Проектування перетворювача струму в напругу

Мiнiстерство освiти i науки Украiни

Вiнницькiй нацiональний технiчний унiверситет

РЖнститут автоматики, електронiки та комптАЩютерних систем управлiння

Факультет автоматики та комптАЩютерних систем управлiння

Кафедра метрологii та промисловоi автоматики

Проектування перетворювача струму в напругу

Пояснювальна записка до курсового проекту

з дисциплiни тАЭОснови електронiкитАЭ

зi спецiальностi 6.091302

тАЬМетрологiя та вимiрювальна технiкатАЭ

08-03.КП.005.00.000 ПЗ

Керiвник курсового проекту

к.т.н., доцент Дрючин О.О.

_________________________

(пiдпис, прiзвище та iнiцiали)

Розробив студент гр. 1АМ-06

_________ Олексин А.О.

(пiдпис, прiзвище та iнiцiали)

тАЭ___тАЭ ____________2009 р.

Вiнниця ВНТУ 2009

Змiст

Вступ

1. Розробка технiчного завдання

2. Розробка структурноi схеми

2.1 Аналiз iснуючи методiв вимiрювання струму

2.2 Розробка структурноi схеми перетворювача

2.3 Попереднiй розрахунок первинного перетворювача

2.4 Попереднiй розрахунок пiдсилювача потужностi

2.5 Попереднiй розрахунок пiдсилювача напруги

2.6 Розробка детальноi структури схеми

3. Електричнi розрахунки

3.1 Електричний розрахунок пiдсилювача потужностi

3.2 Електричний розрахунок пiдсилювача напруги

4 Моделювання одного з вузлiв

Висновки

Список лiтератури

Додаток A (обовтАЩязковий) Схема електрична принципова

Додаток Б (обовтАЩязковий) Перелiк елементiв

Вступ

Електронiка тАУ основний курс в системi пiдготовки сучасного iнженера в областi радiотехнiки i радiоелектронiки. РЗРЗ цiллю i вивчення фундаментальних закономiрностей, звтАЩязаних з отриманням сигналу, iх передачею по каналам звтАЩязку, обробкою i перетворенням в радiоелектричних колах. Електронiка надаi студентам значний обсяг понять i термiнiв, глибоке розумiння i вивчення яких необхiдне для подальшоi роботи.

Задача курсу тАУ навчити студентiв вибирати математичний апарат, що доцiльний для розвтАЩязку задачi, показати як працюi той чи iнший апарат при вирiшеннi конкретноi задачi в областi радiотехнiки. Не менш важливо показати студентам тiсний звтАЩязок математичного опису з фiзичного боку явища що розглядаiться. Сьогоднi електронiка надзвичайно швидко розвиваiться як в навчальному так i в технiчному планi. ЗтАЩявляються новi напрямки якi використовують новi навчальнi iдеi i методи.

Останнi десятилiття обумовленi широким впровадженням у галузi народного господарства засобiв мiкроелектронiки й обчислювальноi технiки, обмiн iнформацiiю з якими забезпечуiться лiнiйними аналоговими i цифровими перетворювачами (АЦП i ЦАП). ХХ столiття можна смiло вважати столiттям високих технологiй. Найяскравiший приклад високих технологiй ХХ столiття тАУ напiвпровiдникова електронiка, на базi якоi й створюються iнтегральнi схеми. Дуже знаменно, що в останнiй рiк минулого сторiччя Нобелевським лауреатом в областi фiзики став американський учений Дж. Кiлбi тАУ один iз творцiв першоi iнтегральноi мiкросхеми (вересень 1958 р.) Необхiдно вiдзначити, що транзистор був винайдений десятьма роками ранiше (1947 р.). Перша iнтегральна схема складалася всього з одного германiiвого транзистора, трьох резисторiв i конденсатора.

Сучасний етап характеризуiться великими та дуже великими iнтегральними схемами ЦАП i АЦП, що володiють високими експлуатацiйними параметрами: швидкодiiю, малими похибками, багатозаряднiстю. Включення БРЖС iдиним, функцiонально закiнченим блоком сильно спростило впровадження iх у прилади та установки, що використовуються як у наукових дослiдженнях, так i в промисловостi i дало можливiсть швидкого обмiну iнформацiiю мiж аналоговими та цифровими пристроями.

