Усилитель ИК сигналов

Введение

 

В настоящее время  для управления различной аппаратурой  очень широко используется дистанционное  управление (ДУ) на ИК-лучах. ДУ на ИК лучах вторглось в нашу повседневную жизнь и в достаточной мере экономит наше время. Это очень удобный вид управления радиоаппаратурой, т.к. ИК управление потребляет не много энергии и действует только в направление управляемого устройства, а не во всех как радиоуправление.  В мире существует достаточно много не совместимых между собой систем ИК ДУ. Наибольшее распространение получила система RC-5. Эта система используется во многих телевизорах, в том числе и отечественных. Система инфракрасного дистанционного управления RC-5 была разработана фирмой Philips для нужд управления бытовой аппаратурой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Разработка и анализ ТЗ.

 

Разработка и обоснование  принципиально конструктивного  объекта: приемника ИК излучения  с последующей дешифрацией.

В данной работе будет произведен расчет только приемника  ИК излучения, а точнее предварительного усилителя. Он будет находиться в отдельном корпусе от остальных печатных плат устройства.

1. Назначение данного устройства:
1. Потребительское назначение: управление объектами на расстояние.
2. Радиотехническое назначение: предварительный усилитель, модуль логической дешифрации команд, модуль сопряжения.

 

1.2. Основные параметры устройства:

Напряжение  питания :U_пит = 12 В.

Потребляемая  мощность:  P_пот = 150 мВт.

Частотное заполнение принимаемых команд: F = 32.768 кГц.

1.2.1. Условия эксплуатации:

- Температура: T_min=233 К, T_max =328 К; (55° С).

- Влажность, 80% (298 К);

- Вибрация, 10 ... 30 Гц,

- Виброустойчивость: 19.6 м/сек²;

- Прочность при  транспортировке: t = 5... 10 мс,

 v-40... 80мин^-1, а = 49 .. .245 м/c, N =13 000 ударов.

1.2.2. Конструктивные  особенности: внешний источник питания.

1.2.3. Критерии  качества: дешевизна и эргономичность.

1.2.4. Схема электрическая  принципиальная с перечнем элементов  аналога в приложение 1.

1.2.5.  Класс объекта установки: наземная  РЭА.

1.2.6.  Группа объекта установки: Стационарная РЭА, работающая в отапливаемых помещениях (1-я группа).

1.2.7. Цель разработки: создание усилителя ИК сигналов  со сниженными массо-габаритными  характеристиками, уменьшение его  стоимости, повышение надёжности  и эффективности, а также удовлетворение  требований настоящего технического задания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Анализ аналогов и прототипов.

 

2.1 Анализ существующих  конструкций ИК приемников:

 

В мире существует достаточно много  не совместимых между собой систем ИК ДУ. Наибольшее распространение  получила система RC-5.

Когда мы нажимаем кнопку пульта, микросхема передатчика активизируется и генерирует последовательность импульсов, которые  имеют заполнение частотой 32,768 КГц. Светодиоды преобразуют эти сигналы  в ИК-излучение. Излученный сигнал принимается  фотодиодом, который снова преобразует ИК-излучение в электрические импульсы. Эти импульсы усиливаются и демодулируются микросхемой приемника. Затем они подаются на модуль логической дешифрации команд который связан с блоком сопряжения.

 

 

 

Анализ аналогов и прототипа:

                                                    Таблица 2.1.

 

Параметр	№1	№2	Прототип	Аналог
Потребляемая  мощн.	320 мВт.	260 мВт.	280 мВт.	150 мВт.
Дальность действия	6 м.	4 м.	5 м.	8 м.
Габариты	110х90	85х75	80x60	60x40
Эргономичность	-	+	+	+
Стоимость	Высокая	средняя	Средняя	Небольшая
Индикация дежурного режима	-	-	+	+

 

 

Ниже приводятся описания приведенных выше аналогов:

 

Схема №1  – ИК приемник, собранный  на дискретных элементах, имеющий хорошую  чувствительность, но потребляющий энергии, больше всех ниже перечисленных. Приемником сигналов здесь служит фотодиод. Кроме того, он будет обладать большими габаритами.(См. прилжение1).

 

Схема №2– ИК приемник, также собранный на дискретных элементах, имеющий маленькую чувствительность. Приемником сигналов здесь служит фототранзистор. Энергии эта схема будет потреблять меньше чем предыдущая. (См. прилжение2).

 

 

 

Прототип – ИК приемник, собранный  на дискретных элементах, имеющий среднюю  чувствительность и потребляющий энергии, почти как предыдущий. . Приемником сигналов здесь служит фотодиод. Также эта схема имеет индикацию дежурного режима. (См. прилжение2).

 

Разрабатываемое устройство - ИК приемник, собранный на специализированной  микросхеме, имеющий высокую чувствительность и потребляющий энергии, почти в два раза меньше чем схема №1.Кроме того, он будет обладать маленькими габаритами и не высокой стоимостью. (См. прилжение1).

 

 

 

2.2. Анализ разрабатываемой конструкции  ИК управления.

 

Электрическая принципиальная схема ИК управления представлена в приложении 1.

Разрабатываемый ИК усилитель включает в себя: приемник ИК излучения (фотодиод), колебательный  контур, выделяющий частотное заполнение сигнала,  специализированную микросхему, которая усиливает сигнал и обеспечивает согласование входных и выходных цепей и амплитудный детектор собранный по схеме удвоения.

Импульсные микротоки, возникающие в фотодиоде при  его облучении, необходимо усилить  и привести к нормам цифрового  стандарта, т.е. преобразовать каждую ИК вспышку в импульс напряжения, пригодный для непосредственного управления цифровой микросхемой того или иного типа.

