Задача № 2. Расчет источников питания




Вариант - 20

 

 

по дисциплине:

Электроника 1.3

 

 

 

Исполнитель:    
студент группы З-8Т51   Сулиев А.Д.   01.05.2017
           
Руководитель:   Фомичев Юрий Михайлович
преподаватель          
           

. СМ замечания по тексту ИСПРАВИТЬ.

 

 

Томск - 2017

 

Исходные данные к задаче 1 и 2:

Тип ОУ - К154УД2

Задача № 1. Функциональное применение ОУ

Цель решения задачи: изучить основные параметры и характеристики операционного усилителя. Научиться рассчитывать устройства, выполняющие различные математические операции над входными аналоговыми сигналами, на ОУ.

 

Решение задачи 1.

 

 

Рисунок 1. Графическое изображение ОУ - К154УД2

 

Назначение выводов:

 

1. Балансировка

2. Инвертирующий вход

3. Не инвертирующий вход

4. Напряжение питания (-U)

5. Балансировка (приведите схему?)

6. Выход

7. Напряжение питания (+U)

8. Частотная коррекция (приведите схему?)

9.

 

Рассмотрим назначение выводов подробнее.

Усилитель имеет два входа, один из них инвертирующий (сигнал находится в противофазе с выходным сигналом), второй – неинвертирующий вход (сигнал совпадает по фазе с выходным сигналом).

Часто у усилителей коэффициент усиления спадает при увеличении частоты. Чтобы компенсировать это падения и расширить полосу пропускания изготавливают вывод частотной коррекции.

 

Рисунок 2. Упрощенное графическое изображение ОУ

 

Схема подключения источников питания к ОУ показана на рисунке 3. В общем случае операционный усилитель имеет двуполярное питание. Также можно использовать простое однополярное питание, общая точка которого создается искусственно.

Рисунок 3. Схема подключения источников питания к ОУ

По справочнику номинальное напряжение питания ± 15 В. Предельно допустимые значения напряжения питания от 2 В до 12 В, а также от -2 В до -12 В. Потребляемый ток при напряжении питания ± 15 В равен 2 мA.

Выходное напряжение операционного усилителя можно определить по формуле:

Из формулы видно, что происходит умножение входного сигнала на множитель K. Положительный множитель получается, когда мы применяем не инвертирующий усилитель, а отрицательный получаем, когда используем инвертирующий усилитель.

 

Рисунок 4. Базовая схема не инвертирующего усилителя.

 

Коэффициент усиления не инвертирующего усилителя определяется по формуле:

По заданию . Если резисторы будут одинаковой величины, то на входах при протекании токов смещения будет одинаковое падение напряжения, т.е. дифференциальный входной сигнал будет равен нулю. При уменьшении влияния тока смещения сопротивление нужно выбирать не более пары сотен кОм. Входное сопротивление инвертирующего усилителя равно , т.к. благодаря обратной связи потенциал точки A приблизительно равен нулю, поэтому сопротивление должно выбираться так, чтобы не нагружать источник входного сигнала, а должно быть достаточно большим, чтобы не нагружать выходную цепь оу.

В данной схеме используется последовательная отрицательная обратная связь по напряжению, т.е. напряжение сигнала обратной связи и управляющего сигнала включены последовательно друг с другом, а также напряжение обратной связи пропорционально выходному напряжению, т.е. исчезает при закорачивании выходных зажимов.

Глубина обратной связи:

Теоретическое минимальное входное сопротивление данной схемы:

где минимальное гарантированное входное сопротивление ОУ Ом?, минимальный гарантированный коэффициент ОУ . Входное сопротивление должно быть равно кОм, т. е. в данном случае 16 кОм. Для выполнения этого требования к не инвертирующему входу необходимо подключить резистор сопротивлением 16 кОм. В этом случае схема будет иметь вид, показанный на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема не инвертирующего усилителя


 

Выходное сопротивление при обратной связи по напряжению

где максимальное возможное выходное сопротивление ОУ .

Полоса рабочих частот fп н (по уровню 0,707) для данной схемы

Максимальный выходной сигнал на частоте 1 кГц

где скорость нарастания выходного напряжения V=75 В/мкс. Выходное напряжение не может быть больше напряжения питания, а т.к. при напряжении питания ± 15 В, максимальное выходное напряжение для данного ОУ равно ± 10 В, то максимальный выходной сигнал на частоте 1 кГц Um=10 В.

Максимальный выходной сигнал на частоте

 

Рисунок 6. Базовая схема инвертирующего усилителя

 


 

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется по формуле:

По заданию . Входное сопротивление данной схемы . Для всех устройств на ОУ входное сопротивление должно быть равно кОм, т. е. в данном случае 16 кОм. Поэтому принимается значения сопротивления кОм из ряда Е24. Значение :

Значение 320 кОм набирается из двух последовательно включенных резисторов сопротивлением 280 кОм и 40 кОм

 

 

В данной схеме используется параллельная отрицательная обратная связь по напряжению.