1. Розробка технiчного завдання

Метою курсового проекту i розрахунок та визначення технiчних параметрiв схеми перетворювача струм-напруга. Заданий дiапазон струмiв складаi вiд 0.1 мА до 1000 мА, значення максимальноi вихiдноi напруги дорiвнюi 20 В, значення опору навантаження складаi 15 Ом. Необхiдно розрахувати значення кожного з елементiв схеми перетворювача струм-напруга та згiдно розрахункам вибрати необхiдний операцiйний пiдсилювач, транзистори та дiоди.

При проектуваннi перетворювачiв струму варто звертати увагу на екранування проводiв, вибiр iзоляцii, усунення поверхневого опору iзоляцii i вибiр частоти живлення. Чим вище ця частота, тим менше вихiдний опiр, тому нерiдко частоту живлення вибирають велику (до декiлькох МГц).

Перетворювачi струм-напруга призначенi для роботи з джерелами струму. РЖдеальне джерело струму маi нескiнченний вхiдний опiр, а його вхiдний струм не залежить вiд опору навантаження. Прикладом таких джерел можуть слугувати фотоелементи: фотодiоди, фототранзистори. РЗх вихiдний опiр дуже великий (хоча i маi кiнцеве значення), тому чин менший опiр навантаження, тим в бiльшiй степенi вони працюють як джерела струму. Використання фотоелементiв в режимi джерела струму покращуi лiнiйнiсть свiтловоi характеристики, i забезпечуi бiльш високу швидкодiю, пiдвищуючи стабiльнiсть параметрiв пiд час ii експлуатацii.

З функцiiю перетворення струму в напругу успiшно виконуi iнвертуючий пiдсилювач, у якого опiр вхiдного резистора дорiвнюi нулевi.

При промисловому застосуваннi визначальним фактором i погрiшнiсть, що при регулюваннi процесiв повинна складати < 1%, а для задач контролю - 2..3%. Прилад повинний вiдтворювати вимiрюванi величини з погрiшностями, що допускаються, а саме одержання на виходi приладу величин, пропорцiйних вхiдним величинам; формування заданих функцiй вiд вхiдних величин (квадратична i логарифмiчна шкали й iн.); формування на виходi.

Вимiрювальний сигнал, одержуваний вiд контрольованого об'iкта, передаiться у вимiрювальний прилад у видi iмпульсу або у видi енергii. Можна говорити про сигнали: первинних - безпосередньо характеризують контрольований процес; сприйманих чуттiвим елементом приладу; поданих у вимiрювальну схему, i т.д. При передачi iнформацii вiд контрольованого об'iкта до покажчика приладу сигнали перетерплюють ряд змiн.

Та частина приладу, у якiй первинний сигнал перетвориться, наприклад, в електричний, називаiться первинним перетворювачем. Часто цей перетворювач сполучаiться з чуттiвим елементом. Сигнали з виходу первинного перетворювача надходять на наступнi перетворювачi вимiрювального приладу.

Основним недолiком цих схем i залежнiсть значення вихiдноi величини вiд параметрiв джерела живлення датчика, пiдсилювача й iнших елементiв схеми, а також вiд зовнiшнiх умов. Справдi, варто змiнитися напрузi чи частотi генератора, що живить датчик, як напруга, частота i фаза, що i вихiдними величинами i, що знiмаються з опору R, також змiняться.

Згiдно ДСТУ 2681-94 тАЮМетрологiя. Термiни та визначеннятАЭ та ДСТУ 2682-94 тАЮ Метрологiя. Метрологiчне забезпечення тАЭ даний розроблений перетворювач струм - напруга вiдноситься до первинних вимiрювальних перетворювачiв.

2. Розробка структурноi схеми

2.1 Аналiз iснуючих методiв вимiрювання струму

Струм - явище спрямованого руху носiiв електричних зарядiв (струм вiльних зарядiв) та змiну електричного поля в часi (струм замiщення). Обидва цi явища супроводжуються появою магнiтного поля. Додатнiм напрямом електричного струму прийнято вважати напрям руху носiiв позитивних зарядiв.

Електричний струм визначаiться кiлькiстю заряду, що проходить крiзь поверхню за одиницю часу, тобто:

I=dq/dt. (1)

Одиниця сили струму i Ампер i i однiiю з основних одиниць системи CРЖ:

[i] - [q]/[t] = 1К/с = 1А. (2)

Похiднi одиницi - це 1 мiлiампер (1 мА = 10-3А); 1 мiкроампер (1 мкА =10^-6А); 1 кiлоампер (1 кА = 10³А).

