Усилитель следящей системы для управления приводным двигателем

snp268.pdf

СХЕМА ПОСТРОЕНИЯ УСЛОВНОГО ОБОЗНАЧЕНИЯ СНП268
СНП 268 – 9(15253750) В(Р) П 1(23) 1(2) -1(256) -1(234) -0(13) 3(4) -В
ручного сочленениярасчленения
Количество контактов
В – штыревой контакт;
Р – гнездовой контакт.
– хвостовик для объемного монтажа;
– хвостовик для прямого монтажа
в отверстие печатной платы;
– хвостовик для углового монтажа
в отверстие печатной платы
Покрытие рабочей части контактов:
– кожух прямой неэкранированный;
– кожух прямой экранированный;
– кожух комбинированный неэкранированный;
– кожух комбинированный экранированный
Тип винта для соединителей в кожухе:
– длинный винт с метрической резьбой;
– короткий винт с метрической резьбой;
– длинный винт с дюймовой резьбой;
– короткий винт с дюймовой резьбой
Наличие крепежных элементов для соединителей без кожуха:
– без крепежных элементов;
– с крепежными элементами с метрической резьбой;
– с крепежными элементами с дюймовой резьбой
Схема расположения хвостовиков контактов для соединителей
с хвостовиками для углового печатного монтажа:
– расстояние между рядами 284 мм;
– расстояние между рядами 25 мм
В – всеклиматическое исполнение

462927.rtf

Балтийский Государственный
Технический Университет
Военмех" им. Д.Ф. Устинова
Кафедра Н1 "Мехатроника и
Усилители следящих систем
Санкт-Петербург 2011г
В курсовом проекте разрабатывается
полупроводниковый усилитель для
управления приводным двигателем
Расчет усилителя начинается с
Оконечный каскад нагруженный на
обмотку управления двигателя обычно
выполняют двухтактным. В основу
расчета оконечного каскада положено
требование обеспечения заданной
мощности в нагрузке поэтому одним из
основных параметров оконечного
каскада является коэффициент усиления
по мощности потребляемой обмоткой
Число остальных каскадов определяется
коэффициентом усиления по напряжению
требуемым техническим заданием.
Предоконечный каскад должен
обеспечивать на выходе расчетное
значение входного сигнала оконечного
каскада. Расчет предоконечного каскада
основан на достижении максимального
значения выходного сигнала во всем
диапазоне рабочих температур.
Схема входного каскада выбирается с
учетом обеспечения заданного входного
сопротивления усилителя. В настоящее
время входные каскады выполняются на
интегральных операционных усилителях.
При этом гарантируется стабильность
работы устройства в широком диапазоне
температур а охват обмотки управления
глубокой отрицательной обратной
связью по переменному току определяет
высокую стабильность усилительных
Вид нагрузки АДП-123Б
Чувствительность5 мВ
Входное сопротивление5 кОм
Входной сигналпеременный ток
Напряжение питания.20 В
Диапазон рабочих температур-10 +60С
Фазовый сдвиг вносимый усилителем
не должен превышать 15 градусов
Нестабильность коэффициента
усиления вызванная технологическим
разбросом параметров транзисторов не
При мощности нагрузки более 5 Вт
выходное сопротивление усилителя
должно составлять не более 20% от
сопротивления нагрузки.
Основные характеристики двигателя
Напряжение на обмотке управления110 В
Потребляемая мощность обмотки
Ток в обмотке управления023 А
Расчет оконечного каскада
Тип оконечного каскада выбирается по
мощности потребляемой обмоткой
управления. При мощности управления
более 5 Вт оконечный каскад должен
обеспечивать низкое входное
сопротивление(Rвых не более 0.2Rн )
поэтому выбираем такой усилительный
Обмотка управления асинхронного
двигателя представляет собой
активно-индуктивную нагрузку для
оконечного каскада усилителя. С целью
уменьшения мощности потребляемой
обмоткой управления а также для
улучшения условий пуска индуктивная
составляющая сопротивления обычно
компенсируется включением
конденсатора параллельно обмотке
здесь: Uу Iу Pу - напряжение ток в ОУ и
мощность потребляемая ОУ
Rа RL - активная и индуктивная
составляющая сопротивления ОУ
(выбираем конденсатор К73-11-250В-0.68мкФ)
необходимость в наличии выходного
трансформатора определяется следующим
ЕП - напряжение источника питания 20 В
UКэмин - минимально допустимое
напряжение на транзисторе
UКэмин = (2 3)UКэнас
UКЭнас - падение напряжения на
транзисторе в режиме насыщения
UЭ - падение напряжения на эмиттерном
сопротивлении R12 R13
(E К - U КЭ мин - U Э) = 44 В
Неравенство не выполняется
следовательно необходим
трансформатор. Для согласования с
нагрузкой применяют выходной
трансформатор с коэффициентом
=085- к.п.д трансформатора
Выбираем транзисторы V5 V8:
Приведенное сопротивление нагрузки:
Максимальная амплитуда напряжения
между коллектором и эмиттером: U КЭ
Максимальная амплитуда коллекторного
С учетом того что транзистор может
перегреваться во время пиков
мгновенной мощности достигающей 05
РНП максимальная средняя мощность
рассеиваемая в коллекторном переходе
каждого транзистора:
Полученным значениям UКЭ макс IК макс
PК выберем транзистор параметры
которого удовлетворяют условиям:
Pkдоп>PK Ikдоп>Ikmax Ukдоп>UKэmax
Выбираю транзистор КТ819В
P kдоп = 1.5 (60) Вт - без и (с) теплоотводом
Диапазон рабочих температур: -40 100 ?С
Статический коэффициент передачи тока
-средний статический коэффициент
-находиться по входной характеристике
-напряжение эмиттер-база в режиме покоя
Расчет теплового режима транзистора:
здесь RПС=41.6 - тепловое сопротивление
переход-среда транзистора
tП=125С предельно допустимая температура
tС=60С максимальная температура среды
Т.к. неравенство не выполняется
необходим радиатор с поверхностью
- коэффициент теплоотдачи
- тепловое сопротивление
перехода-корпус транзистора
Выбор транзисторов V4 V7
Uкэ v2 max=Uкэ v3 max=2Eк=40 В
Выбираю транзистор КТ815Б
Pк v2 доп=10Вт – с теплоотводом
Pк v2 доп=1Вт – без теплоотвода.
