3.4 Расчет трансформатора.
1) Коэффициент трансформации:
n = W2/W1= U2/U1;
где: n - коэффициент трансформации;
W2,W1 - количество витков вторичной и первичной обмоток;
U2,U1 - напряжение вторичной и первичной обмоток;
U1 = 220 B; U2 = 5B
n2
=
=0.22
2) Общий ток в первичной обмотке:
I1общ = I2n2
где: 12 - ток вторичной обмотки;
n - коэффициент трансформации вторичных обмоток;
I2 = 1,25 A;
I1общ = 1,25 * 0,055 = 0,069 A;
3) Мощность обмоток
P = U * I
где: P - мощность обмоток, В*А;
U - напряжение обмотки, В;
I - ток обмотки, А;
P2 = 12 * 1,25 = 15 В*А
4) Мощность первичной обмотки
Pобщ = I2U2
где: P1общ - мощность первичной обмотки, В*А
I2 - токи вторичных обмоток, А
U2 - напряжение вторичных обмоток, В
Pобщ = 12 * 1,25 = 15 В*А
5) Габаритная мощность:
Ргаб = 0,5 * (U1 * Iобщ + U2 * I2);
где: Ргаб - габаритная мощность, Вт;
U1,U2 - напряжение первичной и вторичной обмоток, В;
Iобщ,I2 - токи первичной и вторичных обмоток, А;
Ргаб = 0,5 * (220*0,069 + 15) = 15,09 Вт
6) Выбор магнитопровода:
QcQo
= 
где: Qc - полное сечение стержня магнитопровода , см ;
Qо - площадь окна магнитопровода, приходящаяся на обмотки одного стержня, см^2
n - коэффициент полезного действия;
S - число стержней, несущих обмотки;
Ргаб - габаритная мощьность трансформатора, Вт;
f - частота трансформатора, Гц;
В - магнитная проницаемость магнитопровода, Тл;
kc - коэффициент заполнения магнитопровода сталью;
kм - коэффициент заполнения окна медью обмотки;
j - плотность тока, А/мм ;
S - число стержней 1.
Qo = Пd /4
где: Qo - площадь окна магнитопровода, см ;
d - внутренний диаметр кольцевого магнитопровода, см ;
QcQo
=
= 30,78 
Трансформатор нужен небольних размеров. Для этого подходит тороидальный трансформатор. Для него выбираем кольцевой магнитопровод по таблице, учитывая выражение QcQokc.
7) Габаритные размеры:
dн - наружный диаметр = 64 мм
dв - внутриний диаметр = 40 мм
С - высота магнитопровода = 20 мм
По данным параметрам подходит марка магнитопровода
ОЛ 40/64-20
Qo
= 
= 12,56 см
8) Число витков:
W
= 
где: W - число витков;
E - Э.Д.С. обмотки, В;
f - частота питающей сети, Гц;
B - магнитная индукция в магнитопроводе, Тл;
Qc - полное сечение стержня магнитопровода, см ;
kc - коэффициент заполнения магнитопровода сталью;
f - частота питающей сети 50 Гц.
Электродвижущая сила E равна:
Для первичной обмотки:
E1 = 0,95*U1
Для вторичной обмотки:
E2 = 1,05*U2
E1 = 0,95*220 = 209 B
E2 = 1,05*12 = 12,6 В
Qc
= 
где: Qc - полное сечение стержня магнитопровода, см ;
D - наружный диаметр кольцевого магнитопровода, см;
С - высота кольцевого магнитопровода, см;
d - внутренний диаметр кольцевого магнитопровода, см;
Qc = (6,4 - 4)*2 = 2,4 см
W1
= 
2588 витков
W2
= 
=
141 виток
Диаметр проводов обмоток ( без изоляции):
d1
= 1,13 
где: I - ток, протекающий по обмоткам, А;
d - диаметр провода, мм;
J - плотность тока, А/мм ;
d
1 = 1,13
= 0,15 мм
Берем провод с изоляцией марки ПЭВ - 2, диаметр равен 0,19 мм
d
2 = 1,33
= 0,64 мм
Берем провод с изоляцией марки ПЭВ - диаметр равен 0,72 мм
Марки провода и диаметр берем из справочника.