Глубина обратной связи:

Входное сопротивление данной схемы:

Выходное сопротивление при обратной связи по напряжению:

где максимальное возможное выходное сопротивление ОУ Ом, минимальный гарантированный коэффициент ОУ . Полоса рабочих частот (по уровню 0,707) для данной схемы:

где частота единичного усиления

Максимальный выходной сигнал на частоте 1 кГц

где скорость нарастания выходного напряжения V=75 В/мкс. Выходное напряжение не может быть больше напряжения питания, а т.к. при напряжении питания ± 15 В, максимальное выходное напряжение для данного ОУ равно ± 10 В, то максимальный выходной сигнал на частоте 1 кГц Um=10 В.

Максимальный выходной сигнал на частоте

 

 

Построим устройство суммирования

 

Согласно условию задания сумматор должен быть не инвертирующим. Базовая схема не инвертирующего сумматора показана на рисунке 6. Реализуемая математическая операция:

 

Коэффициенты усиления: по входу 1-16, по входу 2-20. Входное сопротивление должно быть равно кОм, т.е. в данном случае 16 кОм. Поэтому, с одной стороны кОм и , с другой стороны 16 кОм и кОм. Это без учета влияния внутренних сопротивлений источников сигналов, о которых ничего неизвестно. Входное сопротивление ОУ очень большое и во внимание не принимается. Данные условия выполнить невозможно.

Рисунок 6. Базовая схема сумматора

Поэтому обеспечивается входное сопротивление 16 кОм по входу 2. В результате решения системы уравнений получим кОм, кОм.

Входное сопротивление по входу 1 равно кОм, т.е. довольно близко к 16 кОм.

Для правильной работы данной схемы обязательно выполнения условия:

Принимается

Базовая схема интегратора показана на рисунке 7. Частота единичного усиления интегратора:

По заданию Гц. Руководствуясь пунктом 7, полагаем кОм, тогда:

Напряжение на выходе интегратора равно:

Рисунок 8. Базовая схема интегратора

только для идеального ОУ. В интеграторе, построенном на базе реального ОУ по разным причинам возникает ошибка, и напряжение на выходе определяется выражением:

где - напряжение смещения, – ток смещения.

За время интегрирования, равное с и входном напряжении полезный сигнал на выходе интегратора:

За время интегрирования, равное с и входном напряжении В максимальная погрешность на выходе интегратора:

Относительная максимальная погрешность интегрирования:

При поступлении на вход интегратора прямоугольного биполярного прямоугольного сигнала на выходе интегратора будет треугольный сигнал. Это следует из соотношения:

 


Рисунок 9. Графики выходного и выходного сигналов

 

При положительной амплитуде входного сигнала напряжение на выходе интегратора будет линейно уменьшаться, а при отрицательной амплитуде входного сигнала напряжение на выходе интегратора будет линейно возрастать.

Напряжение на выходе интегратора через четверть периода частоты следования входных импульсов (предполагается их скважность 2), т.е. через 0.000147 с при нулевом начальном напряжении.

Теперь построим ЛАЧХ.

Рисунок 10. ЛАЧХ

Задача № 2. Расчет источников питания

 

1) Рассчитайте параметрические стабилизаторы для питания данного ОУ от двух источников постоянного напряжения 30 В 10 % при этом изменение напряжения питания ОУ не должно превышать 0,5 %.

2) Составьте схему питания десяти ОУ с использованием интегральных линейных стабилизаторов. Исходным источником энергии является сеть 220 В 10 %, 50 Гц.

 

Расчет параметрического стабилизатора

(ток нагрузки для операционного усилителя К154УД2)

Рисунок 11. Схема для параметрического стабилизатора

Стабилизатор постоянного напряжения представляет собой делитель напряжения из двух сопротивлений, одно из которых является резистором с практически линейной вольтамперной характеристикой, а другое с нелинейной. В качестве последнего используется полупроводниковый стабилитрон.

– баластное сопротивление, которое гасит избыток напряжения между .

VD1 – стабилитрон, который за счёт своей нелинейной ВАХ стабилизирует на уровне, определяемом типом стабилитрона.

VT1 – стабилитрон, работающий в активном режиме и включенный по схеме эмиттерного повторителя, служит для увеличения максимального тока в нагрузке до уровня, превышающий максимальный ток стабилизации VD1.

Определим максимальное напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT1

Максимальная мощность на транзисторе V1:

По данным расчетам выбираем транзистор VT1 для которого:

Этим требованиям удовлетворяет КТ815А зачем такой транзистор при токе нагрузки 3мА?

Номинальная величина напряжения на нагрузке равна напряжению на стабилизации примененного стабилитрона за вычетом малого напряжения между эмиттером и базой транзистора VT1. Величина последнего не превышает десятых долей вольта, то обычно считают

.

Выберем стабилитрон.

КС 215 Ж

Расчет номинального значения баластного сопротивления К5

Расчет производится для предельного режима работы стабилитрона для

Найдем коэффициент стабилизации

Тогда определим параметры Rб с учетом минимального Кст

Получим

Известно, что расчетный коэффициент должен быть больше минимального не менее, чем в 1,3……1,5 раза.

