|
|
Разработка источника стабильного токаСОДЕРЖАНИЕ ЛИСТ 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ 3 2. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ИСТОЧНИКА 3 2.1. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП РАБОТЫ ИСТОЧНИКОВ ТОКА 3 2.2. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ИСТОЧНИКОВ ТОКА 4 2.3. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ СХЕМЫ ИСТОЧНИКА ТОКА 10 3. Выбор и расчет всех элементов схемы 12 3.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДАТЧИКА ТОКА R1 И ВЫБОР ТИПА РЕЗИСТОРА 12 3.2. ВЫБОР ТИПА ТРАНЗИСТОРА VT2 И ВЕЛИЧИНЫ РЕЗИСТОРА R2 13 3.3. ВЫБОР ТИПА ТРАНЗИСТОРА VT1 13 3.4. ВЫБОР ТИПА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ DA1 14 4. Описание работы схемы и назначения ее элементов 16 5. Разработка конструкции печатной платы 17 Список литературы 18 Приложение 1 19 Приложение 2 20 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ Требуется разработать источник стабильного тока, обеспечивающий величину выходного тока Iн=5А при изменении сопротивления нагрузки Rн в пределах от 0 до 5 Ом. Напряжение питания Ucc= 12 В. 2. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ИСТОЧНИКА. 2.1. Структура и принцип работы источников тока. Независимо от конструктивного исполнения любой источник тока состоит из одних и тех же функциональных узлов (рис. 2.1). Это первичный источник питания, регулирующий элемент, датчик тока и нагрузка. В большинстве конструкций используется также цепь обратной связи, соединяющая датчик тока с регулирующем элементом. Ток в нагрузке устанавливается изменением параметров цепи обратной связи или датчика тока [1]. Рис. 2.1. Если ток в цепи обратной связи достаточно мал, что обычно выполняется на практике, то через последовательно соединенные источники питания, датчик тока, регулирующий элемент и нагрузку протекает одинаковый ток. При этом условии практически любой вариант схемы получается перестановкой последовательно соединенных узлов и выбором точки заземления. Если же ток в цепи обратной связи соизмерим с оком в основной цепи, необходимо учитывать появления погрешностей при установке нужного тока в нагрузке. Однако существуют схемные решения, в которых ток обратной связи протекает как датчики тока, так и через нагрузку, что компенсирует возникновение ошибки. В качестве регулирующего элемента в практических схемах обычно применяют одиночные или составные транзисторы, в качестве датчика тока - резистор или диод. 2.2. Типовые схемы источников тока В качестве простейшего источника тока хорошо работает обычный биполярный транзистор с резистором в эмиттерной цепи (рис. 2.2). Рис. 2.2. Сила тока в нагрузке определяется выражением Iн= где Iн - ток в нагрузке, Uвх - входное напряжение, Uбэ - падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора VT1, R1 - сопротивление датчика тока R1. Меняя величину Uвх, можно установить требуемый ток нагрузки. Обычно для задания входного напряжения с небольшой точностью используются источники опорного напряжения (ИОН). В этой схеме обратная связь по напряжению с выхода датчика тока R1 на вход регулирующего элемента VT1 в явном виде отсутствует. Вследствие этого сила тока в перегрузке зависит как от сопротивления нагрузки, так и от температуры и параметров транзистора. Существует значительное количество усложненных схем источников тока, выполненных как на биполярных, так и на полевых транзисторах, позволяющих добиться значительного улучшения характеристик, т.