Таким образом, суммарный максимальный ток потребления по цепи +5В (при напряжении ровно 5,0 В) равен 2,2 + 0,5 = 2,7 мА (без учёта тока стабилитрона).
Значит, в худшем случае, т.е. при напряжении 5,05 В, потребляемый ток составит Iн = 5,05 • 2,7 / 5 = 2,73 мА.
Если бы в схеме использовался однополупериодный выпрямитель, этот ток нужно было бы удвоить.
Подставим полученные данные в исходную формулу (2.3):
R = [(194 – 2•0,73 – 5,05) / (0,00273 + 0,0001)] • 0,9 =
= [187,49 / 0,00283] • 0,9 = 66251 • 0,9 = 59626 (Ом)
Таким образом, балласт должен иметь сопротивление не более 60 кОм. Его можно получить, соединив последовательно два резистора по 30 кОм (о том, почему нельзя обойтись одним резистором, рассказано далее при расчёте его мощности).
Теперь для найденного сопротивления балластного резистора рассчитаем, не выйдет ли из строя стабилитрон, если сетевое напряжение увеличится до уровня ограничения защитного диода VD1, а также при воздействии других неблагоприятных факторов. Преобразуем ранее использованную формулу к следующему виду:
Iст = [(Uвх – 2•Uд – Uст) / (R • Кr)] – Iн. (2.4)
Для расчёта принимаем следующие численные значения:
Максимальное напряжение ограничения защитного диода Uвх = 548 В.
При отсутствии нагрузки падение напряжения на одном диоде диодного моста составит Uд = 0,65 В.
Минимальное напряжение стабилизации стабилитрона Uст = 5 – 0,05 = 4,95 (В).
Так как шунт составлен из двух резисторов, R = 30000 + 30000 = =60000(Ом).
Коэффициент сопротивления Кr принимаем равным 0,95, т.к. при этом ток стабилитрона будет больше.
Минимальный ток нагрузки будет при не нажатых кнопках. При номинальном напряжении питания 5 В этот ток равен 2,2 мА. Значит при минимальном напряжении 4,95 В ток будет равен Iн = 4,95 • 2,2 / 5 = 2,18 (мА).
Iст = [(548 – 2•0,65 – 4,95) / ((30000 + 30000) • 0,95)] – 0,00218 =
= [541,75 / 57000] – 0,00218 = 7,3 (мА).
Полученное значение меньше 12 мА – величины максимального тока ИОН, рекомендованного в его описании. Мощность ИОН, рассеиваемая при таком токе, составит 5 • 0,007 = 35 (мВт). Это более чем на порядок меньше его максимальной мощности 500 мВт. Следовательно, выбранное сопротивление балластного резистора нам подходит.
Переходим к расчёту мощности балластного резистора. На первый взгляд, казалось бы, резистора 0,5 Вт будет вполне достаточно, ведь он выдерживает напряжение до 350 В. На самом деле это не так. В [5] сказано, что мощность резистора, указываемая в его описании, действительна лишь в том случае, если его сопротивление выше так называемого критического. Последнее вычисляется по формуле:
Rк = Uпасп2 / Pпасп, (2.5)
где Uпасп – паспортное рабочее напряжение резистора,
Pпасп – его паспортная мощность.
Для резистора серии С2-23 мощностью 0,5 Вт критическое сопротивление Rк = 3502 / 0,5 = 245 (кОм). Если сопротивление резистора, как в нашем случае, меньше критического расчёт мощности следует производить по формуле: P = U2 / R. Учитывая максимальное напряжение сети, минимальное падение напряжения на диодном мосту, и минимальное напряжение стабилизации, мощность резистора будет равна:
P = (Uвх – 2•Uд – Uст)2 / R (2.6)
P = (242 – 2•0,65 – 4,95)2 / 60000 = 0,93 (Вт).
Однако оказалось, что мощности резистора 1 Вт тоже недостаточно. Экспериментальная проверка показала, что даже резистор 2 Вт (отечественный, серии МЛТ-2) сопротивлением 56 кОм сильно нагревается. Согласно требованиям проекта, это недопустимо. Нагрев балластного резистора является единственной причиной нагрева корпуса устройства в ждущем режиме. Поэтому необходимо этот нагрев устранить.
Попытка использования 5 Вт импортного резистора серии SQP сопротивлением 50 кОм проблему не решила – он нагревается почти до той же температуры, что и МЛТ-2.
В результате было решено использовать два 2 Вт резистора, соединив их последовательно. Помимо снижения температуры, это повышает надёжность устройства, т.к. в случае пробоя одного из резисторов, второй предотвратит выход ИОН из строя. Чтобы обеспечить равномерный нагрев, номиналы резисторов должны быть одинаковыми.
Предпочтительны отечественные 2 Вт резисторы серии МЛТ-2. Их габариты несколько больше импортных аналогов серии С2-23, зато они меньше нагреваются.
г) Фильтрующий конденсатор
Конденсатор С1 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Хотя для расчёта его ёмкости можно было воспользоваться методикой из [6, стр.52, раздел 1.27 "Фильтрация в источниках питания"], конденсатор подбирался эмпирическим путём. Это вызвано следующим обстоятельством.