Тогда диапазон возможных значений сопротивлений :

Выберем из стандартного ряда значений сопротивлений

Определим мощность резистора:

Питание ОУ двуполярное. Приведите схему для отрицательного напряженияю

 

 


 

Схема питания десяти ОУ

К154УД2.

(потребляемый ток для ОУ К154УД2)

Нам необходимо рассчитать источники питания с выходными напряжениями Потребляемый ток:

(по условию нужно питать 10 ОУ).

Будем использовать линейный источник питания, выполненный по классической схеме: понижающий трансформатор – выпрямитель – фильтр – стабилизатор.

Рисунок 12 – Структурная схема

Расчет стабилизатора

Выберем микросхему – интегральный стабилизатор напряжения по

Выберем двухполярный стабилизатор напряжения К142 ЕН 6А (Для его питания требуется двухполярное напряжение)

Проверяем условие

Условие выполняется.

Для выбранной микросхемы примем входное напряжение равным

Рассчитываем коэффициент пульсаций на выход стабилизатора с учетом коэффициента сглаживания микросхемы:

( – из справочных данных стабилизатора).

Рисунок 13 – Однофазный мостовой выпрямитель

Работа выпрямителя в установившемся режиме характеризуется двумя интервалами – интервалом заряда конденсатора, когда ЭДС вторичной обмотки трансформатора больше напряжения на конденсаторе С и через диоды проходит ток, и интервалом разряда конденсатора на сопротивление нагрузки, когда ЭДС вторичной обмотки трансформатора меньше напряжения на конденсаторе С и ток через диоды не проходит. Половину интервала, в течение которого через диоды протекает ток, принято называть углом отсечки.

Мы будем использовать мостовую схему выпрямителя.

Сопротивление фазы выпрямителя R:

– сопротивление обмотки трансформатора.

– сопротивление диодов постоянному току.

Сопротивление обмотки трансформатора описывается формулой:

– максимальная индукция в магнитопроводе трансформатора.

– количество стержней трансформатора несущих обмотки.

Будем вести расчет стабилизатора с запасом на нагрузку по току. Тогда

– вспомогательный коэффициент для мостовой схемы.

Внутреннее сопротивление диодов одного плеча схемы описывается формулой:

– прямое падение напряжения на диоде,

- средний выпрямленный ток каждого диода

– сопротивление фазы потребителя.

Индуктивность рассеяния обмоток трансформатора, приведѐнная к вторичной обмотке, определяется по формуле:

- вспомогательный коэффициент для мостовой схемы.

Найдем угол сдвига фаз.

Вспомогательный коэффициент рассчитывается по следующей формуле:

М – число фаз выпрямителя.

Рис. 14 - График определения вспомогательного коэффициента B0

 

Рис. 15 - График определения вспомогательного коэффициента D0

Из графиков определения вспомогательных коэффициентов (рис. 14,15), находим B0 ,D0.

 

B0, D0 вспомогательные коэффициенты

 

Рассчитаем емкость конденсаторов фильтра до и после стабилизатора по следующим формулам:

 

 

 

 

 

 

 

 

Рабочее напряжение конденсаторов выбирается в 1.5-2 раза больше напряжения холостого хода выпрямителей.

 

 

Выберем конденсаторы

 

 

 

Подберем диоды. Амплитудное значение тока через диод.

 

 

– средний выпрямительный ток каждого диода.

 

Выбираем диодный блок КЦ 402 И со следующими параметрами:

 

 


 

Расчет параметров трансформатора. Ток во вторичной обмотке трансформатора:

 

 

Будем рассматривать трансформатор со средней точкой во вторичной обмотке. Номинальная мощность трансформатора вторичной обмотки:

 

Типовая мощность трансформатора:

 

– КПД трансформатора.

 

По полученным значениям выберем Ш – образный трансформатор:

 

Число витков каждой вторичной обмотки трансформатора опреде- ляют по формуле:

 

 

 

где ΔU – относительное падение напряжения на обмотках. Е(1) – число вольт на один виток трансформатора.

 

Число витков первичной обмотки:

 

 

Максимальное расчетное значение первичной обмотки

 


 

Определим диаметры проводов обмотки:

 

 


 

Список используемой литературы

 

1.ГОСТ 2.759-82 ОБОЗНАЧЕНИЯ УСЛОВНЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ В СХЕМАХ.

ЭЛЕМЕНТЫАНАЛОГОВОЙ ТЕХНИКИ

2. Интегральные микросхемы. Операционные усилители т1: Справочник. -М.; Наука, 1993.

3 Операционные усилители. Справочник. М.; Патриот, 1996.

4. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и ИС – М.; Мир, 1985.

5. Ю.С. Клименков. Проектирование измерительных устройств на базе операционных усилителей. Методические указания к курсовой работе

по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника» Владимир 2010

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-08-26 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: