Міністерство освіти інауки України
Вінницькій національнийтехнічний університет
Інститут автоматики,електроніки та комп’ютерних систем управління
Факультет автоматики такомп’ютерних систем управління
Кафедра метрології тапромислової автоматики
Проектуванняперетворювача струму в напругу
Пояснювальна запискадо курсового проекту
з дисципліни ”Основиелектроніки”
зі спеціальності6.091302
“Метрологія тавимірювальна техніка”
08-03.КП.005.00.000 ПЗ
Керівник курсового проекту
к.т.н., доцент Дрючин О.О.
_________________________
(підпис, прізвище та ініціали)
Розробив студент гр. 1АМ-06
_________Олексин А.О.
(підпис, прізвище та ініціали)
”___” ____________2009 р.
Вінниця ВНТУ 2009
Зміст
Вступ
1. Розробка технічного завдання
2. Розробка структурної схеми
2.1 Аналіз існуючи методів вимірювання струму
2.2 Розробкаструктурної схеми перетворювача
2.3Попередній розрахунок первинного перетворювача
2.4Попередній розрахунок підсилювача потужності
2.5Попередній розрахунок підсилювача напруги
2.6Розробка детальної структури схеми
3. Електричні розрахунки
3.1Електричний розрахунок підсилювача потужності
3.2 Електричний розрахунокпідсилювача напруги
4Моделювання одного з вузлів
Висновки
Список літератури
Додаток A (обов’язковий) Схема електрична принципова
Додаток Б (обов’язковий) Перелік елементів
Вступ
Електроніка– основний курс в системі підготовки сучасного інженера в області радіотехнікиі радіоелектроніки. ЇЇ ціллю є вивчення фундаментальних закономірностей,зв’язаних з отриманням сигналу, їх передачею по каналам зв’язку, обробкою іперетворенням в радіоелектричних колах. Електроніка надає студентам значнийобсяг понять і термінів, глибоке розуміння і вивчення яких необхідне дляподальшої роботи.
Задачакурсу – навчити студентів вибирати математичний апарат, що доцільний длярозв’язку задачі, показати як працює той чи інший апарат при вирішенніконкретної задачі в області радіотехніки. Не менш важливо показати студентамтісний зв’язок математичного опису з фізичного боку явища що розглядається.Сьогодні електроніка надзвичайно швидко розвивається як в навчальному так і втехнічному плані. З’являються нові напрямки які використовують нові навчальніідеї і методи.
Останнідесятиліття обумовлені широким впровадженням у галузі народного господарствазасобів мікроелектроніки й обчислювальної техніки, обмін інформацією з якимизабезпечується лінійними аналоговими і цифровими перетворювачами (АЦП і ЦАП).ХХ століття можна сміло вважати століттям високих технологій. Найяскравішийприклад високих технологій ХХ століття – напівпровідникова електроніка, на базіякої й створюються інтегральні схеми. Дуже знаменно, що в останній рік минулогосторіччя Нобелевським лауреатом в області фізики став американський учений Дж.Кілбі – один із творців першої інтегральної мікросхеми (вересень 1958 р.)Необхідно відзначити, що транзистор був винайдений десятьма роками раніше (1947р.). Перша інтегральна схема складалася всього з одного германієвоготранзистора, трьох резисторів і конденсатора.
Сучасний етап характеризується великими та дужевеликими інтегральними схемами ЦАП і АЦП, що володіють високимиексплуатаційними параметрами: швидкодією, малими похибками, багатозарядністю.Включення БІС єдиним, функціонально закінченим блоком сильно спростиловпровадження їх у прилади та установки, що використовуються як у науковихдослідженнях, так і в промисловості і дало можливість швидкого обмінуінформацією між аналоговими та цифровими пристроями.
1. Розробка технічного завдання
Метоюкурсового проекту є розрахунок та визначення технічних параметрів схемиперетворювача струм-напруга. Заданий діапазон струмів складає від 0.1 мА до1000 мА, значення максимальної вихідної напруги дорівнює 20 В, значення опорунавантаження складає 15 Ом. Необхідно розрахувати значення кожного з елементівсхеми перетворювача струм-напруга та згідно розрахункам вибрати необхіднийопераційний підсилювач, транзистори та діоди.