Для кiл постiйного струму можна визначити значення енергii за час t:

W = UIt. (3)

За наявностi струму та опору в колi за законом Ома можна визначити напругу для дiлянки кола:

U = IR. (4)

Для кiл постiйного струму потужнiсть можна отримати так:

P = IU. (5)

У якостi перетворювача струму у напругу використаiмо схему з iнвертуючим пiдсилювачем, у якого опiр вхiдного резистора приблизно дорiвнюi нулю (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема з iнвертуючим пiдсилювачем

При такому включеннi вхiдний опiр схеми маi дуже малу величину i

визначаiться виразом:

Ва(6)

Вихiдна напруга перетворювача струм-напруга пропорцiйна вхiдному струму РЖ (струм джерела), помноженого на опiр резистора зворотнього звтАЩязку Rз.з.:

Uвих = РЖRз.з. (7)

Для пiдвищення роздiльноi здатностi перетворювача струм-напруга необхiдно, щоб сигнальний струм перевищував значення вхiдного струму операцiйного пiдсилювача. Тому при вимiрюваннi малих струмiв варто використовувати операцiйнi пiдсилювачi з найменшими вхiдними струмами, пiдсилювачi з польовими транзисторами на входi (рисунок 2).

Ця схема також доцiльна у використаннi якщо немаi операцiйного пiдсилювача з малими вхiдними струмами.

Резистор R2 потрiбен для балансування вихiдноi напруги. Конденсатор С3 призначений для зменшення вихiдноi шумовоi напруги.

Для сучасних операцiйних пiдсилювачiв, що мають коефiцiiнт пiдсилення А порядку декiлькох десяткiв тисяч вхiдний опiр перетворювача струм-напруга складаi лише декiлька Ом.

Рисунок 2 тАУ Перетворювач струму в напругу з вхiдним каскадом на польових транзисторах

Похибка перетворювача струм-напруга значною мiрою визначаiться параметрами самого операцiйного пiдсилювача. Вона зумовлена напругою змiщення, вхiдним струмом та iх дрейфами.

2.2 Розробка структурноi схеми перетворювача

На рисунку 3 представлена структурна схема перетворювача

Рисунок 3 - Структурна схема перетворювача

ПП тАУ первинний перетворювач, призначений для перетворення струму у напругу за допомогою схеми з iнвертуючим пiдсилювачем, у якого опiр схеми маi дуже малу величину.

ПН тАУ пiдсилювач напруги, призначений для пiдсилення величини вихiдного сигналу по напрузi до заданого в умовi. Можна використати пiдсилювач на БТ.

ПП тАУ пiдсилювач потужностi, використовуiться для забезпечення потужностi на навантаженнi.

Використаiмо емiтерний повторювач зображений на рисунок 4.

Рисунок 4 - Емiтерний повторювач

2.3 Попереднiй розрахунок первинного перетворювача

РЖнвертуючий пiдсилювач (див.рисунок 1) перетворюi вхiдний сигнал, що надходить на iнвертуючий вхiд ОП, так, що вихiдний сигнал маi фазу, протилежну фазi вхiдного сигналу. При iнвертую чому вмиканнi вхiдний сигнал подаiться на iнвертуючий вхiд, а прямий вхiд зтАЩiднуiться з нульовим потенцiалом.

РЖ_вх = U_вх/R₁; I₀= U_вих/R₀.(8)

Так як R_вх+=R_вх-= ∞; РЖ_вх = -I₀→ U_вх/R₁ = - U_вих/R₀. (9)

Знайдемо вихiдну напругу перетворювача струм-напруга:

U_вих= РЖR_з.з.(10)

Так як R_з.з.= R_вхВ· (РЖ + 1) = 15 В· (10^-3 + 1) = 15.015 (Ом);

U_вих = 10^-3В· 15.015 = 15.015 В· 10^-3В.

Коефiцiiнт пiдсилення К = 15 / 15.015·10^-3 = 1100.

РЖнвертуючий пiдсилювач виконано на основi ОП, саме тому необхiдно провести вибiр ОП. Таким чином для операцiйного пiдсилювача:

, (11)

Виберемо ОП К140Д1Б.

Основнi параметри:

нА- вхiдний струм;

В - максимальна вихiдна напруга;

МГц- гранична частота.

Дiапазон робочих температур дорiвнюi (30-60)С.

2.4 Попереднiй розрахунок пiдсилювача потужностi

В якостi пiдсилювача потужностi використаiмо пiдсилювальний каскад такий, як комплементарний емiтерний повторювач (див.рисунок 4).

