Выбор и обоснование структурной схемы

Источник питания

Структурная схема источника питания представлена на рис. 2.1.

 

Рис. 2.1. Структурная схема блока питания

ПТ – понижающий трансформатор. Устанавливает уровень требуемого выходного напряжения. Снижает электробезопасность источника питания и потребителя.

ВБ – выпрямительный блок. Используют элементы (в основном полупроводниковые диоды) обладающие вентельными свойствами, то есть односторонней проводимостью. Преобразуют синусоидальное напряжение в пульсирующее однополярное, которое содержит в своем составе постоянную составляющую, первую и высшую гармонические составляющие.

СФ – сглаживающий фильтр. Предназначен для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения.

С – стабилизатор напряжения. Исключает влияние внешних и внутренних факторов на стабильность выходного напряжения (колебание входного напряжения, температуры, влажности, «старения» элементов).

Н – нагрузка. Может носить активный, емкостной или индуктивный характер, который существенно влияет на работу источника питания.

Кодово-сенсорный замок.

 

 

Рис. 2.2. Структурная схема замка

 

СП – сенсорная панель. Служит для набора правильной комбинации кода, чтобы открыть замок.

ИП – источник питания. Предназначен для питания замка.

П – преобразователь. Основное его предназначение – преобразование правильной последовательности кода, набираемой на сенсорной панели в сигнал для срабатывания реле.

Р – реле. Используется для приведения в движение при правильном наборе кода запорного механизма.

ЗМ – запорный механизм. Служит для закрытия и открытия двери.

3. 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.

Кодово - сенсорный замок

 

Для приведения в действие исполнительного механизма замка дос­таточно в определенной последовательности дотронуться пальцем сен­соров Е2...Е5. При этом необходимо касаться во время набо­ра 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» состоя­ние и подготовит элемент DD5.2. В связи с этим после касания сенсо­ров 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. Уро­вень логической 1 на прямом выходе триггера DD4.2 открывает ключ VT1, и реле К1 своими контакторами включает исполнительный меха­низм 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 сраба­тывание замка при включении питания (устанавливает триггеры в «нуле­вое» 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 триг­гера DD4.2 при включении электромагнита, поскольку замок и электро­магнит имеют общее питание.

Устройство собрано на микросхемах КМОП структуры, поэтому характеризуется малым потреблением электроэнер­гии. 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 R_ном = 130 Ом, I_ср = 11 мА, I_ош = 1 мА, U_раб = 2.1…2.7 В и временными параметрами t_ср = 20 мс и t_от = 12 мс.

Кодонабиратель представляет собой прямоугольную пластину из изо­лирующего материала, на которой размещены 10 сенсоров. Если длина соединительных проводов между кодонабирателем и корпусом замка имеет значительную длину (более 300 мм), то для повышения помехоу­стойчивости их желательно экранировать.

Собранный замок практически не требует налаживания. Может лишь возникнуть необходимость в более точном подборе величин рези­сторов R12, R13. Для смены кода кодонабиратель соединяют с замком через переключатель.

РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ.

Блок питания.

 

Определим значение тока через вторичную обмотку трансформатора по формуле:

 

,  где

 

I_н – 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 К_тр = 0,674. Имеем

 

 

P_н – номинальная мощность, Вт.

P_тр – 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 I_пр = 3,5 А, выдерживающий обратное напряжение 70 В, прямое падение напряжения U_пр = 0,9 В, обратный ток I_обр = 0,8 мА, порог выпрямления Е_пор = 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.

R _ф – сопротивление электрического фильтра.

R _н – сопротивление нагрузки.

 

 

В качестве интегрального стабилизатора для фиксации напряжения питания ДА1 выбираем К142ЕН1 с параметрами: U_вх = 15…30 В, U_вых = 3…12 В, максимальный пропускаемый ток I_max = 0,1 А, максимальная рассеиваемая мощность P_max = 0,8 Вт, коэффициент нестабильности напряжения по выходу микросхемы К_нс = 0,5.

Выходной ток микросхемы ДА1 не соответствует заданному и для его повышения устанавливаем последовательно с нагрузкой регулирующий транзистор V Т1 c n – p – n проводимостью.

Ток транзистора определяем как

 

где

 

I _вн – ток, потребляемый схемой стабилизатора, составляет 0,006 А.

 

Определим минимальное напряжение на входе стабилизатора. Оно должно быть:

 

, где

 

U _п – амплитуда пульсаций на входе стабилизатора;

U _{кэ min} – минимальное падение напряжения на открытом транзисторе, 2 В.

 

 

 

Получаем

 

U _{01 min} ³ 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 U_{к э max} = 100В, I_{к max} = 20 A, P_{k max} = 125Вт, h_{21 э min} = 850, h_{21 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 I_н = I_пор, 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.

 

U_10-11 = U_R1 + U _{бэ 1} - U_R2 = U_R3 - U _вых» 0

 

Принимаем R3 = 2,4 кОм

 

U_{R 1} = I _н * R ₁ = 0,5 * 0,45 = 0,23 В

 

U _бэ1 = 0,5 В

 

U_{R 2} = U_{R 1} + U _бэ1 = 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.

ЗАПОРНЫЕ УСТРОЙСТВА

Запорное устройство, выполнение на базе соленоида. Рассчитано оно на рабочее напряжение. Представление о конструкции запирающего устройства дает его сборочный чертеж (в разрезе), показанный на рисунке 3. Характерная особенность запорного устройства - минимальная постоянная сила тяги (около 3 кг) при номинальном напряжении источника питания обмотки соленоида. Это достигнуто применением соленоида с конусным плунжером при минимальном зазоре магнитной цепи. Конструкция длинно-ходового соленоида позволяет получить практически постоянную силу тяги на всем пути плунжера. Оставлять на длительное время плунжер втянутым (обмотка под напряжением) не рекомендуется, так как соленоид потребляет значительный ток - около 1 А. Поэтому, чтобы он не перегревался, после открытия двери электронную часть кодового замка необходимо привести в исходное состояние. Применяемые запирающие устройства имеют, как правило, сходную механическую конструкцию и принцип действия.

 

 

Рис. 5.1.  Запорное устройство:

 1 — стопорный винт плунжера; 2 — переходник; 3 — гайка поджимная; 4 — хвостовик; 5 — конический упор; 6 — пружина; 7 — стакан; 8 — плунжер; 9 — латунная трубка (толщина стенки не более 0,5 мм); 10 — обмотка соленоида; 11 — втулка; 12 — корпус; 13 — накладка

12	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: