Разработка принципиальной схемы лабораторного макета «Эмулятор светофора»

Лабораторный макет «Эмулятор светофора» состоит из цепи светодиодов, подключенных последовательно для одного сигнала от модуля вывода. Таких цепей в макете 13. Светодиод (Light Emitting Diode - LED) - полупроводник, работа которого основана на физическом явлении возникновения светового излучения при прохождении электрического тока через p-n-переход. Причем длина волны максимума спектра излучения, т.е. цвет свечения, однозначно определяется типом полупроводниковых материалов, образующих светоизлучающий p-n-переход.

Параметры светодиодов. У светодиодов есть несколько основных параметров.

• Тип корпуса
• Типовой ток
• Падение напряжения
• Цвет свечения (длина волны, нм)
• Угол рассеивания

В основном под типом корпуса светоидода понимают диаметр и цвет колбы (линзы). Как известно, светодиод - полупроводниковый прибор, который необходимо запитать током. Так ток, которым следует запитать тот или иной светодиод называетсыя типовым. При этом на светодиоде падает определенное напряжение. Этот параметр очень важен при разработке различных схем, на базе сверхярких светодиодов. Как уже было сказано выше длина волны максимума спектра излучения, т.е. цвет свечения, однозначно определяется типом полупроводниковых материалов, используемых при производстве светодиодов, и образующих светоизлучающий p-n-переход. Угол излучения также определяется производственными характеристиками материалов, а также колбой (линзой) светодиода. Так как светодиод является полупроводниковым прибором, то при включении в цепь необходимо соблюдать полярность. Светодиод имеет два вывода, один из которых катод ("минус"), а другой - анод ("плюс"). Светодиод будет "гореть" только при прямом включении, как показано ниже на рисунке 2.2.

 

Рис. 2.2. Прямое включение светодиода.

При обратном включении светодиод "гореть" не будет. Более того, возможен выход из строя светодиода при малых допустимых значениях обратного напряжения. Обратное включение светодиода показано ниже

Рис. 2.3 Обратное включение светодиода.

Зависимости тока от напряжения при прямом и обратном включениях показаны на следующем рисунке 2.3. Не трудно определить, что каждому значению напряжения соответствует своя величина тока, протекающего через диод. Чем выше напряжение, тем выше значение тока (и тем выше яркость). Для каждого светодиода существуют допустимые значения напряжения питания  и -  (соответственно для прямого и обратного включений). При подаче напряжений свыше этих значений наступает электрический пробой, в результате которого светодиод выходит из строя. Существует и минимальное значение напряжения питания , при котором наблюдается свечение светодиода. Диапазон питающих напряжений между  и  назовем "рабочей" зоной, так как именно здесь обеспечивается работа светодиода. Обычно значение  не превышает уровня , а значение - уровня . Если известно номинальное напряжение питания, нетрудно определить максимальное и минимальное значения напряжения. Так для светодиода с номинальным напряжением питания 1.9В получаем ~1.5В, а ~2.3В.

Рис. 2.4 ВАХ светодиода.

Обратное включение опасно тем, что при определенном значении напряжения наступает тепловой пробой, который окончательно и бесповоротно выводит светодиод из строя. К аналогичным последствиям может привести и превышение напряжения уровня максимально допустимого для прямого включения. Балластный резистор используется для ограничения тока, протекающего в цепи. Поэтому очень важно представлять принцип его работы и последствия от закорачивания. Принцип работы балластного резистора сводится к следующему: падение напряжения на балластном резисторе регулирует выбор рабочей точки светодиода. Чем меньше сопротивление, тем меньше падение напряжение на резисторе, однако при этом больше падение напряжения на светодиоде и больше ток, протекающий через светодиод, очевидно, что яркость при этом также увеличивается.

На рис 2.4 указана схема подключения светодиода через баластный резистор. В данном случае на каждый светодиод приходится один баластный резистор.

 

Рис.2.5 Схема подключения баластного резистора к одному светодиоду.

Существуют и другие варианты подключения, когда один баластный резистор приходится на несколько светодиодов.

Рис. 2.6 Схема подключения баластного резистора к светодиодам.

В лабораторном макете светодиоды соединены с баластным резистором как показано на рис.3.5. Такое соединение дает меньшее падение напряжения, чем при использовании баластного резистора к каждому светодиоду.

Светодиоды марки АЛ102А (красная),АЛ102В (зеленая), 2Л101Б (желтая) с прямым падением напряжения , соединены к источнику постоянного тока  через баластный резистор. Для нормальной работы светодиодов требуется подобрать сопротивление баластного резистора исходя из внутреннего сопротивления светодиода .

Рис.2.7. Схема делителя напряжения.

 

Параметры расчета:

;

Сопротивление балластного резистора   рассчитываем по формуле:

; (выбираем 3кОм).

БПН24 - блок питания

Блок питания БПН-24 предназначен для питания модулей МСУ, МУМ, МПР.

Конструктивно блок выполнен в закрытом кожухе и размещается на ПКК.

 

Таблица 2.1 Технические характеристики БПН-24

Технические данные	БПН-24
Максимальное количество блоков питания	4
Гальванически разделенные источники питания в одном БНП-24	2
Напряжение постоянного тока	24В нестабилизированное
Напряжение питания	220В, 50Гц
Ток нагрузки по каждому источнику не более	0,2А
Напряжение питания	220В, 50Гц
Сопротивление изоляции цепи сетевого питания относительно корпуса и выходных цепей не менее	20МОм
Сопротивление изоляции выходных цепей друг относительно друга и корпуса не менее	20Мом
Электрическая прочность изоляции цепи сетевого питания относительно корпуса и выходных цепей не менее	1,5кВ
Электрическая прочность изоляции выходных цепей друг относительно друга и корпуса не менее	500В
Габаритные размеры	160х96х129мм

 

Схема электрического включения макета к терминальному блоку модуля вывода D 01-16