Разработка принципиальной схемы

1.4 Разработка принципиальной схемы

1.4.1 Расчёт узлов и блоков

Принципиальная схема разрабатываемого устройства приведена в графической части диплома на формате А1.

Для работы устройства сравнения требуется опорное напряжение не высокого потенциала. Первое опорное напряжение берётся со светодиода, ток через которые стабилизируется полевым транзистором. Для корректного зажигания светодиода требуется ток в 10мА, тогда на нём выделяется напряжение 2В. Конкретный транзистор для стабилизации тока выбирается по сток-истоковой вольтамперной характеристике. Второе опорное напряжение берётся из такой же конструкции, но вместо светодиода в истоковую цепь обычный диод. В данном случае ГД508А: падение напряжения на диоде 0,7В при токе в 10мА, что позволяет использовать одинаковые транзисторы в двух источниках опорного напряжения. Исходя из вышеописанного, и после сравнения сток-истоковых характеристик, мною выбран транзистор КП303А, у него наблюдается не значительное изменение тока стока в диапазоне 7 – 15В.

Блок переключателей выполнен на симисторах включённых по стандартной схеме включения, и со стандартными наборами подключаемых элементов. Симисторы должны выдерживать максимальное действующее напряжение в схеме и максимальный расчётный ток:

U_max = √2 ∙ 230 = 322 В;

I_max = 30 А.

Блок, содержащий в себе датчик напряжения, выполнен на основе резисторного делителя напряжения, подключённого к выпрямителю. От выпрямителя не требуется больших мощностей, т.к. он практически не несёт нагрузки, ток выпрямления настолько мал, что сюда подойдут практически любые диоды способные выдержать напряжение сети 220В. Резисторы делителя выбираются отталкиваясь от опорного напряжения в 2В. Делитель состоит из трёх резисторов токоограничивающего, подстроечного и ограничительного. Они все рассчитываются на основе закона Ома:

R_то = U / I,

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:

¾ назначение и область применения проектируемого устройства;

¾ заданные электрические характеристики, такие как рабочий диапазон частот, ограничение на потребляемую мощность, точность и стабильность характеристик и тому подобное;

¾ условия эксплуатации: климатические и механические воздействия, квалификация обслуживающего персонала и тому подобное;

¾ конструктивные показатели: требуемая надежность, ограничения на габаритные размеры и массу, заданные тепловые режимы, механическая прочность и так далее;

¾ уровень развития и наличие элементной базы, возможности ее применения в данной конструкции;

¾ 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.