4.2 Выбор и обоснование технической части

Одной из радиодеталей заданного устройства является стабилизатор напряжения Max232, необходимый для преобразования напряжения из 12В в 5В, чтобы питать микроконтроллер и другие устройства системы. К выбору этого элемента нужно подходить очень серьезно, чтобы не спалить микроконтроллер и устройства. Он должен иметь хорошую теплоотдачу и рассеивающую мощность. Поэтому наиболее подходящим для данного проекта является стабилизатор Max232, который показан на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 – Изображение микросхемы Max232

Микросхема разработана таким образом, чтобы все лишнее напряжение она забирала на себе. То есть, при входном напряжении 12В, она обеспечивает на себе падение напряжения в 5В. Технические характеристики микросхемы представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 – Характеристики микросхемы Max232

Тип	Напряжение питания	Приемники/передатчики	Емкость	SHDN и Three-State	Активность приемников в SHDN	DataRate (kbps)
MAX232	+5	2/2	4x1.0(0.1)	No	—	120(64)

Отличительные особенности данной микросхемы:

1 Имеет улучшенные характеристики, по сравнению с биполярными ИС;

2 Униполярное питание +5 В;

3 Отвечает всем требованиям EIA/TIA-232E и V.28;

4 Многоканальные драйверы/приемники;

5 Выходы драйверов и приемников с 3-я состояниями.

Инверторы требуются для подключения на выходы микросхемы Max232, по причине того, что микросхема выводит инвертированный сигнал. Инвертор HCF4069UM013TR (см. рисунок 3.2) был выбран по причине напряжения 12V на линии, куда он будет подключен. Допустимо использование аналоги.

Рисунок 4.5 – Изображение инвертора HCF4069UM013TR

Характеристики инвертора HCF4069UM013TR представлены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 – Характеристики инвертора HCF4069UM013TR

Параметр	Значение
Семейство	4000B
Тип	CMOS
Корпус	PDIP
Количество ножек	Hex
Выходной тип	Триггер Шмидта
Высокий уровень выходного тока	- 2.4 mA (Min)
Низкий уровень выходного тока	2.4 mA (Min)
Задержка распространения сигнала	280 ns or 140 ns or 120 ns
Напряжение (Макс)	20 V
Напряжение (Мин)	3 V
Температура работы (Макс)	125 C
Температура работы (Мин)	- 55 C

Для управления работой устройств схемы используются зарубежные биполярные транзисторы BC548C в качестве “ключей”. Основные характеристики данного транзистора указаны в таблице 3.3, а внешний вид данного транзистора приведен на рисунке 4.4.

Таблица 4.4 – Основные характеристики транзистора ВС548С

Pc max	Ucb max	Uce max	Ueb max	Ic max	Tj max, °C	Ft max
500mW	30V	30V	5V	100mA	150°C	300MHz

Рисунок 4.6 –Изображение транзистора BC548C

Для согласования по напряжению потребуется понижающий трансформатор с 220 В до 12 В. Можно использовать трансформатор ТА13-127/220. Понижающий трансформатор приведен на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7 – Изображение Понижающего трансформатора

Данный трансформатор обладаем следующими характеристиками:

1. Напряжение вторичных обмоток 56В, 56В, 12В, 12В;

2. Ток вторичных обмоток 0,104А;

3. Номинальная мощность 26 В·А;

4 Частота 50Гц.

Для выпрямления напряжения с трансформатора используется диодный мост  — электрическая схема, предназначенная для преобразования («выпрямления») переменного тока в пульсирующий.  В источнике питания используется диодный мост, построенный на диодах 1N4001. Технические характеристики:

1. Максимальное постоянное обратное напряжение: 100B

2 Максимальное импульсное обратное напряжение: 100B

3 Максимальный прямой (выпрямленный за полупериод) ток: 1A

4. Максимальный обратный ток: 125 мкА

5. Рабочая частота: 5 кГц

6. Максимальное прямое напряжение: 4B

7 Рабочая температура: -40…85 C

Рисунок 4.8 – Изображение диодного моста на диодах 1N4001

Также используется регулятор напряжения LM317. LM317 - монолитная интегральная схема в корпусе TO-220, ISOWATT220, TO-3 или D2PAK. Представляет из себя положительный регулятор напряжения с выходным током более 1.5 A и диапазоном напряжения от 1.2 до 37 вольт [11]. Номинал выходного напряжения регулируется переменным резистором, что делает устройство очень простым в применении. Особенности:

1. Диапазон выходного напряжения 1.2 - 37 V;

2. Выходной ток более 1.5 A;

3. Нестабильность выходного напряжения 0.1%;

4. Защита от короткого замыкания;

5. Защита от перегрева.

