Расчет элементов электрической схемы проектируемого прибора.

Все элементы разрабатываемого прибора питаются постоянным напряжением +5В. Для стабилизации питания микросхемы применяем стабилизатор напряжения в интегральном исполнении марки К142ЕН5А. Элементом типовой схемы стабилизатора является конденсатор С10, этот конденсатор обязательно должен быть танталовым. Следовательно, выбираем конденсатор марки К52-1 47мкФ10% на 6,3 В. После выхода с блока питания напряжение, пониженное до необходимого значения и выпрямленное, необходимо очистить от высокочастотных наводок и сгладить возможную пульсацию в сети. Для этих целей выберем конденсаторы следующих марок: для подавления высокочастотных наводок – конденсатор небольшой емкости марки К10-17 0,1мкФ10% П33 на 25В. а для сглаживания пульсации– конденсатор достаточно большой емкости марки К50-38 1000пкФ10% на 16В.

Для индикации режима работы блока питания выберем светодиод VD4 красного цвета марки АЛ307В. Его характеристики приведены в таблице 3.

Характеристики светодиода АЛ307В Таблица 3

Цвет светодиода	Напряжение зажигания, В	Ток минимальный рабочий, мА	Ток максимальный рабочий, мА	Рабочая температура, оС
Красный	2,5	5	10	-50 +85

Определим сопротивление резистора R₂₁шунтирующего светодиод VD1. Ток, протекающий через светодиод I_св=10мА, напряжение на светодиоде U_св=2,5В, тогда

Принимаем R₂₁=22020% Ом.

Рассеиваемая резистором R₂₁ мощность будет равна:

Р _R21=I_св²* R₂₁=(10*10^-3)²*220=0,0022 Вт.

Выбираем резистор марки: С2-33-0,125 22020%.

Определим сопротивление резистора R₁. Оно должно удовлетворять следующему условию: 5кОм < R₁ < 1МОм.

Значение 1МОм – определяется технологическими причинами, т.е. проводимостью диэлектрика, на котором монтируется этот резистор.

Значение 5кОм – определяется максимальной нагрузочной способностью логического элемента генератора К561-ЛН2. Следовательно, R₁найдем по следующей формуле:

, где

Uвых.лог.эл.=5В – напряжение на выходе логического элемента генератора К561- ЛН2, оно приблизительно равно напряжению питания, Iнагр.max.=10мА - максимальный ток нагрузки логического элемента. Тогда найдем R₁:

Частота модулированного сигнала идущего с генератора f=20кГц 10%, тогда постоянная времени будет равна:

Постоянная времени генератора находится также по формуле = R₁*С1, тогда отсюда найдем С1:

Т.к. ряд номиналов емкостей наиболее насыщен чем ряд сопротивлений резисторов, то сначала выбираем емкость С1, а затем рассчитываем R₁. Выбираем конденсатор емкостью С1 марки: К10-47 1нФ10% Н30 25В (керамический). Отсюда

Принимаем R₁=47кОм10%.

Рассеиваемая резистором R₁ мощность будет равна:

Р _R1=I_л.э.²* R₁=(1*10^-3)²*47*10³=0,047 Вт.

Выбираем резистор R₁ марки: С2-33-0,125 47к20%.

В качестве излучающего диода выбираем диод марки АЛ107Б с инфракрасным спектром излучения, для уменьшения влияния видимого спектра излучения на результаты измерения, с характеристиками, приведенными в таблице 4.

Характеристики светодиода АЛ107В Таблица 4

Спектр излучения	Напряжение пробивное, В	Ток минимальный рабочий, мА	Ток максимальный рабочий, мА	Рабочая температура, оС
Красный	2,5	10	100	-50 +85

Определим транзистор VT1, исходя из следующих условий:

U_кб> 2*E_к=2*5=10 В;

I_к> 2*I_нагр.=2*10*10^-3= 20 мА.

Ток коллектора примем равным 10мА (ток светодиода). По расчетным значениям выбираем транзистор типа КТ315Г. Основные характеристики транзистора приведены в таблице 5.

Характеристики транзистора типа КТ315Г Таблица 5

Материал, структура, технология	Рамах, мВт	fгр., МГц	Uкбо проб.,В	Iк мах,мА	Iкбо, мА	h21
Si, n-p-n, ПЭ	150	>250	35	100	< 0,5	50..350

Определим сопротивление резистора R₂, стоящего в цепи базы транзистора VT1. Его значение также должно удовлетворять условию 5кОм<R₂<1МОм. Оно определяется значением тока базы I_бтранзистора VT1. Ток коллектора I_кпримем равным 70% от тока протекающего через светодиод VD1, т.е. 7мА. Тогда,

, где

Iк - ток коллектора VT1; (h₂₁)- коэффициент усиления по току.

