Автономный источник дежурного освещения с таймером

1. Обзор существующих схемотехнических решений построения устройств дежурного освещения

1.1 Дежурное освещение на светодиодах

1.2 Источник освещения с акустическим выключателем

1.3 Светодиодный маяк с таймером

1.4 Автоматический включатель освещения на базе датчика движения

2. Разработка автономного источника дежурного освещения с таймером на микроконтроллере КР140УД1208

2.1 Анализ работы автономного источника дежурного освещения с таймером, построение и описание его структурной схемы

2.2 Принципиальная схема источника дежурного освещения, анализ её работы, назначение отдельных элементов и микросхем

2.3 Описание функций микросхемы управления, построение временных диаграмм напряжений на её выводах

3. Разработка макетного образца и конструкции автономного источника дежурного освещения с таймером

3.1 Описание конструкции печатной платы

3.2 Описание конструкции сборочного чертежа Заключение Список литературы Приложение Спецификация Перечень элементов Принципиальная схема Конструкция печатной платы Сборочный чертёж

Микроконтроллер — программно управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управляющее им. Функции, выполняемые микроконтроллером, определяются программой, которая в нем записана. Вследствие этого они получили широкое распространение при разработке различных систем автоматизированного управления, контроля и индикации. Поэтому микроконтроллер является достаточно универсальным устройством для реализации заданной функции. Аналогичную функцию можно реализовать на дискретных элементах, однако здесь необходимо разработать соответствующую схему управления и конструкцию устройства. Данные факт лишает эти устройства универсальности, так как они способны выполнять только определённую функцию.

В данном курсовом проекте будут рассмотрены особенности построения зарядных устройств. В частности, будет детально рассмотрено автоматическое зарядное устройство на микроконтроллере КР140УД1208. Данный прибор очень удобен, так как позволяет по хлопку включать освещение на короткий промежуток времени. Программируемый операционный усилитель КР140УД1208 характеризуется низким током питания и низким эквивалентным входным напряжением шумов по широкому диапазону работы напряжения питания Данный курсовой проект предназначен для закрепления, систематизации и расширения знаний, полученных в ходе изучения дисциплины «Цифровые устройства и микропроцессоры». Курсовой проект представляет собой подробное изучение принципа работы автоматического зарядного устройства и микроконтроллера, использованного в схеме.

1. Обзор существующих схемотехнических решений построения источников дежурного освещения

1.1 Дежурное освещение на светодиодах

Для освещения будут использоваться мощные светодиоды 0,5 Ватт, они достаточно ярки и им не нужен внешний дополнительный радиатор, в отличие от более мощных аналогов «звёздочек» по 1−3 Ватта. В данной конструкции используются четырёхногие белые светодиоды 7,62 мм 100мА с углом рассеивания 140°. Падение напряжения на светодиоде ~3.3 В. Питание от сети 220Вольт. По закону Ома, величина гасящего сопротивления должна быть (220В-3.3*3)/0.1А=2200Ом. Рассеиваемая на нём мощность, соответственно, составит более 20Ватт. Резистор, с такими параметрами, имеет весьма внушительные размеры и, к тому же, будет сильно греться. в качестве сопротивления используется конденсатор.

1.1 Классическая схема с гасящим конденсатором Из курса электротехники известно, что конденсатор в цепи переменного тока имеет реактивное сопротивление Xc=1/(2рfC), где f-частота, C — ёмкость конденсатора. Чтобы получить сопротивление конденсатора в районе 2200Ом при частоте 50Гц, ёмкость должна быть C=1/(2*3.14*50*2200)=0.14 Фарад. или ~1.4мкФ. Это очень грубый расчет, где не берётся во внимание наличие в схеме выпрямительного моста и сглаживающего конденсатора. Сделаем запас на прочность, взяв ток в 75% от расчётного (яркости светодиодов будет достаточно, а режим их работы станет более щадящим), и возьмём конденсатор ёмкостью 1мкФ. Яркости будет достаточно даже при 0.68мкФ.

В качестве гасящих рекомендуется использовать только специальные помехоподавляющие конденсаторы класса X2, на напряжение не менее 250Вольт. Обычно такие конденсаторы имеют прямоугольную форму и много всяких значков-сертификатов на корпусе. Использование неподходящих конденсаторов может привести к пожару!

Резистор 220 Ом уменьшает бросок тока через конденсатор, при включении. Ведь, разряженный конденсатор, в момент включения, имеет очень маленькое сопротивление и, через всю схему, на доли секунды, протекает очень большой ток. Дополнительно, для защиты светодиодов от бросков тока в момент включения и в процессе работы, в схему включены электролитический конденсатор и мощный стабилитрон.

1.2 Макет схемы в корпусе Для изготовления понадобятся:

небольшая разветкоробка (корпус)

3 светодиода 0,5 Ватт 100мА диодный мостик на напряжение не менее 400 В и ток 1−2А) стабилитрон на 5Ватт 14−15 Вольт электролитический конденсатор 100мкФ на напряжение 100 В конденсатор (класса X2) 0.68−1мкФ на напряжение не менее 250 В резистор 1−2 Ватта на 150−200 Ом.

предохранитель на 1−2 Ампера колодка (клеммник) на два контакта

1.2 Источник освещения с акустическим выключателем

Устройство, предложенное автором, представляет собой ночник с автономным питанием и светодиодом в качестве источника света, включать и выключать который можно акустическим сигналом, например, хлопком в ладони. Разместить его нетрудно в любом удобном месте, поэтому он будет полезен в туристической поездке, походе и других случаях, поскольку может выполнять функции фонаря, а также найдет применение в различных играх и соревнованиях «кто громче хлопнет» и т. д.

1.3. Принципиальная схема источника освещения с акустическим выключателем Оно состоит из микрофона ВМ1, формирователя импульсов на транзисторе VT1, одновибратора на триггере DD1.2, счетного триггера DD1.1 и коммутатора на транзисторе VT2. В качестве источника света использован светодиод EL1 повышенной яркости свечения.

Устройство работает следующим образом. После включения питания конденсатор С1 заряжается через резистор R2. В этот момент на резисторе — высокий уровень, который поступает на вход R (вывод 10) D-триггера DD1.1 и устанавливает низкий уровень на его прямом выходе (вывод 13). Транзистор VT2 закрыт, и светодиод EL1 обесточен. Транзистор VT1 также закрыт и на его коллекторе низкий уровень.