9) После конструктивного расчета трансформатора по приближенным формулам полезно проверить коэффициент заполнения окна медью k , который не должен превышать 0,3.
k
=
где: k - коэффициент заполнения окна медью обмотки;
d' , d' - диаметры проводов без изоляции, мм;
W ,W - количество витков обмоток;
d - внутрений диаметр кольцевого магнитопровода; мм;
k
=
= 0,72*
10) Определение габаритных размеров трансформатора
D
н = 
+ (D + Т )
где: D - наружный диаметр трансформатора, мм;
d - внутрений диаметр трансформатора, мм;
W - количество витков обмотки;
S - площадь изоляции в поперечном сечении провода данной обмотки, мм;
К - коэффициент изоляции;
D - предыдущий меньший наружный диаметр трансформатора, мм;
d - предыдущий большой внутрений диаметр трансформатора, мм;
Т - наружная толщина изоляции между витками, мм;
Т - внутренняя толщина изоляции между витками, мм;
К и Т - берется из таблицы;
S = 0,04 мм , S = 0,08 мм
К = 0,7; К = 0.7
Dн-1
= 
=
64,48 мм
Тв1
= 
= 0,048 мм
dв1
= 
= 37,52 мм
Dн2
= 
= 65,67 мм
Тв2
= 
= 0,052 мм
dв2
=
37,19 мм
Dтрн = 1,05*(D +2)
где: Dтрн - наружный диаметр трансформатора, мм;
D - наружный диаметр кольцевого магнитопровода с намотанными на него всеми четырьмя обмотками, мм;
Т - наружная толщина изоляции между витками, мм;
d = 0,8(d - 2T )
где: d - внутренний диаметр трансформатора., мм;
d - внутрений диаметр кольцевого магнитопровода с намотанными на него всеми обмотками, мм;
Т - внутреняя толщина изоляции между витками, мм;
С = С+d+d
где: С - высота трансформатора, мм;
С - высота кольцевого магнитопровода, мм;
d - внутрений диаметр кольцевого магнитопровода, мм;
d - внутрений диаметр трансформатора, мм;
С = 20 + 40 - 37,52 = 22,48 мм
С = 20 + 40 - 37,19 = 22,81 мм
D = 1,05*(65,67 + 2*0,03) = 69,02 мм
d = 0,8*(37,19 - 2*0,052) = 29,67 мм
11) Нагрев трансформатора.
Котцевой магнитопровод обычно полностью закрывается обмотками и его охлаждение происходит через эти обмотки
Sохл = 2,5*Dтрн (Dтрн +dтрн )
где: S - площадь охлаждающей поверхности катушек, см ;
D - наружный диаметр трансформатора, см;
d - внутренний диаметр трансформатора, см;
S = 2,5*6,902*(6,902+2,967) = 170,29 см
Потери в стали:
Р = Р *V *У*k *
где: P - удельные потери в стали, Вт/кг;
V - объем магнитопровода, см ;
У - плотность материала магнитопровода;
k - коэффициент заполнения магнитопровода сталью;
Плотность электротехнической стали У = 7,5 г/см;
Р берем из справочника. Зависит от частоты и магнитной проницаемости магнитопровода В. Р = 1,88 Вт/кг.
k - 0,7 берем из справочника. Зависит от мощности и частоты трансформатора.
