124117 (Разработка энергосберегающей системы с использованием альтернативных источников энергии), страница 2

примем величину протекающего в делителе тока 2мА, тогда общее сопротивление делителя будет:

R_общ = 230 / 0.002 = 115000 (Ом) ≈ 120кОм, величина сопротивления с которого будет сниматься контролируемое напряжение будет составлять (по закону Ома):

R = 2 / 0.002 = 1000 (Ом) ≈ 1кОм.

Параллельно с ним включён конденсатор ёмкостью 1мкФ для сглаживания пульсаций на выходе датчика.

Блок датчика тока выполнен на основе резистора очень маленького сопротивления из-за того, чтобы не вносить потерь в цепь питания потребителей. Для того чтобы напряжение на выходе этого датчика было постоянным резистор включён в разрыв цепи диодного моста, который включён последовательно с потребителями. Данное включение диодного моста позволяет добиться минимальных потерь в цепи питания и материальных затрат компоненты. Данный диодный мост должен выдерживать максимальный ток в цепи (28А) и напряжение сети (230В). Сопротивление резистора с которого снимается напряжение сравнения 0,7В при максимальном протекающем в цепи токе 28А (по закону Ома):

R_Д = 0.7 / 28 = 0.025 (Ом),

Р_Д = U ∙ I = 0.7 ∙ 28 = 19.6 (Вт) ≈ 20Вт.

Такой резистор можно составить из четырёх отдельных резисторов сопротивлением 0,1Ом и мощностью 5Вт. Для сглаживания пульсаций напряжения, параллельно с этим резистором включён конденсатор ёмкостью в 1мкФ.

Блок устройства управления состоит из двух операционных усилителей включённых в качестве компараторов. Для ограничения тока, оптронов и светодиодов включённых попарно, и для стабильной их работы сопротивления резисторов (по закону Ома):

R_н = 4 / 0,01 = 400 (Ом),

резистор выбираем из стандартного набора, сопротивлением 470Ом. Переключающий транзистор выбирается из маломощных способных выдержать данный ток транзисторов, имеющих относительно не дорогую стоимость, а также обладающих хорошей помехозащищённостью.

Блок питания состоит из параметрического стабилизатора напряжения со стандартным набором деталей. А так как мощность потребляемая устройством не выходит за пределы 40 мА, то стабилизатор должен быть рассчитан на данный ток.

1.4.2 Выбор элементной базы

Любое устройство вычислительной техники на низшем конструктивном уровне содержит следующие элементы: микросхемы, полупроводниковые приборы, резисторы, конденсаторы, коммутационные элементы и так далее.

Выбор конкретных элементов для построения проектируемого устройства производится после анализа множества взаимосвязанных факторов. Всю совокупность факторов, влияющих на принятие решения, можно разбить на группы по следующим признакам:

назначение и область применения проектируемого устройства;

заданные электрические характеристики, такие как рабочий диапазон частот, ограничение на потребляемую мощность, точность и стабильность характеристик и тому подобное;

условия эксплуатации: климатические и механические воздействия, квалификация обслуживающего персонала и тому подобное;

конструктивные показатели: требуемая надежность, ограничения на габаритные размеры и массу, заданные тепловые режимы, механическая прочность и так далее;

уровень развития и наличие элементной базы, возможности ее применения в данной конструкции;

организационно-производственные показатели: сроки, отведенные на конструирование, размер партии, серийность выпуска.

Сделав, анализ приведенных выше групп факторов с учетом состояния современного мирового уровня развития микроэлектронной и вычислительной техники, произведем выбор микросхемы и радиоэлектронных элементов разрабатываемого устройства. На основе выбора компонентов будем разрабатывать печатную плату.

Выбор компонентов будем производить из распространённых на рынке радиодеталей. Все резисторы МЛТ, кроме резистора для датчика тока он требуется большой мощности и обладающий повышенной жаро- и огнестойкостью. И поэтому я остановился на выборе недорогого резистора SQP-5W-0.1±5%. Конденсаторы оксидные типа К50-6. Транзисторы: в блоке опорного напряжения выбирается КП303А, по сток-истоковой вольтамперной характеристике, а в блоке управления транзистор КП501А. Диоды: в блоке датчика напряжения КД105Б, в блоке датчика тока КД2958А, стабилитрон в блоке питания Д814А рассчитанный на напряжение питания устройства 8 – 9В. В блоке переключателей симисторы BTA41-600 (400B, 40A). Микросхема LM358N или советский аналог КР1040УД1А.

