Проектирование источника опорного напряжения, моделирование одного из его узлов
Выбор элементов и разработка принципиальной электрической схемы источника опорного напряжения (ИОН), электрическое моделирование одного из узлов системы. Область применения прецизионных ИОН, их стоимость. Мостовой выпрямитель, стабилизатор, коммутатор.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 25.10.2012 |
| Размер файла | 198,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
19
Содержание
- Введение
- 1. Аналитический обзор
- 2. Расчет на структурном уровне
- 3. Выбор элементов электрической схемы
- 3.1 Расчет мостового выпрямителя
- 3.2 Стабилизатор
- 3.3 Выбор емкости сглаживающего фильтра
- 3.4 Повторитель напряжения
- 3.5 Элемент памяти
- 3.6 Коммутатор
- 5. Анализ метрологических характеристик
- Заключение
- Список использованных источников
- Приложение А
Введение
Объектом выполнения работы является источник опорного напряжения.
Цель работы - проектирование источника опорного напряжения, моделирование одного из его узлов.
В процессе работы проводились аналитический обзор, расчеты на структурном уровне, выбор элементов и разработка принципиальной электрической схемы, электрическое моделирование одного из узлов системы.
В результате был спроектирован источник опорного напряжения, соответствующий требованиям технического задания.
Степень внедрения - учебное проектирование.
Источники опорного напряжения (ИОН) предназначены для создания постоянного опорного напряжения.
Прецизионные источники опорного напряжения (ИОН) нужны во многих случаях, и область их применения постоянно расширяется. Это измерительные приборы, системы связи, даже зарядные устройства литиевых батарей, но чаще всего необходимость в них возникает при построении аналогово-цифровых преобразователей (АЦП), представляющих на выходе отношение входного напряжения к опорному в цифровой форме и цифро-аналоговых (ЦАП), на выходе которых получают напряжение опорного источника в масштабе, определяемом кодом на его цифровом входе. Некоторые из таких приборов имеют встроенный опорный источник, некоторым необходим внешний, часто прибор может работать как с внешним, так и внутренним источником.
Стоимость ИОН обычно составляет малую часть системы в целом, но может оказать существенное влияние на ее результирующие характеристики, поэтому нет особого смысла экономить нем. Кроме того, нередко система включает несколько устройств, с собственными ИОН, и для снижения общей погрешности системы целесообразно использовать один ИОН для всех устройств.
источник опорное напряжение стабилизатор
1. Аналитический обзор
В качестве примера простейшего ИОН можно привести схему стабилизатора. Схема выполнена на одном резисторе и одном стабилизаторе (рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 - Стабилизатор
Данная схема не подходит для решения поставленной задачи.
Диапазон нагрузки такого источника ограничен максимально допустимым током стабилизации стабилитрона. Токоограничительный резистор выбирают из расчёта: R = En/ Iст max. При этом максимальный ток нагрузки Iн max = Iст max - Iст min.
На практике, как правило, используют схемы ИОН, построенных на выпрямителе, сглаживающем фильтре и стабилизаторе (рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 - Функциональная схема ИОН
Первый функциональный узел источника питания - это выпрямитель: устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток. Трансформатор на входе диодной схемы выполняет вспомогательную роль. Его функция сводится к повышению или понижению вторичного напряжения U2 при заданном первичном напряжении U1. Мостовая схема выпрямления нашла наибольшее применение в маломощных выпрямителях однофазного тока. Принцип выпрямления основывается на получении с помощью диодной схемы из двуполярной синусоидальной кривой напряжения U2 (wt) однополярных полуволн напряжения на Ud (wt).
Сглаживающие фильтры выполняют на основе реактивных элементов - дросселей и конденсаторов, которые оказывают соответственно большое и малое сопротивления переменному току и наоборот - постоянному току. Путем выбора параметров фильтра получают постоянное напряжение, удовлетворяющее нагрузку в отношении пульсаций. Наличие сглаживающего фильтра оказывает значительное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов. Между сглаживающим фильтром и нагрузкой может быть стабилизатор напряжения, обеспечивающий поддержание с необходимой точностью требуемой величины постоянного напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения питающей сети и тока нагрузки.
Схема, представленная на рисунке 1.2 может быть использована как прототип, т.к. почти полностью удовлетворяет требования технического задания.
2. Расчет на структурном уровне
Функциональная схема разрабатываемого устройства приведена на рисунке А.1 приложения А.
Данная схема идентична той, что представлена на рисунке 1.2, за исключением того, что в неё добавлено 3 элемента: повторитель напряжения, коммутатор и элемент памяти.
Проведём назначение требований узлам функциональной схемы (рисунок А.1) в соответствии с технических заданием.
