Signaux numériques dans les circuits d'ascenseur

Les tenants et les aboutissants des équipements à signaux mixtes

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Les signaux analogiques et numériques sont étonnamment différents et nécessitent des outils, des techniques et des connaissances différents pour les utiliser. Certains disent que les signaux analogiques sont plus faciles à comprendre, tandis que d'autres sont plus à l'aise dans le domaine numérique. Lorsqu'il s'agit d'équipements à signaux mixtes, tels qu'un contrôleur de mouvement d'ascenseur-entraînement à fréquence variable (VFD), une expertise dans les deux est essentielle.

Un ascenseur est en fait un système à signaux mixtes. Cela signifie qu'il fonctionne en utilisant à la fois des signaux numériques et analogiques. De petits dispositifs relativement simples, généralement intégrés dans des circuits intégrés (CI), convertissent un signal analogique en un signal numérique. Ils sont connus sous le nom de convertisseurs analogique-numérique (ADC). Les convertisseurs numérique-analogique (DAC) effectuent le processus inverse. Ils sont également normalement intégrés dans les circuits intégrés. Ces conversions s'effectuent très rapidement sans perte d'information, comme nous le verrons, sous certaines conditions. Nous discuterons de ces contraintes et de la manière dont elles sont satisfaites après avoir défini les signaux analogiques et numériques et décrit leurs fonctions dans les systèmes d'ascenseur.

Ceci est un exemple de signal analogique. La plupart des gens le reconnaissent comme l'onde sinusoïdale de la tension électrique fournie aux installations résidentielles, commerciales et industrielles du monde entier. Ce n'est pas vraiment l'apparence d'une forme d'onde CA. Il s'agit plutôt d'un graphique de l'amplitude de la forme d'onde CA tracée en fonction du temps en coordonnées cartésiennes. Une forme d'onde réelle, par exemple celle du son, consiste en des variations périodiques de la densité de l'air se déplaçant à environ 700 mph. Ces changements dans les mécanismes d'impact de la densité de l'air dans nos oreilles. Ce sont des formes d'onde analogiques qui sont transformées en signaux numériques pour être traitées dans le cerveau. De même, les signaux électriques analogiques peuvent être dessinés en coordonnées cartésiennes et ils ont une apparence similaire aux ondes sonores, bien que les changements qui sont cartographiés soient électriques.

La caractéristique déterminante des formes d'onde analogiques est qu'elles sont continues, avec des transitions douces, à moins que le signal d'origine ne saute brusquement. En fait, les formes d'onde analogiques se conforment précisément aux signaux d'origine. C'est pourquoi on les appelle analogiques — ils sont analogues.

C'est la forme d'onde d'un signal numérique. Notez qu'il a des temps de montée et de descente (décroissance) très rapides. Entre ces transitions presque instantanées se trouvent des niveaux haut et bas relativement plats, dans ce cas déformés par la présence de bruit. Si l'amplitude du bruit n'est pas suffisante pour empêcher le récepteur de distinguer les niveaux logiques haut et bas, en conjonction avec l'émetteur, il reconstruira cette impulsion et d'autres afin qu'elles soient à nouveau des formes d'onde idéales. En conséquence, ils peuvent être propagés à travers un nombre quelconque d'émetteurs et de récepteurs successifs sans perte d'information, tout cela malgré un nouveau bruit qui peut être ajouté en aval, à condition qu'il ne soit pas trop puissant. C'est un avantage décisif pour la transmission numérique. En analogique, le bruit est cumulatif, alors qu'en numérique il est supprimé entre les étages.

Avez-vous regardé une émission de télévision par antenne parabolique lors d'une forte pluie ou d'une tempête de neige ? L'image est parfaitement claire, c'est-à-dire que le contrôle automatique du gain peut suivre le signal qui s'affaiblit, jusqu'à ce qu'à un certain point l'image se brise, se fige, se fracture et semble très étrange. C'est ce qu'on appelle la pixellisation, et c'est une conséquence du fait que l'étage numérique ne peut plus faire la distinction entre les niveaux logiques haut et logique bas dans le train d'impulsions numériques.