Розрахуiмо потужнiсть на виходi даного каскаду.

Початковi данi:

20В, Rн = 15 Ом

РЖ_max=, (12)

РЖ_max = .

Розрахуiмо максимальну вихiдну потужнiсть:

Р_max=U_max В· I_max_;(13)

Р_max = 20 В· 1.3 = 26 (Вт).

Оскiльки використовуiмо комплементарне включення то потужнiсть на виходi одного транзистора зменшуiться у двiчi. Таким чином для транзистора:

Р_max=U_max I_max/ 2, (14)

Р_max = 13 (Вт).

За даними оберемо транзистор KT816А типу PNP, та КТ817А типу NPN.

Основнi параметри транзистора KT816А типу PNP наведенi в таблицi 1

Таблиця 1 тАУ Параметри транзистора KT816А

Тип

P_к_max,_Вт

РЖ_к_{max, A}

U_ке_{max, B}

h_21e

_min/max

f_гр,_МГц

КТ816A

-60.125

Основнi параметри транзистора KT817A наведенi в таблицi 2.

Таблиця 2 тАУ Параметри транзистора KT817A

Тип

Pкmax,Вт

РЖкmax, A

Uкеmax, B

h21e

min/max

fгр, МГц

Uеб0max, В

КТ817A

-60.125

2.5 Попереднiй розрахунок пiдсилювача напруги

У якостi пiдсилювача напруги використаiмо пiдсилювальний каскад за схемою зi спiльним емiтером на основi бiполярного транзистора.

Розрахуiмо коефiцiiнт пiдсилення за напругою:

Ва(15)

Оскiльки частота вихiдного сигналу 10 МГц, то гранична частота транзистора .

Оскiльки пiдсилення виконуi ПП по потужностi, то максимальна потужнiсть що розсiюiться на колекторi транзистора не повинна бути меншою за Р_к

Оскiльки К_пр=25

то Р_вх=Ва; (16)

Р_вх=

РЖ_кмах=

За розрахованими параметрами пiдберемо транзистор типу КТ830А з параметрами:

= 30 В,

= 2 А,

= 5 Вт.

2.6 Розробка детальноi структурноi схеми

Детальна структурна схема перетворювача наведена на рисунку 5.

Рисунок 5 тАУ Детальна структурна схема

ПП тАУ первинний перетворювач, призначений для перетворення струму у напругу. Схема вiднiмання основана на ОП К140Д1Б. Межi вихiдноi напруги 0..5,7В.

ПП тАУ пiдсилювач потужностi, використовуiться для забезпечення потужностi на навантаженнi. Оснований на БТ КТ816А i КТ817А.

ПН тАУ пiдсилювач напруги, призначений для пiдсилення величини вихiдного сигналу по напрузi до 20В. Таким чином на виходi даного каскаду отримуiмо напругу 0..20В. Оснований на транзисторi КТ830А

Закiнчивши попередню розробку структурноi схеми, маiмо схему, розбиту на декiлька каскадiв, внаслiдок чого, для кожного з каскадiв зроб-лений попереднiй розрахунок. Тобто визначенi динамiчнi дiапазони, коефi-цiiнти пiдсилення, максимальнi значення струмiв, напруг, потужностей, вибранi згiдно розрахункам операцiйнi пiдсилювачi, транзистори.

Принцип роботи перетворювача заключаiться у наступному. Генератор iмпульсiв виробляi сигнал, що подаiться на вхiд ОП, пiсля його перетворення вiн потрапляi на каскад пiдсилення потужностi, а згодом i в каскад пiдсилення напруги. Так як з ОП напруга виходить досить малою то виникаi необхiднiсть ii пiдсилення по напрузi та стабiлiзацii та пiдсилення по потужностi, саме тому у схемi i використовуiмо пiдсилювачi напруги та потужностi що побудованi на транзисторах.

3. Електричнi розрахунки

3.1 Електричний розрахунок пiдсилювача потужностi

Електричний розрахунок виконуiмо за допомогою електричноi принциповоi схеми , яка зображена на рисунку 6.

Рисунок 6 тАУ Схема електрична принципова пiдсилювача потужностi (ПП)

Вхiднi данi:

Транзистори КТ816А i КТ817А:

= 25 Вт,

= 3 А,

= 25 В,

U_мах= 20 В,

Р_вх= 3,7 Вт,

Р_вих= 13 Вт.

Оберемо напругу живлення

Задаiмося .

З вихiдних характеристик транзисторiв:

Ва, Вапри .