Если теперь хлопнуть в ладони, то на выходе микрофона ВМ1 появляются всплески напряжения, которые через конденсатор С2 поступают на базу транзистора VT1 и открывают его. Коллекторный ток увеличивается, и на нагрузке — резисторе R4 — образуется один или несколько (в зависимости от длительности и характера хлопка) импульсов амплитудой, близкой к напряжению источника питания. Интенсивность хлопков в ладони не всегда постоянна, поэтому на резисторе R4 при одном хлопке появляется разное число импульсов. Для того чтобы счетный триггер DD1.1 переключался один раз при каждом хлопке, в устройство введен одновибратор.

Импульсы поступают на вход S (вывод 6) триггера DD1.2 и устанавливают на его прямом выходе (вывод 1) высокий уровень, запуская тем самым одновибратор. Через резистор R6 начинается зарядка конденсатора СЗ, и как только напряжение на нем превысит приблизительно половину напряжения питания, что будет воспринято входом R триггера DD1.2 как высокий уровень, триггер возвратится в состояние с низким уровнем на прямом выходе, а конденсатор СЗ быстро разрядится через диод VD1. На выходе одновибратора формируется импульс напряжения с длительностью Т, определяемой сопротивлением резистора R6 и емкостью конденсатора СЗ:

Т = 0.7*R6*C3,

где емкость конденсатора СЗ — в микрофарадах, а сопротивление резистора R6 — в мегаомах. Для указанных на схеме номиналов элементов — около 0,5 с.

Импульс одновибратора поступит на вход С D-триггера DD1.1. Поскольку инвертирующий выход (вывод 12) DD1.1 соединен с информационным входом D, это превращает его в счетный триггер. Поэтому по фронту импульса одновибратора он переключится в состояние с высоким уровнем на прямом выходе и на затвор транзистора VT2 поступит открывающее напряжение, сопротивление его канала резко уменьшится и светодиод EL1 начнет светить. Длительность сформированного одновибратором импульса в несколько раз превышает длительность хлопка, поэтому переключение будет происходить один раз от одного хлопка. Если теперь еще раз хлопнуть в ладони, то одновибратор снова сформирует импульс и счетный триггер переключится, но на этот раз в состояние с низким уровнем на прямом выходе, сопротивление канала транзистора VT2 увеличится и светодиод EL1 погаснет.

Все детали устройства, кроме батареи и выключателя, монтируют на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1…1,5 мм, изображенной на рис. 2. Плату размещают в корпусе подходящего размера, на котором устанавливают выключатель. В корпусе напротив светодмода и микрофона делают отверстия.

В устройстве использованы резисторы R1 — СПЗ-38а, остальные — МЛТ; конденсаторы С1, С2 — оксидные К50−35 или аналогичные импортные; С2, СЗ — керамические К10−17, КМ-6. Диод можно применить любой кремниевый серий КД102, КДЮЗ, КД503, КД510, КД521, КД522; биполярный транзистор — КТ3107 с любым буквенным индексом. Вместо полевого транзистора КП501А подойдет КП501Б или его функциональный аналог — микросхема К1014КТ1. Микрофон ВМ1 — электретный, например XF-18D. Выключатель SA1 — малогабаритный МТБ-102, SMTS-102 или подобный. Помимо указанного на схеме, можно применить сверхъяркие светодиоды белого свечения ARL-5013UWC, ARL-5613UWW, зеленого — ARL-5213PGC, красного — ARL-5613URW или аналогичные. Для питания можно использовать гальваническую батарею 3R12G или батарею из трех последовательно соединенных гальванических элементов или аккумуляторов типоразмеров АА или AAA. В стационарном варианте подойдет сетевой блок питания, желательно стабилизированный, с выходным напряжением 5 В. В таком случае на корпусе устройства необходимо установить гнездо для подключения внешнего источника питания. Ток, потребляемый устройством в дежурном режиме (когда светодиод не светит), не превышает 0,25 мА. Оно сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания до 3 В, но в зависимости от типа светодиода яркость может существенно уменьшиться.

Налаживание ночника заключается в установке подстроечным резистором R1 напряжения на микрофоне в пределах 0,7…1,3 В. Так как микрофон ВМ1 имеет встроенный усилитель, то, изменяя его режим по постоянному току, можно изменять чувствительность. Требуемое значение тока через светодиод, а значит, и яркость его свечения устанавливают подборкой резистора R5.

Поскольку устройство реагирует на акустические сигналы, то при громкой музыке светодиод будет периодически вспыхивать с частотой около 2 Гц. Поэтому ночник может служить индикатором превышения допустимого уровня шума. В этом случае светодиод EL1 следует использовать красного цвета свечения. Интересное применение устройство может найти в различных соревнованиях, конкурсах, где участники должны поочередно с двух-трех попыток зажечь (и погасить) светодиод хлопками в ладони. Победителем считается тот, кому это удастся сделать с наибольшего расстояния.

От редакции. Следует отметить, что в крайних положениях (см. рис. 1) движка резистора R1 чувствительность микрофона резко падает. Чтобы при регулировке этого не происходило, между движком и микрофоном необходимо установить резистор сопротивлением 5,1…10 кОм.

1.3 Светодиодный маяк с таймером

устройство освещение таймер конструкция Предлагаемое устройство предназначено для временного обозначения каких-либо объектов, мест повышенной опасности, привлечения внимания к выступающим за габариты или аварийно расположенным предметам. Его можно также использовать и в различных играх. Отличительной особенностью маяка является то, что он оснащен таймером, поэтому через определенный интервал времени после включения он автоматически выключается. Максимальная длительность выдержки составляет около 90 мин. В дежурном режиме устройство потребляет ток не более 0,1 мкА, что в большинстве случаев меньше тока саморазрядки батареи. В качестве источника света применен светодиод повышенной яркости, поэтому и в рабочем режиме он экономичен.

1.4 Принципиальная схема светодиодного маяка с таймером Схема устройства показана на рис. 1. На «мигающем» светодиоде HL1 и резисторе R1 собран генератор импульсов, логические элементы DD1.2, DD1.4 выполняют функции инверторов, микросхема DD2 — четырнадцатиразрядный двоичный счетчик, транзистор VT1 обеспечивает коммутацию светодиода HL2.