Припроектуванні перетворювачів струму варто звертати увагу на екрануванняпроводів, вибір ізоляції, усунення поверхневого опору ізоляції і вибір частотиживлення. Чим вище ця частота, тим менше вихідний опір, тому нерідко частотуживлення вибирають велику (до декількох МГц).
Перетворювачіструм-напруга призначені для роботи з джерелами струму. Ідеальне джерело струмумає нескінченний вхідний опір, а його вхідний струм не залежить від опорунавантаження. Прикладом таких джерел можуть слугувати фотоелементи: фотодіоди,фототранзистори. Їх вихідний опір дуже великий (хоча і має кінцеве значення),тому чин менший опір навантаження, тим в більшій степені вони працюють як джереластруму. Використання фотоелементів в режимі джерела струму покращує лінійністьсвітлової характеристики, і забезпечує більш високу швидкодію, підвищуючистабільність параметрів під час її експлуатації.
Зфункцією перетворення струму в напругу успішно виконує інвертуючий підсилювач,у якого опір вхідного резистора дорівнює нулеві.
Припромисловому застосуванні визначальним фактором є погрішність, що прирегулюванні процесів повинна складати
Вимірювальнийсигнал, одержуваний від контрольованого об’єкта, передається у вимірювальнийприлад у виді імпульсу або у виді енергії. Можна говорити про сигнали:первинних — безпосередньо характеризують контрольований процес; сприйманихчуттєвим елементом приладу; поданих у вимірювальну схему, і т.д. При передачіінформації від контрольованого об’єкта до покажчика приладу сигналиперетерплюють ряд змін.
Тачастина приладу, у якій первинний сигнал перетвориться, наприклад, велектричний, називається первинним перетворювачем. Часто цей перетворювачсполучається з чуттєвим елементом. Сигнали з виходу первинного перетворювачанадходять на наступні перетворювачі вимірювального приладу.
Основнимнедоліком цих схем є залежність значення вихідної величини від параметрівджерела живлення датчика, підсилювача й інших елементів схеми, а також відзовнішніх умов. Справді, варто змінитися напрузі чи частоті генератора, щоживить датчик, як напруга, частота і фаза, що є вихідними величинами і, щознімаються з опору R, також зміняться.
ЗгідноДСТУ 2681-94 „Метрологія. Терміни та визначення” та ДСТУ 2682-94 „ Метрологія. Метрологічнезабезпечення ” даний розроблений перетворювач струм — напруга відноситься до первиннихвимірювальних перетворювачів.
2. Розробка структурної схеми
2.1 Аналіз існуючих методів вимірювання струму
Струм- явище спрямованого руху носіїв електричних зарядів (струм вільних зарядів) тазміну електричного поля в часі (струм заміщення). Обидва ці явищасупроводжуються появою магнітного поля. Додатнім напрямом електричного струмуприйнято вважати напрям руху носіїв позитивних зарядів.
Електричнийструм визначається кількістю заряду, що проходить крізь поверхню за одиницючасу, тобто:
I=dq/dt.(1)
Одиницясили струму є Ампер і є однією з основних одиниць системи CІ:
[і]- [q]/[t] = 1К/с = 1А. (2)
Похідніодиниці — це 1 міліампер (1 мА = 10-3А); 1 мікроампер (1 мкА =10-6А); 1 кілоампер (1 кА = 103А).
Длякіл постійного струму можна визначити значення енергії за час t:
W= UIt. (3)
Занаявності струму та опору в колі за законом Ома можна визначити напругу дляділянки кола:
U= IR. (4)
Длякіл постійного струму потужність можна отримати так:
P= IU. (5)
Уякості перетворювача струму у напругу використаємо схему зінвертуючим підсилювачем, у якого опір вхідного резистораприблизно дорівнює нулю (рисунок 1).