диапазон рабочих температур: от -40 до
Выбор транзисторов V3 V6:
Uкэ max=Eк(1+-=20(1+)=266В
где Ku=(1 3) коэффициент усиления по
По этим параметрам выбираю транзистор
КТ361Д который имеет следующие
Pv1=150 мВт без теплоотвода
Диапазон рабочих температур -60 +100С
Расчет резисторов оконечного каскада:
Резисторы эмитерных цепей R13R20:
- максимальная крутизна транзисторов в
дI=105 115 – допустимая разбалансировка
– технологический разброс
мощность рассеиваемая не каждом
PRэ=025I2кmax*Rэ=025*252*08=125 Вт
Выбираю резисторы С2-23-2-1Ом 5%
Остальные резисторы выбираются из
условия трех-пятикратного превышения
входных сопротивлений транзисторов V2
R11=R18=(3 5)h11 14=5*947=47кОм
Выбираю резистор С2-23 – 47 кОм
R12=R19=(3 5)h11 25=5*300=15 кОм
Выбираю резистор С2-23 560 Ом
Минимальная величина R4 и R7 ограничена
следующим неравенством:
Неравенство выполняется на резисторах
R4 R7 рассеивается не более 10% выходной
Характеристики оконечного каскада
Коэффициент усиления по напряжению:
Входное сопротивление:
Нестабильность коэффициента усиления
Максимальная амплитуда входного
Мощность потребляемая оконечным
каскадом от источника сигнала:
Расчет предоконечного каскада
Мощность необходимая для управления
двигателем обеспечивается оконечным
каскадом; входное сопротивление
усилителя - входным каскадом.
обеспечить на входе расчетное значение
мощности входного сигнала оконечного
каскада и что самое главное
максимальный коэффициент усиления:
- амплитуда выходного сигнала
Pн- входная мощность оконечного каскада
Uкэ- напряжение коллектор - эмиттер в
Uкэ- допустимое температурное смещение
Iк min- минимально допустимое значение
гдеUКЭ1=(03 04)Eк=03*20=6 В
UКЭ1=(01 02)Eк =01*20=2 В
Uэ=(01 02)Eк=01*20=2В
Iк min=(05 1)мА= 1мА
Pк2=Uкэ*Iк2=6*197*10-3=12 мВт
Выбираю транзистор V2 КТ312Б
Диапазон рабочих температур от -60 до
Выбор транзистора V1
Коллекторный резистор
Iэ2=Iэ2 min+=077 мА Где
Iэ2 min=(05 1)мА=075мА
P14=025*(Iэ2)2R14=04 мВт
C2-33- 27 кОм±10% P=0125 Вт
P11=Uкэ*Iк1=20*17*103=0034 Вт
С2 - 33 – 56 кОм±10% P=0125 Вт
Коэффициент трансформации
согласующего трансформатора:
Rн=Rвх сопротивление последующего
где W2 – число витков вторичной обмотки
W1 – число витков первичной обмотки
Расчет элементов в цепи смещения:
Uэб1=-2T мВ=-2*80*10-3=016В
Выбираю С2-33 470 кОм±10% P=0125 Вт
Выбираю С2-33 51 кОм±10% P=0125 Вт
Рассмотрим стабилизацию коэффициента
усиления по напряжению введением ООС
по переменному току. Зададимся
нестабильностью коэффициента усиления
каждого каскада равным kU = 0.05 тогда
требуемый коэффициент стабилизации
где - относительный разброс
коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ
Выбираю R12 C2-33-240Ом±10% P=0125Вт
R13=Rэ-R12=12кОм-240Ом=960 Ом
Выбираю R13 C2-33-1кОм±10% P=0125Вт
коэффициент усиления по напряжению
каскада охваченного ОС
Входное сопротивление каскада:
Выходное сопротивление:
Расчет входного каскада
Коэффициент усиления всего
усилительного устройства:
S - чувствительность
Коэффициент усиления ОУ:
Для обеспечения заданного КUОУ и
входного сопротивления необходимо
выбрать входной каскад на ОУ.
Но так как питание усилителя
однополярное а ОУ требует
двухполярного питания то используем
схему с параметрическим
Основные параметры К140УД7:
Выбираем резистор С2-33Н-0.125-51кОм +10%
Выбираем резистор С2-33Н-0.125-120кОм +10%
Выбираем резистор С2-33Н-0.125-47кОм +10%
Для обеспечения питания ОУ применим
два стабилитрона для обеспечения
средней точки. Выбираем стабилитроны
С2-33Н-0.125-68кОм +10%
Расчет реактивных элементов
Выбор трансформатора обуславливается
передаваемой мощностью коэффициентом
трансформации и индуктивностью
первичной обмотки необходимо так же
принимать во внимание что действующие
значения напряжений на обмотках должны
быть меньше паспортных а для
реализации необходимого КПД
сопротивления обмоток должны быть
Расчет трансформатора Тр2:
пусть С = 0122 рад тогда
Расчет емкостей реактивных элементов.
