Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство образования и науки РФ
Омский государственный технический университет
Кафедра «Автоматизированные системы обработки информации и управления»
Пояснительная записка
к курсовому проекту
по дисциплине “Электротехника и электроника”
на тему ”Блок источников опорного напряжения ”
|
Преподаватель |
|
|
Никонов А. В. |
|
|
Разработала |
|
|
студентка гр. АС-223 |
|
|
Кемстач Л. Ю.. |
|
Омск 2005
Министерство образования и науки РФ
Омский государственный технический университет
Кафедра "Автоматизированные системы обработки информации и управления"
Специальность 220200 Автоматизированные системы обработки информации и управления"
ЗАДАНИЕ № 5
на курсовое проектирование
по дисциплине: "Электротехника и электроника"
Студенту группы АС - 223: Кемстач Людмиле Юрьевне
Тема проекта: "Блок источников опорного напряжения"
Срок сдачи студентом законченного проекта: 16 . 05 .2005 г.
Исходные данные
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
на проектирование “Блока источников опорного напряжения ”
Блок источников опорного напряжения используется в области метрологии.
Блок источников опорного напряжения используется для поверки измерителей напряжения постоянного тока.
Блок источников опорного напряжения используется в лабораторных условиях
Студентка Л.Ю. Кемстач
Преподаватель А.В. Никонов
Содержание
Реферат
Введение
В ходе обзора литературы были выделены устройства аналоги, реализующие схожие функции, но не позволяющие выполнить требования технического задания, а также устройство прототип, наиболее близко подходящее к заданию.
Параметрический стабилизатор напряжения (рисунок 1), простейший стабилизатор, он обладает высоким сопротивлением на выходе и относительно большой погрешностью стабилизации, поэтому для увеличения коэффициента стабилизации применяют каскадное соединение параметрических стабилизаторов.
Рисунок 1 - Параметрический стабилизатор
Однополярный ИОН на ОУ (рисунок 2) имеет низкое сопротивление на выходе и позволяет получить большие коэффициенты стабилизации, схема стабилизатора имеет выигрыш по массогабаритным, стоимостным и качественным характеристикам, но данная схема не способна удовлетворить требования технического задания.
Рисунок 2 - ИОН на операционном усилителе
В ходе обзора литературы было найдено устройство- это стабилизатор серии 142ЕН, представляющий собой регулируемый стабилизатор напряжения, с фиксированным рядом выходных напряжений, типовая схема включения которого приведена на рисунке 3
Рисунок 3 – Схема включения стабилизатора серии 142ЕН
Для соответствия требованиям технического задания были подобраны стабилизаторы и схемы их включения, так же добавлены делители напряжения.
Функциональная схема блока источников опорного напряжения приведена на рисунке 4.
Рисунок 4– Функциональная схема
Можно выделить следующие блоки:
мостовой выпрямитель;
сглаживающий фильтр;
стабилизатор напряжения;
блок источников опорного напряжения;
Рассмотрим каждый блок более подробно.
Питание устройства осуществляется от источника переменного тока, значит необходимо ввести устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный ток - мостовой выпрямитель. Основное свойство: сохранение направления протекания тока при изменении полярности входного напряжения. Принцип выпрямления основывается на получении с помощью диодной схемы из двуполярной синусоидальной кривой напряжения однополярных полуволн напряжения.
В работе в качестве выпрямителя применена схема, известная как двухполупериодный однофазный мостовой выпрямитель [], рисунок 5
Рисунок 5 – Мостовой выпрямитель
Работу мостового выпрямителя легко разбить на отдельные этапы, рассматривая, что происходит во время положительных и отрицательных полупериодов напряжения. Когда напряжение в точке А положительно, диод D1 проводит, и напряжение на верхнем конце нагрузки положительно; в то же время напряжение в точке В отрицательно и диод D3 пропускает его к нижнему концу нагрузки. В следующем полупериоде напряжение в точке А отрицательно, а в точке В положительно, так что диод D2 проводит от точки В к верхнему концу нагрузки, а диод D4 поводит от точки А к нижнему концу нагрузки
Полученный на выходе сигнал является однополярным, но низкого качества, так как содержит большую переменную (пульсирующую) составляющую, и его нельзя использовать в таком виде. Для дальнейшего преобразования сигнала применяется сглаживающий фильтр, который подключается к выходу мостового выпрямителя [].
