Разработка нормирующего измерительного усилителя с источником питания и защитой от перенапряжения

Исмагилов 3-12.doc

Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет
Пояснительная записка
«Разработка нормирующего измерительного усилителя с источником питания и защитой от перенапряжения»
Вариант 3 задание 12.
Техническое задание4
Выбор структурной схемы усилителя.5
Проектирование входной части.6
Проектирование выходной части.12
Проектирование промежуточной части.16
Блок защиты от перенапряжения.18
Частный случай управления энергией при котором путем затраты небольшого ее количества можно управлять энергией во много раз большей называется усилением. Устройство осуществляющее такое управление называется усилителем. Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах вакууме и полупроводниках.
Операционными усилителями (ОУ) называют высококачественные усилители постоянного тока (УПТ) предназначенные для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью.
В нашем случае усилитель является УПТ который позволяет усиливать медленно изменяющиеся сигналы. Соответственно на входе выходе и между каскадами у него отсутствуют реактивные элементы которые не пропускают постоянную составляющую сигнала. В настоящее время в качестве таких усилителей используют интегральные операционные усилители. По конструктивному исполнению они являются законченными высокостабильными широкополосными высококачественными УПТ имеющими высокий коэффициент усиления дифференциальный вход и симметричный выход.
Разработать нормирующий измерительный усилитель с источником питания и с защитой от перенапряжения входного сигнала. Технические условия приведены ниже.
Минимальный входной ток мкА
Максимальный входной ток мА
Входное сопротивление в полосе рабочих частот кОм
Нижняя граница диапазона частот усилителя Гц
Верхняя граница диапазона частот усилителя Гц
Погрешность коэффициента усиления в полосе рабочих частот не более %
Дополнительный фазовый сдвиг в полосе рабочих частот не более град
Минимальное сопротивление нагрузки Ом
Диапазон изменения выходного тока мА
Рабочий диапазон температур °С
Напряжение питания 220 В 50 Гц.
Выбор структурной схемы усилителя.
Структурная схема позволяет проектировщику в первом приближении представить себе из каких функциональных узлов будет состоять изделий.
Если в техническом задании на проектирование содержатся специальные требования относящиеся к входной или выходной цепям то их легче всего удовлетворить в этом случае когда в структуре усилителя имеются специальные входные и выходные части. Поскольку основным средством получения параметров является введение цепей обратной связи то входная и выходная части могут представлять собой самостоятельные усилители охваченные местной обратной связью.
Таким образом структурная схема усилителя будет иметь вид показанный на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема усилителя.
9 – линейные сравнивающие (вычитающие) устройства;
10 – электронные усилители;
11 – обратные связи;
– делитель напряжения;
– разделительные RC цепи не пропускающие постоянную составляющую.
Проектирование входной части.
Входная часть по рисунку 1 состоит из усилителя делителя напряжения и полосового фильтра.
По ТЗ усилитель должен обеспечивать:
- входное сопротивление не менее 03 кОм;
- погрешность входного сопротивления в полосе рабочих частот от 1000 до 10000 Гц не более 2%;
- приведенный температурный дрейф нуля не более 10 мкВград.
Входное напряжение рассчитаем исходя из параметров заданных в ТЗ:
Исходя из данных требуемого усилителя выбираем микросхему операционного усилителя К140УД26. Ее технические параметры:
- частота единичного усиления 20 МГц;
- максимальное выходное напряжение 12 В;
- напряжение смещения нуля 30 мкВ;
-температурный дрейф нуля 06 мкВград.
В качестве схемы включения выбираем схему инвертирующего усилителя.
Рисунок 2. Схема инвертирующего усилителя.
Оценим допустимое изменение входного сопротивления.
Найдем значение сопротивления резистора R2 при этом нужно исходить из того что изменение коэффициента усиления ОУ в полосе рабочих частот не изменяет значение более чем на 6 Ом.
Рисунок 3. ЛАЧХ микросхемы К140УД26.