С0- К52-18-16В 220 мкФ
С1-К53-18-16В-220 мкФ
C2- К53-18-16В-220 мкФ
C3-К53-4А-16В-150 мкФ
С4 – К73-17 1 мкФ х 400В ±5%
Используемая литература
). Логинов А.В. "Усилители следящих
систем" учебное пособие по курсовому
проектированию1981г.
) Логинов А.В "Аналоговые
усилительно-преобразовательные
устройства" учебное пособие2008.
). И.И.Четвертков В.М. Терехов
Резисторы" справочник1991
). Справочник по электрическим
конденсаторам под ред. И.И.Четветкова и
). В.Ф. Лярский О.Б.Мурадян
соединители"справочник1988
). С.Т. Усатенко Т.К. Каченюк
М.В.Терехова "Выполнение электрических
схем по ЕСКД"справочник1989.
).Н.Н.Горюнов "Полупроводниковые
приборы: транзисторы"справочник1985
).Б.Л.Перельман "Транзисторы для
применения"справочник1981
). А.В. Голомедов "Мощные
полупроводниковые приборы:
транзисторы"справочник1985

Спецификация 1.spw

Схема электрическая принципиальная
Гайка М25-6Н.5 ГОСТ 5915-70
Шайба А.25.01.08кп. 016
Шайба А.3.01.08кп. 016

Пояснительная записка.docx

Содержанием курсового проекта является разработка полупроводникового усилителя для управления приводным двигателем следящей системы.
Расчёт усилителя начинается с оконечного каскада.
Оконечный каскад нагруженный на ОУ двигателя обычно выполняют двухтактным. Транзисторы этого каскада работают в режиме AB близком к режиму B или в режиме B. Последний режим используется в сложных оконечных каскадах при охвате их глубокой отрицательной обратной связью (ООС). В основу расчёта оконечного каскада положено требование обеспечения заданной мощности в нагрузке поэтому в отличие от каскадов предварительного усиления предназначенных для получения заданного коэффициента усиления по напряжению одним из основных параметров оконечного каскада является коэффициент усиления по мощности.
Мощность необходимая для управления двигателем развивается оконечным каскадом. Число остальных усилительных каскадов определяется коэффициентом усиления по направлению требуемым ТЗ. В связи с этим с целью сокращения числа каскадов предварительного усиления получить максимальный коэффициент усиления по напряжению.При этом предоконечный каскад дополнительно должен обеспечить на выходе расчётное значение мощности входного сигнала оконечного каскада а входной каскад – заданное входное сопротивление усилителя.
Схему входного каскада выбирают с учётом обеспечения заданного входного сопротивления усилителя.
На вход усилителя в соответствии с ТЗ подаётся сигнал постоянного тока. Для преобразования сигнала постоянного тока в переменный частота которого равна частоте питающей сети а амплитуда пропорциональна амплитуде входного сигнала постоянного тока применяем модулятор. Модулятор также обеспечивает необходимое входное сопротивление усилителя.
Скорость и момент развиваемый двухфазным асинхронным двигателем максимальны при сдвиге фаз между напряжениями обмотки возбуждения и обмотки управления равном 90° и падают до нуля при нулевом фазовом сдвиге. Поэтому малый и стабильный вносимый фазовый сдвиг φ является важной характеристикой усилителя управляющего двухфазным асинхронным двигателем.
Техническое задание на проектирование
Вид нагрузки: АДП-123Б;Чувствительность мВ: 10;Входное сопротивление кОм: 100;Входной сигнал: постоянный ток;Напряжение питания В: 27-4+7;Диапазон рабочих температур : -30 +50;Примечания.1. Фазовый сдвиг вносимый усилителем не должен превышать 15 град.2. Нестабильность коэффициента усиления вызванная технологическим разбросом параметров транзисторов не должна превышать 20%.
При мощности нагрузки более 5 Вт выходное сопротивление усилителя должно составлять не более 20% от сопротивления нагрузки.
Основные характеристики асинхронного двухфазного электродвигателя АДП-123Б
Напряжение на обмотке управления В: 110;Потребляемая мощность обмотки управления Вт: 135;Ток в обмотке управления А: 023;Частота сети Гц: 400;
Согласование обмотки управления двухфазного асинхронного двигателя с усилителем
Обмотка управления (ОУ) асинхронного двигателя представляет собой активно-индуктивную нагрузку для выходного каскада усилителя. С целью уменьшения мощности потребляемой ОУ от усилителя а также для улучшения условий пуска индуктивная составляющая сопротивления в соответствии с [1 с.7] компенсируется включением конденсатора параллельно ОУ.1) Рассчитаем активную и индуктивную составляющие сопротивления ОУ при заторможенном роторе пользуясь формулами (2.1) и (2.2) из [1]:Ra=Uу2Pу;
RL=2fL=Uу2Iу2Uу2-Pу2
Где Uу – напряжение управления двигателя;f – рабочая частота;
Pу – мощность управления (активная составляющая мощности);Iу – полный то протекающий по обмотке управления при пуске;Ra – активная составляющая сопротивления ОУ;
RL – индуктивная составляющая сопротивления ОУ.Подставляя данные получим:Ra=1102135=8963 (Ом);
RL=Uу2Iу2Uу2-Pу2=110202321102-1352=5655 (Ом);2) Зная RL из условия параллельного резонанса рассчитаем величину компенсирующего конденсатора по формуле (2.3) из [1]:Cу=C5=12fRL=124005655=0710-6 Ф=07 (мкФ)
Выбираем конденсатор по справочнику [3 с.186]:
К73-11-160В-068мкФ±10% (полиэтилентерефталатный цилиндрический в изоляционном корпусе)
Расчёт простейшего оконечного каскада
Тип оконечного каскад выбирается по мощности потребляемой обмоткой управления Pу=135 Вт. При Pу более 5 Вт оконечный каскад должен обеспечивать низкое выходное сопротивление (Rвых не более 02Rн).
