2.5 Расчеты элементов принципиальной схемы, подтверждающие её работоспособность

2.5.1 Расчет элементов оптопары

Для начала расчета следует выбрать модель используемого светодиода. Выбирается модель АЛ 307, так как он полностью соответствует следующим критериям: низкая цена, необходимая сила света. Его характеристики:

Постоянное прямое напряжение, B, 4.

Максимальный постоянный прямой ток, мА 20.

Для расчета резистора к светодиоду необходимо знать напряжение в линии, что соответственно составляет 12 В.

Так как резистор и светодиод соединены последовательно, то через них будет протекать одинаковый ток I_vd. Этот ток должен быть равен номинальному току светодиода. Согласно второму закону Кирхгофа, напряжение источника питания U_пит разделится на напряжение на светодиоде U_vd и на напряжение на искомом сопротивлении U_r. Напряжение на светодиоде принимаем равным его номинальному напряжению. Тогда напряжение на сопротивлении будет равно тому что осталось от напряжения питания:

U_r = U_пит – U_vd

Теперь, зная необходимые значения напряжения на резисторе и тока протекающего через него, можно найти его сопротивление.

Закон Ома для участка цепи гласит, что величина тока, протекающего через участок цепи прямо пропорциональна приложенному к этому участку цепи напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка. Либо так:

I= U/R

Подставим в формулу закона Ома необходимые значения тока и напряжения и выразим значение сопротивления:

R = Ur/Ivd = (U_пит – U_vd)/I_vd

R= (12-4) В / 20 мА = 400 Ом

Результат 400 Ом. Из стандартного ряда значений номиналов резисторов следует выбрать больший, так как при выборе меньшего из значений ток в цепи будет большим, чем номинальный, что сократит срок службы светодиода. Следовательно подходящее значение из этих соображений 480 Ом.

При выборе резистора необходимо обратить внимание на его мощность рассеивания. Если взять резистор, мощность которого меньше рассчитанной, то он будет греться, а в конечном итоге может выйти из строя. Это в лучшем случае, а в худшем – нагрев резистора может вывести из строя соседние элементы. Мощность резистора можно рассчитать по формуле:

P = U∙I = U_r∙I_vd

Р= (12-4) В · 0,02 А = 0,16 Вт

Необходимо использовать резистор мощностью 0,25 Вт.

По сопротивлению и мощности и цене следует выбрать резистор С2-33Н-0,25Вт-480 Ом.

2.5.2 Расчёт элементов генератора прямоугольных импульсов

Генератор на основе интегрального таймера КР1006ВИ1 (NE555) формирует на выходе прямоугольные импульсы, параметры которых зависят от номиналов элементов времязадающих цепей. Весь расчёт ГПИ сводится к выбору конденсаторов С1,С2 и резисторов R1, R2, R3, R4.

При заряде конденсатора С1 напряжение на выводе 6 (2) возрастает экспоненциально от 1/3Uп до 2/3Uп и определяется уравнением:

;

где

t_з - время заряда конденсатора С1.

Время заряда tз можно найти отсюда заменив Uc=2/3Uп. Тогда

Отсюда

При разряде конденсатора С1 напряжение на выводе 6 (2) уменьшается экспоненциально от 2/3Uп до 1/3Uп и определяется уравнением:

,

где

время разряда конденсатора С1

Подставив вместо Uc=1/3Uп получим:

Таким образом получим выражение для времени разряда:

Согласно [3] частота вращения вала моторедуктора стеклоочистителя в прерывистом режиме (первая скорость) составляет 45–65 об/мин. Один цикл работы щёток при этом составляет T_ц=1–1,3 с. Время заряда конденсатора С1 соответствует длительности импульса на выходе ГПИ. Этого времени должно быть достаточно для срабатывания концевого выключателя моторедуктора стеклоочистителя.

Принимаем минимальную длительность импульса T1min=t3min= 0,3 с.

ремя разряда tp конденсатора С1 соответствует времени, в течение которого стеклоочиститель сначала работает посредством концевого выключателя -T_КВ, и времени паузы -T_П .

T_П = Т2 – (Т_Ц – Т1_min )

Исходя из этого, принимаем минимальное время разряда конденсатора

С1 t_{P min} =4 c. При этом R3 следует считать равным нулю.

Принимаем С1=100 мкФ С2=0,1 мкФ.

Рассчитаем резисторы R1 и R4.

кОм

Выбираем из ряда Е24 R1=1,1 кОм, R=3,3 кОм.

Рассчитаем резисторы R2 и R3.

кОм

t_{р мin} соответствует минимальному значению сопротивления переменного резистора R3. Поэтому выбираем из ряда Е24 для резисторов кОм, кОм (R3_min≈0).

Проведем проверку временных параметров, используя полученные номиналы резисторов R1, R4 .

с

с

Согласно рекомендациям, указанным в [2] В качестве диодов VD1, VD2 выбираем диоды КД 522А.

Таким образом, в положении движка подстроечного резистора R4=3,3 кОм длительность импульса на выходе ГПИ составляет T1min= t3min= 0,304 с. В положении движка переменного резистора R3 соответствующему R3=43 кОм время отсутствия импульса (“лог 0”) на выходе ГПИ составляет T2min= tрmin= 4,296 с. Рассчитаем длительность паузы работы стеклоочистителя.

с.

Результаты расчёта паузы работы стеклоочистителя при различных фиксированных положениях движка переменного резистора R3 сведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2. Расчёт паузы в работе стеклоочистителя

Сопротивление резистора R2, кОм	Сопротивление резистора R3, кОм	Время разряда конденсатора С1 (T2, с)	Пауза в работе стеклоочистителя (Тп, с)
62	min	4,296	2,79
62	1/3 R3	6,606	5,71
62	2/3 R3	8,916	8,02
62	max	11,226	10,33