Расчёт элементов источника тока на ОУ и полевом транзисторе

Схема принципиальная.dwg

Однополярный источник тока на ОУ и полевом транзисторе Схема электрическая принципиальная

Перечень элементов.dwg

!!!Расчётно-пояснительная записка.docx

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ6
1 Источник тока с незаземлённой нагрузкой6
2 Источник тока с заземлённой нагрузкой7
2 Источник тока Хауленда.10
АНАЛИЗ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ПРЕДЛОЖЕННОЙ СХЕМЫ12
РАСЧЕТ ЗНАЧЕНИЙ ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ13
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ16
При построении линейных электрических схем кроме пассивных элементов используются идеализированные активные элементы в виде управляемых источников тока. В данной курсовой работе будут рассмотрены основные схемы реализующие источники стабильного тока будет дано их описание и принцип действия. Также будет сделан расчёт схемы однополярного источника тока на операционном усилителе и полевом транзисторе и подбор элементов для реализации этой схемы. После чего в программе Altium Designer разработаем печатную плату рассчитанной схемы.
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
1 Источник тока с незаземлённой нагрузкой
На рисунке 1.1 изображена схема которая является хорошим приближением к идеальному источнику тока без сдвига напряжения Uбэ. Благодаря отрицательной ОС на инвертирующем входе поддерживается напряжение Uвх под действием которого через нагрузку протекает ток I = UвхR. Основной недостаток этой схемы состоит в том что нагрузка является «плавающей» (она не заземлена). С помощью такого источника тока нельзя например получить пригодный к использованию пилообразный сигнал напряжение которого отсчитывалось бы относительно потенциала земли. Этот недостаток можно преодолеть если например всю схему (источники питания и все остальное) сделать «плавающей» а нагрузку заземлить (рис. 1.2). Штриховой линией обведен рассмотренный выше источник тока с источниками питания. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения для установки тока. Представленную схему используют для формирования токов протекающих через заземленную нагрузку но ее существенный недостаток в том что управляющий вход является плавающим это значит что выходной ток нельзя задать с помощью входного напряжения отсчитываемого от потенциала земли.
Рисунок 1.1. – Источник тока с незаземлённой нагрузкой
Рисунок 1.2. – Источник тока с заземленной нагрузкой и плавающим источником питания.
2 Источник тока с заземлённой нагрузкой
С помощью операционного усилителя и подключенного к нему транзистора можно построить простой и высококачественный источник тока для заземленной нагрузки; небольшое дополнение к схеме операционного усилителя позволяет использовать на управляющем входе напряжение измеряемое относительно земли (рис. 1.3). В первой схеме обратная связь создает на резисторе R падение напряжения равное Uкк - Uвх которое в свою очередь порождает эмиттерный ток (а следовательно и выходной ток) равный Iэ = (Uкк - Uвх)R. При работе с этой схемой не приходится беспокоиться о напряжении Uбэ и его изменениях связанных с изменениями температуры Iк Uкэ и т.п. Несовершенство этого источника тока (не учитывая ошибки ОУ: Iсм Uсвд) проявляется лишь в том. что небольшой базовый ток может немного изменяться в зависимости от напряжения Uкэ (предполагаем что операционный усилитель не потребляет входной ток); этот недостаток - небольшая плата за возможность использования заземленной нагрузки; если в качестве транзистора Т1 использовать составной транзистор Дарлингтона то погрешность будет существенно уменьшена. Погрешность возникает в связи с тем что операционный усилитель стабилизирует эмиттерный ток а в нагрузку поступает коллекторный ток. Если в этой схеме вместо биполярного использовать полевой транзистор то проблема будет полностью решена так как затвор полевого транзистора тока не потребляет.
Рисунок 1.3. Источники тока с заземлёнными нагрузками не требующие плавающего источника питания.
В рассматриваемой схеме выходной ток пропорционален величине на которую напряжение приложенное к неинвертирующему входу операционного усилителя ниже чем напряжение питания Uкк иными словами напряжение с помощью которого программируется работа схемы измеряется относительно напряжения питания Uкк и все будет в порядке если напряжение Uвх является фиксированным и формируется с помощью делителя напряжения; если же напряжение на вход должно подаваться от внешнего источника то возможны неприятности. Этого недостатка лишена вторая схема в которой аналогичный первый источник тока с транзистором n-p-n - типа служит для преобразования входного управляющего напряжения (измеряемого относительно земли) во входное напряжение измеряемое относительно Uкк для оконечного источника тока.
На рис. 1.4 представлен ещё один вариант схемы источника тока на основе ОУ и транзисторов. Преимущество этой схемы состоит в том что базовый ток приводящий к ошибке в случае использования полевых транзисторов здесь равен нулю выходной ток не ограничивается значением Iси(вкл). В этой схеме (фактически - это не источник а потребитель тока) транзистор Т2 начинает проводить когда через транзистор Т1 протекает ток стока величиной приблизительно 06 мА. При минимальном значении Iси для Т1 равном 4 мА и подходящем значением для Т2 величина тока протекающего через нагрузку может достигать 100 мА и более (для получения больших токов транзистор Т2 можно заменить транзистором Дарлингтона при этом нужно соответственно уменьшить R1. В данном схеме были использованы полевые транзисторы с p-n - переходом но еще лучше было бы использовать полевые МОП - транзисторы так как для ОУ на полевых транзисторах с p-n - переходом требуется расщепленный источник питания обеспечивающий диапазон напряжения на затворе достаточный для перехода транзистора в режим отсечки. Ничего не стоит с помощью простого мощного полевого МОП - транзистора (МОП - структура с V-образной канавкой) получить ток побольше однако мощным полевым транзисторам присущи большие межэлектродные емкости а представленная здесь гибридная схема как раз и позволяет при одолеть связанные с этим проблемы.