Il existe un nombre en constante évolution de familles logiques numériques, avec différents niveaux logiques haut et logique bas et différents niveaux de seuil auxquels elles se distinguent :

• Logique à diodes
• Logique résistance-transistor
• Logique transistor-transistor
• Logique couplée à l'émetteur
• Logique d'injection intégrée  

Il y en a beaucoup d'autres. Lorsque le nom d'une famille logique est composé d'un trait d'union, comme dans la logique résistance-transistor, le premier dispositif s'applique à l'entrée et le second dispositif s'applique à la sortie.

Les caractéristiques des circuits intégrés numériques incluent une tension d'entrée de haut niveau, qui est reconnue par la porte comme logique haute (1) ; une tension d'entrée de niveau bas, qui est reconnue par la porte comme logique basse (0) ; une tension de sortie de niveau haut, qui est la tension minimale disponible à la sortie correspondant au niveau logique haut (1) ; et un niveau de tension maximum disponible en sortie correspondant au niveau logique bas (0).

Le transistor à effet de champ (FET), successeur du transistor à contact ponctuel et ancêtre de sa sous-variante, le transistor à effet de champ semi-conducteur à oxyde métallique (MOSFET) consiste en un canal actif à travers lequel des porteurs de charge, des électrons ou des trous circulent de the source à l'égout. La taille, la forme et la conductivité sont modulées (application analogique) ou commutées (application numérique) au moyen de la tension appliquée aux bornes de grille et de source. Les trois bornes FET sont :

• Source (S), par laquelle les porteurs entrent dans le canal. Courant entrant dans le canal à the Source est désigné IS.
• Drain (D), par lequel les porteurs de charge quittent le canal. Le courant quittant le canal au drain est désigné ID. La tension drain-source est VDS.
• La porte (G) est le terminal qui module (analogique) ou commute (numérique) IS ou ID.

La source, le drain et la grille dans le FET sont analogues à l'émetteur, au collecteur et à la base dans le transistor conventionnel et à la cathode, la grille et la plaque (anode) dans la triode à tube sous vide. Un quatrième terminal, présent dans la plupart des FET, est connu sous le nom de corps, base ou substrat. Il sert à polariser le FET.

Le FET a anticipé l'invention et l'utilisation très répandue du MOSFET. La principale différence est que le MOSFET a une isolation de grille plus robuste et convient aux applications haute tension, jusqu'à 2000 V.        

La famille logique de loin la plus couramment utilisée actuellement est la logique MOS (Metal Oxide Semiconductor) en raison de la petite taille des semi-conducteurs, de la densité élevée des transistors dans un circuit intégré, de la faible consommation d'énergie et de l'immunité au bruit dans un très petit boîtier.

Ce qui est unique dans un MOSFET, c'est la porte fortement isolée. Cette fine couche électrolytique se caractérise par une capacité élevée et une faible conductance. À un moment donné, la couche électrolytique MOSFET était fabriquée à partir d'oxyde métallique. Cela a été remplacé par des non-métaux, mais le nom persiste. En raison de cette couche isolante robuste au niveau de la grille, l'entrée du signal peut consister en une tension à haute impédance qui, tout en ne tirant pratiquement aucun courant, provoque un champ électrique fluctuant pour réguler la largeur et la conductivité du canal qui relie la source et le drain. Ainsi, l'amplification ou la commutation peut être accomplie comme dans les transistors standard mais avec une dissipation de chaleur, une consommation d'énergie et une susceptibilité au bruit presque nulles.       

Le MOSFET est actuellement le dispositif fondamental d'un circuit intégré avec environ 30 sextillions (30 XNUMX milliards) d'unités installées dans les circuits imprimés à ce jour. Cette grande quantité est due au fait que plus d'un milliard de MOSFET peuvent être gravés sur un seul substrat IC, et bien sûr, le nombre total d'appareils grand public et industriels commercialisés chaque année dans le monde se chiffre également en milliards. Pensez à tous les téléphones, ordinateurs et électroménagers vendus chaque année !             