После подачи питающего напряжения начнется зарядка конденсатора С1 через резистор R2. В данный момент на этом резисторе и входе R счетчика DD2 присутствует высокий уровень, который установит на всех его выходах низкий логический уровень. На выходе элемента DD1.2 будет высокий уровень, и на светодиод HL1 поступит питающее напряжение. Ток, потребляемый «мигающим» светодиодом, периодически резко возрастает, и на резисторе R1 возникает импульс напряжения, который поступает на входы элементов DD1.1 и DD1.3. Стабильность работы генератора невысока, но для таких устройств она не требуется и вполне оправдывается простотой. Поскольку ток через светодиод HL1 не превышает доли миллиампера, его вспышки практически не заметны. С выхода элемента DD1.1 инвертированные импульсы поступают на вход С счетчика DD2, где и осуществляется их счет. Одновременно с импульсом на резисторе R1 формируется импульс и на выходе элемента DD1.4, транзистор VT1 открывается и светодиод HL2 вспыхивает.

С каждым импульсом генератора состояние выходов счетчика изменяется, и когда на выходе 2е (вывод 12 DD2) появится высокий уровень, на выходе элемента DD1.2 высокий уровень сменится низким и работа генератора прекратится. Светодиод HL2 вспыхивать не будет, и в таком — дежурном — состоянии устройство может находиться сколь угодно долго, практически не разряжая батарею, даже если не выключать питание. Для повторного запуска маяка необходимо выключить и снова включить питание. При этом через замкнутый контакт выключателя SA1 конденсатор С2 быстро разрядится, это необходимо и для разрядки конденсатора С1, чтобы при последующем включении маяка установить на выходах счетчика DD2 низкий уровень.

Продолжительность работы маяка зависит от того, к какому из выходов счетчика DD2 подключены входы логического элемента DD1.2 и от частоты «мигающего» светодиода HL1. Для указанных на схеме элементов продолжительность работы составляет примерно 2 мин 20 с. В небольших пределах ее можно изменять подборкой резистора R1 (от 3 до 100 кОм), а в больших — выбором выхода микросхемы DD2, к которому подключены входы элемента DD1.2. Например, для увеличения продолжительности работы маяка в два раза входы элемента DD1.2 следует соединить с выходом 29 (вывод 14) | счетчика DD2. Максимальная продолжительность работы маяка — около 90 мин — будет при соединении входов I элемента DD1.2 с выходом 213 (вывод 3) счетчика DD2.

В устройстве применены постоянные резисторы МЛТ, оксидные конденсаторы — импортные, транзистор КП504А можно заменить транзистором КП501 с любым буквенным индексом или микросхемой КР1014КТ1А. Выключатель питания — любой малогабаритный, например, МТ-1, MTS-102, SMTS-102, светодиод ARL-3014URD-B заменим на ARL-5013URC-B или MSB557DA. Светодиод 10G4DHCBB20 — на ARL-5613URW — красного, ARL-5213PGS — зеленого, ARL-5013UWC, ARL-5613UWW — белого цвета свечения. Для питания можно использовать батарею 3R12P или три соединенных последовательно гальванических элемента типоразмера АА, AAA. Если применен светодиод HL2 красного или зеленого цвета свечения, то работоспособность маяка сохраняется при напряжении источника питания 3…6 В.

Большинство деталей размещены на печатной плате из односторонне фольтированного стеклотекстолита толщиной 1…1.5 мм, чертеж которой показан на рис. 2. Плату устанавливают в прямоугольном пластмассовом корпусе, например, мыльнице размерами примерно 105×65×35 мм. Внешний вид возможного варианта устройства показан на рис. 3. Выключатель питания SA1 крепят на передней панели корпуса, а светодиод HL2 — на верхней стенке.

Перед установкой радиодеталей на печатной плате необходимо смонтировать проволочные перемычки. Для установки микросхем и полевого транзистора желательно применить панели. При этом для транзистора трехгнездовую панель можно сделать самостоятельно, использовав для этого восьмивыводную панель для микросхем. Сначала ее разрезают так, чтобы получилось две панели по четыре вывода, а затем один из них удаляют; сделать это можно с помощью монтажных кусачек.

Частоту и амплитуду импульсов генератора в небольших пределах можно изменить подбором резистора R1. Для изменения продолжительности работы маяка необходимо скорректировать топологию печатной платы. Если она уже изготовлена, то разрезают печатный проводник, соединяющий вывод 12 микросхемы DD2 с выводами 8 и 9 элемента DD1.2, и устанавливают проволочную перемычку между выводами 8, 9 элемента DD1.2 и выбранным выходом счетчика DD2. Ток через светодиод HL2 устанавливают подбором резистора R3, для этого сток и исток транзистора VT1 временно соединяют перемычкой. Увеличивать ток светодиода HL2 до максимального значения (80 мА) нецелесообразно, так как при токе свыше 50 мА яркость его свечения субъективно возрастает незначительно. Чтобы при включении маяка светодиод HL2 в течение установленного времени светил постоянно, следует вывод 1 элемента DD1.3 отсоединить от катода светодиода HL1 и соединить с выводом 2 этого же элемента. При использовании более мощного источника света, например, лампы накаливания, необходимо применить полевые транзисторы IRF3205, IRL2505L и батарею большей емкости.

1.4 Автоматический включатель освещения на базе датчика движения

Человеческое тело является источником инфракрасного излучения. Это свойство используется для создания пассивных датчиков движения в системах автоматического включения освещения и охраны помещений. Такие датчики реагируют на малейшие изменения теплового излучения, вызываемые перемещением предметов в помещении. Устройства называются пироэлектрическими датчиками и состоят из инфракрасного приемника теплового излучения и предварительного усилителя на полевом транзисторе. Для снижения уровня помех перед фотоприемником обычно устанавливается светофильтр, пропускающий излучение только в диапазоне длин волн 5−14 мкм, наиболее характерном для излучения человеческого тела. Чтобы обеспечить защиту от ложных срабатываний, в более сложных датчиках инфракрасный приемник выполняется в виде двух одинаковых приемников, включенных навстречу друг другу. При таком включении напряжения, генерируемые в фотоприемниках от внешней засветки и изменения температуры корпуса датчика, вычитаются и практически полностью компенсируются. Таким образом, устройства реагируют только на изменения инфракрасного излучения и являются датчиками движущихся объектов. Не стоит думать, что такой датчик реагирует на перемещение только нагретых объектов. Так как в помещении всегда присутствует неравномерный тепловой фон, то перемещение даже не нагретого объекта приводит к изменению теплового фона и срабатыванию датчика движения. Примером такого датчика является пироэлектрический датчик IRA-E710 производства компании Murata. Его схематическое устройство показано на рис. 1 В качестве исполнительного элемента использован симистор. В состав устройства входит также датчик внешней освещенности, его можно настроить таким образом, что дополнительное освещение включается только при недостатке естественного. Время, на которое включается освещение, можно регулировать в широких пределах.