V = 0,785С(D^2 - d^2 )
где: V - объем магнитопровода, с^3 ;
С - высота магнитопровода, см;
D - наружный диаметр трансформатора, см;
d - внутрений диаметр трансформатора, см;
V
= 0,785*2*(40,96-16) = 39,19 
Р = 1,67*39,19*7,5*0,7*10 = 0,3435 Вт
Потери в меди обмоток определяют по формуле:
где: Р - потери в меди обмоток, Вт;
I , I -токи в обмотках, А;
r , r - сопротивления проводов в обмотках, Ом;
w - количество витков провода;
N - площадь поперечного сечения провода, мм ;
N
= 
где: I - ток, проходящий по этому проводу, А;
N - площадь поперечного сечения провода, мм ;
J - плотность тока, А/мм ;
Lм1 = = 68,44 мм
Lм2 = = 73,49 мм
N = = 0,0177 мм
N = = 0,3205 мм
r1 = = 224,16 Ом
r2 = = 0,72 Ом
Рм = 0,004761*224,16 + 1,5625*0,72 = 2,19 Вт
Удельные охлаждающие поверхности
S = S /Р +Р
где: S - удельная охлаждающая поверхность, см /Вт;
Р - потери в меди обмоток, Вт;
Р - потери в стали, Вт;
S
= 
67,22 см^2 /Вт
Превышение температуры можно считать допустимой
12) Ток холостого хода
=
где: I - ток холостого хода, А;
I - ток, вызванный потерями в стали, А;
I - ток намагничивания, А;
Р - потери в стали, Вт;
U - напряжение в первичной обмотке, В;
I - средняя длина магнитной силовой линии, см;
W - количество витков первичной катушки;
= 
0,056 А
13) Полный ток первичной обмотки
=
где: Iобщ - полный ток первичной обмотки, А;
I 1общ - ток первичной обмотки, А;
I пс- ток, вызванный потерями в стали, А;
I пм- ток, вызванный потерями в меди, А;
I н - ток намагничивания, А;
Р с - потери в стали, Вт;
Р т - потери в меди, Вт;
U 1 - напряжение первичной обмотки, В;
I с- средняя длина магнитной силовой линии, см;
W 1 - количество витков первичной катушки.
I
1общ = 
0,056 А
14) Масса трансформатора
= V *У *k *
где: т - масса стали магнитопровода, кг;
V - объем магнитопровода, см ;
k - коэффициент заполнения магнитопровода сталью;
= 39, 19*7,5*0,7*10 = 0,206 кг
Масса меди обмоток
= т1 + т2
где: т - масса меди обмоток, кг;
т1-4 - масса меди одной из обмоток, кг;
т
1-4 = Уm
*L*N*
где: Уm - плотность меди, кг/м ;
L - длина провода, м;
N - площадь поперечного сечения провода с изоляцией, мм ;
L = L *W*
где: L - средняя длина витка, мм;
W - количество витков;
У
- плотность меди равная 8900 кг/
;
L1 = 68,44*2588* = 177,12 м
L2 = 73,49*141* = 10,36 м
т1 = 8900*177,12*0,19* = 0,3 кг
т2 = 8900*10,36*0,72* = 0,066 кг
тm = 0,3 + 0,066 = 0,366 кг
Масса изоляции
где: т из - масса изоляции, кг;
т м- масса меди обмоток, кг;
k м - коэффициент заполнения изоляции, равен 0,26;
k из- коэффициент заполнения изоляции;
= = 0,082 кг
= 0,654 кг
3.5 Выбор средств автоматизации.
Основные характеристики микроконтроллеров PIC16F84
В микроконтроллерах PIC16F84 существует два блока памяти – память программ и память данных. Каждый блок имеет свою собственную шину, что позволяет за один такт производить обращение как к коду, так и к данным.
Память данных микроконтроллера PIC16F84 можно разделить на специальные регистры, содержащие служебную информацию о состоянии микроконтроллера и регистры общего назначения, используемые в качестве оперативной памяти микроконтроллера.
Память для хранения программы микроконтроллера PIC16F84 (1k 14-и битовых слов) выполнена по FLASH технологии и размещена непосредственно на кристалле микроконтроллера. Выборку очередной инструкции из памяти осуществляет блок управления с использованием текущего значения счетчика команд, имеющего восьмиуровневый стек, позволяющий реализовать последовательный вызов процедур.
После выборки микрооперация храниться в регистре инструкций IR и доступна декодеру для выборки данных и декодирования.
Декодер распознает и декодирует выбранную команду для того, чтобы сообщить блоку управления, какие аппаратные части ядра микроконтроллера должны быть задействованы для выполнения инструкций.
Блок управления сообщает тактовому генератору, в какой последовательности должны работать аппаратные блоки контроллера (т.е. управляет работой конвейера).
Регистр общего назначения микроконтроллера PIC16F84 представляет собой набор скоростных регистров (68 * 8 бит).
Данные в регистровый файл могут поступить по следующим путям:
Из регистра инструкций через мультиплексор MUX1.
От АЛУ.
Из памяти данных.
Из портов ввода/вывода и других периферийных устройств.