Dans un contrôleur de mouvement d'ascenseur, vous pouvez vous attendre à trouver plusieurs milliards de MOSFET, ils sont donc bien trop petits pour être vus ou entretenus. Mais lorsque vous décidez de remplacer ou non une carte de circuit imprimé défectueuse, vous devez comprendre ce qui se passe électroniquement, et c'est là que les MOSFET entrent en jeu. Les MOSFET sont le plus souvent utilisés dans la configuration CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor).

Actuellement, presque tous les circuits intégrés sont configurés en CMOS. Le CMOS est utilisé dans les applications analogiques et numériques, notamment comme capteurs analogiques dans les appareils photo numériques. La caractéristique déterminante des appareils numériques CMOS est la faible consommation d'énergie. Étant donné que l'une des paires en série est éteinte tandis que l'autre est allumée, la configuration CMOS consomme très peu de courant, sauf pendant de brèves transitions lors de la commutation. Par conséquent, peu de chaleur est dissipée, permettant une miniaturisation remarquable et une intégration à très grande échelle.

Le fonctionnement CMOS consiste en tous les semi-conducteurs à oxyde métallique de type p alimentés par une entrée provenant soit d'un autre transistor p-MOS, soit de la source de tension. De même, tous les transistors n-MOS sont alimentés soit par un autre transistor n-MOS, soit par la masse. Dans le transistor p-MOS, il y a une faible résistance de la source au drain lorsqu'une basse tension est appliquée à la grille et une résistance élevée lorsque la grille voit une haute tension. Une réduction de courant, presque à zéro, est obtenue car les n-MOSFET et les p-MOSFET sont en configuration complémentaire avec les deux grilles et les deux drains connectés. Une haute tension appliquée aux grilles amène les n-MOSFET à conduire et les p-MOSFET à ne pas conduire, et une basse tension sur les grilles provoque l'inverse.

Les portes sont en parallèle tandis que les p- et n-MOSFET sont en série, c'est pourquoi il y a peu de dissipation de courant ou de chaleur, à l'exception de très brefs pics au niveau des transitions, ce qui peut être problématique, en particulier à haute fréquence, en raison des interférences RF. ailleurs dans l'équipement ou à proximité. Cela peut être atténué par un blindage de taille appropriée. 

Si vous allez travailler sur des circuits numériques, il est certain que vous devez avoir une connaissance pratique des portes logiques. Ils peuvent être des dispositifs idéalisés ou physiques. Les deux sont basés sur la fonction booléenne, qui est une opération logique réalisée comme une ou plusieurs entrées binaires avec une seule sortie binaire.

Les portes logiques sont généralement construites à l'aide de diodes ou de transistors. Les implémentations physiques alternatives sont basées sur les tubes à vide, les relais électromagnétiques, la logique fluide, la logique pneumatique, l'optique et les entités quantiques. Les multiplexeurs, les registres, les unités logiques arithmétiques et la mémoire informatique sont constitués principalement de portes logiques, dont il peut y avoir plus de 100 millions dans une puce. Depuis les années 1990, la plupart des portes logiques sont réalisées en technologie CMOS, utilisant des transistors n-MOS et p-MOS.

Les principales portes logiques sont :

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Notes:

• OU : Tout niveau élevé créera un niveau de sortie élevé
• NOR : Toute entrée élevée créera une sortie faible
• ET : Toute entrée faible créera une sortie faible
• NAND : toute entrée faible créera une sortie élevée 

Une bascule a deux autres noms moins fantaisistes, verrou et multivibrateur bistable. C'est le bloc de construction de base de la mémoire et, dans sa forme binaire la plus fondamentale, il a deux états : activé (1) et désactivé (0). La bascule est en outre caractérisée par le fait qu'elle peut être amenée à changer d'état par application d'un signal sur une entrée de commande. Lorsqu'il est éteint, l'appareil se souvient de son état précédent.            