Для управления двигателем типа АДП-123Б используем оконечный каскад приведённый на рис.1.
Рис.1 Схема оконечного каскада
Необходимость наличия выходного трансформатора определяется максимальной амплитудой выходного напряжения развиваемой оконечным каскадом.
где Eк – напряжение источника питания;Uкэ мин=2 3Uкэнас – минимально допустимое напряжение на транзисторе;Uкэнас – падение напряжения на транзисторе в режиме насыщения;
Uэ – падение напряжения на эмиттерном резисторе Rэ.
Пусть Uкэнас=1В тогда Uкэ мин=2Uкэнас=21=2 (В).
Проверим выполнение неравенства:2(Eк-Uкэ мин-Uэ)≥Uу2
Данное неравенство не выполняется тогда для согласования с нагрузкой применяем выходной трансформатор с коэффициентом трансформации
n=W2W1=Uу2(Eк-Uкэ мин-Uэ)
где W1 – число витков половины первичной обмотки;
W2 – число витков вторичной обмотки;
=075 085 – к.п.д. трансформатора.
Выбор транзисторов V7 и V8
Выбор транзисторов для оконечного каскада как впрочем и для любого другого осуществляется по трём основным параметрам [1 с.10]:
а) максимальной амплитуде напряжения между коллектором и эмиттером Uкэмакс;
б) максимальной амплитуде коллекторного тока Iкмакс;
в) максимальной мощности рассеиваемой на коллекторном переходе Pк макс.
Uкэ 78 макс2Eк макс=227+7=68 (В);
Iк 78 макс=Eк-Uкэ 78 минRнпок+RэEкRнпок
где Rнпок - приведённое сопротивление нагрузки.
В случае с трансформаторной связи с ОУ
Rнпок=Ran2=89639632=966 (Ом)
Iк 78 макс=34966=35 А
Максимальная средняя мощность рассеиваемая в коллекторном переходе каждого транзистора (при амплитуде коллекторного тока
Iк 78 m=2Iк 78 макс)
Pк макс12Eк2Rнп0203Pнпок
где Pнпок=12Iк 78 макс2Rнпок=Pу - мощность в приведённой нагрузке.
Pнпок=135085=1588 Вт тогда Pк макс=02031588=322 (Вт).
С учётом того что транзистор может перегреваться во время пиков мгновенной мощности достигающей 05Pнп для расчётов примем
Pк 78=03Pнпок=031588=476 (Вт).
По полученным значениям Uкэ 78 макс Iк 78 макс и Pк выбираем транзистор предельные эксплуатационные данные которого (Pк доп Iк доп Uкэдоп) удовлетворяют следующим неравенствам:
По данным условиям выбираем из [4 стр. 449] n-p-n транзистор КТ819Г – кремниевый мезаэпитаксиально-планарный имеющий параметры:
Pк доп=60 Вт с теплоотводом и Pк доп=15 Вт без теплоотвода;
Iк доп=10 А; Uкэ доп=100 В; мин=12; макс=30;
=05мин+макс=0512+30=21 - средний коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ; '78=0878=0821=168;
Rпк=106(Вт) – тепловое сопротивление переход – корпус транзистора;
Rпс=10015(Вт) – тепловое сопротивление переход – среда транзистора;
tп=125 - предельно допустимая температура перехода.
Расчёт теплового режима транзисторов V7 и V8
Максимальная мощность рассеиваемая на транзисторе без радиатора:
Rпсtс-tп=0015125-50=1125 Вт
где tс=50 - максимальная температура среды;
Проверяем выполнение неравенства:
Так как неравенство не выполняется то необходим радиатор с поверхностью охлаждения:
SPкkm[tп-tс-Pк(Rпк+Rкр)]
где km=00012 Втсм2град - коэффициент теплоотдачи;
Rпк=167 (Вт) – тепловое сопротивление переход с корпус транзистора;
Rкр=046 (Вт) – тепловое сопротивление корпус – радиатор.
S47600012[125-50-476(167+046)]=62 (см2)
Выбор транзисторов V5 и V6
Выбор транзисторов осуществляется по трём основным параметрам [1 с.37]:
а) Uкэ 56 макс=Uкэ 78 макс2Eк макс=234=68 (В);
б) Iк 56 макс=Iк 78 макс'78=35168=0208 (А);
в) Pк 56 макс=Pк 78'78=476168=0283 (Вт).
По данным условиям выбираем из [4 стр. 439] n-p-n транзистор КТ815В – кремниевый мезаэпитаксиально-планарный с параметрами:
Pк доп=10 Вт с теплоотводом и Pк доп=1 Вт без теплоотвода;
Iк доп=15 А; Uкэ доп=70 В; мин=40; макс=100;
=05мин+макс=0540+100=70 - средний коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ; '56=0856=0870=56;
Выбор транзисторов V3 и V4
Выбор транзисторов осуществляется по трём основным параметрам [1 с.39]:
а) Uкэ 34 макс=Eк1+1KU где KU=3 10 - коэффициент усиления по напряжению примем Ku=8 тогда Uкэ 34 макс=341+18=3825 (В);
б) Iк 34 макс=Iк 78 макс'56'78=3556168=000372 А=372 мА;
в) Pк 34 макс=Iк 78 максEк'56'781-14KU=000372341-148=0036 (Вт).