/>
Рисунок1 — Схема з інвертуючим підсилювачем
Притакому включенні вхідний опір схеми має дуже малу величину і
визначаєтьсявиразом:
/> (6)
Вихіднанапруга перетворювача струм-напруга пропорційна вхідному струму І (струмджерела), помноженого на опір резистора зворотнього зв’язку Rз.з.:
Uвих= ІRз.з. (7)
Дляпідвищення роздільної здатності перетворювача струм-напруга необхідно, щобсигнальний струм перевищував значення вхідного струму операційного підсилювача.Тому при вимірюванні малих струмів варто використовувати операційні підсилювачіз найменшими вхідними струмами, підсилювачі з польовими транзисторами на вході(рисунок 2).
Цясхема також доцільна у використанні якщо немає операційного підсилювача змалими вхідними струмами.
РезисторR2 потрібен для балансування вихідної напруги. Конденсатор С3 призначений длязменшення вихідної шумової напруги.
Длясучасних операційних підсилювачів, що мають коефіцієнт підсилення А порядкудекількох десятків тисяч вхідний опір перетворювача струм-напруга складає лишедекілька Ом.
/>
Рисунок2 – Перетворювач струму в напругу з вхідним каскадом на польових транзисторах
Похибкаперетворювача струм-напруга значною мірою визначається параметрами самогоопераційного підсилювача. Вона зумовлена напругою зміщення, вхідним струмом таїх дрейфами.
2.2 Розробка структурної схеми перетворювача
На рисунку 3представлена структурна схема перетворювача
/>
Рисунок3 — Структурна схема перетворювача
ПП– первинний перетворювач, призначений для перетворення струму у напругу задопомогою схеми з інвертуючим підсилювачем, у якого опір схеми має дуже малувеличину.
ПН– підсилювач напруги, призначений для підсилення величини вихідного сигналу понапрузі до заданого в умові. Можна використати підсилювач на БТ.
ПП– підсилювач потужності, використовується для забезпечення потужності нанавантаженні.
Використаємоемітерний повторювач зображений на рисунок 4.
/>
Рисунок 4 — Емітернийповторювач
2.3 Попередній розрахунок первинногоперетворювача
Інвертуючий підсилювач (див.рисунок 1) перетворюєвхідний сигнал, що надходить на інвертуючий вхід ОП, так, що вихідний сигналмає фазу, протилежну фазі вхідного сигналу. При інвертую чому вмиканні вхіднийсигнал подається на інвертуючий вхід, а прямий вхід з’єднується з нульовимпотенціалом.
Івх = Uвх/R1;I0 =Uвих/R0.(8)
Так як Rвх+=Rвх-=∞; Івх = -I0→Uвх/R1= — Uвих/R0.(9)
Знайдемо вихідну напругу перетворювачаструм-напруга:
Uвих= ІRз.з.(10)
Так як Rз.з.=Rвх ·(І + 1) = 15 · (10-3 + 1) = 15.015 (Ом);
Uвих= 10-3 · 15.015 = 15.015 · 10-3 В.
Коефіцієнт підсилення К = 15/ 15.015·10-3= 1100.
Інвертуючий підсилювач виконано наоснові ОП, саме тому необхідно провести вибір ОП. Таким чином для операційногопідсилювача:
/>,(11)
/>,
/>.
Виберемо ОП К140Д1Б.
Основні параметри:
/>нА-вхідний струм;
/>В- максимальна вихідна напруга;
/>МГц-гранична частота.
Діапазон робочих температур дорівнює (30-60)/>С.
2.4 Попередній розрахунок підсилювача потужності
В якості підсилювача потужностівикористаємо підсилювальний каскад такий, як комплементарний емітернийповторювач (див.рисунок 4).
Розрахуємо потужність на виході даногокаскаду.
Початкові дані:
/>20В,Rн=15 Ом
Іmax=/>, (12)
Іmax=/>.
Розрахуємо максимальну вихіднупотужність:
Рmax=Umax· Imax;(13)
Рmax= 20 · 1.3 = 26 (Вт).
Оскільки використовуємо комплементарневключення то потужність на виході одного транзистора зменшується у двічі. Такимчином для транзистора:
Рmax=UmaxImax/2, (14)
Рmax=13 (Вт).
