Разработка прибора «присутствия»

 

Схема прибора «присутствия» (см. ФИРЭ.ИИТ.КП604992/с) - состоит из генератора сигналов ультразвуковой частоты, индуктивно-ёмкостного моста с двумя антеннами, усилителя ультразвуковой частоты, порогового устройства и исполнительного реле.

Генератор выполнен на транзисторе VT1 по схеме с общим коллектором. В качестве индуктивности LC-контура используется первичная обмотка трансформатора ТV1. Две его вторичные обмотки и конденсаторы С1...СЗ образуют симметричный LC-мост, который, благодаря индуктивной связи первичной и вторичных обмоток ТV1, питается переменным напряжением частотой 60...70 кГц. Выходное напряжение LC-моста снимается с переменного резистора R1. Настраивают мост элементами С2, R2. К обмоткам II и III подсоединены антенны WA1 и WA2 - рабочая и компенсационная.

Сигнал с выхода моста поступает на трёхкаскадный усилитель переменного тока, выполненный на транзисторах VT2...VT4, с коэффициентом усиления 2000...2590. Выходной каскад усилителя нагружен на мостовой выпрямитель VD1..VD4. Выпрямленное напряжение сглаживается RC-фильтром С13, R14, С14 и поступает на пороговое устройство, представляющее собой триггер Шмитта. В триггере для уменьшения гистерезиса сигнала управления до 0,05 В в эмиттерные цепи VT5, VT6 включены стабилитроны VD7...VD9 Цепочка R15, VD5, VD6 в базовой цепи VT5 обеспечивает температурную стабильность порога срабатывания. Чтобы ослабить влияние нагрузочных цепей на работу триггера, исполнительное реле К1 включено в цепь коллектора дополнительного транзистора VT7, выполняющего одновременно функцию инвертора.

Прибор «присутствия» работает следующим образом. В исходном состоянии LC-мост сбалансирован или близок к балансу, напряжение на входе VT2 составляет 1...1.5 мВ, а на выходе выпрямителя (в контрольных гнездах ХТ1, ХТ2) - не более 2,5...3 В. Этого напряжения недостаточно для срабатывания триггера Шмитта, и реле К1 остается обесточенным. При приближении человека к одной из антенн изменяется емкость соответствующего плеча LC-моста относительно общего провода, и напряжение в выходной диагонали моста (на R1) увеличивается. Соответственно возрастает постоянное напряжение на входе порогового устройства. Когда напряжение между точками А и Б превысит значение 4 В, триггер Шмитта срабатывает и контактная система реле включает исполнительный механизм (пускатель, электромагнит, звонок, лампу и т.д.). После удаления человека от антенны на достаточное расстояние (зависит от чувствительности устройства) напряжение U_AB снижается до уровня менее 4 В, триггер Шмитта отпускает и К1 обесточивается.

В устройстве применены постоянные резисторы МЛТ мощностью 0,25 Вт, переменные резисторы СПЗ-13, терморезистор ММТ-4 или ММТ-1. Конденсаторы: постоянные КТ, КМ, КД (Cl, C3 с ТКЕ группы МЗЗ или М47), оксидные — типа К50-6, К50-12, подстроечный - типа КПК-М. Транзистор VT1 может быть заменен транзистором КТ602 или КТ803 с любым буквенным индексом.

В качестве VT2, VT3, VT5…VT7 можно использовать любые кремниевые транзисторы малой мощности с допустимым напряжением «коллектор-эмиттер» и «коллектор-база» не менее напряжения источника питания, при этом допустимый ток коллектора транзистора VT7 должен быть выше тока срабатывания реле К1. Допустимое напряжение «коллектор-эмиттер» транзистора VT4 должно не менее чем в два раза превышать напряжение источника питания. В устройстве применено реле РЭС-9 (паспорт РС4.524.201 или РС4.524.200). Диоды ДЗИ можно заменить на диоды Д2, Д9. Трансформатор Т1 изготавливается на ферритовом броневом сердечнике Б22, марка феррита 1500НМЗ (1500НМ2).