По данным условиям выбираем из [4 стр. 315] n-p-n транзистор КТ502В – кремниевый эпитаксиально-планарный с параметрами:
Pк доп=05 Вт; Iк доп=01 А; Uкэ доп=70 В; мин=40; макс=120;
=05мин+макс=0540+120=80 - средний коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ; '34=0834=0880=64;
Расчёт сопротивлений резисторов R23 и R24
Сопротивления эмиттерных цепей транзисторов V7 и V8 выбираем согласно рекомендациям [1 c.13]:
где Sмакс=78 максh11э 78 - максимальная крутизна транзисторов в партии;
h11э 78=Uэб m-UэбIб m-Iб – входное сопротивление транзистора;
I'=105 - допустимый разбаланс коллекторных токов транзисторов V1 и
I=IмаксIмин=SмаксSмин=максмин=25 – технологический разброс коллекторных токов выходных транзисторов.
Uэб m - напряжение база-эмиттер соответствующие току Iб m=Iк макс78=3521=
=017 А находим по входной характеристике транзистора Uэб m=07 В;
Uэб=05 В - напряжение эмиттер-база в режиме покоя;
Iб=Iк78=001Iк макс78=0013521=000167 А=167 мА.
h11э 78=07-05017-000167=119 Ом; Sмакс=30119=2521 1Ом;
R2324=1252125-105105-1=115 Ом.
Мощность рассеиваемая на каждом резисторе:
PR2324=025Iк макс2R2324=025352115=352 Вт.
Так как мощность рассеивания слишком велика зададимся мощностью в 1 Вт и рассчитаем необходимый номинал резистора:
R2324=PR2324025Iк макс2=1025352=0327 Ом.
Выбираем из [5 с. 147] резистор С5-16МВ-2-033 Ом ± 5%. Тогда мощность рассеиваемая на каждом таком резисторе:
PR2324=025Iк макс2R2324=025352033=101 Вт.
Расчёт сопротивлений резисторов R15 R21 R18 и R22
Величины сопротивлений резисторов R15 R21 R18 и R22 находим из условия трёх-пятикратного повышения входного сопротивления соответсвенно транзисторов V5 V7 V6 и V8:
R2122=4h11э 78+R232478+1=4119+032721+1=
Мощность рассеиваемая на резисторе:
PR2122=025Iк 56 макс-Iк 78 макс782R2122=0250208 -3521233=
В качестве R2122 выбираем из [5 с. 56] металлодиэлектрический резистор С2-33Н-0125-33 Ом ± 5%.
R1518=4h11э 56+(R2122(h11э 78+R232478+1)56+1=
=4300+3354119+0327223354+119+03272271=3104 Ом.
PR1518=025Iк 34 макс-Iк 56 макс562R1518=025000372 -0208 702
В качестве R1518 выбираем из [5 с. 56] металлодиэлектрический резистор С2-33Н-0125-3 кОм ± 5%.
Расчёт сопротивлений резисторов R19 и R20
Сопротивления резисторов R19 и R20 находим по:
Rвыхок≤02Rнпок=02966=193 Ом. Примем KUR1920+R1617R1617=8
R1920≤h11э 34KU34+Rвыхок'56'78=900880+19356168=
Расчёт сопротивлений резисторов R16 и R17
Сопротивления резисторов R16 и R17 находим по формуле:
R1617=R1920KU-1=1905748-1=27225 Ом.
Минимальная величина R16 и R17 ограничена неравенством:
0574+27225=217799 Ом>5966=483 (Ом)
Следовательно неравенство выполняется. Мощность рассеиваемая на резисторах:
PR161705Uвых максокR1617+R19202R1617=0519270+20002270=
PR192005Uвых максокR1617+R19202R1920=0519270+200022000=
Выбираем из [5 с. 56] в качестве R1920 металлодиэлектрический резистор С2-33Н-0125-2 кОм ± 5% а в качестве R1415 - С2-33Н-0125-270 Ом ± 5%.
Характеристики оконечного каскада
Коэффициент усиления по напряжению:
KUок=34'56'78R16+R19Rнпокh11э 34R16+R19+Rнпок+R16R1934+1+R16Rнпок34'56'78=
=8056168(270+2000)966900270+2000+966+270200081+2709668056168=6817.
Входное сопротивление:
Rвхок=h11э 34+R16R1934+1+Rнпок34'56'78R19+R16+Rнпок=
=900+270200081+96680561682000+270+966=106198 Ом=106 кОм
Максимальная амплитуда входного сигнала:
Uвх максок=Uвых максокKUок=196817=279 (В)
Выходное сопротивление оконечного каскада:
Rвыхок=Rвыхпк+h11э 3434'56'781+R1920R1617+R1920'56'78=
=3332+90080561681+2000270+200056168=223 (Ом)
Мощность потребляемая оконечным каскадом от источника сигнала:
Pвхок=Uвх максок22Rвхок=279 22106103=0036(мВт)
Нестабильность коэффициента усиления:
KUKU=134341+'56'78+'78'56'56'7823
где : 1=34R16h11э 14+R16+1=80270900+270+1=1946;
'56'78R23h11э 56+R23'78+1=5616812300+12168+1=452;
'56'78RнпокR19+R16+Rнпок=561689662000+270+966=398;
=120-40=80; '56=100-4008=48;
KUKU=139880801946+48168+1445656168452=011=11%.
Расчёт предоконечного каскада
Мощность необходимая для управления двигателем развивается оконечным каскадом. Предоконечный каскад должен обеспечить на входе расчётное значение мощности входного сигнала оконечного каскада. В предоконечном каскаде необходимо получить максимальный коэффициент усиления по напряжению.