Технические характеристики устройства:

* Напряжение питания 220 В ± 10%;

* Максимальная мощность лампы 500 Вт;

* Время включенного состояния от 5 с до 5 мин;

* Дальность срабатывания: 3…5 м;

* Размер печатной платы: 82×40 мм;

* Габариты корпуса: 85×50×35 мм.

Принципиальная электрическая схема устройства показана на рис. 2, а перечень элементов показан на принципиальной схеме.

Рис 1.4. Принципиальная схема Автоматического включатель освещения с датчиком движения Схема работает следующим образом. Инфракрасное излучение принимается пироэлектрическим приемником PIR1. Так как такой приемник реагирует только на изменение уровня ИК-излучения между площадками приемника, то перед ним устанавливается модуляционная решетка, состоящая из узких горизонтальных прозрачных и непрозрачных полосок. Тепловой объект, перемещаясь поперек них, оказывается поочередно закрыт/открыт для фото;

приемника. Это вызывает появление на выходе фотоприемника переменного напряжения, которое является признаком движущегося объекта. Подбирая ширину модулирующих полосок, можно добиться максимальной чувствительности прибора для объектов заданного размера, а изменяя размер окна модуляционной решетки, можно оптимально сформировать зону обслуживания прибора. Питание на встроенный усилитель пироэлектрического приемника подается через сглаживающий фильтр R1, C1. Выходной сигнал снимается с вывода 2. Резистор R19 является внешней нагрузкой встроенного полевого транзистора. Далее сигнал поступает на усилитель с коэффициентом усиления примерно 150, собранный на DA1 (выводы 1, 2, 3). При отсутствии движения в зоне действия датчика напряжение на выходе ОУ будет неизменным. При появлении движущихся объектов на выходе ОУ появляется переменная составляющая, которая через конденсатор С2 поступает на второй каскад усиления на DA1 (выводы 12, 13, 14). Этот каскад имеет усиление около 100. Далее сигнал подается на компаратор, собранный на DA1 (выводы 8, 9, 10) и имеющий порог срабатывания, задаваемый резистивным делителем R8, R11, R20. В исходном состоянии напряжение на выходе компаратора близко к 0, и конденсатор С7 разряжен. Если переменная составляющая сигнала от датчика движения превышает порог срабатывания компаратора, то на его выходе появляется сигнал высокого уровня, который быстро заряжает время задающий конденсатор С7. Диод VD5 не дает разрядиться конденсатору С7 через низкое выходное сопротивление компаратора. Разряд конденсатора происходит через последовательно соединенные резисторы R14, R22. При помощи переменного резистора R22 время разряда можно изменять от 5 с до 5 мин. Конденсатор С7 подключен к неинвертирующему входу второго компаратора, собранного на DA1 (выводы 5, 6, 7). Порог срабатывания этого компаратора за-дается резистивным делителем R9, R13. Сигнал с выхода этого компаратора поступает на усилитель на транзисторе VT1 и далее на управляющий вывод полупроводникового симистора, который подает напряжение на нагрузку. Время включенного состояния нагрузки определяется суммой продолжительности действия сигнала с датчика движения и постоянной времени разряда цепи С7, R14, R22. теля на R21, R18, C9, VD4, VD6, C8 и двухступенчатого стабилизатора на VD3, R2, C3, VD1.

2.

2. Разработка автономного источника дежурного освещения с таймером на основе микроконтроллера КР140УД1208

2.1 Анализ работы источника дежурного освещения, построение и описание его структурной схемы

Предлагаемый прибор — один из вариантов автономного источника дежурного освещения расширенными за счёт применения микроконтроллера возможностями. Данное зарядное устройство с батарейным питанием обеспечивает включение местного дежурного освещения на короткий промежуток времени. Такой способ освещения позволяет экономить электроэнергию, и не зависит от каких либо сбоев в электросети. С помощью хлопка происходит включение устройства, что обеспечивает удобства в использовании. Светодиод повышенной яркости позволяет освещать небольшие участки.

Разработку устройства начнём с построения структурной схемы представленной на рис. 2.1. Данное устройство подключается к гальваническому элементу, микроконтроллер выполняет функцию компаратора, и для получения максимального коэффициента усиления по напряжению включен без обратной связи. При подаче сигнала в схему включения освещения, на выходе микроконтроллера появляются один или несколько импульсов напряжения, которые запускают одновибратор, на выходе D-триггера DD1 установится высокий логический уровень, транзистор откроется и включит светодиод.

Рис. 2.1. Структурная схема автономного источника дежурного освещения В структурную схему устройства входят 5 блоков.

«Блок питания» включает в себя источник питания в 4,5 ~Вольт.

«Блок микроконтроллер» — это управляющее устройство. В данном случае КР140УД1208

В «Блоке схема включения освещения» В состав схемы входит одновибратор на D-триггере, электронный ключ на транзисторе и акустическое в состав которого входит микрофон ВМ1

Блок «Нагрузка» — подключаемое устройство, которое мы запитываем, в частности сверхъяркий светодиод.

2.2 Принципиальная схема автономного источника дежурного освещения с таймером, анализ её работы, назначение отдельных элементов и микросхем

При выборе пассивных элементов электрической цепи: резисторов, конденсаторов и так далее, будем руководствоваться, в основном, принципом максимальной миниатюризации, так как для проектируемого устройства не требуется резервирования по мощности пассивных элементов, ввиду небольших токов и напряжений в схеме.

В устройстве применены постоянные резисторы ОМЛТ, С2−33, оксидные конденсаторы — К50−35 или аналогичные импортные, причем конденсатор С2 должен быть с током утечки не более 1 мкА, остальные — К10−17, КМ-6.

Аналоговые элементы — транзисторные ключи, диоды и стабилитроны — выбираем конкретно для каждого узла при детальном проектировании функциональных узлов. Ввиду того, что планируемое энергопотребление проектируемого устройства невелико выберем аналоговые элементы, имеющие наиболее малые размеры, но обладающие достаточным запасом по мощности для данного устройства. Полевой транзистор КП501А, ввиду его малой мощности можно заменить на транзисторы серий КП501, КП504 с любыми буквенными индексами. Диоды — любые серий КД102 КД103, КД503, КД521, КД522

Для питания можно применить гальваническую батарею 3R12G либо батарею из трех последовательно соединенных гальванических элементов или четырех аккумуляторов типоразмера АА или AAA. Ток, потребляемый устройством в дежурном режиме (когда светодиод не светит), составляет 90…220 мкА. Учитывая это, а также ввиду небольших размеров устройства, нам хватит и одного светодиода, но сверх яркого, а именно — 10G4DHCBB20.

D-триггеры К176ТМ1, К176ТМ2, К561ТМ2 имеют динамические входы и могут работать в счетном режиме, то есть менять свое состояние на противоположное на каждый импульс, приходящий на счетный вход триггера. Триггеры микросхем К561ТР2, К561ТМЗ и 564УМ1 со статическими входами могут работать только в режимах записи и хранения записываемой в них информации. Микросхемы К176ТМ2 и К561ТМ2 содержат по два D-триггера. Установка триггеров в нулевое и единичное состояние производится, как и у JK-триггера, подачей лог. 1 на входы R и S. По спадам тактовых импульсов отрицательной полярности на входе С происходит установка триггера в состояние, соответствующее уровню на входе D перед спадом. Триггер непосредственно не реагирует на изменение сигналов на входе D, играет роль лишь сигнал на этом входе перед спадом импульса отрицательной полярности на входе С. Вход C служит для синхронизации записи логического сигнала поступающего на вход D. Происходит это следующим образом: на вход D подается некий логический уровень. Например, логическая единица. Затем на вход синхронизации подается синхронизирующий импульс. По заднему фронту этого импульса происходит запись сигнала со входа D в триггер. Триггер переходит в единичное состояние. Точно так же, если на вход D триггера ноль подать логический ноль то по спаду синхроимпульса он запишется в триггер.

Рис. 2.2.Принципиальная схема источника дежурного освещения Устройство работает следующим образом. После включения питания конденсатор СЗ заряжается через резистор R7, и в этот момент высокий логический уровень поступает через диод VD3 на вход R (вывод 10) D-триггера DD1.1 и устанавливает низкий уровень на его выходе (вывод 13). Транзистор VT1 закрыт, и светодиод EL1 обесточен. ОУ DA1 выполняет функцию компаратора, и для получения максимального коэффициента усиления по напряжению включен без обратной связи. Меньшее, по сравнению с R4, сопротивление резистора R5 обеспечивает меньшее напряжение на неинвертирующем входе (вывод 3) ОУ DA1, поэтому на его выходе (выводе 6) установится низкий уровень.

При хлопке в ладони на выходе микрофона ВМ1 появляется переменное напряжение, которое через конденсатор С1 поступает на аноды диодов VD1, VD2, а положительные полуволны через них — на входы ОУ DA1. При этом на инвертирущем входе они сглаживаются конденсатором С2, поэтому на выходе ОУ DA1 появляются один или несколько импульсов напряжения, которые поступают на вход С D-триггера DD1.1. Поскольку на входе D (вывод 11) присутствует высокий уровень, то он «запишется и произойдет запуск одновибратора — на выходе D-триггера DD1.1 установится высокий логический уровень, транзистор VT1 откроется и включит светодиод EL1.

Через резистор R8 начнется зарядка конденсатора С5, а с него напряжение через диод VD4 поступит на вход R D-триггера DD1.1. Когда это напряжение достигнет высокого уровня, триггер возвратится в состояние с низким уровнем на выходе, конденсатор С5 быстро разрядится через диод VD5, транзистор VT1 закроется и светодиод EL1 погаснет. Таким образом, после хлопка в ладони на выходе одновибратора формируется импульс напряжения с длительностью Т, определяемой сопротивлением резистора R8 и емкостью конденсатора С5: Т = 0,7 R8-C5, для указанных на схеме номиналов элементов это — около 120 с. В течение этого импульса светодиод светит, после чего гаснет.

Все детали устройства, кроме батареи, выключателя монтируют на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5−2 мм.

Ее устанавливают в пластмассовый корпус подходящего размера, например, в мыльницу прямоугольной формы. Для установки светодиода в передней панели делают отверстие немного меньше, чем его диаметр, в которое с небольшим усилием его вставляют. Для установки выключателя также делают отверстие, а напротив микрофона — несколько отверстий диаметром 2…3 мм для прохождения акустического сигнала.

Чтобы устройство можно было использовать и в переносном и в стационарном вариантах, в задней части корпуса делают веревочную (проволочную) петлю или отверстия типа «уши» для крепления на мебели или стене. Для снижения акустических помех на нижнюю и заднюю части корпуса желательно приклеить пористую прокладку (поролон) толщиной несколько миллиметров.

В устройстве применены постоянные резисторы ОМЛТ, С2−33, подстроечный — СПЗ-19а, оксидные конденсаторы — К50−35 или аналогичные импортные, причем конденсатор С5 должен быть с током утечки не более 1мкА, остальные — К10−17, КМ-6. ОУ КР140УД1208 можно заменить на К140УД12, диоды — любые серий КД102, КД103, КД503, КД521, КД522, полевой транзистор КП501А заменим на транзисторы серий КП501, КП504 с любыми буквенными индексами. Выключатель SA1 — малогабаритный MTS-102, SMTS-102. Помимо указанного на схеме, можно применить другие сверхъяркие светодиоды, например, OSBG5111A-VW, TTL-500G3VC-2 — зеленого цвета свечения, ARL-5013UWC, ARL-5613UWW, ARL-3214UWC — белого. Микросхемы желательно установить в панели.

Для питания можно применить гальваническую батарею 3R12G либо батарею из трех последовательно соеди ненных гальванических элементов или четырех аккумуляторов типоразмера АА или ААА. Ток, потребляемый устройством в дежурном режиме (когда светодиод не светит), составляет 220 мкА.