Рис. 1.4. Источник тока на полевыхбиполярных транзисторах предназначенный для больших токов.
2 Источник тока Хауленда.
На рис. 1.5. показан источник тока Хауленда. Если резисторы подобраны таким образом что выполняется соотношение R3R2 = R4R1 - то можно показать что справедливо равенство: Iн = - UвхR2.
Рис. 1.5. Источник тока Хауленда.
Эта схема всем хороша кроме одного – резисторы должны быть точно согласованы иначе источник тока будет далек от совершенства. Но даже при выполнении этого условия определенные ограничения накладывает коэффициент КОСС операционного усилителя. При больших выходных токах резисторы должны быть не большими тем самым ограничивается выходной диапазон. Кроме того на высоких частотах (где усиление в цепи обратной связи невелико) выходной импеданс может существенно уменьшаться - от требуемого бесконечного значения до всего лишь нескольких сотен ом (что соответствует выходному импедансу ОУ с разомкнутой обратной связью). Хоть эта схема и хороша с виду на практике ее используют редко.
АНАЛИЗ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ПРЕДЛОЖЕННОЙ СХЕМЫ
Рисунок 2.1 – Низковольтный источник опорного напряжения
Схему приведённую на рисунке 2.1 можно использовать только при положительных входных сигналах. Благодаря действию обратной связи падение напряжения на резисторе R1 равно Uвх. Ток протекающий через резистор R1 равен току нагрузки. Cтабилитрон VD1 защищает переход затвор-исток от обратных напряжений.
Транзистор должен выдерживать максимальный ток максимальное напряжение и максимальную мощность которые должна обеспечить схема.
Входное напряжение на прямом входу операционного усилителя должно быть больше нуля.
РАСЧЕТ ЗНАЧЕНИЙ ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
) Зададимся Uвх = 1 В.
) Выберем полевой транзистор с индуцированным каналом n-типа – КП901А.
Максимальное напряжение сток-исток Uси В70
Максимальный ток сток-исток при 25 С Iси макс. А4
Максимальная рассеиваемая мощность Pси макс. Вт20
Крутизна характеристики S мАВ100
Выбираем данный транзистор т.к.: Uпит2 Uси(max) и Iст Iси макс.
) Рассчитаем резистор R1: Ом
Uпит2 = Uн(max) + UR1 + Uси
Uн(max) = Iст Zн(max) = 02 200 = 40 В
UR1 = 1 В – т.к. на прямой вход ОУ подаём 1 В.
Uси = Uотс =10 В – определяем по сток-истоковой характеристике транзистора:
Рисунок 3.1 – Низковольтный источник опорного напряжения
Uпит2 = 40 + 1 + 10 = 51 В Uси(max)
) Выберем стабилитрон КС218Ж:
Мощность рассеяния Вт0125
Номинальное напряжение стабилизации В18
Статическое сопротивление Rст. Ом 70
Минимальное напряжение стабилизации В16
Максимальное напряжение стабилизации В20
Минимальный ток стабилизации Iст.мин. мА05
Максимальный ток стабилизации Iст.макс. мА69
Рабочая температура С-60 125
Выбираем данный стабилитрон т.к. номинальное напряжение стабилизации равно 18 В.
) Выберем операционный усилитель К140УД6А:
Напряжение питания 15 В ±10%
Выходное напряжениене менее 11 В
Напряжение смещения нуля 10 мВ
Входной токне более 100 нА
Разность входных токовне более 25 нА
Ток потребленияне более 4 мА
Коэффициент усиления напряженияне менее 30000
Входное сопротивление1 мОм
Скорость нарастания входного напряженияне менее 05 В
Поскольку затвор транзистора в статическом режиме практически не потребляет ток использовать можем любой операционный усилитель.
) Для обеспечения требуемой погрешности стабилизированного тока в 1% выберем резисторы R1 и R2 из ряда E96 с номиналами 499 ± 1% Ом и 100 ± 1% Ом соответственно.
Используем резисторы:
С2-33 Н-025-499Ом-1%
С2-33 Н-025-100Ом-1%
В данном курсовом работе были произведены выбор элементной базы для однополярного источника тока на операционном усилителе и полевом транзисторе его обоснование расчёт номинальных значений элементов была разработана печатная плата устройства.
В процессе написания курсовой работы были рассмотрены основные схемы реализации источников тока.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
Бородин Б.А. Ломакин В.М. Мокряков В.М. Петухов А.К. Мощные полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные стабилитроны тиристоры. Справочник. М: Радио и связь1985 г. –270 с.
Бородин Б.А. Ломакин В.М. Мокряков В.М. Петухов А.К. Мощные полупроводниковые приборы. Транзисторы. Справочник. М: Радио и связь1985 г. –542 с.
Пейтон А.Дж. Аналоговая электроника на операционных усилителях. – М.: БИНОМ 1994 г. – 68 с.
Титце У. Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М. ДМК Пресс 2007 г. – 73 с.

!!!Реферат.docx

Пояснительная записка 15с. 7 рис. 5 источников 2 прил.
ОДНОПЛЯРНЫЙ ИСТОЧНИК ТОКА ОПЕРАЦИОНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР РЕЗИСТОР НАГРУЗКА СТАБИЛИТРОН.
Целью курсового проекта является анализ принципа действия предложенной схемы обоснование выбора её элементов и расчёт номинальных значений этих элементов а также разработка печатной платы устройства.
Расчёты должны проводиться с учётом заданных начальных условий. Печатная плата может быть разработана как на миллиметровой бумаге так и с помощью специальных пакетов систем автоматизированного проектирования (САПР).