ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ. Источник питания. Для большинства цифровых устройств необходим источник питания. При большом потреблении мощности использование как источника гальванических батарей неэкономично.
В этом случае постоянное напряжение получают путём трансформирования и выпрямления напряжения сети. Для этой цели в данной приборе используем (см. приложение ФИРЭ.ИИТ.КП602916/с.003) двухполупериодный выпрямитель со средней точкой трансформатора. К достоинствам можно отнести - используются обе половины переменного напряжения. При этом вырабатывается пульсирующее колебание, в котором отсутствующие в однополупериодной схеме полуволны инвертируются и появляются между положительными полуволнами.
Коэффициент пульсации составляет 0,67, для сравнения коэффициент пульсации однополупериодного выпрямителя 1,57. Чтобы уменьшить пульсации, на выходе выпрямителя, в схему включаем сглаживающий Г - образный RC - фильтр. Коэффициент сглаживания показывает, во сколько раз фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения. , где коэффициенты пульсаций и амплитудные значения напряжения на входе и выходе фильтра.
Схемы стабилизации используются во многих, но не во всех источниках питания. Для обеспечения устойчивости выходного напряжения постоянного тока в условиях изменяющейся нагрузки, колебаниях напряжения в сети используем стабилизатор в виде интегральной микросхемы. Включим в схему резистор R1 являющимся датчиком тока в схеме защиты от перегрузок. На выходе схемы установим конденсатор С2, служащий для снижения уровня пульсаций выходного напряжения, а так же повышения устойчивости стабилизатора.
С помощью переменного резистора R5 можно будет производить более точную регулировку выходного напряжения. 3.2. Кодово-сенсорный замок Для приведения в действие исполнительного механизма замка дос¬таточно в определенной последовательности дотронуться пальцем сен¬соров Е2 Е5. При этом необходимо касаться во время набо¬ра кода сенсора Е1 либо пар сенсоров: Е2, Е1; ЕЗ, Е1; Е4, Е1; Е5, Е1. При касании сенсоров Е2, Е1 положительное напряжение через цепь Rl, VD1, сопротивление кожи, VD2, R2 поступит на вход элемента DD1.1. В результате триггер DD3.1 установится в «единичное» состоя¬ние и подготовит элемент DD5.2. В связи с этим после касания сенсо¬ров ЕЗ, Е1 триггер DD3.2 также установится в «единичное» состояние.
Аналогично касание сенсоров El, E4 и El, E5 приведет к установке в «единичное» состояние соответственно триггеры DD4.1 и DD4.2. Уро¬вень логической 1 на прямом выходе триггера DD4.2 открывает ключ VT1, и реле К1 своими контакторами включает исполнительный меха¬низм замка. В данном устройстве элементы DD6.1 DD6.3 служат для сброса всех триггеров при нарушении последовательности набора.
Для этой же цели служат сенсоры Е6 Е10, при касании к любому из них все триггеры обнуляются. Цепь R12, С6 играет двойную роль. Она предотвращает ложное сраба¬тывание замка при включении питания (устанавливает триггеры в «нуле¬вое» состояние) и обеспечивает включение исполнительного механизма на определенное время, задаваемое постоянной времени цепи R12, Сб. Этого времени должно быть достаточно для того, чтобы засов замка, связанный с сердечником электромагнита, приготовился защелкнуться.
Помещение закрывают, захлопывая двери, аналогично некоторым типам механических замков. Цепь Rl3, C7 предотвращает возможный сброс триг¬гера DD4.2 при включении электромагнита, поскольку замок и электро¬магнит имеют общее питание. Устройство собрано на микросхемах КМОП структуры, поэтому характеризуется малым потреблением электроэнер¬гии. В проектируемом кодовом замке используем микросхемы К561ЛА7, К561ЛА9, К561ЛЕ5, К561ТМ2. В основе всех цифровых микросхем КМОП находятся элементы И, И, ИЛИ и коммутативный ключ. С помощью КК реализуются выходы с третьим состоянии очень большого выходного импеданса Z (практически разомкнуто). Полевые транзисторы можно соединять последовательно «столбиком», поэтому элементы И, ИЛИ строятся по разным схемам.