Высокое входное сопротивление  и усиление, значительная широкополосность усилителя, пригодного для решения  такой задачи, делают его чувствительным к электрическим наводкам самого разного происхождения. В том числе и к работе электронной «начинки» прибора, в который он входит сам. Поэтому фотодиод и его усилитель обычно тщательно экранируют.

При разработке этого прибора особое внимание уделяется низкой себестоимости  и эргономичности. Кроме того, в разрабатываемую конструкцию включёна индикация дежурного режима. Если прибор находится в дежурном режиме, то его индикатор светится.

Из всего вышесказанного следует, что большинство схем объединено общими недостатками: все они имеют: сравнительно большие габариты, дороговизну изготовления  и потребляют значительный ток от источника питания, что вынуждает от них отказаться. Разрабатываемая схема ИК усилителя лишена указанных недостатков и позволяет создать недорогой, малогабаритный прибор.

 

 

 

 

 

3.Предварительное  конструирование устройства.

 

3.1 Выбор схемы расположения элементов конструкции и их расположение внутри корпуса блока:

 

Эскиз конструкции представлен  в приложение 7.

 Все элементы схемы смонтированы  на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Плата крепится к основанию блока параллельно с помощью 4-х стоек, которые вкручиваются в основание блока и винтов, которыми притягивается плата. Лицевая панель имеет всего два элемента: отверстия под индикацию и приемник ИК излучения.

Чувствительность фотоприемника  может быть заметно снижена паразитной подсветкой. Поэтому  фотодиод будет  прикрыт блендой - зачерненным внутри отрезком металлической или пластмассовой  трубы, отгораживающим его от источников света, находящихся в стороне от оптической оси.

Также прямая, соосная подсветка  фотодиода будет уменьшена фильтром, ослабляющим видимую часть спектра  подсветки. Для этого там поставлен  специальный инфракрасный фильтр с  полосой прозрачности, совпадающей  со спектром излучения ИК диода. В качестве ИК фильтра выберем быть  окрашенный полистирол.

 

2. Обоснование и расчет компоновочных характеристик печатного узла:

 

  Способ установки ЭРЭ – односторонний.  Конструкция печатного узла -  бескорпусная. Форму печатных плат  выбираем прямоугольную, что облегчает определение их компоновочных характеристик. Компоновочные характеристики печатных плат – ориентировочное определение массогабаритных характеристик.

     При  размещении ЭРЭ-тов на печатных  платах, ЭРЭ-ты заменяют установочными  моделями. При определении площади печатных плат посадочное место ЭРЭ представляет собой проекцию установочной площади на плату. В сумме установочные площади определяют размеры печатных плат. При этом произведение сторон печатной платы должно соответствовать площади печатной платы.

 

3.3. Определение массо-габаритных размеров  ячейки:

 

Определение установочной площади S_уст элементов. Установочная площадь каждого отдельно взятого элемента выбирается из Приложения 5, из таблицы «Перечень элементов схемы и их характеристики».

Определение суммарной  установочной площади элементов, расположенных  на каждой плате:

           S_устS = 1,3 S_устi                                                                                              (1)                                           

           S_устS = 1,3 600,08 = 780,104 мм²;

 

1. Определение площадей печатных плат:

 

                    S _n.n. = ,                                                      (2)                          

                                       

где K_s – коэффициент заполнения площади печатной платы,  K_s = 0,8

      

                    S_n.n = = 975,13 мм²;    

                                    

2. Определение габаритных размеров печатных плат. Из нескольких вариантов соотношений сторон ПП выбрали плату со следующими размерами:

    60х40;

3. Определение габаритных размеров ячеек. На горизонтально расположенной плате длина и ширина платы будут соответственно равны длине и ширине ячейки:

                L = 60 мм;    В = 40 мм,     

Высота  ячейки равна:

               Н = max H_э + h_n.n ,                                                          (3)

 

     где  max H_э – высота самого высокого элемента на плате,

                     H – толщина печатной платы.

                    

               В₁ = 20 + 1,5 = 21,5 мм,

 

4. Определение массы ячеек.

 

Масса каждой ячейки состоит из массы печатной платы и массы элементов, расположенных  на ней.

Масса каждого элемента m_i представлена в приложении 3 в таблице 1.

 

                  m_яч = m_nn + Sm_i ,                                                         (4)

 

где m_nn = ρхV – масса печатной платы, кг,

      ρ – плотность материала платы,  кг/м³

      V – объем ячейки, м³

      V = (60мм*40мм*2мм) = 4,8*10^-6 м.

 

                  m_nn = 2,4х10³ 4,8х10^-6 = 0,01152 кг.,

                  m_яч = 0,0694 + 0,01152 = 0,08092 кг.,

 

 

Вывод: найдены массо-габаритные размеры ячеек.

 

 

3.3.1 Выбор способов  крепления плат.

 Плата крепится к основанию блока параллельно с помощью 4-х стоек (L_стоек =15мм.), которые вкручиваются в основание блока и винтов, которыми притягивается плата.

3.3.2. Разработка  крепления корпуса:

Корпус состоит из:

• основание, которое представляет из себя лист металла, крестообразной формы с загнутыми концами. Эти концы имеют разную высоту. Которые длиннее - 7,5мм. + 5мм. кромки, которые в 2 раза тоньше, чем само основание (в кромках, в местах крепления будет нарезана резьба под винты диаметром 3,5 мм.). А которые короче, будут иметь высоту корпуса и будут найдены ниже.
• П-образная крышка. Загнутые концы будут также иметь кромки, которые в 2 раза тоньше, чем сама крышка. В кромках в местах крепления  будут просверлены отверстия диаметром 4 мм.

В основание и в  крышке кромки сделаны с разных сторон. Соединяются они с помощью винтов диаметром 3,5 мм . Корпус сделан из алюминия.