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门控开关硬件设计步骤解析

2020-5-28 15:37:29 显示全部楼层
1、项目背景介绍  
酒店配电室门打开时候,要求门上的灯亮起,提醒后来进入的人配电室已经有人不要再做任何的设备操作,确保之前进入配电室的电工安全。
2、项目资源评估
电源:AC 220V输入,降压,整流,滤波。
开关:用于监测门的开合状态。
LED:用于指示门的开合状态。
3、原理图设计
4、设计步骤解析
整个设计围绕LED展开,从LED器件逐步扩充,直至确定整个项目设计。
4-1、LED参数确定
LED额定电压为3.3V,额定电流3mA至10mA,这里设置的通电电流为10mA,此时LED最亮。
4-2、电阻参数确定
电阻作用:分流、限流、分压、偏置、滤波(与电容器组合使用)、阻抗匹配。分为1%精度和5%精度。
使用+5V供电,那么电阻上的电压为5-3.3=1.7V。所需电阻阻值为1.7/0.01=170Ω,所需电阻功率。
补充:电阻封装与电阻功率关系如表4-1。
表4-1
电阻封装
1210
1206
0805
0603
0402
电阻功率
1/2W
1/4W
1/8W
1/10W
1/16W
0805封装的电阻功率是1/8W即0.125W大于0.017W,选用0805封装电阻是完全可以的。
4-3、降压芯片的选择
通用AC电压等级:220V、120V、110V、24V、16V、14V。
通用DC电压等级:36V,24V,15V,12V,9V,5V,3.3V,1.8V。
通常选用的直流降压芯片有LM7815、LM7812、LM7805等。通常它们工作功率1-2W不会发热。此时需要7805提供10mA电流,那么使用DC +24V供电,计算7805的功率是多少呢?,小于2W,因此是可行的。
补充:如果7805负载电流是500mA,通过负载功率1-2W反推7805的压降是2V至4V,因此输入电压DC范围为7-9V。说白了,确定了输出电流大小的时候也就基本确定了7805两端的电压差范围。当负载电流是100ma,为了让7805控制在1W,那么7805的压差为10V,即7805是输入电压为15V,正好前面可以连接一个7815。而也要控制7815功率为1W,那么7815压差最大为10V,7815的输入电压最大为25V,我们这里使用的是24V是满足条件的。而24V电压如何得到?可以通过AC 16V全桥整流,即16*√2=24V。因此7815前面使用AC220V转AC 16V变压器。
补充:LM7805供电电流1A,LM75L05,供电电流0.5A。
4-4、电容的选取
电容作用:隔直通交,旁路,耦合,滤波,补偿,充放电,储能等。
电容的关键参数C(单位F),存储电荷公式:Q=CU。可以把C当作是水箱的底面积,U当作水箱的高度,Q相当于蓄水量。一定电压下对电容充电,最开始是非常快的,后面越来越慢。相当于水位高度越来越高,势差越来越小,也就进水越来越慢。电容充电曲线示意图如图4-1。
图4-1 电容充电时电压波形趋势图
图4-1关于电容充电时电容上电压变化可以使用公式表达为:。充电时间常数τ=RC,R是阻抗,C是电容容量。R阻抗越小,C容量越小,充电时间τ也就越快。
关于电容充电时电容上电流曲线示意图如图4-2。
图4-2 电容充电时电流波形趋势图
图4-2关于电容充电时电容上电流变化可以使用公式表达为:。
可以看到电容的电压和电流的变化不可以突变,都是非线性渐变,并且仿佛有种阻碍力。
关于滤波电容的取值可使用经验公式: 。其中是电压纹波,是充电频率,是输出电流。例子:要求纹波小于0.9V,电容工作频率54kHz,输出负载电流100ma,那么需要用多大电容?计算C=0.1/(54*10^3)/0.9=2.1uF
对于此项目,电容工作频率是100Hz(注意:全桥整流后的频率是50Hz两倍。在半桥整流中充电频率是50Hz,即正半轴充电,负半轴不充电。在全波整流电路中,在正半轴是对电容充电的,在负半轴也是对电容进行充电的,因此频率是50*2=100Hz),电流为10ma,纹波要求1.5V,那么电容取值大小为C=0.01/1.5/100=66.7uF,由于工程中只有68uF电容,因此定为68uF。但实际应用中该电容取值是68uF的5倍至10倍,这是为啥?因为电解电容特点是电解液容量大,精度不高,且电解液容易泄漏和挥发,长时间使用容量会下降,满负荷工作会有疲劳,因此为了提高电路的使用寿命,工程中通常增加电容容量。因此这里比计算值放大5-10倍,选择680uF电容。
关于7805输出的电容取值,一般这样得到:当负载电流100-150ma,输出电容通常取220uF或者330uF即可。可以根据实际情况进行测量纹波。
另外,防止器件上出现du/dt(尖峰电压)和浪涌电流或者高频杂波,一般在大电容后面并上小的瓷片电容,通常取104。容抗,电容上的电压是不可以突变,du/dt(尖峰电压)对104充电过程是渐变不是突变的,尖峰电压和高频杂波被104吸收,在往后输出到负载的时候波形就是平缓的。
4-5、整流桥的选取
整流桥工作原理:如图4-3,当AC电源正弦波工作在正半轴时,D2、D4导通,当AC电源正弦波工作在负半轴时,D3、D1导通。那为什么每次只有2个二极管导通?比如AC电源正弦波工作在正半轴时,在3点处,只可能D4导通,D1不通,原因是硅二极管导通电压至少是0.7V,3点电势比2点电势高所以D4导通,3点电势比4点至少低0.7V,因此不可能导通。
图4-3 整理桥原理图
整流桥负载电压分析:当负载不加电容(即无C1、C2),正弦波在0.7V以上才导通,因此对比标准的正弦波,全波整流的波形导通角比较窄。当整流桥负载不加电容,输出电压公式:,波形示意如图4-4。
图4-4 整流桥负载无电容时电压输出波形
当整流桥负载加电容,输出电压公式:,波形示意如图4-5。
图4-5 整流桥负载有电容时电压输出波形
因此负载电压波动为0.9至√2倍。
整流桥选型:最重要的两个参数是负载电流和单个二极管反向耐压值。
单个二极管反向耐压值:当电容充电时候,电压最大达到,而反向正弦波的时候二极管D1上的输入电压是,所以单个二极管承受的反向电压为,对于此例单个二极管承受的反向电压
单个二极管通过的电流:假设负载电流为,整流桥在一个周期内每次只有2个二极管工作,效率为50%,因此二极管上的工作电流只要求是负载电流的一半即。对于此项目,二极管流过电流即为5mA。
按照经验,可选用KBJ40系列整流桥,查看它的datasheet,如图4-6。
图4-6 KBJ40系列整流桥datasheet
可以看到最关心的两个参数:反向耐压值KBJ4005是50V,KBJ401是100V,满足条件。25℃电流值是2.3A,满足条件。这里选择整流桥型号为KBJ401。
至此,该电路中所有元件参数已确定,打样验证,老化测试(测试条件为温度85℃,湿度85℃,俗称“双85”,连续测试3个月),无问题后批量生产出售。

来源:网络

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