е. приближения их к характеристикам идеального источника тока. Однако более существенное повышение стабильности источников тока становится возможным при применении операционных усилителей (ОУ). Широко используется схема источника тока с применением ОУ, приведенная на рис. 2.3. В этой классической схеме регулирующий элемент - транзистор VT1 управляется ОУ DA1, который стремится уравнять напряжение на своих входах - инвентирующем и неинвентирующем. При этом сила тока в нагрузке Rн определяется выражением Iн=. (1) Рис. 2.3. Для нормальной работы схемы напряжение на нагрузке Uн не должно превышать значения, определяемого выражением Uн= Iн Rн < Ucc-Uкэ нас - IR1; (2) I ? Iн, где Ucc - напряжение источника питания, Uкэ нас - напряжение насыщения транзистора VT1, R1 - сопротивление датчика R1. В этой схеме ток в нагрузке Iн отличается от тока I в датчике тока R1 на величину ошибки, определяемую силами токов в цепи обратной связи, а именно : тока базы Iб транзистора VT1 и входного тока Iвх: ?I = Iб - Iвх. (3) Очевидно, что величина ошибки установления требуемого тока в нагрузке тем меньше, чем меньше входной ток ОУ и чем больше коэффициент усиления транзистора VT1. Аналогичными свойствами обладает источник тока, схема которого показана на рис. 2.4 . Рис. 2.4. Это устройство также описывается выражениями (1) - (3) и отличается лишь напряжением тока. Основной недостаток здесь по сравнению с классической схемой заключается в дополнительном ограничении на минимальное напряжение на нагрузке, т.е. должно выполняться условие Uн = Uсс - Uвых оу - Uбэ ? Uсс - Uпоу, (4) где Uсс - напряжение источника питания, Uвых оу - максимальное выходное напряжение ОУ, Uпоу - напряжение питания ОУ. Если одним вариантом источника тока является схема с плавающей нагрузкой, приведеная на рис. 2.5 . Рис. 2.5. Сила тока в нагрузке здесь также определяется выражением (1). Так как нагрузка Rн включена последовательно с датчиком тока R1, то на ошибку устанавливаемого тока не влияет ток базы транзистора, и она определяется лишь очень малым входным током ОУ: ?I = Iвх. (5) Недостатком этой схемы является ограничение на величину максимального напряжения на нагрузке: Uн < Uвых оу - Uбэ - IR1, (6) Кроме того, в ряде применений оказывается неудобным то обстоятельство, что оба вывода нагрузки оторваны и от земли и от шин питания. На схему с плавающей нагрузкой очень похожа схема с заземленной нагрузкой (рис. 2.6). Рис. 2.6. В этой схеме ток нагрузки определяется выражением (1), а ошибка его установления - выражением (3). Наличие возможности заземления нагрузки является существенным преимуществом данного устройства. Однако за это приходится расплачиваться применением плавающего источника питания Uсс. Максимальное напряжение на нагрузке ограничено: Uн < Uвых оу - Uбэ ? Uпоу. (7) В качестве регулирующего элемента можно применить полевой транзистор. Это позволит исключить ошибку, которую вносит ток базы в биполярном транзисторе. Такая схема приведена на рис. 2.7. Рис. 2.7. Здесь также ток в нагрузке определяется выражением (1), а ошибка установления его значения, определяемая входным током ОУ, выражением (5), так как ток затвора в полевом транзисторе с изолированным затвором отсутствует. Существенный недостаток данной схемы связан с тем, что крутизна полевого транзистора примерно на порядок ниже крутизны биполярного транзистора. Это вынуждает значительно увеличивать управляющее напряжение на затворе регулирующего элемента VT1, которое ограничено выходным напряжением ОУ DA1. Кроме того, применение полевого транзистора существенно уменьшает коэффициент передачи в цепи обратной связи и ухудшает в целом температурную стабильность источника тока, что приводит к увеличению ошибки устанавливаемого тока нагрузки. 