Разработка измерительного аналогового преобразователя (стр. 4 из 4)
5. напряжение питания Uпит =±(5…20) В;
6. диапазон входного синфазного напряжения Uвх.синф = ±11 В;
7. минимальное сопротивление нагрузки Rн.min= 1кОм
8. максимальное выходное напряжение Uвых.max = ±12 В;
9. максимальный выходной ток
В схеме рисунка 9 сопротивление резистора R2 определяет величину тока в зависимости от входного напряжения. Резистор R1 лучше выбрать того же номинала (для уменьшения влияния входного тока ОУ). Резисторы R3и Rнтоже должны быть одинаковы, падение напряжения на них не должно сказываться на формировании выходного тока, т. е. оно не должно быть более Uп - Uвх.max – UКЭ.нас. .Так при Uпит =20 Вследует выбрать Uп = 15 В,напряжение насыщения коллектор- эмиттер можно для большинства транзисторов принять 1…2 В и тогда при Uвх.max =10 В падение напряжения на резисторах R3 и R4 не должно превышать 15 – 10 – 1 = 4 В. Если выходной ток 5 мА, то R3 = Rн=4 /0,005 = 800 Ом.
6. Расчёт стабилизатора напряжения
Так как в нашем случае источник первичного электропитания постоянный, то необходим только стабилизатор напряжения.
Расчёт элементов будем вести для источника +20 В, для -20 В. Примем те же элементы, кроме транзистора, который выберем с аналогичными характеристиками, только другой структуры.
Во время работы блока питания на конденсаторах фильтра напряжение пульсирует от максимального Uнест.max до ≈ 0,9×Uнест.max. Часть напряжения (минимум Uкэ.нас) падает на транзисторе стабилизатора, кроме этого надо предусмотреть запас по напряжению на входе стабилизатора на случай уменьшения напряжения в сети. На этом этапе примем напряжение насыщения коллектор-эмитер транзистора равным 2 В, так как у большинства кремниевых транзисторов оно лежит в диапазоне от 1 до 2 В. Поэтому напряжение на входе стабилизатора оценим так:
Выберем конденсаторы схемы. Для ёмкостного фильтра следует использовать оксидные конденсаторы, как имеющие большую ёмкость. Для них регламентируется максимально допустимая амплитуда переменной составляющей. Обычно она 5…20 % от постоянной составляющей. Именно поэтому при оценке входного напряжения стабилизатора был использован коэффициент 0.9 (для пульсаций 10%). Для облегчения подбора конденсатора и увеличения срока его службы примем максимальные пульсации на конденсаторах фильтра равными 5%. Расчёт проведём по формуле:
где I = Iн - ток разряжающий конденсатор, в нашем случае это ток нагрузки;
С – ёмкость конденсатора;
∆U – напряжение разряда конденсатора, у нас 5% от постоянного напряжения на нём;
∆t – время, в течении которого разряжается конденсатор, для двухполупериодного выпрямителя это около 10 мс.
Конденсаторы С1 и С2 предназначены для сглаживания пульсаций тока потребления нагрузки и фильтрации помех. В общем случае их расчёт очень сложен, обычно их принимают 0,01…0,1 от ёмкости конденсаторов фильтра. Примем С3 = С4 = 100 мкФ, тип – К50-16, номинальное напряжение – 25 В.
Напряжение на нагрузке больше напряжения на стабилитроне на величину напряжения насыщения база-эмиттер, что составляет около 0,6 В.
Поэтому стабилитрон выберем с напряжением стабилизации 20,6 В
Выберем КС222Ж с параметрами:
номинальное напряжение стабилизации Uст = 22 В;
номинальный ток стабилизации Iст = 2 мА;
максимальный ток стабилизации Iст.max = 5,7 мА;
минимальный ток стабилизации Iст.min = 0,5 мА.
Значит, максимальный ток базы может составлять
Ток нагрузки равен сумме тока базы и коллектора, поэтому:
Критерии выбора транзистора:
максимальное напряжение коллектор-эмиттер Uкэ.max ≥ 2· Uвх ст = 60 В;
максимальный ток коллектора Iк.max ≥ Iн = 200 мА;
мощностью рассеяния Pк.max ≥ Pрасс = Uкэ.max × Iн = (Uвх.ст - Uвых)×Iн= (29,33-20) × 0,2 =1,866 Вт;
коэффициент передачи тока h21э≥ 77,1.
При выборе транзистора надо, чтобы его параметры были хотя бы на 20% лучше указанных выше (для увеличения надёжности). Выбор следует производить сих мощных транзисторов (>1,5 Вт).
Указанным критериям удовлетворяет транзистор КТ863А (n-p-n) со следующими параметрами:
Uкэ.нас ≤ 0,6 В;
Iкбо ≤ 1 мА;
h21э ≥ 100;
Uкб.max = 30 В;
Uбэ.max = 5 В;
Iк.max = 10 А;
Pк.max = 50 Вт;
и транзистор КТ837Ф (p-n-p) со следующими параметрами
Uкэ.нас≤ 1,75 В;
Iкбо ≤ 0,15 мА;
h21э= 50…150;
Uкб.max = 45 В;
Uбэ.max = 5 В;
Iк.max = 7,5 А;
Pк.max = 30 Вт;
Транзистор КТ837Ф имеет несколько меньший коэффициент передачи тока, но это в данном случае не очень существенно (в номинальном режиме работы через стабилитрон будет протекать не 2 мА, а немного меньше, что почти не отразится на работе устройства).
Оба транзистора выделяют большое количество тепла и их надо установить на радиаторы.
Резисторы R1 и R2 должны иметь сопротивление:
принимаем R1 = 1,6 кОм (из ряда Е24).
Мощность, рассеиваемая R1:
По справочнику выбираем резисторы типа МЛТ с номинальной мощностью рассеяния 0,125 Вт (0,034 Вт < 0,125 Вт).
Разработанная схема представлена на рисунке 6.
Рисунок 6 - Принципиальная схема стабилизатора напряжения
Список литературы
1. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств. – М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2005. – 528 с.
2. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд. перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отд-ние, 1988. – 304 с.
3. Игловский И.Г., Владимиров Г.В. Справочник по слаботочным электрическим реле. – 3-е изд. перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отд-ние, 1990. – 560 с.
4. Игумнов Д.В. , Костюнина Г.П. Основы полупроводниковой электроники. Учебное пособие. – М.: Горячая линия – Телеком, 2005. – 3392 с.
5. Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. – М.: Радио и связь, 1991. – 376 с.
6. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. 10-е изд., перераб. и доп. – К.: Техника, 1984. – 424 с.
7. Лачин В.И., Савёлов Н. С. Электроника: учебное пособие. 3-е изд.- Ростов на Дону: изд-во «Феникс», 202. – 576 с.
8. Нефёдов В.И. Основы радиоэлектроники и связи. М.: «Издательство «Высшая школа», 2002. – 510 с.
9. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учебник для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2002. – 768 с.
10. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций . – 3- изд. – СПб.: Учитель и ученик: КОРОНА принт., 2003. – 416 с.