Применим схему предоконечного каскада из [1 с.20] рис. 2
Рис.2 Схема предоконечного каскада
Расчёт предоконечного каскада основан на достижении максимального размаха выходного сигнала во всём диапазоне рабочих температур.
Оптимальная величина коллекторного резистора обеспечивающая максимальный размах напряжения на заданной нагрузке [1 с.15]:
R11=RнппкEк-Uкэ1-Ukm-Uэ1Iк1 минRнппк+Ukm
где: Ukm=Uкэ1-Uкэ1 мин-Uкэ1- амплитуда выходного сигнала;
Uкэ1 мин=2Uкэ1 нас=21=2 В;
UkmEк=Eк мин=1035-2-345=49 В;
Iк1 мин=05 01 мА=075 мА;
Rнппк=h11э 2+R14Ukm22Pвхок2+1 - приведённое входное сопротивление оконечного каскада где:
R14=Uэ2Iэ2Uэ1+Uкэ1-Uбэ2Iэ2; Iэ2=Iэ2 мин+2Pн Iэ2 мин=05 1 мА.
Выбор транзистора V2
Для нахождения параметров транзистора V2 допустим Eк=Eк макс=34 В
Iэ2 мин=075 мА и Uбэ2=05 В. Тогда Ukm=045-015Eк макс-2=
=82 (В) и Iэ2=075 10-3+201210-382085=078 мА.
Максимальное напряжение на транзисторе V2:
Uкэ2 макс=Eк макс=34 В.
Мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора V2:
Pк2=Eк-Uэ2Iэ2Eк-Uэ1+Uкэ1-Uбэ2Iэ2=
=34-015Eк+045Eк-0507810-3=0011 Вт.
По рассчитанным параметрам выбираем кремниевый планарно-эпитаксиальный транзистор n-p-n КТ315В [4 с. 113] с параметрами:
Pк доп=015 Вт; Iк доп=01 А; Uкэ доп=40 В; 2 мин=30; 2 макс=120;
=052 мин+2 макс=0530+120=75.
Расчёт сопротивления резистора R14
При минимальном значении напряжения питания Eк=Eк мин=23 В:
Ukm=49 В Iэ2=075 10-3+201210-349085=081 мА
R14Uэ1+Uкэ1-Uбэ2Iэ2=345+1035-0508110-3=16420 Ом.
Мощность выделяющаяся на резисторе:
PR14=Iэ2R14=081210-616420=001 Вт.
Выбираем в качестве R14 металлодиэлектрический резистор [5 с.56]
С2-33Н-0125-16 кОм ±5%.
Расчёт сопротивления резистора R11
Найдём Rнппк=h11э 2+R14Ukm22Pвхок2+1 при Eк=Eк мин=23 В.
Входное сопротивление транзистора в режиме малых токов рассчитываем по формуле h11э 2=rб2+rэ22+1 где rб2=100 200 Ом и
rэ2=2510-3Iэ22510-3Iк2.
rэ2=2510-3Iэ2=2510-3078 10-3=32 Ом и примем rб2=150 Ом.
Тогда: h11э 2=150+3275+1=2582 Ом.
Rнппк=2582+16000492085201210-375+1=2582+16000850354276=
Откуда R11=Rнппк23-1035-49-345Iк1 минRнппк+Ukm=10251064307510-31025106+49=5697 Ом.
PR11=05Iк1 макс-Iк222R11=0544110-3-078 10-37525600=
Выбираем в качестве R11 металлодиэлектрический резистор [5 с.56]
С2-33Н-0125-56 кОм ±5%.
Выбор транзистора V1
Предельные режимы работы транзистора V1:
Uкэ1 макс=Eк макс=34 В;
Iк1 макс=Iк1+UkmR11+RнппкR11Rнппк=Iк1 мин+2UkmR11+RнппкR11Rнппк=
=07510-3+21025600+102510656001025106=441 мА;
Pк1=Uкэ1Iк1=045Eк максIк1=0453444110-3=0067 Вт.
По рассчитанным данным выбираем кремниевый планарно-эпитаксиальный транзистор (как и V2) n-p-n КТ315В [4 с. 113] с параметрами:
Коэффициент трансформации согласующего трансформатора:
n=W2W1=RнRнппк=RвхокRнппк=107103333106=0567.
Расчёт элементов цепи смещения R9 и R10
Суммарное сопротивление эмиттерной цепи Rэ=R12+R13=Uэ1Iк1=
=0153444110-3=1156 Ом.
Сопротивление базовой цепи обеспечивающее заданную температурную стабильность режима:
Rб≤1(Iк допRэ+Uбэ1)1+1Iко+Iэ111+12-Iк доп-Rэ
где Iк доп=Uкэ1R11=015345600=09110-3 (А) - допустимое температурное изменение коллекторного тока в режиме покоя;
Uбэ1=-2T=-280=-160 (мВ) - температурное смещение входных характеристик;
Iко0 - температурное приращение обратного тока коллектора для кремневых транзисторов.
=00008T=75000880=48 – температурное приращение коэффициента усиления тока в схеме с общим эмиттером для кремниевых транзисторов 0 - значение при нормальной температуре (+20).
Rб≤75(09110-31156-16010-3)1+750+44110-3481+752-09110-3-1156=26323 Ом.
Также найденная величина Rб должна удовлетворять следующему неравенству:
Rб≤015 03Eк-Uэ1-Uбэ2Iк11=01534-51-0544110-375
Тогда значения резисторов цепи смещения:
R9=EкUэ1Rб=345127000=180000Ом;
R10=RбR9R9-Rб=27000180000180000-27000=31765 Ом.
Мощности выделяющиеся на резисторах:
PR9Eк максR9+R102R9=34180000+317652180000=0005 Вт;
PR10Eк максR9+R102R10=34180000+31765240588=00006 (Вт)
Выбираем из [5 с. 56] в качестве R9 металлодиэлектрический резистор С2-33Н-0125-180 кОм ± 5% а в качестве R10 - С2-33Н-0125-32 кОм ± 5%.
Расчёт элементов цепи обратной связи R12 и R13
Вследствие большого технологического разброса значения транзисторов одного типа коэффициент передачи по напряжению каскада также будет иметь значительный разброс при установке транзисторов без предварительного отбора.
Для серийнопригодности проектируемого усилителя необходимо стабилизировать KU. Стабилизацию значения KU можно осуществить охватом ООС по напряжению одного или нескольких каскадов.
Применим стабилизацию коэффициента усиления по напряжению введением ООС по переменному току.
Зададимся нестабильностью коэффициента усиления каждого каскада KU=005. Тогда требуемый коэффициент стабилизации: =1KU где
=21 макс-1 мин1 макс+1 мин=2120-30120+30=12 - относительный разброс коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ. =12005=24.
Тогда величина сопротивления резистора обратной связи R12 обеспечивающая требуемую нестабильность коэффициента усиления каскада:
R12=Rос=h11э 1-11-+1
где входное сопротивление транзистора в режиме малых токов рассчитываем по формуле: h11э 1=rб1+rэ1(1+1) где rб1=100 200 Ом и rэ12510-3Iк1=2510-3Iк1 макс2.
Найдём rэ1=2510-344110-32=8 Оми примем rб1=150 Ом.
h11э 1=150+875+1=758 Ом;
R12=75824-175-24+1=335 Ом;
R13=Rэ-R12=1156-335=821 Ом.
PR12=Iэ12R12=441210-6330=0006 Вт;
PR13=Iэ12R13=441210-6820=0016 Вт.
Выбираем из [5 с. 56] в качестве R12 металлодиэлектрический резистор С2-33Н-0125-330 Ом ± 5% а в качестве R13 - С2-33Н-0125-820 Ом ± 5%.
Характеристики предоконечного каскада
Коэффициент усиления по напряжению каскада охваченного обратной связью:
KUпк ОС=1(RнппкR11)h11э 1+Rэ~(1+1)=75(102510656103)758+330(75+1)=16167
где Rэ~=R12 - сопротивление эмиттерной цепи по переменному току;
Входное сопротивление предоконечного каскада:
Rвхпк=h11э 1+R121+1Rб=758+33075+127000=
Выходное сопротивление предоконечного каскада:
Rвыхпк=R11+h11э 22+1R14=5600+75875+116000=8323 (Ом).
Применим модулятор изображённый совместно с входным каскадом (рис. 3)
Рис.3 Схема входного каскада с модулятором
Интегральный прерыватель реализуем на микросхеме К124КТ1.
Расчёт элементов модулятора производим с учётом обеспечения заданного входного сопротивления усилителя.
В соответствии с ТЗ оно должно составлять 100 кОм. В приведённой выше схеме входное сопротивление обеспечивает резистор R1=Rвх выбираем резистор С2-33Н-0125-100 кОм ± 5%.
Подбираем сопротивления R2=R3=1 кОм. С учётом того что токи через эти резисторы IR2=IR31 мА рассчитываем рассеиваемые мощности:
PR2=PR3=IR22R2=110-61000=0001 Вт.
В качестве R2 и R3 выбираем металлодиэлектрические резисторы С2-33Н-0125-1 кОм ± 5%.
Сопротивление нагрузки модулятора выбираем равным Rн=R5=R1=
В качестве R5 выбираем металлодиэлектрический резистор С2-33Н-0125-100 кОм ± 5%.
Коэффициент передачи модулятора по первой гармонике выходного сигнала:
KUм=4Rн2Rн+R1=41000002100000+100000=0424.
Расчёт входного каскада
Входной каскад реализуем на операционном усилителе 140УД7.
Его параметры: Uпит=±15 В; Iпотр=28 мА; KU≥30000; Rвх≥400 кОм.
Данный ОУ имеет двухполярное питание для его обеспечения используем схему с параметрическим стабилизатором.
Из [6 с. 553] стабилитрон кремниевый планарный КС510А с параметрами:
Uст=10 В; Iст мин=1 мА; Pмакс=1 Вт.
Величина добавочного резистора:
R4=Eк мин-UстIст мин+Iн макс=Eк мин-UстIст мин+Iпотр ОУ=23-1010-3+2810-3=3421 Ом.
Мощность выделяющаяся на транзисторе:
PR4=Eк макс-2Uст2R4=34-21023421=0057 Вт.
В качестве R4 из [5 с. 56] выбираем металлодиэлектрический резистор С2-33Н-0125-33 кОм ± 5%.
В качестве схемы включения ОУ используем схему инвертирующего включения с высоким входным сопротивлением.
Резистор R5 обеспечивает входное сопротивление каскада. Коэффициент усиления входного каскада будет определяться как KUвхR6R5R7+R8R8.
В качестве R6 из [5 с. 56] выбираем металлодиэлектрический резистор С2-33Н-0125-100 кОм ± 5%. Тогда KUвхR7+R8R8.