Ку(1000) = 8448 дБ = 1674942
Ку(10000) = 6548 дБ = 187931
Пусть R1 = 604 Ом. Выбираем коэффициент усиления входной части усилителя Ку = 1.
Тогда R2 = R1 · Ky = 604 · 1 = 604 Ом.
R3 = R1 R2 = = = 302Ом
Значение резистора R3 выбираем из ряда Е192 R3 =302 Ом.
Коэффициент частотных искажений определяем по формуле
Многопредельный делитель напряжения необходим для того чтобы получить минимальное напряжение на выходе из некоторого диапазона постоянного (или переменного) напряжения на входе. После входного усилителя получили диапазон напряжений: Umin = 0006 В Umax = 9 В. от данного многопредельного делителя напряжения требуется получить минимальное напряжение (Umin = 0006 В). Схема делителя напряжения показана на рисунке 4.
Рисунок 4. Делителя напряжения.
Если на вход подается минимальное напряжение (Uвх = Um если на вход подаётся напряжение 9 В то напряжение на выходе будет сниматься с предела I; если на вход подаётся напряжение равное то напряжение на выходе будет сниматься с предела если на вход подаётся напряжение равное то напряжение на выходе будет сниматься с предела Ш; если на вход подаётся напряжение равное то напряжение на выходе будет сниматься с предела IV.
Падение напряжения на резисторе R1 равно U1 = 0284 - 0006 = 0278 В;
падение напряжения на резисторе R2 равно U2 = 09 - 0284 = 0616 В;
падение напряжения на резисторе R3 равно U3 =2846 - 09 = 1946 В;
падение напряжения на резисторе R4 равно U4 = 9 - 2846 = 6154 В;
падение напряжения на резисторе R5 равно U5 = 0006 В.
Возьмём суммарное сопротивление резисторов R = 100 кОм. Тогда ток протекающий через все сопротивления при максимальном входном напряжении равен:
Исходя из падений напряжений найдём значения соответствующих сопротивлений.
Выберем из ряда Е 192 номиналы резисторов: R1 = 3.09 кОм R2 = 6.9 кОм R3 = 21.8 кОм R4 = 69 кОм R5 = 67 Ом.
Для коммутации нескольких выходов делителя в один выход используется аналоговый ключ. Число каналов должно быть не менее 6. Исходя из этого выбираем микросхему К590КН6. Её технические характеристики:
- коммутируемое напряжение ±15 В;
- коммутируемые токи 20 мА;
- напряжение питания ±15 В.
Полосовой фильтр предназначен для пропускания сигналов в полосе частот от 1000 до 10000 Гц.
Рисунок 6. Разделительная RC-цепочка (фильтр нижних частот)
Значения R и С рассчитаем исходя из соотношения = RC = где
Выберем значение емкости С=1 мкФ. Тогда
Выберем из ряда Е192 номинал резистора R=100 Ом.
Рисунок 7. Разделительная RC-цепочка (фильтр верхних частот)
Значения R и C выбираем из отношения соотношения = RC = где f= f5 = 1000 Гц.
Выберем из ряда Е192 номинал резистора R=1 кОм.
Проектирование выходной части.
По заданию усилитель должен иметь выходной ток 5 мА при нагрузке 15 Ом и обеспечивать погрешность коэффициента усиления в полосе рабочих частот не более 2%.
Рисунок 8. Выходная часть.
Так как для ОУ К140УД26 сопротивление нагрузки должно быть не менее 2кОм используем усилитель мощности на транзисторах VT1 и VT2. Такие схемы позволяют получить большие выходные токи и обеспечивают получение малых выходных сопротивлений. Каждое из плеч выходного усилителя мощности работает в течение одного полупериода.
Примем коэффициент усиления по току Ki = 5.
Так как h21э у одного транзистора у которого IK max позволяет обеспечить в нагрузке нужное значение тока находится в пределах 30÷90 используем одно плечо выходных транзисторов. Таким образом по ориентировочной оценке одно плечо обеспечит получение требуемого коэффициента усиления по току с достаточным запасом.