В техническом задании не описано, каким должно быть выходное напряжение, поэтому из расчёта, что на выпрямителе падение напряжения составляет около 2,5 вольт, подадим на вход 17,5 и 122,5 вольт на входы выпрямителей, 17,5 для ИОН вырабатывающего 10 В и 122,5 для ИОН вырабатывающего минус 100 В соответственно.
На выходе выпрямителей напряжение будет составлять 15 и минус 120 вольт. При помощи выпрямителя из двуполярной синусоидальной кривой напряжения Uвх (щt), получатся однополярные полуволны напряжения на Uвых (щt), как показано на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 - Временные диаграммы выпрямления
Напряжение Uвых (щt) характеризует кривую выпрямленного напряжения выпрямителя. Ее постоянная составляющая Ud определяет среднее значение выпрямленного напряжения. Кривая выпрямленного напряжения помимо постоянной составляющей содержит переменную составляющую, которая определяется разностью напряжений Uвых (щt) - Ud. Наличие переменной составляющей является нежелательным, поэтому параллельно нагрузке подключается фильтр на выходе и входе которого должно быть одинаковое напряжение 15 и минус 120 вольт.
На выходе стабилизатора мы должны получить требуемое напряжение, описанное в техническом задании, с нестабильностью не более 0,5%. Коэффициент стабилизации можно рассчитать по формуле [1]:
, (1)
где . Для В В, В, В, В. Для В В, В, В, В. Из формулы (1) , .
Повторитель напряжения нужен чтобы уменьшить выходное сопротивление источника до нужной величины в 0,1 Ом.
Чтобы обеспечить автоматический выбор со стороны внешней ЭВМ одного из источников, нужен элемент памяти и коммутатор. От ЭВМ поступает сигнал по однобитной шине, который храниться в элементе памяти, который в свою очередь передаёт его на коммутатор, чтобы тот открыл выход либо напряжению в 10 В, либо в минус 100.
Таблица 1
|
Наимено-вание параметра |
Обозна-чение параметра |
Едини-ца изме-рения |
Значения параметров блоков |
||||||
|
Вы-прями-тель |
Фильтр |
Стаби-лизатор |
Повтори-тель напряже-ния |
Элемент памяти |
Комму-татор |
||||
|
Входные |
Uвх1 |
В |
17,5 |
15 |
15 |
10 |
|||
|
Uвх2 |
В |
122,5 |
-120 |
-120 |
-100 |
||||
|
Vвых |
Гц |
50 |
|||||||
|
Выходные |
Uвых1 |
В |
15 |
15 |
15 |
10 |
|||
|
Uвых2 |
В |
-120 |
-120 |
-120 |
-100 |
||||
|
Rвх |
0,1 |
||||||||
|
Другие |
Сигнал1 |
бит |
0 |
0 |
|||||
|
Сигнал2 |
бит |
1 |
1 |
3. Выбор элементов электрической схемы
3.1 Расчет мостового выпрямителя
Схема мостового выпрямителя приведена на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 - Мостовой выпрямитель
Рассмотрим выбор диодов выпрямителя.
Обратное напряжение диодов рассчитывается по формуле:
Uобр = Uвх • (2)
Согласно таблице 1 Uвх1 = 17,5 В, Uвх2 = 122,5 В. Следовательно, Uобр1 = 24,75 В, Uобр2 = 173,24 В. Исходя из этих данных можно выбрать диоды. Диоды выбирают так, чтобы значение допустимого обратного напряжения было равно расчетному значению или превышало его. В данной схеме целесообразно использовать диоды типа КД103Б (у которых Uобр max = 50 В [2]), для ИОН вырабатывающего 10 В и диоды типа Д207 (у которых Uобр max = 200 В [2]), для ИОН вырабатывающего минус 100 В [1].
3.2 Стабилизатор
Схема стабилизатора приведена на рисунке 3.3.1.
Рисунок 3.12 - Стабилизатор
Рассмотрим выбор стабилитрона и сопротивления R0.
Стабилитрон подбирается из условия: Uст = Uвых, где Uст - напряжение стабилизации, Uвых - напряжение на выходе. Для ИОН, вырабатывающего 10 В подойдёт модель стабилитрона Д814В (Iст = 5 мА), для ИОН вырабатывающего минус 100 В подойдёт модель стабилитрона Д817В (Iст = 50 мА) [1]. Сопротивление R рассчитывается по формуле [1]:
R = , (3)
где - напряжение на входе стабилизатора; - ток стабилизации. Для ИОН, вырабатывающего 10 В R = 3 кОм, для ИОН, вырабатывающего минус 100 В R = 2,4 кОм.
3.3 Выбор емкости сглаживающего фильтра
На рисунке 3.2 изображена схема простейшего сглаживающего емкостного фильтра. Он подключается параллельно нагрузке чтобы сглаживать пульсации, обычно конденсатор берут большой ёмкости.