Налаживание заключается в установке подстроечным резистором R2 постоянного напряжения на микрофоне в пределах 0,3…1,2 В, изменяя тем самым чувствительность устройства. Ток через светодиод EL1 (не более 80 мА), а значит, и яркость его свечения устанавливают изменением сопротивления резистора R9. При необходимости подборкой резистора R5 (620…910 кОм) устанавливают на выходе ОУ DA1 низкий логический уровень.

Для надежной работы устройства входы второго D-триггера (выводы 3—6), входящего в состав микросхемы DD1, соединяют с минусовой линией

2.3 Описание функций микросхемы управления, построение временных диаграмм напряжений на её выводах

На рис. 2.3. показана использованная в данном курсовом проекте микросхема КР140УД1208. Микросхема представляют собой микромощный многофункциональный операционный усилитель с регулируемым потреблением мощности (тока), с внутренней частотной коррекцией и защитой выхода от короткого замыкания; имеют выходы для балансировки с помощью внешнего потенциометра.

Рис. 2.3. Микроконтроллер КР140УД1208

Основные характеристики микроконтроллера.

Содержит 42 интегральных элемента Назначение выводов КР140УД1208:

1,5Offset — балансировка; После включения напряжения питания усилитель необходимо отбалансировать. Балансировка позволяет установить на выходе постоянное напряжение, равное нулю, при нулевом постоянном напряжении на входе.

· 2 Vin (-) — вход инвертирующий, на выходе мы получим инвертированный сигнал, то есть сдвинутый по фазе на 180 градусов — зеркальный;

· 3 Vin (+) — вход неинвертирующий, на выходе мы получим фазово не измененный сигнал.

· 4 -VEE— минус питания ;

· 6 VOUT— выход;

· 7 +VCC— плюс питания

· 8 Ic— задающий ток.

Допускается работа ИС от двух источников с несимметричными напряжениями Uп1? Uп2 В этом случае параметры ИС определяются суммарным напряжением питания Uп1 — Uп2 и током делителя Iд.

Допускается работа ИС от одного источника питания.

Типовую схему включения разрешается применять при токах делителя IД мкА<(250 — Т)/3. При токах делителя Iд = nIдmax< > 1) необходимо включать симметричные резисторы между выводами 1 и 4, 5 и 4 для, КР140УД1208 и выводами 3 и 6, 9 и 6.

Сопротивления этих резисторов могут быть уменьшены до нуля, если отсутствует необходимость в балансировке ИС.

Выходное напряжение достигает своего установившегося значения с точностью ± Uсм за время t = 0,5 мс при Iд = 1,5 мкА и t = 0,1 мс при Iд = 15 мкА.

Электрические параметры

· Номинальное напряжение питания ± 15 В

· Максимальное выходное напряжение при Un = ± 15 В, RH= 75 кОм, UBK = ± 0,1 В> ±10 В

· Диапазон синфазных выходных напряжений при Un = ± 15 В, RH= 75 кОм ± 10 В

· Напряжение смещения нуля при Un = ± 15 В,

RH= 75 кОм< ±6 мВ

· Входной ток:

при 1 Iд = ± 15 В, RH=75 кОм, Iд = 1,5 мкА< 30 мкА при Un = ± 15 В, RH= 75 кОм, Iд = 15 мкА < 190 мкА

· Разность входных токов при Un = ±15 В,

RH= 75 кОм< 6 нА

· Ток потребления:

при Un = ±15 В, RH=75 кОм, Iд =1,5 мкА<30 мка при Un = ± 15 В, RH=75 кОм, Iд =15 мкА < 190 мкА

· Коэффициент усиления напряжения:

при Un = ± 15 В, RH =75 кОм, Iд=1,5 мкА >50−103

при Un = ± 3 В, RH=75 кОм> 25 * 103

· Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений при Un-t 15 В, RH = 75 кОм> 70 дБ

· Коэффициент влияния нестабильности источников питания на напряжение смещения нуля при Un = ± 15 В, RH= 75 кОм <200мкВ/В

· Максимальная скорость нарастания выходного напряжения:

при Un = ± 15 В, RH =75 кОм, Iд = 1,5 мкА>0,01 В/мкс при Un = ± 15 В, RH = 5 кОм, Iд = 15 мкА >0,1 В/мкс

· Средний температурный дрейф напряжения смещения:

при Un = ± 15 В, Iд = 1,5 мкА ±7 мкВ / °С при Un = ± 3 В, Iд = 15 мкА ±3 мкВ/°С

· Средний температурный дрейф разности входных токов:

при Un~ ± 15 В, Iд = 1,5 мкА ±2,5 нА/°С при Un= ± 15 В, Iд = 15 мкА ±5нА/°С Ток короткого замыкания при Un = ± 15 В −8…−2А мА

· Входное сопротивление:

при Un± 15 В, Iд = 1,5 мкА 30 МОм при Un 115 В, Iд = 15 мкА 5 МОм

· Выходное сопротивление:

при Un± 15 В, Iд = 1,5 мкА 15 кОм при Un = ± 15 В, Iд = 15 мкА 2 кОм

· Частота единичного усиления;

при Un = ± 15 В, RH = 75 кОм, Iд = 15 мкА > 0,01 МГц при Un~±3 В, RH = 5 кОм, Iд = 15 мкА >0,1 МГц

· Предельно допустимые режимы эксплуатации Напряжение питания ±(3…16,5) В В предельном режиме ± (1,5…18) В

· Входное дифференциальное напряжение ± 20 В

· в предельном режиме ± 30 В

· Входные синфазные напряжения ± 10 В

· в предельном режиме ± 15 В

· Напряжение на каждом входе относительно общей точки ± 10 В

· в предельном режиме ±15В

· Ток делителя максимальный <150 мкА

· в предельном режиме < 500 мкА

· Рассеиваемая мощность при Т= 70 °C <125 мВт

· Сопротивление нагрузки <5кОм

· Емкость нагрузки <100пФ

· Время короткого замыкания выхода на «землю» или «питание». <5с

· Температура окружающей среды — 60°С…+85%

Рис. 2.4 Типовая схема включения микросхемы КР140УД1208

Рис. 2.5. Схема внешней балансировки микросхемы КР140УД1208

Изначально создание маломощных и микромощных операционных усилителей (ОУ) было вызвано необходимостью уменьшить ток потребления устройств, содержавших большое число ОУ. Впоследствии появление портативных изделий с аккумуляторным питанием придало новый импульс развитию подобных ОУ.