З вхiдних характеристик:

Вапри Вата .

Задамося ,

Ватому Ва,

Проведемо розрахунок опорiв вхiдного подiльника R₇ R₈

Ва(17) Ва(18)

Розрахуiмо вхiдний опiр цього каскаду:

Ва(19)

Ом тАУ додатковий опiр.

3.2 Електричний розрахунок пiдсилювача напруги

На рисунку 7 зображена схема електрична принципова пiдсилювача напруги (ПН).

Рисунок 7 - Схема електрична принципова пiдсилювача напруги (ПН)

Вхiднi данi:

Транзистор КТ830А:

= 30 В,

= 2 А,

= 5 Вт.

Оберемо напругу живлення

Задаiмося .

Обираiмо з вихiдноi характеристики транзистора:

Вапри .

З вхiдних характеристик:

Вапри .

Задамося .

Розрахуiмо R₁₀ :

Ва(20)

Розрахуiмо R₁₁ :

Ва(21)

Ватому Ва.

Проведемо розрахунок опорiв вхiдного подiльника R₁₂ R₁₃.

Ва(22)

Ва(23)

Розрахуiмо вхiдний опiр цього каскаду:

Ва(24)

Проведемо розрахунок конденсаторiв.

Ва- блокувальний конденсатор.

Ва; (25)

; (26)

Ва(27)

4. ВаМоделювання одного з вузлiв

Проведемо моделювання одного з вузлiв перетворювача з метою впевнитись у його працездатностi. Проведемо моделювання пiдсилювача напруги (рисунок 8). Пiдставимо всi обранi вище номiнали. На вхiд пiдсилювача подаiмо iмпульси прямокутноi форми (рисунок 9) . Напруга вхiдного сигналу складаi 5 В.

Рисунок 8 тАУ Пiдсилювач напруги

Рисунок 9 тАУ Амплiтуда вихiдноi напруги при РЖ = 1 А

Висновки

В даному курсовому проектi розроблено перетворювач струму в межах вiд 0,1 до 1000 мА у напругу до 20 В.

Проведено аналiз iснуючи методiв вимiрювання струму.

Розроблено структурну схему перетворювача та попереднiй розрахунок первинного перетворювача i пiдсилювача потужностi.

Розроблено схему електричну принципову перетворювача струм-напруга. Виконанi необхiднi електричнi розрахунки

Виконано моделювання одного з вузлiв перетворювача.

Лiтература

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 тАУ К.: Технiка, 1990. тАУ 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 и сигналы: Учебник для вузов. тАУ 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. тАУ M.: Энергоатомиздат, 1989. - 528 с.

7. Малинiвський С.М. Загальна електротехнiка: Пiдручник. тАУ Львiв: Видавництво тАЬБескид БiттАЭ, 2003. - 640 с.

Додаток A (обовтАЩязковий) Схема електрична принципова

Додаток Б (обовтАЩязковий) Перелiк елементiв

Поз. познач.	Найменування	Кiл.
	Конденсатори
C1	КМ6M47 тАУ 1000пФ В±20 %	1
С2	КМ6M47 тАУ 220пФ В±20 %	1
C3	К21-7-2мкФ, В±10%	1
	Операцiйнi пiдсилювачi
DA1,DA2	К547УД1	2
DA3	К547УД2Б	1
	Резистори
R1,R2	С2-23 тАУ 0,125 тАУ 15 Ом 1 % .	2
R3	С2-23 тАУ 0,125 тАУ 680 Ом 1 %	1
R4,R5	С2-23 тАУ 0,125 тАУ 18 Ом 1 %	2
R6	С2-23 тАУ 0,125 тАУ 9 Ом 1 %	1
R7	С2-23 тАУ 0,125 тАУ 90 Ом 1 %	1
R8	С2-23 тАУ 0,125 тАУ 2 кОм 1 %	1
R9	С2-23 тАУ 0,125 тАУ 340 Ом 1 %	1
R10	С2-23 тАУ 0,125 тАУ 500 Ом 1 %	1
R11	С2-23 тАУ 0,125 тАУ 80 Ом 1 %	1
	Транзистори
VT1	КТ3107А	1
VT2	2Т818Б	1
VT3	2Т817Б	1

XS1	РозтАЩiм	1
XS2	РозтАЩiм	1

Вместе с этим смотрят:

GPS-навигация

GPS-прийомник авиационный

IP-телефония и видеосвязь

IP-телефония. Особенности цифровой офисной связи

Unix-подобные системы