2.3. Выбор оптимальной схемы источника тока. Проводя сравнительный анализ типовых схем источников тока, делаем вывод о целесообразности применения схемы, содержащей в качестве регулирующего элемента полевой транзистор. Однако для повышения стабильности работы и получения выходного тока (тока нагрузки), большего, чем начальный ток стока Iс нач полевого транзистора (т. к. в качестве исходного данного имеем ток нагрузки Iн =5А.), в схему требуется ввести добавочный усилитель тока на биполярном транзисторе. Причем, согласно рекомендациям [1] для токов нагрузки Iн >> 100 мА следует применять составной транзистор. Таким образом, будем строить источник тока по схеме рис. 2.8. Рис. 2.8. Этот источник тока, как и рассмотренный выше (рис. 2.7.), не имеет ошибки, связанной с током базы, т. к. утечка затвора полевого транзистора с p-n переходом и каналом n-типа имеет порядок несколько наноампер, т. е. пренебрежимо мала. 3. ВЫБОР И РАСЧЕТ ВСЕХ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ 3.1. Определение сопротивления датчика тока R1 и выбор типа резистора Величина сопротивления R1 должна обеспечивать рабочий диапазон источника тока, т. е. должен сохранятся выходной ток Iн = 5А при изменении сопротивления нагрузки в пределах от 0 до 2 Ом. Для этого требуется, чтобы при Rн = 2 Ом транзистор VT2 не входил в режим насыщения, т. е., чтобы выполнялось условие Uкэ > Uкэ нас Так как транзистор VT2 должен быть составным, то зададимся требованием Uкэ >= 1,5 В при Rн =2 Ом. При IR1 ? Iн справедливо выражение Ucc = Iн Rн + Uкэ + Iн R1. откуда можно найти максимально возможное значение R1 для Ucc = 12 В, Iн = 5 А, Rн = 2 Ом, Uкэ min = 1,5 B. R1max = = = 0,1 Ом. При R1= 0,1 Ом на инвертирующем входе ОУ действует напряжение Uвх = Iн R1 = 5*0,1 Ом = 0,5 В. Таким образом, получили, что Uвх - достаточно мало, и его снижение нецелесообразно из соображений роста ошибки смещения входа ОУ. Поэтому окончательно принимаем величину сопротивления R1 = 0,1 Ом. На R1 выделяется мощность PR1 = R1 = 52*0,1 = 2,5 Вт. По [4] выбираем в качестве R1 резистор типа С5-16МВ номинальной мощностью 5 Вт номинальным сопротивлением 0,1 Ом и допуском +(-) 0,5%. 3.2. Выбор типа транзистора VT2 и величины резистора R2. Выше была определена необходимость применения в качестве VT2 составного транзистора. Максимальным режимом транзистора VT2 является Iк = 5A, Uкэ = Ucc-IнR1 = 12 - 5*0,1 = 11,5 B. В соответствии с этим выбираем по [3] тип транзистора КТ827А (транзисторы кремниевые меза-эпитаксиально-планарные n-p-n составные универсальные низкочастотные мощные), у которого все предельные эксплуатационные данные удовлетворяют условиям работы VT2. Статический коэффициент передачи тока транзисторов КТ827А изменяется в пределах от h21э min = 750 до h21э max = 18000 при новом значении h21э = 6000. Резистор R2 предотвращает смещение транзистора VT2 в область проводимости за счет токов утечки транзисторов [1]. Сопротивление резистора выбирают так, чтобы токи утечки создавали на нем падение напряжения, не превышающее падение напряжения Uбэ, и вместе с тем чтобы через него протекал ток, малый по сравнению с базовым током транзистора VT2. В соответствии с рекомендациями [1] выбираем сопротивление R2=1 кОм. 3.3. Выбор типа транзистора VT1. Тип транзистора VT1 будем выбирать с тем расчетом, чтобы его начальный ток стока обеспечивал бы смещение транзистора VT2 в режим наибольшей "открытости" (он имеет место при Rн=2 Ом). Для такого режима требуется максимальный ток базы Iб max = = = = 6,7*10-3А = 6,7 мА. Учитывая, что напряжение "база-эмиттер" транзистора VT2 Uбэ ? 1,3 В, получаем ток через резистор R2: IR2 = = = 1,3 мА. Ток стока транзистора VT1 равен стоку истока, и поэтому IС = IБ + IR2 Тогда минимальный начальный ток стока должен быть: Iс нач = Iб max + IR2 В соответствии с этим по [3] выбираем в качестве VT1 транзистор типа КП307Г (транзисторы кремниевые эпитаксиально-планарные полевые с затвором на основе p-n перехода и каналом n-типа), у которого Iс нач = 8......24 мА. По таким предельным эксплуатационным данным, как напряжения между электродами (все они превышают ток 25В), транзистор КП307Г соответствует условиям работы в источнике тока: Uсн max = Ucc - IнR1 - Uбэ = 12 - 5*0,1 - 1,3 = 10,2 В. Транзистор VT1 должен рассеивать мощность, равную Uсн max* Iс нач = 10,2 * 8 = 81,6 мВТ. Таким образом, транзистор КП307Г и по этому параметру (Ррас доп=250 мВт) удовлетворяет условиям работы. 