Определившись со схемой приступим к выбору транзисторов согласно следующим условиям:
КТ315Д – транзистор кремниевый n-p-n усилительный
h21э=20÷90 UКЭ макс=40В IK макс=100mА;
КТ361Д – транзистор кремниевый p-n-p усилительный
h21э=20÷90 UКЭ макс=40В IK макс=50mA [5].
Примем номиналы резисторов R7 и R8 по 100 Ом. Тогда сопротивление в эммитерной цепи составит вместе с сопротивлением нагрузки усилителя Rэ = 100 + 15 = 115 Ом. Падение напряжение в эммитерной цепи транзистора: Uэ = Rэ · I = 115 · 002 = 23 В. Чтобы обеспечить коэффициент усиления каскада по напряжению КU = 1 то
Rвх = (1+Ki) · Rэ = (1+ 5) · 115 = 690 Ом.
Резисторы R5 R6 и количество диодов VD в каждом плече выбирается из следующих соображений. На базы транзисторов VT1 VT3 следует подать небольшое постоянное напряжение смещения. Оно должно обеспечить открывание транзисторов VT1 VT3 и устранение нелинейных искажений типа ступеньки. Пусть токи покоя равны Iко = 1 мА. Находим ток базы по коэффициенту усиления тока Iбо = 1 5 = 02 мА. По входной характеристике транзистора находим что для получения тока Iбо = 50 мкА необходимо иметь напряжение Uбэ = 06 В. Ток транзистора VT1 создает на сопротивлении в эмиттерной цепи напряжение равное
U = Iко · Rэ = 0001 · 115 = 0115 В.
Напряжение смещения транзисторов VT1 VT2
Uсм =Uбэ +U = 06 + 0115 = 0715 В.
В качестве диодов VD1 VD2 используются маломощные диоды. Ток цепи обеспечивающий напряжение смещения обычно выбирается в 5 – 20 раз больше тока базы Iбо. Эти цифры определяют приближенное значение тока через резисторы R5 R6. Возьмем ток резисторов R5 R6 равным 1 мА. Ориентируясь на это значение тока по справочнику выберем диод у которого при данном или близком токе падение напряжения будет равным
Uсм =nUд где n – количество последовательно включенных диодов Uд – падение напряжения на диоде. Выбираем КД521Г.
Значение резисторов R5 R6 находится из уравнения
. По ряду Е192 принимаем значения резисторов R5 R6 = 15 КОм.
Сопротивление резистора R4 принимаем 1 КОм. Тогда сопротивление нагрузки для ОУ равно Rн.ОУ = R5 Rвх + R4 = 1511 Ом. Резистор R4 вместе с входными сопротивлениями плеч составляет делитель напряжения. На базе транзисторов VT1 VT2 будет напряжение Uвх равное Uэ = 22 В т.к. КU приняли равным единице. Тогда напряжение на выходе ОУ будет определяться из уравнения
отсюда Uвых.ОУ = 3 В.
Примем коэффициент усиления ОУ в выходной части Ку вых.ч.= 3. Пусть R1 = 10 Ком. Тогда R2 = R1 · Ky = 10000 · 3= 30000 Ом. По ряду Е192 принимаем R2 = 301 КОм. по ряду Е192 принимаем R3 = 750 КОм.
Проектирование промежуточной части.
Промежуточная часть выполняется из условия получения требуемого коэффициента усиления.
Выходное напряжение входной части Uвых.вх.ч.= 0006 В. Выходное напряжение усилителя равно Uвых. У = 0075 Отсюда коэффициент усиления промежуточной части . В качестве схемы включения выбираем инвертирующий усилитель.
Рисунок 9. Усилительный каскад.
Микросхемы выбираем К140УД26 технические характеристики описаны в п.2.
Для DA1 выбираем коэффициент усиления Ку1 = 3. Для DA2 выбираем коэффициент усиления Ку2 = 4.
Выбираем номиналы R1 = R4 = 10 КОм.
Тогда R2 = R1 · Ky1 = 10000 · 3 = 30000 Ом. По ряду Е192 принимаем R2 = 301 кОм.