Для КМОП принято, чтобы 1 отображалась высоким уровнем, а 0 – низким.
Один двухвходовый канал И из микросхемы К561ЛА7 (см. рис. 3.2.) содержит четыре разноканальных полевых транзистора: VT1 и VT2 – n, а VT3, VT4 – p –канальные. На эквивалентной ключевой схеме выходы А и В получают четыре возможных логических сигнала от переключателей S1 и S2. Рис. 3.2. Принцип действия микросхемы К561ЛА7 Если последовательно перебрать все комбинации напряжений высоких и низких уровней, поступающих на входы А и В от S1 и S2, и рассмотреть уровни на выходе Q, получим таблицу состояний инвертора И. Когда от S1 и S2 на входы А и В поданы напряжения высокого уровня В, n – каналы транзисторов VT1 и VT2 будут замкнуты, а каналы VT3 и VT4 разомкнуты.
На выходе Q окажется напряжение низкого уровня Н. Если на вход А или В поступает хотя бы один низкий уровень, один из каналов VT3 или VT4 оказывается замкнутым и на выходе Q появляется напряжение высокого уровня. В результате вертикальная колонка данных на выходе соответствует функции И. Если на входы А и В подать два положительных импульса, сигнал на выходе Q будет соответствовать площади их совпадения (но с инверсией). Устройство базового элемента ИЛИ (это один канал микросхемы К561ЛЕ5), как бы обратное по сравнению с элементом И: здесь параллельно соединены n – канальные и последовательно p – канальные транзисторы.
На эквивалентной схеме (см. рис.) только совпадение низких входных уровней на входах А и В даст высокий уровень на выходе Q, так как в этот момент замыкаются оба верхних p – канальных транзистора VT1 и VT2. Присутствие хотя бы одного высокого уровня В на входах А, В означает замыкание одного из параллельных n – канальных транзисторов VT3, VT4. Рис. 3.3. Устройство микросхемы К561ЛЕ5. Состояние выхода Q в зависимости от уровней, последовательно поступающих от переключателей S1 и S2, дают столбик данных, соответствующих функции ИЛИ. Осциллограмма отклика на выходе ИЛИ показывает, что длительность действия инвертированного сигнала на выходе Q соответствует времени действия обоих входных сигналов.
Кроме указанных на схеме микросхем можно также применить ИМС серий К564, К561. Конденсаторы С1 С5 типа KM, C6 C8 типа К5О-16 резисторы - МЛТ-0,25. В качестве реле К1 используется реле РЭС59 (паспорт ХП4.500.021.01) с характеристиками Rном = 130 Ом, Iср = 11 мА, Iош = 1 мА, Uраб = 2.1…2.7 В и временными параметрами tср = 20 мс и tот = 12 мс. Кодонабиратель представляет собой прямоугольную пластину из изо¬лирующего материала, на которой размещены 10 сенсоров.
Если длина соединительных проводов между кодонабирателем и корпусом замка имеет значительную длину (более 300 мм), то для повышения помехоу¬стойчивости их желательно экранировать.
Собранный замок практически не требует налаживания. Может лишь возникнуть необходимость в более точном подборе величин рези¬сторов R12, R13. Для смены кода кодонабиратель соединяют с замком через переключатель. 4. РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ. 4.1. Блок питания. Определим значение тока через вторичную обмотку трансформатора по формуле: , где Iн – максимальный ток нагрузки, 0,5 А. Необходимо определить номинальную мощность: , где [7] U2 – напряжение на вторичной обмотке, В; I2 – максимальный ток через вторичную обмотку трансформатора, А. Действующие значения напряжений на вторичных обмотках трансформатора Мощность же на вторичных обмотках находится по формуле Коэффициент использования трансформатора составляет Ктр = 0,674. Имеем Pн – номинальная мощность, Вт. Pтр – мощность трансформатора, Вт Найдём коэффициент трансформации по формуле Рассчитаем необходимую площадь сечения сердечника магнитопровода Подсчитаем число витков первичной и вторичной обмотках по формуле где U1, U2 – напряжения на первичной и вторичной обмотках соответственно.
