Информационно – измерительная система удалённого действия для контроля светового излучения

 

Входная проводимость детектора (g_{ВХ Д} = 1 / R_{ВХ Д}) равна входной проводимости ИМС.  

Определяем  из справочных данных на используемую ИМС значение напряжения звуковой частоты на выходе ЧД (U_{ВЫХ ЧД}). Это напряжение поступает на вход УЗЧ, поэтому U_{ВХ УЗЧ} = U_{ВЫХ ЧД}. Аналогично п.1 рассчитываем требуемый коэффициент усиления УЗЧ (K_УЗЧ).

    3 Описание принципа  работы разработанной  структурной схемы 

    В данной курсовой работе представлена информационно-измерительная система удаленного действия для измерения и контроля светового излучения. Она была реализована на базе модулей ADAM-5017, 10 датчиков видимого светового излучения LUX LITE и центрального компьютера, управляющего процессом измерения светового излучения при помощи выше перечисленных устройств.

    Световое  излучение контролируется при помощи датчиков видимого светового излучения LUX LITE, в которых при облучении кремниевых фотодиодов светом возникает напряжение, определенным образом зависящее от силы света. Эффект, вызывающий возникновение этого напряжения, называется внутренним фотоэффектом. Преобразование ток – напряжение с обеспечением линейности выходного напряжения осуществляется с помощью резистора в цепи обратной связи операционного усилителя. Для больших усилений слабых фотопотоков применяют операционные усилители на полевых транзисторах с высоким входным сопротивлением (10нОм) и высокоомные резисторы.

    Цифровой  сигнал по линии связи, в качестве которой выступает двухпроводный экранированный низкочастотный кабель марки RG-6/4, поступает на блок усиления, где компенсируется затухание уровня полезного сигнала, внесенного линией связи протяженностью 10000 м.

    Устройство  ADAM-5000/017 является устройством ввода сигнала от датчиков. Он является вторичным ИПД (получает сигнал от датчиков, обрабатывает его, накапливает, отображает и передает на персональный компьютер). Устройства ADAM-5000/017 предназначены для реализации распределенных систем, в которых сбор данных и управление исполнительными устройствами осуществляются удаленными многоканальными модулями ввода-вывода. Для организации связи таких модулей с центральным компьютером используется многоточечная сеть на базе интерфейса RS-485 с двухпроводной линией связи.

    Устройство ADAM-5000/TCP функционирует как центр обработки данных ввода-вывода в составе сети Ethernet. Использование технологии Ethernet обеспечивает обмен данными о состоянии процесса и передачу сигналов управления со скоростью 10/100 Мбит/с. Этот новый продукт позволяет в рамках сети Ethernet выполнять не только ввод-вывод данных, но также достаточно просто реализовывать для разнообразных приложений функции локального управления, заменяя различные программируемые устройства, использующие коммуникационный протокол ModBus.

    Устройства  объединяются в сеть с использованием интерфейса EIA RS-485, который является одним из наиболее распространенных промышленных стандартов для двунаправленной последовательной передачи данных по симметричной двухпроводной линии связи. Интерфейс EIA RS-485 был специально разработан для применения в промышленной автоматизации для передачи высокоскоростной информации на большие расстояния. Во всех модулях серии устройств реализована оптическая изоляция интерфейса последовательной передачи данных для предотвращения влияния гальванической связи между территориально расположенными устройствами на качество функционирования системы, а также для снижения вероятности повреждения модулей импульсными помехами и выбросами напряжения в цепях питания и линии связи.

    Управление  многоточечной системой модулей  осуществляется центральным компьютером  путем передачи через последовательный порт символьных команд и приема ответных сообщений от модулей. Команды представляются в формате ASCII. При помощи компьютера полученные результаты измерения уровня представляются на анализ оператору в удобной для него форме, что обеспечивается наличием соответствующего программного обеспечения. Так же реализуется функция удаленной программной настройки типов и диапазонов принимаемых сигналов, что обеспечивает возможность их применения для сопряжения с различными датчиками и преобразователями непрерывных параметров. Тип и диапазон входного сигнала устанавливается путем передачи в адрес устройства АDAM - 5017, по последовательному каналу связи, соответствующей команды. 

    4 Описание схемы  электрической и  электрический расчет  блока усиления 

    Для объединения датчиков видимого светового излучения LUX LITE и устройства ввода-вывода ADAM-5000 в многоточечную сеть передачи данных, создаваемую на базе управляющего компьютера с использованием стандарта последовательной связи RS-485, требуется одна пара проводов, образующих двухпроводную симметричную линию связи. Стандарт EIA RS-485 ориентирован на применение в промышленных условиях для высокоскоростной передачи информации на большие расстояния. Для обмена данными в системах на базе устройств ADAM-5000/017 используется единственная витая пара. Для обеспечения качественной, надежной связи в устройствах реализованы специальные цепи подавления и защиты от помех. Это упрощает монтажные и пусконаладочные работы, а также позволяет снизить общую стоимость системы за счет сокращения затрат на кабельную продукцию, разъемные соединения, повторители и дополнительные фильтры.

    Управление  многоточечной системой модулей осуществляется центральным компьютером путем передачи через последовательный порт символьных команд и приема ответных сообщений от модулей. Команды представляются в формате ASCII. Таким образом, сеть последовательной передачи данных может управляться компьютером. Для сопряжения ЭВМ с модулем ADAM-5018 необходим сетевой интерфейс RS-485.