Отсюда найдем сопротивление резистора R₂:

где

U_лог.1- напряжение на элементе логической единицы микросхемы К561-ЛН2.

Принимаем R₂=10 кОм.

Рассеиваемая резистором R₂ мощность будет равна:

Р _R2=I_б.²* R₂=(0,14*10^-3)²*10*10³=0,196 мВт.

Выбираем резистор R₂ марки: С2-33-0,125 10к20%.

Найдем сопротивление нагрузочного резистора R₃ светодиода VD1 в цепи транзистора VT1.

где

U=5В - напряжение питания схемы; U_бэ=0,6В – напряжение в цепи база-эмиттер; Iк=7*10^-3мА - ток коллектора транзистора VT1.

Выбираем R₃=510 Ом.

Рассеиваемая резистором R₃ мощность будет равна:

Р _R3=I_к.²* R₃=(7*10^-3)²*510=0,025 Вт.

Выбираем резистор R₃ марки: С2-33-0,125 51010%.

В этой схеме будет работать любой фотодиод, поэтому используем фотодиод VD2 марки ФД256, характеристики которого приведены в таблице 6.

Характеристики фотодиода марки ФД256 Таблица 6

Размер фоточувствительного элемента, мм	Диапазон спектральной характеристики , мкм	Максимальная спектральная характеристика мах, мкм	Up, В	Iтемн., мкА не более	Интегральная токовая чувствительность
1,37	0,4..1,1	0,75..0,9	10	0,005	не <6 при =0,9 мкм

Определим сопротивление резистора R₄, оно должно быть очень большим, чтобы не перегружать фотодиод VD2, порядка нескольких десятков кОм. Выберем сопротивление резистора R₄= 10 кОм10%.

Найдем рассеиваемую резистором R₃ мощность:

Р _R4=I_ф.д.²* R₄=(0,005*10^-9)²*10*10³=0,25*10^-12Вт, где

Iфд=0,005мкА - максимальный обратный ток, протекающий через фотодиод.

Выбираем резистор R₄ марки: С2-33-0,125 10к10%.

Транзистор VT2 выбираем из условия, что h₂₁ (коэффициент усиления по току) должен быть как можно больше, чтобы повысить чувствительность схемы. Исходя из этого, выбираем транзистор марки КТ3130Г9, с характеристиками приведенными в таблице 7.

Характеристики транзистора типа КТ3130Г9 Таблица 7

Материал, структура, технология	РКмах, мВт	fгр., МГц	Uкбо проб.,В	Iк мах,мА	h21
Si, n-p-n, ПЭ	100	>300	20	100	400..1000

Рассчитаем сопротивление резистора R₅в цепи коллектора транзистора VT2, оно должно быть как можно меньше, чтобы уменьшить влияние на постоянную времени фильтра_С2-R6. При открытом транзисторе VT2 на резисторе будет напряжение около 5В, а через коллектор будет протекать ток, примерно равный Iк=1мА, тогда

Выберем сопротивление резистора R₅= 5,1 к10%.

Найдем рассеиваемую резистором R₅ мощность:

Р _R4=I_кVT2.²* R₅=(1*10^-3)²*5,1*10³=0,0051 Вт.

Выбираем резистор R₅ марки: С2-33-0,125 5,1к10%.

Рассчитаем фильтр низких частот собранный на элементах С₂-R₆. Постоянная времени фильтра_фопределяется постоянной среза фильтра f_ср=50-100 Гц. Т.к. фильтр очень простой и обладает плохой крутизной характеристики, то для уверенной фильтрации выбираем f_ср=400 Гц, что во много раз меньше частоты основного сигнала f_{ос. сигн.} (20 кГц). Тогда,

Примем С₂=0,1мкФ, следовательно, можно будет определить сопротивление резистора R₆:

Принимаем R₆=33кОм10%.

Рассеиваемая резистором R₆ мощность будет равна:

Р _R6=U_R6²/R₆=(5)²*33*10³=0,757 мВт.

Выбираем резистор R₆ марки: С2-33-0,125 33к10% а конденсатор марки: К10-17а 0,1мкФ10% П33 25В.

