Выбор и обоснование структурной схемы разрабатываемого устройства

Проанализировав задание на проектирование, мною предложена структурная схема разрабатываемого устройства, изображенная на рис.4.

U=

Рис.4

Структурная схема программируемого стабилизатора напряжения

Рассмотрим подробнее данную структурную схему. От источника питания подаётся постоянное напряжение на электронный коммутатор, микроконтроллер и вход стабилизатора. С помощью электронного коммутатора происходит переключение между резисторами, тем самым дискретно меняется выходное напряжение стабилизатора в заданном диапазоне значений. Режим работы электронного коммутатора определяется двоичным кодом, поданным с выходов микроконтроллера на адресные входы коммутатора.

Электронный коммутатор должен иметь один вход и десять выходов (или больше), так как к нему подключаются десять резисторов. Если коммутатор имеет меньшее количество выходов, то будут использоваться несколько электронных коммутаторов. В зависимости от количества используемых коммутаторов определяется разрядность микроконтроллера. При использовании одного электронного коммутатора будет использоваться 4-ёх разрядный микроконтроллер, при использовании двух – должно быть минимум 5 разрядов в порте ввода-вывода микроконтроллера.

Сигнал, поступив с электронного коммутатора, преобразуется и на выходе стабилизатора наблюдается стабилизированное напряжение различного значения, в зависимости от выбранного резистора.

Данная структурная схема отличается свей простотой изготовления, эффективностью, удобностью и относительно недорогой стоимостью элементной базы.

Выбор элементной базы, разработка принципиальной схемы, её описание и расчёт элементов

Как было уже сказано, за основу своего проекта я взял компенсационный стабилизатор непрерывного действия последовательного типа на биполярных транзисторах (рис.5).

Рис.5

Принципиальная схема компенсационного стабилизатора на­пряжения последовательного типа на транзисторах

Роль регулирующего элемента в этой схеме играет транзистор VT₁. При увеличении U_вх выходное напряжение возрастает по абсолютному значению, создавая отрицательный сигнал рассогласования напряжения U_бэ2 на входе усилителя постоянного тока, выполненного на транзисторе VT₂. Ток коллектора транзистора VT₂ возрастает, а потенциал коллектора VT₂ становится более положительным относительно потенциала земли. Напряжение база — эмиттер транзистора VT₁ уменьшается, что приводит к возрастанию внутреннего сопротивления транзистора VT₁ и падения напряжения на нём. Выходное напряжение при этом уменьшается, стремясь к прежнему значению. Для повышения коэффициента стабилизации схемы резистор R_к определяющий базовый ток регулирующего транзистора VT₁ подключается к стабильному источнику напряжения – E₀. Если E₀ не стабилен, то его колебания передаются через резистор R_к на базу регулирующего транзистора VT₁и ухудшают коэффициент стабилизации схемы в раз. Увеличение R_к снижает величину А, но может привести к на­рушению условия нормальной работы стабилизатора:

(1)

Это условие вытекает из очевидного равенства:

Согласно равенству (1), увеличение тока базы транзистора VT₁ на величину вызывает уменьшение на такую же ве­личину тока коллектора транзистора VT₂. Так как ток базы связан с током нагрузки соотношением,, то при увеличении сопротивления R_к ток может оказаться больше, чем ток , что нарушает условие (1). Плавная регулировка выходного напряжения производится с помощью делителя напряжения R₁ и R₂. В этом случае выходное напряжение стабилизатора равно:

(2)

Ток через делитель I_дел выбирают обычно на порядок больше, чем ток базы транзистора VT₂ Дальнейшее увеличение тока дели­теля за счет снижения сопротивлений и нецелесообразно, так как приводит к существенному уменьшению КПД схемы.

Так как техническое задание не предусматривает определенного тока нагрузки, то пусть максимальный ток нагрузки будет равен 2А.

Согласно схеме (рис.5) находим наименьшее напряжение на входе стабилизатора:

, где — минимальное напряжение на регулирующем транзисторе VT₁ (так как VT₁ кремневый, то будет в пределе 3..5 В),— максимальное напряжение на нагрузке.