1.4.3 Описание принципа действия

Разрабатываемое мной устройство работает следующим образом:

На устройство управления, состоящее из двух компараторов, подаются два опорных напряжения и два напряжения с датчиков. На компаратор DA1.2 подаётся опорное напряжение 2В со светодиода, ток через который ограничивается транзистором, включённым в качестве стабилизатора тока. И одновременно с этим светодиод сигнализирует о работе устройства. И одновременно с этим напряжение с датчика напряжения. Как только напряжение на генераторе начинает падать, срабатывает компаратор DA1.2 на его выходе появляется низкий уровень сигнала и загорается светодиод VD18 и оптрон соединённый с ним, в результате появления низкого уровня блокируются оптроны U1 и U2 и компаратор DA1.1, следящий за током в цепях потребителей, не сможет переключить свои оптроны. И устройство переключает потребителей на стационарную сеть. Резистор R12 сопротивлением 330кОм, включён в качестве положительной обратной связи, создаёт петлю гистерезиса порядка 2В. Этот гистерезис предотвращает многократные переключения схемы в случае, когда напряжение генератора колеблется вблизи порогового уровня. Уменьшение этого резистора увеличивает величину этого напряжения, а увеличение – уменьшает.

На компаратор DA1.1 подаётся опорное напряжение 0.7В и напряжение взятое с датчика тока. Напряжение берётся с резистора включённого последовательно с нагрузкой и когда мощность нагрузки возрастает, возрастает падение напряжения на резисторе и оно фиксируется компаратором. Когда это напряжение доходит до 0.7В, что по расчёту соответствует максимальному току генератора в 28А, компаратор переключается и высоким уровнем открывает транзистор VT3 и включает диод VD17, а одновременно с этим выключается VD15 и оптрон U1. Которые открывают симистор VS2 и закрывают VS1. Резистор R11 сопротивлением 2МОм создаёт небольшую петлю гистерезиса.

1.4.4 Расчёт потребляемой мощности

Расчёт потребляемой мощности устройства необходимо производить для выбора конкретного источника питания или для расчётов энергосбережения.

Рассчитывая потребления мощности данного устройства нужно сложить все цепи которые включены параллельно источнику тока, в любой момент времени. В данном устройстве это блок опорного напряжения, один из трёх светодиодов и микросхема.

Рассчитаем потребляемую мощность:

P_max = ( I_VD5 + I_VD6 + I_VD15 + I_DA ) ∙ U_пит ,

где I_VD5 – ток через диод VD5,

I_VD6 – ток через диод VD6,

I_VD15 – ток через диод VD15,

I_DA – ток потребляемый микросхемой,

U_пит – напряжение питания устрояства.

Таким образом мощность потребляемая устройством составляет:

P_max = (10 + 10 + 10 + 4 ) ∙ 8 = 272 (мВт).

Из приведённого расчёта видно, что разработанное мной устройство имеет низкую потребляемую мощность. Данная мощность является оптимальной и соответствует предъявляемым к устройству требованиям.

2 Конструкторско-технологический раздел

2.1 Разработка печатной платы

При разработке различных устройств радиолюбители пользуются обычно двумя способами изготовления печатных плат – прорезанием канавок и травлением рисунка, используя стойкую краску. Первый способ прост, но непригоден для выполнения сложных устройств. Второй – более универсален, но порой пугает радиолюбителей сложностью из-за незнания некоторых правил при проектировании и изготовлении травленых плат.

Проектировать печатные платы наиболее удобно в масштабе 2:1 на миллиметровке или другом материале, на котором нанесена сетка с шагом 5 мм. При проектировании в масштабе 1:1 рисунок получается мелким, плохо читаемым и поэтому при дальнейшей работе над печатной платой неизбежны ошибки. Масштаб 4:1 приводит к большим размерам чертежа и неудобству в работе.

Все отверстия под выводы деталей в печатной плате целесообразно размещать в узлах сетки, что соответствует шагу 2,5 мм на реальной плате (далее по тексту указаны реальные размеры). С таким шагом расположены выводы у большинства микросхем в пластмассовом корпусе, у многих транзисторов и других радиокомпонентов. Меньшее расстояние между отверстиями следует выбирать лишь в тех случаях, когда это крайне необходимо.