Pour toutes ces fonctionnalités, la bascule ne peut stocker qu'un seul bit d'information 0. Tout cela est connu sous le nom de logique séquentielle. Le dispositif a de nombreuses applications, y compris le comptage d'impulsions et la synchronisation de signaux d'entrée à cadencement variable sur un signal de cadencement de référence.          

Une bascule peut être déclenchée par niveau ou par front. Les bascules déclenchées par le niveau sont asynchrones, tandis que les bascules déclenchées par le front sont cadencées. Toutes les bascules sont composées de portes.

Les systèmes synchrones sont nécessairement cadencés. Les bascules constitutives ignorent leurs entrées, sauf lors de la transition d'un signal d'horloge ou d'une impulsion. Ensuite, la bascule change ou conserve son signal de sortie, en fonction des valeurs des signaux d'entrée à la transition. Ils peuvent inverser la sortie sur le front montant ou descendant de l'horloge.         

L'amplificateur doit être non inverseur. Ceci peut être accompli en cascadant un nombre pair d'étages inverseurs.                

Les bascules courantes sont set-reset (SR), delay (D) et toggle. Le plus simple de ces types est SR, qui est construit par deux portes NOR ou NAND interconnectées. 

Dans l'entretien des ascenseurs, nous examinons souvent l'ensemble VFD-moteur. En amont et au milieu du VFD, du redresseur et du bus CC, le circuit est analogique. Enfin, dans l'étage redresseur et jusqu'au moteur, c'est numérique. Certains disent que l'analogique est plus facile à comprendre, tandis que pour d'autres, le numérique a plus de sens. Pour travailler sur l'ensemble VFD-moteur, il est nécessaire de se familiariser avec les deux. Le VFD est ce qu'on appelle un appareil à signaux mixtes.

Commençons par l'entrée VFD. Le VFD et le moteur sont généralement situés dans la salle des machines, sauf si l'installation est sans salle des machines, auquel cas le moteur est situé sur le dessus de la cabine et le contrôleur de mouvement verrouillé et le VFD sont situés dans le couloir du dernier étage.   

Dans tous les cas, une ligne d'alimentation électrique avec un boîtier de déconnexion est située à portée de vue du moteur et une alimentation commutable est fournie au VFD. Cette alimentation consiste souvent en une alimentation triphasée de 480 V, qui doit être soigneusement mesurée à l'aide d'un voltmètre sans contact pour s'assurer qu'elle se situe dans les 3 % de la tension nominale ou 5 % avec le moteur en marche à pleine charge, si possible. . Les outils et les procédures pour travailler en toute sécurité dans le VFD sont décrits ci-dessous.

La section redresseur se compose de six diodes et de trois condensateurs, parfois complétés par des inductances. Ces composants doivent être vérifiés, évalués et remplacés si nécessaire.                   

Sur un système à 480 V, le bus DC véhicule 1.414 fois la tension de ligne, soit environ 678 V. Comment est-ce possible ? La réponse simple est que la sortie d'un redresseur pleine onde est toujours supérieure à l'entrée. Ce que vous recherchez, c'est un joli petit courant continu sans ondulation si l'étage et le moteur de l'onduleur doivent fonctionner de manière fiable. Vérifiez le bus DC avec un oscilloscope portatif alimenté par batterie ou un voltmètre en mode AC. Ces instruments doivent être sensibles à une petite forme d'onde CA circulant sur le CC haute tension. Si vous voyez une ondulation, revenez à la section du redresseur et examinez de plus près les condensateurs et toute inductance du circuit.

Ensuite, passez à l'étape de l'onduleur. Ici, la principale chose qui se passe est que la tension continue droite est convertie en un courant continu pulsé de fréquence et de rapport cyclique variables qui peut réguler la vitesse du moteur à courant alternatif.

De nombreux VFD ont des affichages qui signalent une condition de panne au moyen d'un code d'erreur tel que "F3", qui peut être interprété en consultant le manuel d'entretien du VFD. En cas de dysfonctionnement de l'alimentation ou du bus CC, comme indiqué ci-dessus, le diagnostic est simple. L'étage inverseur est un peu plus complexe, et parfois la solution simple et rapide consiste à remplacer la ou les cartes électroniques. Cela peut être assez coûteux, mais la priorité dans la réparation d'ascenseurs est de faire fonctionner le système en toute sécurité dès que possible.