Задание не предусматривает на сколько изменяется напряжение на входе стабилизатора, возьмём . Учитывая нестабильность входного напряжения на входе стабилизатора, находим среднее и максимальное напряжение на входе стабилизатора:

Определим максимальное значение напряжения эмиттер-коллектор на регулирующем транзисторе VT₁:

Определим мощность, которая рассеивается на коллекторе транзистора VT₁:

По полученным значениям ,, выбираем тип регулирующего транзистора и выписываем его параметры (таблица 1).

Марка транзистора ГТ705Г, тип транзистора NPN.

Предельные значения параметров при TП = 25 °С					Значения параметров при TП = 25 °С
Iк.макс, А	Iк.и.макс, А	Uкэоmax, B	Uэбо.макс, B	Рк.макс, Вт	h21Э	Uкб, B	Iэ, А	Iкбо, мА	fгр, МГц
3.5	-	{30}	-	30	50…100	1	0,5	1,5	-

Таблица 1

Находим ток базы транзистора VT₁:

Для создания опорного напряжения выбираем стабилитрон VD из условия:

Так как , то пусть

По полученным данным выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры (таблица 2).

Тип стабилитрона	Номинальное Uст(среднее),В	Ic, мА	rд, Ом	ТКU 10-4 °C-1	Iс.макс, мА
КС439А	3,9	30	25	-10	176

Таблица 2

Вычисляем сопротивление резистора R_Б, возьмём средний ток стабилитрона (I_vd=I_R4):

Определим мощность рассеивания на резисторе R_б:

В соответствии с расчётами выбираем резистор МЛТ-0,125 50 Ом

Определяем начальные данные для выбора транзистора VT₂. Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер транзистора:

Зададим ток I_к2 меньший, чем средний ток стабилитрона I_к2=0,025 А

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT₂:

Вт

По полученным значениям ,, выбираем тип транзистора и выписываем его параметры (таблица 3).

Марка транзистора ГТ112А, тип транзистора NPN.

Предельные значения параметров при TП = 25 °С					Значения параметров при TП = 25 °С
Iк.макс, мА	Iк.и.макс, мА	Uкэоmax, B	Uкбо.макс, B	Рк.макс, мВт	h21Э	Uкб, B	Iэ, мА	Iкбо, мкА	fгр, МГц
30	150	{35}	35	150	10…45	5	1	20	{1}

Таблица 3

Рассчитываем ток базы транзистора VT₂:

Зададим источник E₀= +5 В.

Вычисляем сопротивление резистора R_к:

Вычислим мощность, которая рассеивается на резисторе :

Вт

В соответствии с расчётами выбираем резистор МЛТ-0,5 77Ом

Максимальный ток последовательно соединённых резисторов будет равен:

Суммарное сопротивление делителя равно:

Ом

Подберём резистор R₁, для этого используем выражение (2) и начальные данные. Пусть R₁=202 Ом. Выбираем резистор R₁ типа МЛТ-0,125 202 Ом.

Тогда R₁₁=R_дел-R₁=222-202=20 Ом. Выбираем резистор R₁₁ типа МЛТ-0,125 20 Ом .

Дальнейшие расчёты будет проводить по формуле 2:

(2)

→

U_ст=5 В

R₁₁=20 Ом

U_ст=4,5 В

→ →

Выбираем резистор R₁₀ типа МЛТ-0,125 22.4 Ом .

U_ст=4 В

Ом

Выбираем резистор R₉ типа МЛТ-0,125 25.6 Ом .

U_ст=3.5 В

Ом

Выбираем резистор R₈ типа МЛТ-0,125 29.8 Ом .

U_ст=3 В

Ом

Выбираем резистор R₇ типа МЛТ-0,125 35.6 Ом .

U_ст=2.5 В

Ом

Выбираем резистор R₆ типа МЛТ-0,125 44.4 Ом .

U_ст=2 В

Ом

Выбираем резистор R₅ типа МЛТ-0,125 58.6 Ом .

U_ст=1.5 В

Ом

Выбираем резистор R₄ типа МЛТ-0,125 86.6 Ом .

U_ст=1 В

Ом

Выбираем резистор R₃ типа МЛТ-0,125 166.4 Ом .

U_ст=0.5 В

Ом

Выбираем резистор R₂ типа МЛТ-0,125 1820 Ом .

