9.2. Конструктивно-технологический анализ элементной базы функциональной ячейки микроконтроллерного управления силовой нагрузкой.

Выбор микроконтроллера (МК)

Для проектирования устройства автоматического регулирования света постараемся выбрать относительно недорогой, простой и широко используемый микроконтроллер. Все эти особенности можно отнести к микроконтроллерам корпорации ATMEL (ATtiny15L).

ATtiny15L является 8-ми разрядным CMOS микроконтроллером с низким уровнем энергопотребления, основанным на AVR RISC архитектуре. Благодаря выполнению высокопроизводительных инструкций за один период тактового сигнала, ATtiny15L достигает производительности, приближающейся к уровню 1 MIPS на МГц, обеспечивая разработчику возможность оптимизировать уровень энергопотребления в соответствии с необходимой вычислительной производительностью.

Ядро AVR содержит мощный набор инструкций и 32 рабочих регистра общего назначения. Все 32 регистра напрямую подключены к арифметико - логическому устройству (АЛУ), что обеспечивает доступ к двум независимым регистрам при выполнении одной инструкции за один такт. В результате, данная архитектура имеет более высокую эффективность кода, при повышении пропускной способности, вплоть до 10 раз, по сравнению со стандартными микроконтроллерами CISC.

ATtiny15L имеет: 1 Кбайт Flash памяти, 64 байт EEPROM, 6 линий I/O общего назначения, 32 рабочих регистра общего назначения, 2 8-vb разрядных универсальных таймера/ счетчика, один с высокоскоростным выходом с ШИМ, встроенные генераторы, внутренние и внешние прерывания, программируемый следящий таймер, 4-х канальный, 10-ти разрядный АЦП с одним дифференциальным входом сигнала напряжения с опциональным х20 усилением, а также, три программно выбираемых режима экономии энергопотребления. Режим ожидания «Idle Mode» останавливает CPU, но позволяет функционировать АЦП, аналоговому компаратору, таймеру/ счетчикам и системе прерываний. Режим подавления шумов АЦП обеспечивает высокопрецизионные АЦП- измерения путем остановки CPU и сохранения работоспособности АЦП. Режим экономии энергопотребления «Power Down» сохраняет содержимое регистров, но останавливает тактовые генераторы, отключая все остальные функции микроконтроллера, вплоть до следующего внешнего прерывания, или до аппаратной инициализации. Функции активации, или прерывания при смене логического уровня на входе позволяет ATtiny15L быть высокочувствительной к внешним событиям, при сохранении минимального уровня энергопотребления при нахождении в режимах экономии энергопотребления.

AVR ATtiny15L поддерживается полным набором программ и пакетов для разработки, включая: компиляторы С, макроассемблеры, отладчики/ симуляторы программ, внутрисхемные эмуляторы и наборы для макетирования.

Технические параметры

Серия	AVR® ATtiny
Процессор	AVR
Размер ядра	8-Bit
Скорость	1.6MHz
Размер программируемой памяти	1KB (1K x 8)
Тип программируемой памяти	FLASH
Напряжение источника (Vcc/Vdd)	2.7 V ~ 5.5 V
Преобразователь данных	A/D 4x10b
Рабочая температура	-40°C ~ 85°C

Операционный усилитель TL062L

Операционный усилитель – электронная схема усилителя на полупроводниках, в интегральном исполнении имеющего два балансных входа – прямой и инверсный, обладающий высоким коэффициентом усиления. Применение операционных усилителей (ОУ) самое разнообразное – в усилителях различных сигналов, в генераторах сигналов, в частотных фильтрах звукового диапазона, в схемах контроля физических величин (температуры, освещённости, влажности, ветра). ОУ TL062L в отличии от аналогичных операционных усилителей, дает широкий размах выходного сигнала без искажения его динамических характеристик. К тому же широкий диапазон напряжения питания делает этот прибор простым в применении.

Технические параметры:

• Количество каналов 2

• Напряжение питания, ±30В

• Частота, 2 МГц

• Напряжение смещения, 3 мВ

• Температурный диапазон, 0…70 C

• Тип корпуса DIP8

Стабилизатор напряжения 78L05Z

Стабилизатор напряжения — преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки. Cтабилизатор 78L05Z является наиболее надежным и долговечным устройством для стабилизации напряжения, так же обладает хорошим быстродействием, временем реакции на изменение входного напряжения 20-30 мс.