Рисунок 3.2 - Простейший емкостной фильтр
Форма сигнала, получаемого на выходе фильтра, представлена на рисунке 3.3.
Рисунок 3.3 - Вид сигнала после применения сглаживающего фильтра
Его ёмкость можно рассчитать по формуле:
, (4)
где - период, а f - частота, равная по техническому заданию 50 Гц; Iн = Iст - ток нагрузки; Uпульс - напряжение пульсации, которое можно рассчитать по формуле:
, (5)
где q - коэффициент пульсации; Ud - выходное напряжение, равное 15 В, для ИОН, вырабатывающего 10 В, и минус 120 В для ИОН, вырабатывающего минус 100 В. Формула для расчёта ёмкости примет вид:
. (6)
Для ИОН, вырабатывающего 10 В С = 66 666 мкФ, для ИОН, вырабатывающего минус 100 В С = 83 333 мкФ.
3.4 Повторитель напряжения
Повторитель напряжения - неинвертирующий усилитель, с коэффициентом усиления равным единице, предназначен для того, чтобы уменьшить выходное сопротивление цепи.
Схема повторителя напряжения приведена на рисунке 3.4.1.
Рисунок 3.4.1 - Повторитель напряжения
Рассмотрим выбор операционного усилителя (ОУ).
Необходимо подобрать ОУ таким, чтобы выходное сопротивление было не больше 0,1 Ом. Выходное сопротивление повторителя напряжения можно найти по формуле [3]:
,
где RвыхОУ - сопротивление на выходе ОУ; KuОУ - коэффициент усиления ОУ. Для ИОН, вырабатывающего 10 В подойдёт усилитель общего применения КР140УД11, у которого RвыхОУ = 5000 Ом, KuОУ = 50000 [4]. Для ИОН, вырабатывающего минус 100 В подойдёт мощный высоковольтовый усилитель РА30, у которого RвыхОУ = 50000 Ом, KuОУ = 500000 [5].
3.5 Элемент памяти
Элемент памяти должен быть способным сохранять двоичную информацию или 1 бит информации (состояния <<0>>, <<1>>). Для этого подойдёт D-триггер. D-триггер сохраняет состояние на выходе после снятия сигнала с информационного входа до прихода очередного импульса. Он имеет один информационный вход D (вход данных) и один тактовый вход C. Если на входе D единичный сигнал, то по фронту сигнала С прямой выход триггера устанавливается в единицу (инверсный - в нуль), если же на входе D - нулевой сигнал, то по фронту сигнала С прямой выход триггера устанавливается в нуль (инверсный - в единицу). На выходе сигнал будет таким же, как и на входе, а на выходе инверсный. D-триггер представлен на рисунке 3.4.1.
Рисунок 3.4.1 - D-триггер
D-триггер на практике реализуется при помощи микросхемы 155ТМ2. При единичном состоянии триггера на его выходе будет напряжение низкого уровня, а при нулевом состоянии - высокого уровня. На выходе будем получать ток Iв. у. равный 0,6 мА, и Iн. у. = 16 мА [5].
3.6 Коммутатор
В качестве коммутатора можно взять реле. Реле - электрический аппарат, предназначенный для коммутации электрических цепей (скачкообразного изменения выходных величин) при заданных изменениях электрических или не электрических входных величин. Широко используется в различных автоматических устройствах. Для нашей схемы на реле будет подаваться ток I равный 0,6 мА для состояния <<0>>, и 16 мА для состояния <<1>>. Этим требованиям удовлетворяет реле РС4.524.300 у которого, ток срабатывания Iср 6 мА, ток отпускания Iотп 0,8 мА [1]. Когда от ЭВМ поступает <<0>>, будет включаться ИОН, вырабатывающий 10 В, когда поступает <<1>>, будет включаться ИОН, вырабатывающий минус 10 В.
Электрическое моделирование схемы
Проведем моделирование выпрямителя с фильтром ИОН, вырабатывающего 10 В.
Используем для моделирования среду Micro-CAP 8 [7]. Схема выпрямителя с фильтром приведена на рисунке 4.1:
Рисунок 4.1 - Схема для моделирования
Результат моделирования приведен на рисунке 4.2:
V (V1) - исходное напряжение;
V (3) - напряжение на выходе фильтра.
Рисунок 4.2 - Результат моделирования
5. Анализ метрологических характеристик
Для подтверждения работоспособности разработанного проекта и соответствия его характеристик требованиям технического задания приведем его основные характеристики:
На выходе сформированы напряжения в 10 В и минус 100 В.
Нестабильность выходного напряжения не более 0,5%, за счёт подбора стабилитронов в стабилизаторах напряжения.
Выходное сопротивление источников не более 0,1 Ом, реализовано за счёт подбора операционных усилителей в повторителях напряжения.