Обмотки II и III содержат по 100 витков провода ПЭВ 0,15 и наматываются первыми одновременно в два провода. Первичная обмотка содержит 20...30 витков провода ПЭШО 0,2 и наматывается поверх вторичных обмоток. При монтаже трансформатор Т1 следует установить на высоте 10 мм от поверхности платы при помощи распорной втулки (капроновая пробка).

В качестве трансформатора Т2 используется согласующий трансформатор от транзисторного приемника, выполненный на магнитопроводе из пермаллоя. Отношение витков первичной и вторичной обмоток должно быть в пределах 0,4...0,6. Электромагнитное реле К1 можно заменить на любое другое, рассчитанное на напряжение 12...14 В, при этом ток срабатывания не должен превышать допустимого тока коллектора транзистора VT7.

Антенны WA1 и WA2 выполняются из алюминиевого или медного провода 00,2...3 мм и длиной 0,7...4 м, в виде прямого отрезка или рамки. Более эффективными являются плоские антенны из тонкого листового алюминия или фольгированного гетинакса площадью ОД...0,3 м². Размеры и форма антенн в каждом конкретном случае определяются назначением реле и местом установки. Важно, чтобы по форме и размерам антенны были одинаковы. Антенны и соединительные провода необходимо жестко закрепить. В пространстве антенны располагают так, чтобы при приближении к ним человека емкость между ним и рабочей антенной возрастала существенно быстрее, чем между человеком и компенсирующей антенной. Иными словами, по отношению к человеку антенны должны располагаться асимметрично.

Налаживание прибора производят при отключенных антеннах. Монтажную плату устанавливают на временных жестких стойках из изоляционного материала длиной 40...50 мм, чтобы устранить влияние на LC-MOCT диэлектрических свойств столешницы рабочего стола. Затем поворачивают движок переменного резистора R1 влево по схеме до упора, подключают устройство к источнику питания и измеряют ток покоя в его цепи. Он не должен превышать величину 9... 11 мА. Затем медленно поворачивают движок R1 вправо.

В какой-то момент должно включиться исполнительное реле К1, что будет заметно по резкому возрастанию тока питания до 38...45 мА, в зависимости от типа К1. Затем балансируют LC-мост переменными резистором R2 и конденсатором С2. Момент наступления баланса определяют по минимуму напряжения в контрольных гнездах ХТ1, ХТ2. Движок R1 постепенно переводят в противоположное положение, при этом напряжение U_Ab должно составлять 1,5...2 В; при большом разбалансе оно достигает уровня 8...9 В. Срабатывание реле К1 должно происходить при напряжении в контрольных гнездах 4...4,2 В.

Правильность работы устройства проверяется следующим образом:

- медленным и плавным вращением С2 устанавливают контрольное напряжение, близкое к состоянию баланса (3 В);

- при поднесении пальца руки к одному из гнезд XI или Х2 контрольное напряжение должно возрастать, при поднесении к другому гнезду - снижаться.

Если при балансировке минимальное контрольное напряжение достигается при емкости С2 «максимум», следует к С2 параллельно подпаять конденсатор емкостью 1,5...7,5 пФ типа КТ с ТКЕ группы МЗЗ, М47 и вновь повторить балансировку. Если С2 при балансировке окажется в положении «минимум» - дополнительный конденсатор следует припаять параллельно СЗ.

Настройка реле с подключенными антеннами выполняется аналогично, при этом положение тела оператора и его рук в пространстве должно быть таким, чтобы оказывать наименьшее влияние на антенны. При окончательной настройке реле переменным резистором R1 подбирают желаемую чувствительность устройства. Под чувствительностью следует понимать максимальное расстояние между человеком и рабочей антенной в миллиметрах, при котором происходит срабатывание автомата.

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 DD1 выбираем К142ЕН1 с параметрами: U_вх = 20…40 В, U_вых = 12…30 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 DD1 не соответствует заданному и для его повышения устанавливаем последовательно с нагрузкой регулирующий транзистор VТ1 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 16 + 2 + 1,7 = 18,7 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_бэ1 - U_R2 = U_R3 - U_вых» 0

 

Принимаем R3 = 2,4 кОМ

 

U_R1 = I_н * R₁ = 0,5 * 0,45 = 0,23 В

 

U_бэ1 = 0,5 В

 

U_R2 = U_R1 + 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.