В отверстия с шагом 2,5 мм, лежащие на сторонах квадрата 7,5 х 7,5 мм, удобно монтировать микросхему в круглом металлостеклянном корпусе. Для установки на плату микросхемы в пластмассовом корпусе, с двумя рядами жестких выводов, в плате необходимо просверлить два ряда отверстий. Шаг отверстий – 2,5 мм, расстояние между рядами кратно 2,5 мм. Замечу, что микросхемы с жесткими выводами требуют большей точности разметки и сверления отверстий.

Если размеры печатной платы заданы, вначале необходимо начертить ее контур и крепежные отверстия. Вокруг отверстий выделяют запретную для проводников зону с радиусом, несколько превышающим половину диаметра металлических крепежных элементов.

Далее следует примерно расставить наиболее крупные детали – реле, переключатели (если их впаивают в печатную плату), разъемы, большие детали и т.д. Их размещение обычно связано с общей конструкцией устройства, определяемой размерами имеющегося корпуса или свободного места в нем. Часто, особенно при разработке портативных приборов, размеры корпуса определяют по результатам разводки печатной платы.

Цифровые микросхемы предварительно расставляют на плате рядами с межрядными промежутками 7,5 мм. Если микросхем немного, все печатные проводники обычно удается разместить на одной стороне платы и обойтись небольшим числом проволочных перемычек, впаиваемых со стороны деталей. Попытки изготовить одностороннюю печатную плату для большего числа цифровых микросхем приводят к резкому увеличению трудоемкости разводки и чрезмерно большому числу перемычек. В этих случаях разумнее перейти к двусторонней печатной плате.

Условимся называть ту сторону платы, где размещены печатные проводники, стороной проводников, а обратную - стороной деталей, даже если на ней вместе с деталями проложена часть проводников. Особый случай представляют платы, у которых и проводники, и детали размещены на одной стороне, причем детали припаяны к проводникам без отверстий.

Микросхемы размещают так, чтобы все соединения на плате были возможно короче, а число перемычек было минимальным. В процессе разводки проводников взаимное размещение микросхем приходится менять не раз.

Далее можно начинать собственно разводку. Полезно заранее измерить и записать размеры мест, занимаемых используемыми элементами. Резисторы МЛТ-0,125 устанавливают рядом, соблюдая расстояние между их осями 2,5 мм, а между отверстиями под выводы одного резистора – 10 мм. Так же размечают места для чередующихся резисторов МЛТ-0,125 и МЛТ-0,25, либо двух резисторов МЛТ-0,25, если при монтаже слегка отогнуть один от другого (три таких резистора поставить вплотную к плате уже не удастся).

С такими же расстояниями между выводами и осями элементов устанавливают большинство малогабаритных диодов и конденсаторов КМ-5 и КМ-6, вплоть до КМ-66 емкостью 2,2 мкФ; не надо размещать бок о бок две "толстые" (более 2,5 мм) детали, их следует чередовать с "тонкими". Если необходимо, расстояние между контактными площадками той или иной детали увеличивают относительно необходимого.

При разработке двусторонней платы надо постараться, чтобы на стороне деталей осталось возможно меньшее число соединений. Это облегчит исправление возможных ошибок, налаживание устройства и, если необходимо, его модернизацию. Под корпусами микросхем проводят лишь общий провод и провод питания, но подключать их нужно только к выводам питания микросхем. Проводники к входам микросхем, подключаемым к цепи питания или общему проводу, прокладывают на стороне проводников, причем так, чтобы их можно было легко перерезать при налаживании или усовершенствовании устройства.

Если же устройство настолько сложно, что на стороне деталей приходится прокладывать и проводники сигнальных цепей, позаботьтесь о том, чтобы любой из них был доступен для подключения к нему и перерезания.

При разработке радиолюбительских двусторонних печатных плат нужно стремиться обойтись без специальных перемычек между сторонами платы, используя для этого контактные площадки соответствующих выводов монтируемых деталей; выводы в этих случаях пропаивают с обеих сторон платы. На сложных платах иногда удобно некоторые детали подпаивать непосредственно к печатным проводникам.

При использовании сплошного слоя фольги платы в роли общего провода отверстия под выводы, не подключаемые к этому проводу, следует раззенковать со стороны деталей.

2.2 Выбор способа изготовления печатной платы