3.4. Выбор типа операционного усилителя DA1. На неинвертирующий вход ОУ DA1 должен быть подан с источника опорного напряжения (ИОН) сигнал Uвх = IнR1 = 5*0,1 = 0,5 В, т. е. очевидно, что ОУ работает с малыми токами, и на работу источника тока возможно влияние погрешностей ОУ, таких, как смещение, сдвиг и дрейф. Для улучшения характеристик при малых токах разумно использовать ОУ с входом на полевых транзисторах, что позволяет исключить ошибки, вызванные током смещения [1]. В соответствии с этим по [5] выбираем тип ОУ К140УД8А, который представляет собой операционный усилитель общего назначения, имеющий входной дифференциальный каскад, состоящий из полевых транзисторов. ОУ типа 140УД8 не требует применения внешних цепей коррекции, но для его балансировки между выводами 2 и 6 должен быть включен подстроечный резистор. Номинальное напряжение питания микросхемы плюс 15В, минус 15В. 4. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ СХЕМЫ И НАЗНАЧЕНИЯ ЕЕ ЭЛЕМЕНТОВ В разработанном источнике стабильного тока регулирующий элемент (транзистор VT1) снабжен усилителем тока (транзистор VT2). Резистор R1 выполняет функции датчика тока для операционного усилителя DA1, который сравнивает задающее напряжение Uвх, поступающее на неинвертирующий вход, с напряжением обратной связи и стремится их выровнять. Выравнивание осуществляется за счет воздействия на затвор полевого транзистора VT1, который работает в линейном режиме. Изменения напряжения на затворе вызывают соответствующие изменения тока стока, тока базы транзистора VT2, тока эмиттера и коллектора VT2 до тех пор, пока напряжение обратной связи, выделенное на R1 и строго пропорциональное току в силовой цепи, не сравняется с задающим напряжением Uвх. Подстроечный многооборотный резистор R3 типа СП5-14 применяется в процессе регулировки источника тока для балансировки ОУ DA1. 5. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ На печатной плате целесообразно разместить все элементы источника стабильного тока, кроме транзистора VT2, так как последний в процессе работы может рассеивать мощность до ?60 Вт и требует установки на радиаторе площадью 1000 см2. Соединение VT2 с печатной платой осуществляется подпайкой проводов в соответствующие точки печатной платы, которые должны быть отмаркированы вспомогательными подписями. Соединение печатной платы источника тока с внешними цепями (Uвх, нагрузка, напряжение питания ОУ, корпус) - также неразъемное - с помощью подпаиваемых проводов. Технические требования на печатный монтаж приведены на чертеже печатной платы. Небольшая сложность устройства позволяет выполнить монтаж на односторонней печатной плате. Перечень элементов источника тока размещен на одном листе с электрической принципиальной схемой. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. -М.: Мир, 1983, т. 1. Иванов П., Семушин С. Источники стабильного тока и их применение в радиоаппаратуре. -М.: ДОСААФ, 1989. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник. Под общей ред. Н. Н. Горюнова. -М.: Энергоатомиздат, 1986. Резисторы. Справочник. Под ред. И. И, Четвертанова и В. М. Терехова. -М.: Радио и связь, 1991. Аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. -М.: Радио и связь, 1981. Шило В. Л. Линейные интегральные схемы. -М.: Сов. радио, 1979. Манаев Е. И. Основы радиоэлектроники. -М.: Радио и связь, 1990. 1 17 Работа на этой странице представлена для Вашего ознакомления в текстовом (сокращенном) виде. Для того, чтобы получить полностью оформленную работу в формате Word, со всеми сносками, таблицами, рисунками, графиками, приложениями и т.д., достаточно просто её СКАЧАТЬ.  |
|
Банк готовых работ
Форма заказа
Скачать работу
экономические  Copyright © refbank.ru 2005-2024
Все права на представленные на сайте материалы принадлежат refbank.ru. Перепечатка, копирование материалов без разрешения администрации сайта запрещено. |
|