по ряду Е192 принимаем R3=75 кОм.
R5 = R4 · Ky2 = 10000 · 4 = 40000 Ом. По ряду Е192 принимаем R2 = 402 кОм.
по ряду Е192 принимаем R6=806КОм.
Определяем коэффициенты частотных искажений. Для DA1:
Мпр = Мпр1 · Мпр2 = 1002 · 10022 = 10042
Коэффициент частотных искажений всего усилителя:
М = Мвх · Мпр · Мвых = 1001 · 10042 · 1001 = 10062. Это меньше 2% - что удовлетворяет ТЗ.
Определим дополнительный фазовый сдвиг в полосе рабочих частот. Каждый инвертирующий усилитель дает фазовый сдвиг 180º. В нашей схеме их 4 - четное количество значит общий фазовый сдвиг составляет 0º.
Блок защиты от перенапряжения.
Блок защиты от перенапряжения необходим защиты от перенапряжения входного сигнала подаваемого на измерительный усилитель и для защиты от перенапряжения питания элементов усилителя.
защиты от перенапряжения достигается введением во входную цепь стабилитронов по схеме на рисунке 11.
Рисунок 11. Блок защиты от перенапряжения.
Использование балластного сопротивления перед стабилитроном нецелесообразно т.к. источник сигнала не имеет внутреннего сопротивление. Так как не поставили балластное сопротивление категорически запрещается питающие провода накоротко соединять с «землей» или с корпусом во избежание вывода из строя стабилитронов VD1 и VD2. Выбираем стабилитрон Д815Е.
Потребляемая мощность микросхем указана в таблице.
Суммарная потребляемая мощность:
Iпотр = 4·447 + 1·35 = 2138 мА.
Pпотр = Pмикр + Pнагр = 282 + 525 = 3345 Вт.
В качестве трансформатора выбираем ТПП 248-127220-50. Его технические характеристики:
- напряжение вторичных обмоток 20 20 4 В;
- ток вторичной обмотки 0165 А;
Для выпрямления выбираем диодный мост КЦ410Г. Его технические характеристики:
- максимальный прямой ток 3А;
- обратное напряжение 100 В.
Для стабилизации напряжения выбираем интегральный стабилизатор К142ЕН6. Его технические характеристики:
- входное напряжение ±20 В;
- выходное напряжение 147 - 153 В;
- максимальный ток нагрузки 02 А;
- коэффициент нестабильности по напряжению 00015 %;
- коэффициент нестабильности по току 02 %.
Схема включения стабилизатора К142ЕН6 приведена на рисунке 12.
Рисунок 12. Схема включения стабилизатора К142ЕН6.
Номиналы конденсаторов выбираем по 100 мкФ рассчитанных на напряжение 47 В в цепях до стабилизатора и на 25 В в цепях после стабилизатора.
В данной курсовой работе мною был разработан нормирующий измерительный усилитель с блоком питания и блоком защиты от перенапряжения. Входным сигналом является напряжение выходным сигналом - ток. Рассчитаны коэффициент усиления и коэффициент частотных искажений которые отвечают требованиям ТЗ.
В.Г. Гусев А.В. Мулик «Проектирование электронных аналоговых измерительных устройств. Учебное пособие» УГАТУ 1990г.
И.П. Достал «Операционные усилители. – М.: Мир» 1982г.
Т. М. Агаханян «Интегральные микросхемы. – М.: Энергоатомиздат» 1983г.
А.А. Зайцев А.И. Миркин и др. «Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности: справочник – 2-е изд. стереотип. – М.: Радио и связь» 1994.
В.Е. Китаев и др. «Расчёт источников электропитания устройств связи» 1993г.
Курс лекций по дисциплине «ИИТ и электроника».
Справочное издание «Интегральные микросхемы. Операционные усилители. Том1». - М.: ВО «Наука» 1993г.

схема.cdw

Усилитель с блоком питания
Схема электрическая принципиальная
Блок защиты от перенапряжения