В статье авторы приводят расчет электрической принципиальной схемы трекерной системы.
Ключевые слова: фоторезистор, аналоговый компаратор, фототранзистор, фотодиод, операционный усилитель, биполярные транзисторы, мотор, двигатель.
Производим расчет и выбор некоторых компонентов схемы. В качестве источника питания будет использована аккумуляторная батарея, соответственно расчет производится для напряжения питания 12 В.
Фоторезисторы для устройства необходимо выбирать высокой чувствительности. При этом следует учитывать, что для устройства важно снимать с резисторов напряжение в то время как значение силы тока для ОУ не имеет значения. Соответственно следует выбирать фоторезисторы с высоким номиналом сопротивления для того, чтобы на них терялась как можно меньшая мощность. Предлагается выбрать фоторезисторы с номиналом сопротивления 100 кОм. В этом случае мощность P LDR рассеиваемая на двух резисторах будет составлять
Таким образом, мощность рассеиваемая резисторами составляет 0,72 мВт, что является незначительным.
Так как при начальных условиях сопротивления фоторезисторов LDR1 и LDR2 равны напряжение делится пополам и соответственно на сигнальные входы компараторов поступает сигнал равный 6В. Следует заметить, что опорное напряжение для компаратора OP1 задается резисторами R3 и R4, а опорное напряжение для компаратора OP2 — только сопротивлением резистора R4 [1].
Зададим опорное напряжение для компараторов. Пусть порог срабатывания устройства на изменение напряжения на фоторезисторе составляет 0,3В. В этом случае устройство сработает, если напряжение на одном фоторезисторе упадет до уровня меньшего 5,7 В и соответственно возрастет на другом фоторезисторе до 6,3 В. Тогда в обе стороны предел девиации напряжения составит 0,6 В.
Номиналы резисторов, задающих опорное напряжение, должны быть достаточно большими, чтобы не нагружать источник питания и выход операционного усилителя, но не настолько, чтобы выходное сопротивление реального операционного усилителя оказывало ощутимое влияние на наши расчеты. При этом ток протекающий через резисторы не должен сильно отличаться от тока протекающего через фоторезисторы.
Таким образом, расчет будет производиться для тока
I =
0,01 … 0,1
мА
.
Такое условие будет достигнуто, если общее сопротивление резисторов R1 — R4 не будет сильно отличаться от сопротивления фоторезисторов. Пусть общее сопротивление
Тогда, при условии, что на резисторе R4 падает напряжение 5,7 В, есть возможность рассчитать его сопротивление
Соответственно принимаем типовое стандартное значение
Данный резистор является регулировочным и задает пороги чувствительности устройства к освещенности, поэтому его сопротивление следует выбирать в 3 … 5 раз больше. Таким образом, примем сопротивление резистора
На резисторах R1 и R2 падает напряжение
Общее сопротивление резисторов R1 и R2 рассчитывается
При чем резистор R1 является подстроечным и регулирует то, насколько лимиты девиации напряжения будут симметричны относительно
В качестве операционного усилителя выбрана микросхема LM324N, реализованная в корпусе DIP14. Данная микросхема содержит в себе 4 операционных усилителя. Рассчитаем быстродействие компараторов, которое определяется скоростью нарастания выходного напряжения. Так согласно техническим характеристикам для микросхемы операционного усилителя LM324N она составляет 1 В/мкс.
Далее произведем расчет и выбор элементов Н-моста. Основным решением, которое необходимо принять при создании Н-моста, является выбор ключей. Так как в устройстве планируется использование двигателя мощностью до 50 Вт, то возникает необходимость использования транзисторов, способных коммутировать токи до 5 А. Для этого транзистор должен обладать большим корпусом с удобством охлаждения. Очень удобно использовать транзисторы в корпусе TO-220. В нашем случае использованы n-p-n транзисторы TIP41C, а в качестве транзисторов p-n-p структуры TIP42C.
Важно учесть, что двигатель постоянного тока является индуктивной нагрузкой для Н-моста. Именно поэтому в схеме следует использовать ограничительные диоды VD1 — VD4 [2]. Пока мост включен, мотор работает и создает электромагнитное поле внутри обмоток. Но когда ключи выключаются, это поле уменьшается постепенно, а значит, в обмотках ток продолжает течь. Этот ток не может течь через транзисторы, т. к. они закрыты, поэтому ограничительные диоды предназначены того, чтобы предоставить для этого тока низкоомный путь и удержать напряжение на выводах мотора в разумных пределах.
Итак, когда диод пропускает ток, на нем будет падать относительно постоянное напряжение. Этот параметр называется прямое падение напряжения V F . Это падение напряжения в сочетании с током через диод дает определенное выделение тепла [3]. Необходимо выбрать диоды способные проводить ток до 3 А и рассеивать энергию до 1,5 Вт.
Величина выделяемого диодом будет зависеть от среднего тока, протекающего через диод. Т. к. ток будет уменьшаться, предположим, что он уменьшается линейно, а значит средний ток через диод
Выбираем диод 1N5407, прямое падение напряжения которого V F = 1,2 В, а корпус DO-201AD позволяет рассеивать заданную мощность.
Итак, еще раз опишем принцип работы устройства трекерной системы. Резисторами R1 — R4 на входах ОУ формируется опорное напряжение 6,3 В и 5,7 В соответственно. Причем опорным для операционного усилителя OP1 является инвертирующий вход, а для OP2 — неинвертирующий. Если освещенность для обоих фоторезисторов одинакова, наблюдается баланс и сигнал на ОУ поступает равный 6 В. При этом для ОУ OP1 напряжение сигнала 6 В меньше опорного напряжения 6,3 В на инвертирующем входе, а т. к. питание ОУ однополярное, то на его выходе наблюдается низкий уровень напряжения. Для ОУ OP2 в этом случае напряжение сигнала 6 В больше опорного напряжения 5,7 В на неинвертирующем входе, а значит на выходе ОУ установлен также низкий уровень напряжения. В этом случае транзисторы n-p-n структуры закрыты, а транзисторы p-n-p структуры открыты, но ток через двигатель не течет.
Литература
1. Алекс Лидоу, Йохан Стридом, Майкл де Рой, Дэвид Ройш Транзисторы GaN для эффективного преобразования мощности. Wiley; 2 издание 2014 г. — 266 с.
2. Л. П. Плеханов, Основы самосинхронных электронных схем — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний 2013 г. — 208 с.
3. В. Б. Топильский, Микроэлектронные измерительные преобразователи — М.: Лаборатория знаний 2020 г. — 496 с.
