna izhodni stopnji, kot jo uporabljamo pri krmiljenju LED diode v oddajnem delu. Potrebna je le večja tokov- na zmogljivost in zanemarljiv padec napetosti na tran- zistorju. Zaradi tega mora imeti večjo tokovno zmo- gljivost tudi PMOS krmilni tranzistor. Vezje podaja slika 3.10. 3.2.3. Napajalni del Napajanje elektronskega krmilnika je predvideno iz enosmerne napetosti 15 V. Pri uporabi CMOS procesa z N - podlago zahteva uporaba bipolarnih tranzistorjev skupno pozitivno elektrodo. V našem primeru upora- bljamo dva bipolarna tranzistorja: za vzbujanje oddajne LED diode in za vzbujanje elektromagnetnega ventila. Oba tranzistorja bosta neposredno vezana na zunanjo napajaino napetost, saj zahtevamo v tem delu vezja + notranje napajanje 700E Slika 3. 11: Napajalni del z izhodnima stopnjama 106 R. Babič, T. Dogša, M. Solar et. al.: Mikroelektronski krmilnik za elektronske sanitarne baterije sorazmerno velik tok. V primeru, ko je skupna elektroda podlaga z najvišjo pozitivno napetostjo, je napajanje ostalih gradnikov izvedeno tako, kot ga kaže slika 3.11. 4. Zaključek Opisali smo primer načrtovanja krmilnika za elektronske sanitarne baterije, ki je prirejen za izvedbo v integrirani tehnologiji. PO tej zasnovi smo izdelali laboratorijski prototip z diskretnimi komponentami, ki se pa v vseh podrobnostih ne more ujemati zvezjem, prirejenim za mikroelektronsko tehnologijo. Za vse opisane dele vezja smo uporabili računalniško podprto načrtovanje. Za lo- gični del vezja smo uporabili programski paket SCEP- TRE, za analogne dele vezja pa simulator SPICE verzija 2.G.6. Rezultati analogne simulacije, pri kateri smo upoštevali parametre tehnološkega procesa za 5 11m CMOS tehnologijo za nominalno temperaturo 27°C ter za -40°C, oZ. + 140°C, so potrdili ustreznost zasnove vezja. 5. Literatura 1. Z. Krivokapič, Integrirana močnostna vezja MOS, Informacije MI DEM, št. 3,1987 Ljubljana 2. S. Solar, M. Jenko, V. Kregar, Krmilnik elektroluminiscenčnega prikazalnika, Informacije MIDEM, št. 4,1989, Ljubljana 3. P. E. ALLEN, D.R. HOLBERG, CMOS Analog Circuit Design, Holt, Rinehart and Winston, Inc., New York 1987 4. 1. Pleteršek, J. Trontelj, L. Trontelj, Širokopasovni operacijski ojačevalniki, Zbornik referatov 16 Jugoslovanskega posvetovanja o mikroelektroniki, MlEL 88, Zagreb 1988. dr. R. Babič, dr. T. Dogša, mag. M Solar, ing. A. Vesenjak, TF Maribor, ERI mag. S. Solar Iskra Avtoelektrika, ing. A. Rečnik Birostroj Maribor Prispelo: 16.06.92 Sprejeto: 13.07.92 iZhod LED Vbst =lSV potenci al tOdl AlOe IZHOD RELE N+ za1l>citnlll di oda p-