Dans la section onduleur, il peut y avoir des complications dues à une prolifération de cloches et de sifflets, qui doivent être documentées dans le manuel d'entretien. Le système de base, cependant, est assez facile à comprendre.              

Pour rappel, pendant de nombreuses décennies, les ascenseurs électriques n'ont utilisé que des moteurs à courant continu, même après l'introduction du moteur à induction triphasé à courant alternatif de Nikola Tesla. La rotation pouvait être facilement inversée en commutant deux des trois conducteurs de phase, mais le contrôle de la vitesse était beaucoup plus facile dans un moteur à courant continu, où il suffisait de réguler la tension du moteur. La vitesse du moteur à courant alternatif était problématique, car la réduction de la tension provoquait le calage et la surchauffe du moteur. C'est-à-dire jusqu'aux années 1960, lorsque le VFD a été développé. Il a ensuite été constaté que la vitesse du moteur à courant alternatif pouvait être facilement régulée, comme requis pour des arrêts au sol en douceur et un fonctionnement en mode inspection, en ajustant la fréquence et le rapport cyclique dans une onde carrée plutôt que simplement la tension. Le moteur à courant alternatif peut même fonctionner à une vitesse supérieure à la vitesse nominale si des roulements à grande vitesse et un refroidissement adéquat sont fournis.

La section onduleur VFD transforme le courant continu du bus CC en une onde carrée avec une fréquence et/ou un rapport cyclique réglables. En règle générale, la façon dont cela fonctionne est qu'un signal de commande du contrôleur de mouvement est appliqué aux bornes de commande de six MOSFET à semi-conducteurs appelés thyristors. Ce sont des semi-conducteurs de commutation capables de supporter jusqu'à 2,000 XNUMX V.      

Deux outils essentiels et très peu coûteux pour effectuer des diagnostics numériques sont la sonde logique numérique et le générateur d'impulsions numérique. La sonde logique est un instrument portatif avec une électrode à pointe d'aiguille qui peut être touchée à n'importe quel point d'un circuit numérique. Il détecte la présence ou l'absence d'impulsions numériques et les caractérise au moyen d'indicateurs LED à code couleur. Le générateur d'impulsions est un autre instrument portatif avec une électrode à pointe d'aiguille qui peut être touchée à n'importe quel point d'un circuit numérique. Il est utilisé pour injecter un signal numérique dans un fil ou une borne qui n'est pas connecté à une entrée de signal d'entrée afin que l'effet de ce circuit ou composant puisse être évalué.         

Des outils spécialisés sont nécessaires pour travailler et mesurer la tension et le courant dans les assemblages de moteurs VFD. En fonction de la tension et du courant de défaut disponible, des équipements de protection individuelle peuvent être nécessaires, allant du casque, des lunettes et des gants haute tension aux combinaisons complètes. Dans un environnement commercial industriel ou lourd avec une grande banque d'ascenseurs, le boîtier de l'équipement doit être étiqueté avec la tension et le courant de défaut disponible. Cependant, des dangers peuvent être présents :

• L'étiquetage peut être obsolète, c'est-à-dire que le service et/ou le ou les départs peuvent avoir été mis à niveau, ce qui augmente le courant de défaut sans modifier l'étiquetage. Ensuite, mettez à jour l'étiquetage.

• Il est toujours préférable de couper l'alimentation avant d'aborder un scénario de courant de défaut élevé.

• Même lorsque l'alimentation est déconnectée, des tensions dangereuses peuvent être stockées dans les condensateurs des composants ou dans la capacité parasite. Cela est particulièrement vrai dans la section redresseur VFD.

Contrairement à la résistance, la tension et le courant ne peuvent être mesurés que sur des circuits sous tension. Par conséquent, les outils de mesure sans contact sont essentiels. Approchez avec prudence !