Через несколько секунд после окончания регулировки яркости её значение запоминается в EEPROM. Согласно описанию МК, ток программирования составляет 6 мА (при 5 В, 25°С). Отсюда следует, что по сравнению с током потребления в обычном режиме ток при записи возрастает почти в четыре раза: (2,2 мА + 6 мА) / 2,2 мА = 3,7. Цикл записи, согласно описанию МК, длится 8,5 мс, т.е. почти целый полупериод (10 мс). При таких условиях накопленный заряд конденсатора быстро истощается, что приводит к уменьшению напряжение питания МК и образцового напряжения АЦП. Визуально это выглядит как кратковременное однократное моргание лампы через несколько секунд после окончания регулировки яркости (эффект заметен при уровне яркости выше среднего).
Код программы построен таким образом, что циклы записи в EEPROM следуют друг за другом через каждые 10 мс. Если регулировка яркости прекращается одновременно для двух каналов, запись в память будет длиться на 8,5 мс больше. За 1,5 мс (10 мс – 8,5 мс) конденсатор не успеет полностью зарядиться, соответственно, напряжение опустится ещё ниже, и моргание лампы будет ещё заметнее, особенно при пониженном напряжении сети.
Поскольку заранее неизвестно, при какой амплитуде пульсаций моргание становится заметно (а именно к амплитуде пульсаций привязана формула в [6]), конденсатор подбирается экспериментально.
Номинал 1000 мкФ позволяет устранить моргание после окончания регулировки яркости одного канала, и сделать моргание почти не заметным после одновременного окончания регулировки яркости обоих каналов. Дальнейшему повышению ёмкости конденсатора препятствуют малые габариты устройства.
Конечно, можно было организовать задержку между последовательными записями в EEPROM. Однако увеличение времени выполнения основной программы за счёт добавления кода, в данном случае не оправдано. Во-первых, мала вероятность того, что обе кнопки будут отпущены одновременно, причём на уровне яркости выше среднего для обеих ламп. Во-вторых, невелика вероятность того, что напряжение в сети упадёт до 198 В. Наконец, в-третьих, эффект моргания слишком мало заметен чтобы уделять этому внимание.
На функционировании ИОН большая величина ёмкости не отражается, т.к. в его описании сказано, что допустима ёмкостная нагрузка любого номинала.
После подключения устройства к сети, чтобы к началу основного цикла программы напряжение питания МК успело стабилизироваться на номинальном уровне, требуется организовать задержку старта. Если этого не сделать, то вследствие заниженного опорного напряжения АЦП нарушится плавность автоматического включения каналов.
Учитывая прямую зависимость частоты внутреннего RC-генератора МК от напряжения питания, а также погрешность измерений, была выбрана задержка с запасом, равная 4 секундам. Часть этой задержки обеспечивается внутренними узлами МК Power-on Reset и Brown-out Detection (BOD, супервизор питания). Оставшаяся часть реализована программно.
Переходим к выбору номинального напряжения конденсатора. Этот параметр в значительной степени определяет срок его службы. В [8] рекомендуется, чтобы рабочее напряжение составляло 80…100% от номинального. С другой стороны, в [9] рекомендуется, чтобы рабочее напряжение было в два раза меньше номинального. Выбираем конденсатор с напряжением 6,3 В.
Здесь имеет смысл обратить внимание на следующий факт. В описаниях электролитических конденсаторов фирмы Jamicon указано, что, начиная с рабочего напряжения 25 В, их ёмкость изменяется со временем на 20%. Для меньших же напряжений это значение равно 25%.
Верхний предел температурного диапазона, на который рассчитан выбранный конденсатор, составляет 105°С. Это ещё один параметр, в значительной степени влияющий на срок службы конденсатора. Выбор обусловлен также тем, что корпус устройства немного нагревается от ламп, диодного моста и балластного резистора.
Уменьшение ёмкости конденсатора, связанное с разбросом номинала или старением, не нарушит работоспособность устройства. Возможно лишь чуть более заметное моргание ламп в момент запоминания яркости.
д) Микроконтроллер
Несмотря на то что напряжение питания схемы составляет 5 В, используемый МК U1 имеет индекс L, означающий возможность работы при напряжении питания от 2,7 до 5 В. Это связано с большой ёмкостью фильтрующего конденсатора, т.е. с плавным нарастанием напряжения питания при подключении устройства к сети.
Порог встроенного в МК супервизора питания выставлен в соответствии с описанием на 2,7 В. Если же этот порог сделать равным 4,0 В, или использовать обычный МК (без индекса L) с порогом 4,0 В, или вообще отказаться от встроенного супервизора, некоторые экземпляры МК могут не запуститься, особенно при минимальном напряжении сети 198 В. Использовать же обычный МК с порогом 2,7 В нельзя, т.к. это может привести, в частности, к искажению данных EEPROM, если во время сохранения информации произойдёт отключение питания.
МК тактируется внутренним RC генератором на частоте 1 МГц. Этого достаточно чтобы получить среднее время выполнения основной программы около 0,5 мс. Здесь важно помнить о том, что повышение тактовой частоты увеличивает ток потребления. Стабилизировать частоту кварцевым или керамическим резонатором не требуется, т.к. в данном применении высокая точность не нужна. Также не требуется калибровка внутреннего генератора.
Производитель МК рекомендует предпринять следующие меры при работе с АЦП:
- установить между выводом REF и общим проводом фильтрующий конденсатор;