Программируемый операционный усилитель КР140УД1208 характеризуется низким током питания и низким эквивалентным входным напряжением шумов по широкому диапазону работы напряжения питания.

В сочетании с программируемыми электрическими характеристиками усилитель может использоваться в аналоговых устройствах с низкой потребляемой мощности. Внутренняя частотная коррекция, высокая скорость нарастания входного напряжения и защита от короткого замыкания, с регулируемым потреблением мощности и током потребления 30.190 мкА, гарантируют простоту использования в интеграторах, активных фильтрах и схемах выборки и хранения. мощность потребления которых не превышает 1,5 мВт при минимально допустимом для них напряжении питания.

ОУ оптимизирован для использования в системах с низким однополярным напряжением питания. Исключительная комбинция характеристик по постоянному и переменному току делает эти ОУ идеальными для использования во многих областях, включая обработку малых сигналов, аудиотехнику и активные фильтры. Кроме того, эти изделия имеют широкий диапазон напряжений питания и высокий коэффициент подавления пульсаций напряжения питания, что делает их привлекательными для использования в схемах с батарейным питанием без дополнительного стабилизатора напряжения.

Рассмотрим временные диаграммы данной схемы:

Рис. 2.6. Сигнал с выхода микрофона Рис. 2.7. Сигнал на входе 3 микросхемы КР140УД1208

Рис. 2.8. Постоянное напряжение на входе 2 микросхемы КР140УД1208

Рис 2.9. Импульс на потенциальном входе С D-триггера Рис 2.10. Импульсы на выходе D-триггера

3. Разработка макетного образца и конструкции автоматического зарядного устройства

3.1 Описание конструкции печатной платы

Конструкция устройства представляет собой пластмассовый корпус размерами 115Ч55Ч20. На боковых панелях имеется отверстие для микрофона.

Печатная плата выполнена на одностороннем стеклотекстолите. Чертёж платы, а также её сборочный чертёж прилагается в приложении. Печатная плата размешена внутри корпуса.

Один из самых простых способов сборки электрической схемы можно осуществить с помощью макетной платы. Однако он применим лишь в том случае, когда нужно проверить работоспособность схемы, и не пригоден как способ ее конечной реализации.

Чтобы изготовить печатную плату, необходимо удалить излишки меди, оставив только медные дорожки, заменяющие в этом случае провода. Существует много способов для переноса рисунка схемы на медную поверхность. Одним из них является метод фоторезиста. Мы рассмотрим другой способ. Он достаточно прост и надежен. Рассматриваемый метод называется методом переноса тонера или лазерно-утюжной технологией. Сначала топологическая схема платы распечатывается на лазерном принтере в нужном масштабе. Печатать нужно на глянцевой бумаге для лазерных принтеров. Теперь подготовьте пластину из покрытого с одной стороны медной фольгой стеклотекстолита или гетинакса нужного размера. Обработайте ее медную часть наждачной бумагой и помойте в горячей воде со средством для мытья посуды, не касаясь руками медной поверхности, чтобы не оставлять на ней жир. Высушите пластину.

Разместите распечатанный шаблон платы на медной поверхности, расположив его стороной с тонером на меди. Нагрейте утюг до максимальной температуры. Разместите на листе с тонером еще один чистый лист бумаги и в течении примерно минуты нагревайте пластину, расположив сверху утюг. Можно слегка перемещать утюг по поверхности, чуть-чуть прижимая его к ней. Уберите чистый лист бумаги. Поместите пластину в раковину под кран, помня, что она очень горячая, предварительно защитив руки от ожогов. После этого охладите пластину, ополоснув ее холодной водой. Затем, поместив остывшую пластину под струю теплой воды, удалите с нее всю бумагу. Это можно сделать просто, водя кончиками пальцев по поверхности бумаги и слегка надавливая на нее. После удаления бумаги внимательно осмотрите плату. Тонер должен присутствовать на всех дорожках. Если есть небольшие участки без тонера, можно дорисовать их маркером, а лучше лаком для ногтей. Хотим обратить особое внимание на то, что нужно удалить бумагу и из тех областей контактных площадок, где предполагаются отверстия. Это в дальнейшем приведет к вытравливанию меди из тех мест, где должны быть отверстия, что существенно облегчит сверление. Для осмотра платы с целью правки ее участков можно использовать лупу.

Для удаления не покрытой тонером меди используют водный раствор хлорного железа при температуре не выше 40? C (чтобы не вдыхать вредные испарения). Во избежание ожогов рук от соприкосновения с раствором нужно использовать резиновые перчатки. Время, необходимое для травления, зависит от температуры раствора и от того, сколько раз он уже использовался до этого при травлении. Если вы никуда не спешите, то можно травить платы и при комнатной температуре. Раствор лучше помещать в специальную пластиковую или стеклянную кювету (ванночку). Для того, чтобы пластина плавала в растворе, можно прикрепить ее с помощью двустороннего скотча к небольшому кусочку пенопласта (рис. 1.6.7). В этом случае ее можно будет очень легко извлекать из раствора.

После травления плату нужно тщательно ополоснуть под краном в холодной воде, удалив с нее остатки хлорного железа.

Итак, на плате осталась только медь, покрытая тонером. Его надо удалить. Это можно сделать с помощью растворителя. Лучше всего его роль выполняет жидкость для снятия лака. Удаляют тонер тряпочкой, смоченной растворителем. Можно использовать также смоченные ватные палочки, в этом случае сэкономите растворитель. Теперь можно просверлить отверстия для размещения элементов электрической схемы. Для сверления сквозных отверстий под резисторы и интегральные схемы обычно используют сверло диаметром 1 мм, а для диодов и мест подсоединения проводов — 1,6 мм. При сверлении под плату рекомендуется подложить деревянный брусок. После сверления нужно с помощью наждачной бумаги удалить образовавшиеся заусеницы. В конце работы нужно еще раз обезжирить медь на плате.

На предпоследнем этапе процесса надо провести лужение платы, то есть равномерно покрыть ее медные дорожки тонким слоем припоя.

Последний этап всей работы — это еще одна тщательная проверка всех медных дорожек на предмет обрыва, а также на наличие на плате ненужных контактов дорожек, которые могут возникнуть при лужении. Все недостатки нужно обязательно устранить.