Теперь определим элементы фильтра высоких частот R₇-C₃. Он необходим для увеличения помехоустойчивости устройства. Постоянная фильтра_C3-R7должна быть нескольких периодов тактовой частоты генератора (20кГц). Т.к. изменение частоты f сигнала не более 1000Гц, его_C3-R7можно принять 1кГц. Тогда,

Емкость конденсатора С3 примем равной 0,1 мкФ, отсюда

Принимаем R₇=10кОм10%.

Рассеиваемая резистором R₇ мощность будет равна:

Р _R6=U_R7²/R₇=(5)²/10*10³=0,0025 Вт.

Выбираем резистор R₆ марки: С2-33-0,125 10к10%, а конденсатор марки: К10-17а 0,1мкФ10% П33 25В.

Диод VD3 элемент типовой схемы фильтра марки КД522А, его основные характеристики приведены в таблице 8.

Характеристики диода КД522А Таблица 8.

Iпр, мА	Iобр, мкА	Uобр, В	Рабочая температура, оС
> 100	> 2	30	-55 +85

Элементы VD3, R8, VT3, R9, C4, R10, C5 и R11 рассчитываются и выбираются аналогично элементам схемы VD2, R4, VT2, R5, C2, R6, C3 и R7, их марки и номиналы одинаковы.

Светодиод VD6 выбираем по тем же соображениям что и VD1, марки АЛ107Б, его характеристики приведены в таблице 2.

Рассчитаем нагрузочное сопротивление R12 в цепи светодиода VD6.

Принимаем R₁₂=510 Ом10%.

Рассеиваемая резистором R₇ мощность будет равна:

Р _R12=I_сд²*R₁₂=(7*10^-3)²*510=0,025 Вт.

Выбираем резистор R₁₂ марки: С2-33-0,125 510к10%.

Элементы VD7, R13, VT4, R14 рассчитываются и выбираются аналогично соответственно элементам схемы VD2, R4, VT2 и R5.7, их марки и номиналы одинаковы.

Элементы фильтра C₆-R₁₅рассчитываются по тем же соображениям и формулам, т.е.

Примем С₆=0,1мкФ, следовательно, можно будет определить сопротивление резистора R₁₅:

Принимаем R₆=22кОм10%.

Рассеиваемая резистором R₁₅ мощность будет равна:

Р _R15=U_R15²/R₁₅=(5)²/22*10³=1,1 мВт.

Выбираем резистор R₁₅ марки: С2-33-0,125 22к10%, а конденсатор С₆марки: К10-17а 0,1мкФ10% П33 25В.

Элементы высокочастотного фильтра С₇-R₁₆рассчитываются исходя из следующих условий. Сигнал по этому каналу идет с f=2330 Гц. Это значение и примем за постоянную среза фильтра. Тогда постоянная времени будет равна:

Примем С₇=0,1мкФ, следовательно, можно будет определить сопротивление резистора R₁₅:

Принимаем R₆=5,1кОм10%.

Рассеиваемая резистором R₁₆ мощность будет равна:

Р _R15=U_R16²/R₁₆=(5)²/5,1*10³=4,9 мВт.

Выбираем резистор R₁₆ марки: С2-33-0,125 5,1к10%, а конденсатор С₆марки: К10-17а 0,1мкФ10% П33 25В.

Для индикации режима работы микроконтроллера выбираем светодиод красного цвета марки АЛ307В (таб.1), исходя из этого, выбираем VT5 аналогично VT1 марки КТ315Г (таб.3).

Сопротивления резисторов R17 и R18 рассчитываются аналогично R2 и R3.

Чтобы исключить обгорание контактов в блоке сброса, примем R20=100 Ом 10%.

Рассеиваемая резистором R₂₀ мощность будет равна:

Р _R20=U_R20²/R₂₀=(5)²/100=0,25 Вт.

Т.к. протекание тока кратковременное, то можно выбирать резистор R₂₀ марки: С2-33-0,125 10010%.

Элементы R18 и C11 являются элементами типовой схемы блока сброса. Они рассчитываются из условия быстродействия блока, которое должно составлять порядка нескольких микросекунд. Принимаем R18=7,5 кОм10% и C11=10мкФ10% 6,3В. Выбираем резистор R₁₈ марки: С2-33-0,125 7,5к10%, а конденсатор марки: К52-1 47мкФ10% на 6,3 В.

Для преобразования ТТЛ-уровня микроконтроллера в интерфейс RS-232 используем микросхему марки MAX3232EPE, включенную по типовой схеме рекомендованной фирмой производителем.