Для переключения сигнала между резисторами я для своего проекта выбрал электронный коммутатор КР591КН1 (рис.6). Назначение выводов указано в таблице 4. Технические характеристики коммутатора КР591КН1 указаны в таблице 5.

Рис.6

электронный коммутатор КР591КН1

10…I15	аналоговые входы (выходы)
Out	аналоговый выход (вход)
A,B,C,D	адрес (выбор соединения)
E+	положительное напряжение питания
E-	отрицательное напряжение питания
Gnd	общий вывод (цифровая земля)

Таблица 4

Обозначение	Сопро-тивление Rds(Ом)	Время включе-ния(мкс)	Переключаемый сигнал (В)	Напряжене питания(В)	Корпус	Температура
591КН1	500	2,5	±5	+5; -15	керамический DIP	-60 до +80 °C

Таблица5

Данный электронный коммутатор будет управляться с помощью микроконтроллера. С выходов микроконтроллера будет подаваться сигнал из 0 и 1 на адресные входы A,B,C и D и тем самым определяя режим работы коммутатора.

Для данного проекта я выбрал микроконтроллер ATtiny15L фирмы Atmel (Рис.7)

Рис.7

AVR— это новое семейство 8-разрядных RISC-микроконтроллеров фирмы Atmel. Эти микроконтроллеры позволяют решать множество задач встроенных систем. Они отличаются от других распространенных в настоящее время микроконтроллеров большей скоростью работы, большей универсальностью. Быстродействие данных микроконтроллеров позволяет в ряде случаев применять их в устройствах, для реализации которых ранее можно было применять только 16-разрядные микроконтроллеры, что позволяет ощутимо удешевить готовую систему. микроконтроллеры tiny AVR— миниатюрные недорогие микроконтроллеры в 8-выводном исполнении. Они имеют электрически стираемую FLASH-память программ, а также разнообразные периферийные устройства. Состав этих устройств меняется от модели к модели, более того, одно и то же устройство в разных моделях использует различные ресурсы микроконтроллера (в частности, различные выводы). В то же время некоторые периферийные устройства присутствуют во всех микроконтроллерах семейства: сторожевой таймер, аналоговый компаратор, 8-разрядный таймер/счетчик реального времени и, естественно, порты ввода/вывода.

Отличительные особенности микроконтроллера ATtiny15L:

• ЕЕРRОМ-память данных объемом 64 байт;

• 6-разрядный порт ввода/вывода;

• возможность работы только от встроенного тактового RC-генератора;

• два 8-разрядных таймера/счетчика;

• 4-канальный АЦП.

Основные параметры микроконтроллера ATtiny15L приведены в таблице 6.

Память программ (FLASH) [Кбайт]	Память данных (EEPROM) [байт]	Количество линий ввода/вывода	Напряжение питания [В]	Тактовая частота [МГц]	Тип корпуса
1	64	6	2.7...5.5	0...1.2	DIP-8; S0IC-8

Таблица 6.

В работе микроконтроллер будет подключаться к источнику питания— +5 В; тип корпуса DIP-8.

Описание выводов микроконтроллера ATtiny15L приведено в таблице 7.

Обозначение	Номер вывода	Тип вывода	Описание
PB0(AIN0/AREF/MISO)	5	I/O	0-разряд порта B(Положительный вход компаратора/вход опорного напряжения для АЦП/вход данных при программировании)
PB1(AIN1/OCIA/MISO)	6	I/O	1-разряд порта B(Отрицательный вход компаратора/выход таймера/счетчика Т1(режимы Compare, PWM)/выход данных при программировании)
PB2(ADCI/T0/INT0/SCK)	7	I/O	2-разряд порта B(Вход АЦП/вход внешнего тактового сигнала таймера/счетчика Т0/вход внешнего прерывания/вход тактового сигнала при программировании)
PB3(ADC2)	3	I/O	3-разряд порта В (Вход АЦП)
PB4(ADC3)	2	I/O	4-разряд порта В (Вход АЦП)
PB5(ADC0/RESET)	1	I/O	5-разряд порта В (Вход АЦП/вход сброса)
GND	4	P	Общий вывод
Vcc	8	P	Вывод источника питания

Таблица 7

Рассчитав и проанализировав, мной предложена следующая принципиальная схема программируемого компенсационного стабилизатора (рис.8).

Рис.8