S – площадь сечения магнитопровода, см2. Необходимо найти диаметр проводов обмоток трансформатора по формуле: , где I – ток через обмотку, мА. Получаем диаметр провода равный 0,6 мм. После этого можно приступить к подбору трансформаторного железа и провода, изготовлению каркаса и выполнению обмоток.
Но следует иметь в виду, что Ш – образные трансформаторные пластины имеют неодинаковую площадь окна, поэтому нужно проверять, подойдут ли выбранные пластины для трансформатора.[7] Для этого мощность трансформатора умножим на 50, получится необходимая площадь окна: Полученное переменное напряжение и ток необходимо выпрямить.
По закону Ома определим сопротивление нагрузки Преобразование переменного тока в постоянный производится при помощи полупроводниковых диодов.
Ток через диоды составляет Выбираем два диода КД202Г, который обеспечивает выпрямленный ток Iпр = 3,5 А, выдерживающий обратное напряжение 70 В, прямое падение напряжения Uпр = 0,9 В, обратный ток Iобр = 0,8 мА, порог выпрямления Епор = 0,35 В. Прямое сопротивление вентиля Для сглаживания пульсаций, остающихся после выпрямления, используются схемы фильтрации. В схеме используем Г – образный RC фильтр. Найдём напряжение на входе фильтра Определим сопротивление электрического фильтра по формуле: Ёмкость конденсатора, входящего в состав фильтра находим как, где f – частота сети, 50 Гц. m – отношение частоты пульсаций основной гармоники к частоте сети, 2. Rф – сопротивление электрического фильтра.
Rн – сопротивление нагрузки. В качестве интегрального стабилизатора для фиксации напряжения питания ДА1 выбираем К142ЕН1 с параметрами: Uвх = 15…30 В, Uвых = 3…12 В, максимальный пропускаемый ток Imax = 0,1 А, максимальная рассеиваемая мощность Pmax = 0,8 Вт, коэффициент нестабильности напряжения по выходу микросхемы Кнс= 0,5. Выходной ток микросхемы ДА1 не соответствует заданному и для его повышения устанавливаем последовательно с нагрузкой регулирующий транзистор VТ1 c n – p – n проводимостью.
Ток транзистора определяем как где Iвн – ток, потребляемый схемой стабилизатора, составляет 0,006 А. Определим минимальное напряжение на входе стабилизатора. Оно должно быть: , где Uп – амплитуда пульсаций на входе стабилизатора; Uкэ min – минимальное падение напряжения на открытом транзисторе, 2 В. Получаем U01 min  9 + 2 + 1,1 = 12,1 В Найдём номинальное входное напряжение на стабилизаторе по формуле: , где Максимальная рассеиваемая мощность на транзисторе можно рассчитать как По найденным значениям выбираем транзистор КТ827А со следующими параметрами Uк э max = 100В, Iк max = 20 A, Pk max = 125Вт, h21 э min = 850, h21 э max = 18000. Определим ток базы транзистора по формуле что значительно меньше допустимого тока нагрузки микросхемы ДА1 – 0,05 А. Чтобы транзистор при номинальном токе нагрузки был закрыт и не влиял на работу стабилизатора, а открывался лишь при Iн = Iпор, пороговый ток должен заметно отличаться от номинального значения.
Сопротивление R1 определяет напряжение на эмиттерном переходе транзистора. Это напряжение пропорционально току нагрузки, поскольку резистор R3 включен последовательно с ней Устанавливаем самодельный проволочный резистор из манганина.
Отношение R2/R3 выбираем таким, чтобы при номинальном токе нагрузки напряжение между выводами микросхемы 10 и 11 было близким к нулю. U10-11 = UR1 + Uбэ1 - UR2 = UR3 - Uвых  0 Принимаем R3 = 2,4 кОм UR1 = Iн * R1 = 0,5 * 0,45 = 0,23 В Uбэ1 = 0,5 В UR2 = UR1 + Uбэ1 = 0,23 + 0,5 = 0,73 В Ток делителя R2, R3 Выходной конденсатор С2 также как и С1 повышает устойчивость стабилизатора и уменьшает пульсации на выходе.
Изготовитель микросхемы К142ЕН1 рекомендует ёмкость конденсатора С1 = 0,1 мкФ. Подобную ёмкость можно использовать и для конденсатора С2. Тип конденсаторов К73 – 24. 5.