АЛУ микроконтроллера PIC16F84, который управляется блоком управления имеет регистр аккумулятор, доступный программе и регистр статуса, который может информировать о результатах выборки.
Данные на АЛУ могут поступать из следующих источников:
От регистра инструкций через мультиплексор MUX2.
Из регистров общего назначения.
Из памяти данных. При этом косвенно через регистры общего назначения операнд может поступить на АЛУ.
FSR используется для реализации механизмов прямой и косвенной адресации.
Память данных (64 байт) служит для хранения константных значений и в некоторых случаях для хранения части исполняемого кода при нехватке памяти программ.
Электростираемое, перепрограммируемое ПЗУ.
Программирование по принципу ISP позволяет по средствам специального интерфейса (2-е линии) программировать память данных и инструкций.
Порты ввода/вывода предназначены для подключения различного периферийного оборудования по средствам 2-х портов, до 16-и линий ПУ. Все порты микроконтроллера PIC16F84 программно доступны и позволяют программно настраивать на различные режимы функционирования.
Таймер – аппаратная реализация часов реального времени, которые можно использовать для отсчета различных временных интервалов. Таймер полностью программно доступен и может функционировать с выработкой аппаратного прерывания либо посредствам установки значения специального регистра. ADC - расширения портов ввода/вывода к которым можно подключать источники аналогового сигнала. USART - универсальный блок последовательной передачи информации, позволяет подключать периферийные устройства по последовательному интерфейсу.
Ядро микроконтроллера PIC16F84 изготовлено по гарвардской архитектуре совместно с аккумуляторной архитектурой, с использованием регистров общего назначения. Набор инструкций по принципу RISC архитектуры. Используется 2-х ступенчатая конвейерная обработка.
Характеристики микроконтроллера PIC16F84 позволяют использовать данный микроконтроллер как в любительских устройства, так и в профессиональных микроконтроллерных устройствах, единичного или мелкосерийного производства.
Электрическая характеристика микроконтроллеров PIC16F84Температурный диапазон эксплуатации -55 С … +125 С
Температурный диапазон сохранения данных -65 С … +150 С
Напряжение Vdd относительно Vss -0.3 … +7.5В
Напряжение CMLR относительно Vss -0.3 … +14В
Напряжение на всех выводах (кроме Vdd и CMLR) относительно Vss -0.6В
Общее потребление электроэнергии 800мВт
Максимальный выходной ток на Vss 150мА
Максимальный входной ток с Vdd 100мА
Максимальный ток, входящий в PORTA 80мА
Максимальный ток питания от PORTA 50мА
Максимальный ток, входящий в PORTB 150мА
Максимальный ток питания от PORTB 100мА
Ток силой более 80 мА, протекающий через выводом MCLR и землей может привести к пробою микроконтроллера. По этой причине необходимо использовать резистор сопротивлением 50 - 100Ω для подключения вывода MCLR к земле.
Рисунок 9 - Цоколёвка PIC16F84A.
14 битовые команды
8 - битовые данные
15 аппаратных регистров специального назначения
8-уровневый аппаратный стек
Прямой, косвенный и относительный режимы адресации для данных и инструкций
четыре источника прерывания:
- внешний вход RB0/INT
- переполнение таймера TMR0
- прерывание при изменении сигналов на линии порта B (PORTB<7:4>)
- по завершению записи данных в ЭСППЗУ (EEPROM)
1000 циклов записи/стирания FLASH памяти программы
10 000 000 циклов записи/стирания памяти данных ЭСППЗУ
Период хранения данных ЭСППЗУ > 40 лет
Периферия:
13 линий ввода/вывода с индивидуальным контролем направления
Сильноточные схемы для непосредственного управления светодиодными индикаторами:
- 25 мА макс. вытек. ток
- 20 мА макс. втек. Ток
Экономичная, высокоскоростная технология КМОП ЭППЗУ/ЭСППЗУ
Полностью статическая архитектура
Широкий рабочий диапазон напряжений питания - от 2,0В до 6,0В
Коммерческий, промышленный и расширенный температурный диапазоны
Низкое потребление энергии:
- < 2 мА при 5,0 В, 4,0 МГц
- 15 мкА (типичное значение) при 2 В, 32 кГц
- < 1,0 мкА (типичное значение) в режиме STANDBY при 2В