За даними оберемотранзистор KT816АтипуPNP, та КТ817А типу NPN.
Основні параметри транзистораKT816А типу PNPнаведені в таблиці 1
Таблиця 1 – Параметри транзистораKT816АТип
Pкmax, Вт
Ікmax, A
Uкеmax, B
h21e
min/max
fгр,МГц T КТ816A 25 3 40 25 3 -60..125
Основні параметри транзистораKT817Aнаведені в таблиці 2.
Таблиця 2 – Параметри транзистораKT817AТип Pкmax, Вт Ікmax, A Uкеmax, B
h21e
min/max fгр, МГц Uеб0max, В КТ817A 25 3 40 25 3 -60..125
2.5 Попередній розрахунок підсилювачанапруги
У якості підсилювача напругивикористаємо підсилювальний каскад за схемою зі спільним емітером на основібіполярного транзистора.
Розрахуємо коефіцієнт підсилення занапругою:
/> (15)
Оскільки частота вихідного сигналу 10 МГц,то гранична частота транзистора />.
Оскільки підсилення виконує ПП попотужності, то максимальна потужність що розсіюється на колекторі транзисторане повинна бути меншою за Рк
Оскільки Кпр=25
то Рвх=/> ;(16)
Рвх=/>
Ікмах =/>
Зарозрахованими параметрами підберемо транзистор типу КТ830А з параметрами:
/>= 30 В,
/>= 2 А,
/>= 5 Вт.
2.6 Розробка детальної структурної схеми
Детальна структурна схема перетворювачанаведена на рисунку 5.
/>
Рисунок5 – Детальна структурна схема
ПП – первинний перетворювач, призначенийдля перетворення струму у напругу. Схема віднімання основана на ОП К140Д1Б.Межі вихідної напруги 0…5,7В.
ПП – підсилювач потужності,використовується для забезпечення потужності на навантаженні. Оснований на БТКТ816А і КТ817А.
ПН – підсилювач напруги, призначений дляпідсилення величини вихідного сигналу по напрузі до 20В. Таким чином на виходіданого каскаду отримуємо напругу 0…20В. Оснований на транзисторі КТ830А
Закінчивши попередню розробкуструктурної схеми, маємо схему, розбиту на декілька каскадів, внаслідок чого,для кожного з каскадів зроб-лений попередній розрахунок. Тобто визначенідинамічні діапазони, коефі-цієнти підсилення, максимальні значення струмів,напруг, потужностей, вибрані згідно розрахункам операційні підсилювачі,транзистори.
Принцип роботи перетворювачазаключається у наступному. Генератор імпульсів виробляє сигнал, що подається навхід ОП, після його перетворення він потрапляє на каскад підсилення потужності,а згодом і в каскад підсилення напруги. Так як з ОП напруга виходить доситьмалою то виникає необхідність її підсилення по напрузі та стабілізації тапідсилення по потужності, саме тому у схемі і використовуємо підсилювачінапруги та потужності що побудовані на транзисторах.
3. Електричні розрахунки
3.1 Електричний розрахунок підсилювачапотужності
Електричний розрахунок виконуємо задопомогою електричної принципової схеми, яка зображена на рисунку 6.
/>
Рисунок6 – Схема електрична принципова підсилювача потужності (ПП)
Вхідні дані:
Транзистори КТ816А і КТ817А:
/>=25 Вт,
/>=3 А,
/>=25 В,
Uмах= 20 В,
Рвх= 3,7 Вт,
Рвих= 13 Вт.
Оберемонапругу живлення
/>
Задаємося />.
З вихідних характеристик транзисторів:
/> , /> при />.
Звхідних характеристик:
/> при /> та />.
Задамося/>,
/>,
/> тому /> ,
/>.
Проведеморозрахунок опорів вхідного подільника R7 R8
/> (17)/> (18)
Розрахуємовхідний опір цього каскаду:
/> (19)
/>Ом –додатковий опір.
3.2 Електричний розрахунок підсилювача напруги
Нарисунку 7 зображена схема електрична принципова підсилювача напруги (ПН).