Исходя из величины входного сигнала (чувствительности каскада) приведённой в техническом задании а также из условия обеспечения выходного напряжения найдём требуемый общий коэффициент усиления всего усилителя:
KUобщ=KUмKUвхKUпкnТр1KUокnТр2=UутUвх=1102001=15556
KUвх=KUобщKUмKUпкnТр1KUокnТр2=15556042416167066817963=
R7+R8R8=98768; R7=567R8.
В качестве R8 из [5 с. 56] выбираем металлодиэлектрический резистор С2-33Н-0125-1 кОм ± 5% а в качестве R7 - С2-33Н-0125-56 кОм ± 5%.
Тогда коэффициент усиления входного каскада KUвх=98.
Расчёт реактивных элементов
При малых значениях φ сдвиги фаз вносимые каждым реактивным элементов считают независимыми. В этой связи расчёт реактивных элементов основывают на распределении между ними общего фазового сдвига.
Наибольший сдвиг фазы вносят трансформаторы. При их расчёте примем
φL=3 7°=5°=0087 радиан. Индуктивность первичной обмотки трансформатора рассчитывается по формуле из [1 с.48]:
где Rнп - сопротивление нагрузки трансформатора приведённое к первичной обмотке;
Rвых – выходное сопротивление каскада нагруженного на трансформатор;
f=400 Гц - рабочая частота двигателя АДП-123Б.
Выбор трансформатора обуславливается передаваемой мощностью коэффициентом трансформации и индуктивностью первичной обмотки учитываем так же что действующие значения напряжений на обмотках должны быть меньше паспортных а для реализации необходимого КПД сопротивления обмоток должны быть меньше расчётных.
Выбираем выходной трансформатор Тр2 по параметрам:
Передаваемая мощность PТр 2=Pу=135085=1588 Вт;
Коэффициент трансформации nТр2=963;
Индуктивность первичной обмотки L2RнпокRвыхок2fφL=966223966+22324000087=
Действующие значения напряжения на обмотках трансформатора:
UТр2 1=192=1348 В UТр2 2=110 В
Сопротивление первичной и вторичной обмоток трансформатора:
r1≤0586Rнпок1-=05869661-085=0849 Ом
r2≤0414Rнок1-1=041489631085-1=6548 Ом.
Из [1 приложение 6] выбираем трансформатор ТОТ213:
Индуктивность первичной обмотки: 0025 Гн;
Максимальное напряжение первичной обмотки: 22х2 В;
Коэффициент трансформации: nТр2=n6=96;
Сопротивление обмоток постоянному току при +20: 49 Ом.
Выбираем трансформатор Тр1 по параметрам:
Передаваемая мощность PТр 1=Pвхок=003610-3085=0042 мВт;
Коэффициент трансформации nТр1=057;
Индуктивность первичной обмотки L2RнппкRвыхпк2fφL=102510633321025106+333224000087=
UТр1 1=4032=286 В UТр1 2=172 В
r1≤0586Rнпок1-=058610250001-085=90097 Ом
r2≤0414Rнок1-1=04141070001085-1=7817 Ом.
Из [1 приложение 4] выбираем трансформатор ТНС1Т:
Максимальное напряжение первичной обмотки: 6 В;
Коэффициент трансформации: nТр1=n6=06;
Сопротивление обмоток постоянному току при +20:
Фазовый сдвиг вносимый разделительным конденсатором зададим в пределах:
φCр=05 1°=06°=001 радиан.
Ёмкость разделительного конденсатора [1 с.49]:
где f=400 Гц - рабочая частота двигателя АДП-123Б;
Rвых - выходное сопротивление предыдущего каскада;
Rвх - входное сопротивление следующего каскада.
Разделительный конденсатор для входного каскада:
C1124000+100103001=039810-6 Ф=0398 мкФ
Выбираем конденсатор по справочнику [3 с.431]:
К53-1А-40-033мкФ±5% (танталовый оксидно-полупроводниковый)
Разделительный конденсатор для предоконечного каскада:
C2124002+24789001=16110-6 Ф=161 мкФ
К53-1А-40-15мкФ±5% (танталовый оксидно-полупроводниковый)
Разделительный конденсатор для оконечного каскада:
C4124008323+107000001=037110-6 Ф=0371 мкФ
Величина конденсатора шунтирующего резистор эмиттерной цепи [1 с.49]:
Rэкв=R12+h11э1+RвыхRб~1+1
где Rвых=2 Ом - выходное сопротивление предыдущего каскада;
Rб~=27 кОм - сопротивление цепи смещения переменному току.
Пусть φэ=06°=001 радиан.
Rэкв=330+758+22700075+1=340 (Ом)
C3=12400(820340001=16610-6 Ф=166 мкФ
К53-18-16-150 мкФ±10% (танталовый оксидно-полупроводниковый)
Список используемой литературы
Логинов А.В. Усилители следящих систем: учебное пособие по курсовому проектированию; Лен. мех. ин-т. –Л 1981. - 81стр.
Логинов А.В. Аналоговые усилительно-преобразовательные устройства: учеб. пособие; Балт. гос. техн. ун-т. –Спб. 2008. - 181стр.
Справочник по электрическим конденсаторам Под ред. И.И. Четверткова и В.Ф. Смирнова. –М.: Радио и связь 1983. -576 стр.
Транзисторы для аппаратуры широкого применения: справочник Под ред. Б.Л. Перельмана. –М.: Радио и связь 1981. -656 стр.
Резисторы: справочник Под ред. И.И. Четверткова. –М.: Энергоатомиздат 1991. -528 стр.
Полупроводниковые приборы: Диоды тиристоры оптоэлектронные приборы. Справочник Под общей редакцией Н.Н. Горюнова. –М.: Энергоатомиздат 1983. -744 стр.

Чертеж.cdw

Схема электрическая принципиальная