Монтаж элементов зарядного устройства необходимо начать с их установки на плату. Далее необходимо установить разъёмы. После этого необходимо провести все электрические соединения элементов схемы и разъёмов.

Печатный проводник имеет большое отношение ширины к толщине поперечного сечения, благодаря чему площадь поверхности проводника большая. Большая поверхность и хороший тепловой контакт с изоляционным основанием обеспечивает интенсивную отдачу тепла от проводника изоляционной плате и в окружающее пространство, что позволяет пропускать через печатные проводники значительно большие токи, чем через объёмные того же сечения. Для печатных проводников, расположенных на наружных слоях, допускается плотность тока до 20 А/мм2. В нашем приборе имеются силовые участки, по которым протекают большие токи, поэтому ширину печатных проводников на этих участках следует выбрать больше, чем на других. При нанесении печатных проводников на плату следует также учитывать паразитную взаимную ёмкость и индуктивность. В связи с этим расстояние между дорожками следует выбирать не менее 0,5 — 0,6 мм. [11]

Координатная сетка наносится на чертёж с шагом 1,25 мм. Шаг 1,25 мм применяют в том случае, если на плату устанавливают многовыводные элементы с шагом расположения выводов 1,25 мм (в нашем случае имеется восьмивыводная микросхема). Центры монтажных и переходных отверстий должны быть расположены в узлах (точках пересечения линий) координатной сетки. Если устанавливаемый на печатную плату элемент имеет два вывода или более, расстояние между которыми кратно шагу координатной сетки, то отверстия под все такие выводы должны быть расположены в узлах сетки. [11]

Диаметр отверстий в печатной плате должен быть больше диаметра вставляемого в него вывода, что обеспечит возможность свободной установки электрорадиоэлемента. При диаметре вывода до 0,8 мм диаметр не металлизированного отверстия делают на 0,2 мм больше диаметра вывода; при диаметре вывода более 0,8 мм — на 0,3 мм больше. [11]

Диаметр металлизированного отверстия зависит от диаметра вставляемого в него вывода и от толщины платы. Связано это с тем, что при гальваническом осаждении металла на стенках отверстия малого диаметра, сделанного в толстой плате, толщина слоя металла получится неравномерной, а при большом отношении длины к диаметру некоторые места могут остаться непокрытыми. Диаметр металлизированного отверстия должен быть не менее половины толщины платы. Если в такое отверстие будет вставляться вывод элемента, то диаметр отверстия должен быть больше диаметра вывода на 0,3—0,5 мм. [11]

Для того чтобы обеспечить надёжное соединение металлизированного отверстия с печатным проводником, вокруг отверстия делают контактную площадку. Контактные площадки отверстий рекомендуется делать в виде кольца. [11]

3.2 Описание конструкции сборочного чертежа

Одним из основных условий, обеспечивающих надёжную работу РЭА, является соблюдение правил по установке, пайке и монтажу электрорадиоэлементов.

В процессе разработки дистанционного регулятора освещения при размещении электрорадиоэлементов предусматривалось:

— исключение взаимного влияния элементов на электрические параметры;

— обеспечение технологических требований, предъявляемых к устройству (пайка, контроль и т. д.);

— обеспечение высокой надёжности, малых габаритов и массы, ремонтопригодность.

При установке электрорадиоэлементов на печатную плату необходимо соблюдать следующие требования и условия:

— установка и крепление элементов на печатной плате должны обеспечивать их нормальную работу в условиях эксплуатации устройства и доступ к любому из них и возможность их замены;

— должно соблюдаться линейно-многорядное расположение элементов, обеспечивающее наибольшую плотность их компоновки и возможность механизированной сборки.

Установку электрорадиоэлементов следует проводить в соответствии с ГОСТ.4ГО.010.030−3.

В связи с тем, что в схеме присутствует микросхема, следует учесть что:

— для правильной ориентации микросхемы на печатной плате должен быть предусмотрен «ключ», определяющий положение 1-го вывода микросхемы.

Существует несколько способов установки электрорадиоэлементов на печатную плату: ручная, механизированная и автоматизированная. Для каждого вида установки ЭРЭ применяется свой вид формовки ЭРЭ. Затем составляется программа (последовательность установки) установки ЭРЭ и других деталей и сборочных единиц на печатные платы. При механизированной сборке ЭРЭ, предварительно отформованные и облуженные, раскладываются в специальные кассеты. При автоматизированной сборке — ЭРЭ предварительно переклеиваются по программе в специальные ленты по выводам ЭРЭ, затем автоматически формируются, устанавливаются в соответствующие отверстия печатной платы и обкусываются лишние выводы ЭРЭ со стороны печатного монтажа. При ручной сборке — предварительно отформованные и облуженные ЭРЭ устанавливаются в ручную в следующей последовательности: сначала устанавливаются мелкие ЭРЭ, лежащие на плате, затем средние и ЭРЭ, устанавливаемые над платой и потом более габаритные ЭРЭ.

Способы крепления ЭРЭ на печатную плату: пайка, сварка, накрутка, приклейка токопроводящими клеями или компаундами. Выбор способа крепления ЭРЭ на печатную плату зависит от вида и типа производства. [11]

Заключение

В данном проекте были рассмотрены особенности построения зарядных устройств. Приведены несколько вариантов построения источников дежурного освещения различного уровня сложности и с различными способами зарядки. Были изучены принципы их построения и физика их работы. В устройстве, описанном в данном курсовом проекте, применялся многократно перепрограммируемый микроконтроллер КР140УД1208.

В соответствии с принципом работы схемы построены временные диаграммы сигналов на выводах микросхемы, наглядно показывающие принцип работы прибора. Был детально рассмотрен операционный усилитель КР140УД1208. Были изучены его основные параметры и функции, которые способен выполнять он. Также выделены особенности микроконтроллера. Внутренняя частотная коррекция, высокая скорость нарастания входного напряжения и защита от короткого замыкания, с регулируемым потреблением мощности и током потребления 30.190 мкА, В ходе курсового проекта мы освоили принцип построения зарядных устройств, убедились в многообразии их схемных решений и увидели положительные и отрицательные стороны каждого источника дежурного освещения, используемых на практике.

Библиографический список

1. Нефедов А. В. — Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник. Т. 1 — 2000.