/>
Рисунок7 — Схема електрична принципова підсилювача напруги (ПН)
Вхіднідані:
ТранзисторКТ830А:
/>= 30 В,
/>= 2 А,
/>= 5 Вт.
Оберемонапругу живлення
/>.
Задаємося/>.
Обираємоз вихідної характеристики транзистора:
/> /> при />.
Звхідних характеристик:
/> при />.
Задамося/>.
РозрахуємоR10:
/> (20)
РозрахуємоR11 :
/>.
/> (21)
/> тому /> .
/>.
Проведеморозрахунок опорів вхідного подільника R12 R13 .
/> (22)
/> (23)
Розрахуємовхідний опір цього каскаду:
/> (24)
Проведеморозрахунок конденсаторів.
/> -блокувальний конденсатор.
/> ; (25)
/>; (26)
/> (27)
4. Моделювання одного з вузлів
Проведемо моделювання одного з вузлівперетворювача з метою впевнитись у його працездатності. Проведемо моделюванняпідсилювача напруги (рисунок 8).Підставимо всі обрані вище номінали. На вхід підсилювача подаємо імпульсипрямокутної форми (рисунок 9). Напруга вхідного сигналу складає 5 В.
/>
Рисунок 8 – Підсилювач напруги
/>
Рисунок 9–Амплітуда вихідної напруги при І = 1 А
Висновки
В даномукурсовому проекті розроблено перетворювач струму в межах від 0,1 до 1000 мА унапругу до 20 В.
Проведеноаналіз існуючи методів вимірювання струму.
Розроблено структурну схемуперетворювача та попереднійрозрахунок первинного перетворювача і підсилювачапотужності.
Розроблено схему електричну принциповуперетворювача струм-напруга. Виконані необхідні електричні розрахунки
Виконано моделюванняодного з вузлів перетворювача.
Література
1. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы.- М.: Радио и связь.,1987.-352 с.
2. Справочник по цифровой схемотехнике / В.И.Зубчук,В.П.Сигорский, А.Н.Шкуро – К.: Техніка, 1990. – 448 с.
3. Резисторы (справочник) // Под ред.И.И.Четверткова. — М: Энергоиздат, 1981. — 182 с.
4. Достал И. Операционные усилители. — М.: Мир,1982. — 210 с.
5. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи исигналы: Учебник для вузов. – M.: Радио и связь, 1986. — 512 с.
6. Зевеке Г.В., Ионкин П.А, Нетрушин А.В.,Страхов С.В. Основы теории цепей: Учебник для вузов. – M.:Энергоатомиздат, 1989. — 528 с.
7. Малинівський С.М. Загальна електротехніка:Підручник. – Львів: Видавництво “Бескид Біт”, 2003. — 640 с.
Додаток A(обов’язковий) Схема електрична принципова
/>
Додаток Б (обов’язковий) Перелік елементів
Поз. познач. Найменування Кіл. Конденсатори C1 КМ6M47 – 1000пФ ±20 % 1 С2 КМ6M47 – 220пФ ±20 % 1 C3 К21-7-2мкФ, ±10% 1 Операційні підсилювачі DA1,DA2 К547УД1 2 DA3 К547УД2Б 1 Резистори R1,R2
С2-23 – 0,125 – 15 Ом />1 % . 2 R3
С2-23 – 0,125 – 680 Ом />1 % 1 R4,R5
С2-23 – 0,125 – 18 Ом />1 % 2 R6
С2-23 – 0,125 – 9 Ом />1 % 1 R7
С2-23 – 0,125 – 90 Ом />1 % 1 R8
С2-23 – 0,125 – 2 кОм />1 % 1 R9
С2-23 – 0,125 – 340 Ом />1 % 1 R10
С2-23 – 0,125 – 500 Ом />1 % 1 R11
С2-23 – 0,125 – 80 Ом />1 % 1 Транзистори VT1 КТ3107А 1 VT2 2Т818Б 1 VT3 2Т817Б 1 XS1 Роз’єм 1 XS2 Роз’єм 1