Рисунок 4.9 – Изображение регулятора напряжения LM317

Кнопочные выключатели (кнопки) предназначены для коммутации электрических цепей, управления переменного тока напряжением до 380 В.

Устройство электрической кнопки:

На рисунке 4.10 показаны элементы, из которых состоит данная кнопка:

1 – неподвижные контакты;

2 – контактный мостик с подвижными контактами;

3 – пружина, для возврата мостика.

Рисунок 4.10 – Изображение устройства электрической кнопки

а) кнопка с замыкающими контактами ("пуск");

б) кнопка с размыкающими контактами ("стоп")

Принцип действия фоторезисторов основан на внутреннем фотоэффекте. Излучение, падающее на полупроводник, частично поглощается в его объеме, взаимодействуя с атомами кристаллической решетки или примесей. Поглощение в фоторезисторе фотонов сопровождается увеличением проводимости, приращение которой называют фотопроводимостью. Если к фоторезистору подключен источник напряжения, то в соответствии с изменением его проводимости при освещении через его контакты из внешней цепи будет протекать ток, значение которого превосходит число изначально образованных фотоносителей [3].

Ниже рассмотрены основные параметры фоторезисторов, которые играют главную роль при выборе датчика освещенности для разрабатываемого устройства:

Рабочее напряжение ( _р) — постоянное напряжение, приложенное к фотоприемнику, при котором обеспечиваются номинальные значения параметров при длительной эксплуатации. Так как разрабатываемое устройство должно быть автономным и питаться, соответственно от гальванических источников, рабочее напряжение датчика должно быть в пределах 1,5 В [2].

Интегральная чувствительность (S_инт) — чувствительность фотоэлемента к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава. Величина, определяемая как отношение приращения фототока к вызвавшему его приращению светового потока при постоянном рабочем напряжении [2].

Собственная постоянная времени (τ) — интервал времени, по истечении которого спадающее по экспоненте напряжение фотосигнала после прекращения воздействя излучения, уменьшается в e раз.

Абсолютная спектральная характеристика чувствительности S_абс(λ) — зависимость монохроматической чувствительности фотоприемника от длины волны регистрируемого потока излучения.

В зависимости от материала, фоторезисторы обладают различной чувствительностью. Фоторезисторы на основе CdS обладают чувствительностью в диапазоне 400...900 нм с максимумом на длинах волн 500...600 нм. У фоторезисторов на основе CdSe спектральная характеристика чувствительности помимо видимой части спектра, занимает ближайшую инфракрасную. Коротковолновая граница — 500 ни, длинноволновая — 1200 нм, максимум — 700 нм. Фоторезисторы из других материалов спектральная характеристика чувствительности лежит в инфракрасной зоне, и применяются для контроля температур горячих объектов, излучающих свет в инфракрасном диапазоне [3].

Энергетическая (люкс-амперная) характеристика (зависимость фототока от падающего излучения) определяется формулой:

(4.1)

где C — постоянная, определяемая свойствами материала,

α — коэффициент нелинейности, значение которого для большинства фоторезисторов находится в интервале 0,5...1.

В целом характеристики нелинейны, но иногда содержат линейный участок в пределах одной декады освещенности. Наклон характеристик и, следовательно, интегральная чувствительность максимальны в области слабых освещенностей. Форма кривых слабо меняется с ростом прикладываемого к фоторезисторам напряжения [2].

Частотная характеристика чувствительности фотоприемника S(f) является зависимостью чувствительности фотоприемника от частоты модуляции светового потока. С повышением частоты модуляции светового потока чувствительность фотоэлемента падает. Чувствительность фоторезисторов на основе CdS при частоте модуляции 1000Гц составляет 30% от максимальной. Сернисто-свинцовые фоторезисторы обладают такой чувствительностью при частоте модуляции светового потока в 10 кГц. Еще шире частотная характеристика чувствительности у селенисто-свинцовых фотоприемников [2].