    Для расчета усилителя будем использовать биполярный транзистор КТ501Г с параметрами [2]:

    − коэффициент усиления по току В = 18;

    − макс. допустимое напряжение коллектор-эмиттер U_{к.э.макс.доп}= 30 В;

    − максимально допустимый ток коллектора I_{к.макс.доп} =300 мА;

    − макс. допустимая мощность рассеивания на коллекторе P_{к.макс.доп} =0,35 Вт;

    − обратный ток коллектора I_ко =0,001 мА. 

    1) Находим коэффициент усиления  каскада по напряжению

                                              

                                               (4.1)

    2) В семействе выходных характеристик  транзистора КТ501Г (рисунок 4,а) выбираем рабочую точку P. Для этого принимаем в режиме покоя

                                            U_к.э.p =(0,2÷0,3)∙Е_к=0,25∙40=10 В;                         (4.2)

                                                 I_к.p =0,5∙I_{к.макс.доп} =7,5 мА.                                   (4.3)

    Проверяем правильность выбора рабочей точки. Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора в режиме покоя,

    P_к.p = U_к.э.p ∙I_к.p =7,5∙10∙10^-3 =75∙10^-3 Вт<< P_{к.макс.доп} =0,35 Вт.

    Таким образом, с учетом допустимой мощности рассеяния рабочая точка выбрана  правильно.

    3) В семействе входных характеристик транзистора (рисунок 4,б) находим рабочую точку P’.

    Эта точка расположена на кривой при  U_к.э = U_к.э.p =10 В и соответствует току I_б.p =300 мкА. Рабочей точке P’ соответствует напряжение

    U_б.э.p =300 мВ=0,3 В.

    а - выходные; б - входные

    Рисунок 4.1 – Характеристики транзистора КТ501Г 

    4) По характеристикам транзистора  определяем его характеристические  проводимости Y₁₁, Y₁₂, Y₂₁ и Y₂₂ в рабочей точке.

    Для определения Y₁₁ воспользуемся характеристическим треугольником АБВ (рисунок 3,б), построенным в районе рабочей точки P’. Из этого треугольника следует

                                     

                         (4.4)

    (при  U_к.э =10 В= const).

    Параметр  Y₁₂  определяется также по входным характеристикам транзистора. Для этого при постоянном напряжении U_б.э =const, соответствующем рабочей точке P’, определяем приращение тока базы ∆I_б при изменении напряжения на коллекторе U_к.э .

    В справочнике для транзистора  КТ501Г приведены лишь две входные характеристики – одна, снятая при U_к.э =0, а другая соответствует U_к.э =5 В.

    Этих  кривых для определения Y₁₂  недостаточно. Поэтому ориентировочно проводим еще одну кривую зависимости I_б =φ(U_б.э ), соответствующую U_к.э ≈ 
≈3 В.

    При U_б.э.p =300 мВ=const изменение напряжения на коллекторе от 5 до 3 В ведет к изменению тока базы от 300 до 600 мкА. Таким образом,

                        

                      (4.5)

    Для определения параметра Y₂₁ воспользуемся сначала выходными характеристиками (рисунок 4,а), на которых в области выбранной точки Р находим приращение тока ∆I_б и соответствующее ему приращение тока ∆I_к при постоянной величине U_к.э.p..

    Из  рисунка 4,а видно, что при изменении тока базы от 300 до 400 мкА ток коллектора изменится от 7,5 мА (точка Р) до 10 мА (точка М). Таким образом, ∆I_б =75 мкА, а ∆I_к =2,6 мА.

    Для определения соответствующего приращения напряжения на базе обращаемся к входным  характеристикам (рисунок 4,б), и в области точки P’ находим, что приращению тока ∆I_б =75 мкА соответствует приращение ∆U_б.э = =30 мВ. Тогда

                                          

                                 (4.6)

    (при  U_к.э =10 В= const).

    Аналогично  можно найти и параметр Y₂₂.

    Для этого по входной характеристике определяются взаимосвязанные приращения ∆U_к.э и ∆I_б, а затем на выходных характеристиках находят соответствующее ∆U_к.э приращение ∆I_к.

    Так изменению напряжения от U_к.э=5 В до U_к.э=3 В (∆U_к.э=2 В) соответствует изменение тока базы от 300 мкА (точка P’) до 500 мкА (точка Г), т.е. ∆I_б=200 мкА.

    В семействе выходных характеристик (рисунок 4,а) отмечаем точку К, соответствующую U_к.э=3 В и I_б=500 мкА. Очевидно также, что координатам U_к.э=5 В и I_б=400 мкА соответствует точка Р [4].

    Точке К соответствует ток I_к=13 мА, а в точке Р I_к=7,6 мА, т.е. ∆I_к=13-7,6= 
=5,4 мА. Следовательно,

                                 

                                  (4.7) 

    (при  U_б.э = const= 0,3 В).

    5) Проверяем правильность выбора транзистора по формуле

                                                   

                                                     (4.8)

    Получаем

                                                    

R4=R_н=3 кОм.

    Таким образом, неравенство (4.9) выполняется.

    6) Находим величину сопротивления R3 по формуле

      Ом   (4.9)

    Выбираем номинальное R3=1,2 кОм.

    Мощность, рассеиваемая на резисторе R3, равна:

    

 Вт.

    Выбираем  резисторы R3, R6 типа МЛТ-0,25.

    7) Определяем ток, протекающий по сопротивлению R5

                                

А                (4.10)

    8) Находим величину сопротивления R5 по формуле:

                      Ом         (4.11)

    Выбираем номинальное R5=1300 Ом. Мощность, рассеиваемая на резисторе R5, равна

    

 Вт.