Сглаживающие фильтры выполняют на основе реактивных элементов – дросселей и конденсаторов, которые оказывают соответственно большое и малое сопротивления переменному току и, наоборот – для постоянного тока []. В данной работе используется простейший емкостной фильтр (конденсатор, подключаемый параллельно нагрузке) рисунок 6 . Путем увеличения емкости конденсатора можно уменьшить пульсации напряжения до требуемого уровня.
Рисунок 4 – Простейший емкостной фильтр
Между сглаживающим фильтром и нагрузкой, устанавливается стабилизатор напряжения, который обеспечивает поддержание с необходимой точностью требуемой величины постоянного напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения питающей сети и тока нагрузки. Величина пульсаций уменьшается в число раз, равное коэффициенту стабилизации применяемого стабилизатора []. После стабилизации напряжения можно устанавливать ИОН, причем необходимо обеспечить питание на три направления и притом разного знака.
В работе источник опорного напряжения основан на стабилизаторе и резистивном делителе напряжения, правильный выбор номинальных значений и включений которых, определяет выходные показатели данного источника опорного напряжения.
Для обеспечения контроля со стороны внешней ЭВМ необходимо преобразовать аналоговый сигнал напряжения в его цифровой сигнал. Используется компаратор, который и выполняет эту функцию.
Сигналы со всех компараторов направляются на общий регистр, с выходов которого на ЭВМ.
1 Расчет мостового выпрямителя
Для правильного выбора элементов схемы необходимо знать величины токов, текущих по цепям. Рассмотрим выбор диодов выпрямителя и расчет сопротивления нагрузки.
Рассчитаем сопротивление нагрузки. Максимально допустимое напряжение:
Umax доп = Uвх , (1)
где Uвх – напряжение источника питания.
Согласно требованиям технического задания Uвх = 24 В. Следовательно, Umax доп = 34 В. Исходя из этих данных можно выбрать диоды. Диоды выбирают так, чтобы значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения были равны расчетным значениям или превышали их. В данной схеме целесообразно использовать диоды типа КД103Б, у которых Uобр max = 50 В, Iпр max = 100 мА и Uпр max = 1,2 В [].
Предположим, что ток нагрузки Iн = 0,1 А. Напряжение на нагрузке можно вычислить по формуле:
Uн = Uвх – Uпр max 2, (2)
где Uн – напряжение на нагрузке;
Uвх – напряжение источника питания;
Uпр max 2 – напряжение для последовательного соединения диодов мостовой схемы.
Известно, что у каждого из четырех диодов Uпр max = 1,2 В. В мостовой схеме два диода всегда соединены последовательно, а значит Uпр max2 = 2,4 В. Подставив данные значения в формулу (2), получим значение напряжения на нагрузке Uн = 21,6 В.
Зная ток нагрузки Iн и напряжение нагрузки Uн, по закону Ома можно найти сопротивление нагрузки Rн =216 Ом.
2 Расчет сглаживающего фильтра
Поскольку в схеме частота сети 50 Гц (после удвоения на выпрямителе – 100 Гц), то типичная емкость конденсатора находится в диапазоне от 100 мкФ до 30000 мкФ.
Конденсатор подбирают так, чтобы выполнялось условие []:
, (3)
где f – частота пульсаций;
Rн – сопротивление нагрузки;
C – емкость конденсатора.
При этом происходит ослабление пульсаций за счет того, что постоянная времени для разрядки конденсатора существенно превышает время между перезарядками [].
Выразив из (3) величину С:
(4)
и подставив численные значения, получим емкость конденсатора .
Для определения коэффициента пульсации выходного напряжения воспользуемся формулой 5:
(5)
где I – средний ток нагрузки
C – емкость конденсатора
f – частота переменного напряжения в герцах
Подставив численные значения, получим q ≈ 0,2.