Инерционность фоторезисторов зависит от нескольких факторов. Влияние этих факторов различно на собственные временные характеристики фоторезисторов по нарастанию и по спаду. При t=20°С, освещенности в 200 лк и короткозамкнутом включении фоторезистора собственная постоянная времени по нарастанию больше аналогичной величины по спаду. При увеличении освещенности постоянные времени уменьшаются, причем с большей скоростью изменяется время нарастания. В среднем величины постоянных времени меняются на порядок в интервале декад освещенности [2].

Зависимость временной постоянной от проводимости фоторезистора g_ф определяется выражением:

τ = Bg_ф^-m (4.2)

где B и m — постоянные, значения которых зависят от типа фоторезистора.

При увеличении сопротивления нагрузки фоторезисторов с некоторого значения заметен значительный рост постоянной времени по спаду фототока и уменьшение постоянной времени по нарастанию. Для фоторезисторов на основе CdS и CdSe эти изменения проявляются начиная с нагрузок в 5...10 кОм [2].

Пороговая чувствительность фоторезисторов, т. е. минимальный лучистый поток определяется уровнем собственных шумов. Источниками шумов являются фоточувствительный элемент и площадь контакта с электродами. Уровень шумов прямо пропорционален прикладываемому напряжению, за исключением участка, приближенному к предельному насыщению. Спектр шума имеет распределение, определяемое как 1/f. На частотах выше 400 Гц уровень шума резисторов CdS и CdSe обратно пропорционален квадрату частоты [2].

Основные достоинства, которые определяют сферу применения фоторезисторов таковы: наибольшая среди фотоприемников чувствительность, линейная вольт-амперная характеристика, а так же возможность передачи двухполярных сигналов.

Главный недостаток фоторезисторов — инерционность. Данный параметр является решающим для разрабатываемого устройства. т. к. в ТЗ указано, что разрабатываемый прибор должен измерять не только освещенность, но и пульсацию светового потока, необходимо обращать особое внимание на инерционность фоточувствительных элементов. В среднем у выпускаемых промышленностью фоторезисторов заявленные собственные временные постоянные имеют значения в интервале 0,02...0,08 с. Это значит, что с их помощью можно корректно произвести измерение освещенности при частоте модуляции в пределах 12...50 Гц, в то время, как коэффициент пульсации освещенности на рабочих поверхностях при питании источников света током частотой менее 300 Гц не должен превышать значений, указанных в СНиП 23-05-95. Коэффициент пульсации не нормируется при частоте питания 300 Гц и более.

В схеме будет использоваться фоторезистор ADC105 (см. рисунок 4.11) фотоэлектрический аналоговый, диаметр 5 мм. Герметичный корпус, малое время отклика.

Рисунок 4.11 – Изображение структуры фоторезистора

Характеристики фоторезистора:

1. Герметичной корпус

2. Быстрое время отклика

3. Хорошие характеристики, широкий диапазон измерений.

Применение:

1. Детектор фотовспышки

2. Автовспышка для камеры

3. Контроль на производстве

4. Фотопереключатель

5. Флектронные игрушки

Спецификация:

1. Vmax(VDC): 150

2. Pmax(mW): 100

На рисунке 4.12 приведена схема подключения фоторезистора.

Рисунок 4.12 – Изображение схемы подключения фоторезистора

Основные достоинства, которые определяют сферу применения фоторезисторов таковы: наибольшая среди фотоприемников чувствительность, линейная вольт-амперная характеристика, а так же возможность передачи двухполярных сигналов.

Главный недостаток фоторезисторов — инерционность. Данный параметр является решающим для разрабатываемого устройства. т. к. в ТЗ указано, что разрабатываемый прибор должен измерять не только освещенность, но и пульсацию светового потока, необходимо обращать особое внимание на инерционность фоточувствительных элементов. В среднем у выпускаемых промышленностью фоторезисторов заявленные собственные временные постоянные имеют значения в интервале 0,02...0,08 с.