Обеспечена возможность выбора одного из источников опорного напряжения со стороны внешней ЭВМ при помощи запоминающего устройства и реле.
Заключение
В результате проектирования было разработано устройство для создания опорного напряжения, соответствующее требованиям технического задания.
Был проведен анализ справочной литературы, в ходе которого были найдены аналоги и прототип, на основе которых и разработан данный ИОН.
Были составлены функциональная и принципиальная схемы устройства.
Был проведен расчет функциональных узлов данного устройства на структурном уровне, после которого были проведены необходимые изменения и дополнения в структуре прототипа.
С помощью средств ППП для моделирования аналоговых схем Micro-CAP 8 был проведен анализ метрологических характеристик одного из узлов схемы. Анализ показал, что узел работает правильно, в соответствии с данными, полученными на стадии расчета, на структурном уровне.
Полученный ИОН соответствует требованиям технического задания.
Список использованных источников
1. Полупроводниковые приёмно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя / Р.М. Терещук, К.М. Терещук, С.А. Седов. - Киев: Наук. Думка, 1989. - 800 с.: ил.
2. Забродин Ю.С. Промышленная Электроника: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1982. - 496 с.
3. Никонов А.В. Электротехника и электроника: Конспект лекций. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. Ч.2. - 84 с.
4. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник. / С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулешова и др. - М.: Радио и связь, 1989. - 496 с.: ил.
5. Электронный справочник на www.radiomaster.net.
6. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов / Б.Я. Авдеев, Е.М. Антонюк, Е.М. Душин и др. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 480 с.: ил.
7. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap 6. - М.: ТОО "Солон", 1999. - 273 с.: ил.
Приложение А
Вид листа для функциональной электрической схемы
Ниже, на рисунке А.1, представлена функциональная схема проектируемого ИОН.
Рисунок А.1 - Функциональная схема
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Рассмотрение разных вариантов схем источника опорного напряжения, равного ширине запрещённой зоны. Выбор конструкции, расчёт реакции на изменение температуры и напряжения питания. Изучение основ измерения параметров устройств при технологическом уходе.
диссертация [2,2 M], добавлен 07.09.2015Расчет источника опорного напряжения, стабилизатора, регулирующего элемента и выходного делителя. Определение значения емкости фильтра. Оценка габаритной мощности трансформатора. Выбор типоразмера магнитопровода. Разработка односторонней печатной платы.
курсовая работа [3,7 M], добавлен 19.06.2014Выбор структурной схемы системы электропитания, марки кабеля и расчет параметров кабельной сети. Определение минимального и максимального напряжения на входе ИСН. Расчет силового ключа, схемы управления, устройства питания. Источник опорного напряжения.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 24.06.2011Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения. Разработка импульсного стабилизатора напряжения понижающего типа и его принципиальной схемы. Расчет силовой части, коэффициента полезного действия. Структура блока управления, требования к его узлам.
курсовая работа [74,9 K], добавлен 29.09.2011Выбор структурной схемы и принципиальной схемы распределительного устройства. Расчет токов короткого замыкания. Выбор и проверка коммутационных аппаратов, измерительных трансформаторов тока и напряжения, комплектных токопроводов генераторного напряжения.
курсовая работа [642,4 K], добавлен 21.06.2014Стабилизация среднего значения выходного напряжения вторичного источника питания. Минимальный коэффициент стабилизации напряжения. Компенсационный стабилизатор напряжения. Максимальный ток коллектора транзистора. Коэффициент сглаживающего фильтра.
контрольная работа [717,8 K], добавлен 19.12.2010Моделирование электрической цепи с помощью программы EWB-5.12, определение значение тока в цепи источника и напряжения на сопротивлении. Расчет токов и напряжения на элементах цепи с использованием формул Крамера. Расчет коэффициента прямоугольности цепи.
курсовая работа [86,7 K], добавлен 14.11.2010Совмещение функций выпрямления с регулированием или со стабилизацией выходного напряжения. Разработка схемы электрической структурной источника питания. Понижающий трансформатор и выбор элементной базы блока питания. Расчет маломощного трансформатора.
курсовая работа [144,0 K], добавлен 16.07.2012Проблема защиты электрооборудования от некачественного напряжения в сети. Показатели качества электроэнергии. Виды реле защиты. Разработка трёхфазного импульсного источника питания, вырабатывающего постоянные напряжения. Расчет узлов и блока прибора.
дипломная работа [450,4 K], добавлен 22.07.2014Техническая характеристика основных узлов и механизмов электропривода со встроенной моментной муфтой. Выбор рода тока и напряжения принципиальной электрической схемы. Проектирование режимов работы электропривода. Расчет защитной аппаратуры силовой цепи.
курсовая работа [225,2 K], добавлен 04.03.2016