3 Стабилизатор напряжения
В данном проекте используются стабилизаторы серий 142ЕН. Основными критериями выборов данных стабилизаторов, послужили их номинальные значения, приведенные в таблице 1 и коэффициент нестабильности по напряжению стабилизатора, влияющий на нестабильность напряжения всего ИОН, которая должна соответствовать заданию.
Емкость входного конденсатора С1 должна быть не менее 0,33 мкФ, а емкость выходного конденсатора С2 не менее 1 мкФ [].
4 Делителя напряжения
Простейший делитель напряжения – схема, которая для данного напряжения на входе создает на выходе напряжение, являющееся частью входного, приведена на рисунке 5.
Рисунок 5 – Делитель напряжения
5 Расчет источников опорного напряжения
Для получения выходных напряжений минус 8,14 В используется схема, на основе стабилизатора 142ЕН11 изображенная на рисунке 6.
Рисунок 6 – Схема включения 142ЕН11
Требуемый уровень выходного напряжения, указанного в задании, устанавливается резисторами R1 и R2 []. Для первого источника выходное напряжение должно быть минус 8,14 В. Следовательно Uвых варьируется между минус 8,123 и минус 8,156. Для стабилизатора серии 142ЕН11 Uвых рассчитывается по формуле 3.6 []. (6)
Следовательно:
(7)
Uобр – образцовое напряжение, формируемое внутренним источником микросхемы, для данного стабилизатора Uобр = -1,25 В, а резистор R1 = 120 Ом []. Подставив значения получим, что при выходном напряжении минус 8.123 R2 = 659 Ом, а при минус 8.156 R2 = 663 Ом.
Для получения выходных напряжений 15,4 В и 4,5 В (второй и третий источник) используется схема, на основе стабилизаторов 142ЕН8А – во втором источнике и 142ЕН5А – в третьем источнике, изображенная на рисунке 7.
Рисунок 7 – Схема включения стабилизаторов 142ЕН8А и 142ЕН5А
Требуемый уровень выходного напряжения, указанного в задании, устанавливается резисторами R1 и R2 []. При данном включении таких стабилизаторов, сопротивление резистора R2 вычисляется по формуле 8 [].
(8)
Uвых – выходное напряжение источника;
Uвыхст – выходное напряжение стабилизатора, для стабилизатора 142ЕН8А оно равно 9 В, а для 142ЕН5А равняется 5В;
Iп – ток потерь микросхемы, для обоих стабилизаторов он равен 10 мА;
R1 = 300 Ом [].
Подставив в формулу 8 численные значения, получим, что в третьем источнике опорного напряжения при выходном напряжении 15,37 В сопротивление резистора R2 = 210 Ом, при выходном напряжении 15,43 В сопротивление резистора R2 = 212 Ом; в четвертом источнике опорного напряжения при выходном напряжении 4,49 В сопротивление резистора R2 = 22,5 Ом, при выходном напряжении 4,51 В сопротивление резистора R2 = 45 Ом.
Так же в четвертом источнике опорного напряжения, так стабилизатор выдавал напряжение выше указанного в задании, я его понизил его двумя диодами по 0,7 В.
Во всех источниках регулировка выходного напряжения осуществлялась за счет регулируемого резистора R2 соответственно.
Нестабильность напряжения источников, рассчитывается по формуле 9
(9)
Кu – коэффициент нестабильности по напряжению стабилизатора;
У стабилизатора 142ЕН11 Кu = 0,02 , у стабилизаторов 142ЕН8А и 142ЕН5А Кu = 0,05. Подставив значения выходных напряжений, указанных в задании и коэффициенты соответствующих стабилизаторов, получим значения нестабильности, указанные в таблице 2.
Выходное сопротивление источников рассчитывалось по формуле (3.10)
(10)
КI – коэффициент нестабильности по току стабилизатора
Таблица 1 –
|
142ЕН11 |
142ЕН8А |
142ЕН5А |
|
|
Uвх, В |
5…45 |
11,5…35 |
7,5…15 |
|
Uвых, В |
1,2...37 |
8,73…9,27 |
4,9…5,1 |