Технические параметры

• Корпус SOT8

• Номинальный выходной ток 0.1 А

• Максимальное входное напряжение 40В

• Выходное напряжение 5В

Оптосимистор МОС3063 

Оптосимистор принадлежат к классу оптронов и обеспечивают очень хорошую гальваническую развязку (порядка 7500 В) между управляющей цепью и нагрузкой. Эти радиоэлементы состоят из Арсенид-гелиевого инфракрасного светодиода, соединенного посредством оптического канала м двунаправленным кремневым переключателем. Последний может дополнен отпирающей схемой, срабатывающей при переходе через нуль питающего напряжения и размещенной на том же кремниевом кристалле. Оптосимистор МОС3063 обладает небольшой стоимостью, широким диапазоном рабочих температур и имеется в широкой продаже.

Технические параметры

Постоянное прямое входное напряжение Uвх 1.3В.
при входном токе Iвх. 30мА
Максимальный входной ток Iвх.макс. 60мА
Максимальное входное обратное напряжение Uвх.обр.макс. 6В
Максимальное выходное коммутируемое напряжение Uвых.ком.макс. 600В
Рабочая температура, -40...85С

Симистор BT136

Симиcтop — полупроводниковый прибор, являющийся разновидностью тиристоров и используемый для коммутации в цепях переменного тока. Симисторы в открытом состоянии проводят ток только в двух направлении. В электронике часто рассматривается как управляемый выключатель (ключ). По способу включения относительно управляющего электрода основные выводы симистора различаются, причём имеет место их аналогия с катодом и анодом тиристора. Симистор BT136 имеете широкий диапазон рабочей температуры 40…125, время включения 2 мкс и обладает небольшим тепловыделение, что позволяет использовать его без радиатора.

Технические параметры

• Максимальное обратное напряжение Uобр. 600В,

• Макс. повторяющееся импульсное напр. в закрытом состоянии Uзс.повт.макс. 600В,

• Макс. среднее за период значение тока в открытом состоянии Iос.ср.макс. 4А,

• Макс. кратковременный импульсный ток в открытом состоянии Iкр.макс. 25А,

• Макс. напр. в открытом состоянии Uос.макс. 1.4В,

• Наименьший постоянный ток управления, необходимый для включения тиристора Iу.от.мин. 0.02А,

• Отпирающее напряжение управления, соответствующее минимальному постоянному отпирающему току Uу.от. 0.7В,

• Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии dUзс./dt,В/50мкс

• Рабочая температура, С -40…125

Выпрямительный мост KBP08

Диодный мост – электронная схема, предназначенная для выпрямления переменного тока в пульсирующий постоянный. В результате преобразования, на выходе диодного моста получается пульсирующее напряжение вдвое большей частоты, чем на входе, но стабильной полярности. Выпрямительный мост KBP08 имеет небольшие габариты и достаточно низкую цену, что делает его наиболее подходящим для разрабатываемого устройства.

Технические параметры:

• Максимальное постоянное обратное напряжение, 1000В

• Максимальное импульсное обратное напряжение, 1200В

• Максимальный прямой(выпрямленный за полупериод) ток, 4А

• Максимальный допустимый прямой импульсный ток, 200А

• Максимальный обратный ток, 10мкА

• Максимальное прямое напряжение, 1В

• при Iпр., 3А

• Рабочая температура, С -55…125

• Способ монтажа в отверстие.

• Корпус SIP-4

Резисторы CF-100 и MF-25.

Резисторы CF-100 и MF-25 отличаются высокой точностью и надежностью в работе, стабильностью величины сопротивления при длительном воздействии больших нагрузок и, особенно, в условиях широкого диапазона температур и влажности окружающей среды, так как практически не изменяют своей величины при воздействии влаги. Имеют невысокую стоимость, обладают достаточно небольшими габаритами.

Конденсаторы GRM32NR, B37940, DEBB33A.

Конденсаторы GRM32NR, B37940, DEBB33A отличаются высокими электрическими показателями, небольшими размерами и невысокой стоимостью. Имеют очень хорошую стабильность. Температурный коэффициент почти не зависит от частоты в диапазоне от 1 до 100 Мгц.

Диоды 31DF4.

Диоды 31DF4 обладают малым падением напряжения при прямом токе и малым выделением тепла при работе. Имеют невысокую стоимость, обладают достаточно небольшими габаритами. Так же имеют высокую надёжность и стабильность параметров, больше часов наработки на отказ.

Светодиоды DLA/6SGD.

Светодиоды DLA/6SGD обладают долгим сроком службы более 50 000 часов. При этом, на протяжении всего срока службы не меняются основные характеристики: сила света и световой поток. Имеют низкое энергопотребление,  отсутствует пусковой ток, широкий диапазон рабочего напряжения.

Переменный резистор 16K1

Переменный резистор 16K1 отличаются высокими электрическими показателями, небольшими размерами и невысокой стоимостью. Имеет большую надежность и долгий срок службы.

Исходя из вышесказанного, на основе выбранной элементной базы, можно построить схему электрическую принципиальную функциональной ячейки микроконтроллерного управления силовой нагрузкой. Схема электрическая принципиальная приведена на листе А1.