Тема: «Расчет мультивибратора на ОУ»
Цель работы: научиться рассчитывать параметры электрических схем электронных устройств
Теоретическая часть
Мультивибраторами называются электронные устройства, пред- назначенные для генерирования периодической последовательности импульсов напряжения прямоугольной формы.
Мультивибраторы работают в режиме самовозбуждения, т.е. для формирования импульсного сигнала в мультивибраторах не требуется внешнее воздействие. Схема симметричного мультивибратора на операционном усилителе приведена на рисунке 1.
R 3
· ¥
C 1 ·
·
R 1 R 2
DA 1
·
U вых
R н
Рисунок 1- Схема симметричного мультивибратора на операционном усилителе
Задача № 11
Рассчитать параметры симметричного мультивибратора на опера-
ционном усилителе с рабочей частотой
f = 100
Гц и сопротивлением
нагрузки
R н = 62
кОм.
Варианты индивидуальных заданий приведены
| № варианта | R н, кОм | f, Гц | № варианта | R н, кОм | f, Гц | |
Пример решения задачи № 11.
Схема симметричного мультивибратора приведена на рис. 2.34.
Промышленность выпускает различные типы операционных уси- лителей, каждый из которых разрабатывается под конкретные изделия. Наиболее простыми являются ОУ марки К140УД6, К140УД7, К1410УД20. Для выполнения симметричного мультивибратора выбира- ем операционный усилитель серии К140УД6, который имеет следую- щие основные параметры [3]:
U ип1 = +15±1,5 В;
R вх
≥ 1 МОм;
|
= –15±1,5 В; U +
= +11 В;
|
≤ 2,5 мА; U - = –11 В;
I вх
≤ 200 нА;
K у. U
≥ 30000;
D I вх
≤ 25 нА;
f 1= 1 МГц;
Uсм= ±10 В;
VU вых = 2 В/мкс.
Условные обозначения параметров операционного усилителя:
сти; сти;
U ип1
U ип2
– напряжение источника питания положительной полярно-
– напряжение источника питания отрицательной полярно-
теля;
I вых.доп
– максимальный допустимый ток операционного усили-
I вх
– входной ток операционного усилителя;
D I вх U см R вх
+
– разность входных токов;
– напряжение смещения;
– входное сопротивление;
U вых.м
уровня;
– максимальное выходное напряжение положительного
|
вых.м
уровня;
– максимальное выходное напряжение отрицательного
K у.U– коэффициент усиления напряжения;
f 1– частота единичного усиления;
VU вых – скорость изменения выходного напряжения.
Найдем коэффициент передачи делителя напряжения составлен-
ного из резисторов
R 1и
R 2 по выражению:
k = U диф.доп
|
вых.м
, (2.21)
где
U диф.доп
– дифференциальное допустимое напряжение,
U диф.доп = 10 В.
Подставив в (2.21) численные значения параметров, получим
k = 10 = 0,4545
2 ×11
как
Коэффициент передачи делителя напряжения можно определить
k = R 1 R 1+ R 2
(2.22)
Из (2.22) найдем отношение сопротивлений
R1 и R 2
R 1=
R 2
k.
1 - k
Подставляя значение k, получим
R 1=
R 2
0,4545
1 - 0,4545
= 0,833
Частота выходного сигнала мультивибратора определяется по уравнению
f = 1
æ
, (2.23)
R ö
|
è 2 ø
где
t = R 3× C 1
– постоянная времени цепи заряда конденсатора С1
(рис. 2.34), с.
Из (2.23) найдем t
t =
1.
|
2 × f
× lnçç1 + 2 × 1 ÷
è 2 ø
Подставив численные значения параметров, получим
t = 2 ×100 × ln(1 + 2 × 0,833)
= 5 ×10-3с.
Зная t, определим
R 3, приняв значение конденсатора из стандарт-
ного ряда Е24 – 0,47мкф. Тогда
Подставив данные, получим
R = t.
3 C 1
|
= 10638Ом
3 0,47 ×10-6
Из стандартного ряда значений Е24 выбираем
R 3= 11кОм.
Определим мощность и тип резистора
R 3, предварительно опре-
делив ток, протекающий через сопротивление R 3
(1 +
I 3=
k)×
+
|
R 3
С учетом численных значений параметров
(1 + 0,4545)×11
I 3=
В соответствии с (2.5)
= 0,001А
PR 3
= 0,0012×11000 = 0,023Вт
Тогда тип резистора
R 3– МЛТ – 0,025 – 11кОм±5%.
Из условия ограничения выходного тока
I вых
мультивибратора на
допустимом уровне определим сумму сопротивлений
R 1и R 2
|
|
+
вых.м
1 1
× çç +
+ 1 k ÷ £ I
вых.доп
. (2.24)
Откуда
è R н
R 1+ R 2
R 3 ø
R 1+ R 2=
I вых.доп
|
вых.м
- 1 -
R н
.
1 + k
R 3
Подставив значения параметров, получим
R 1+ R 2=
2,5 ×10-3
11
- 1
- 1 + 0,4545
= 12674 Ом.
Для уменьшения протекающих токов увеличим сумму сопротив-
лений
R 1+ R 2
в 10 раз.
Значения сопротивлений нений
R 1и
R 2можно найти из системы урав-
ì R 1 + R 2 = 126740
ï
|
. (2.25)
î R 2
= 0,833
Решив систему уравнений (2.25), получим, что
R 1= 57596 Ом; R 2 = 69143 Ом. С учетом ряда Е24 принимаем
R 1= 62 кОм и
R 2 = 75 кОм.
Определим мощность резисторов
R 1и
R 2, предварительно найдя
ток протекающий через делитель напряжения
+
R 1и
R 2:
I U вых.м
11 -6А
|
= = 7,3 ×10
62000 + 75000
Тогда в соответствии с (2.5) мощность резистора
R 1:
Мощность
PR 1
R 2
PR
= (7,3 ×10-6)2× 62000 = 3,3 ×10-6Вт.
= (7,3 ×10-6)2× 75000 = 4 ×10-6Вт
С учетом найденных значений выбираем резисторы:
R 1типа МЛТ
– 0,01 – 62кОм±5%,
R 2 типа МЛТ – 0,01 – 75кОм±5%.
Проверим правильность найденных параметров. Для этого анали- тически определим максимальный ток и выходную частоту генератора и при помощи программы Electronics Workbench построим модель сим- метричного мультивибратора.
В соответствии с выражением (2.23)
f пров
= 1
2 × 5 ×10-3 × ln(1 + 2 × 0,833)
= 102 Гц.
Подставляя
f пров
в выражение
D = f - f пров×100%
f
численные значения, определяем, что отличие найденной частоты от за- данной частоты мультивибратора составляет 2%. Это является прием- лемым на практике.
Подставляя численные значения сопротивлений и коэффициента k
в (2.24), вычисляем выходной ток операционного усилителя
æ 1 1
I = 11× ç +
+ 1 + 0,4545 ÷ = 1,71мА.
вых
è 62000
|
11000 ø
Полученное значение выходного тока меньше 2,5мА, поэтому найденные параметры мультивибратора удовлетворяют условиям зада- ния.
На рис. 2.35 представлена схема имитационной модели симмет- ричного мультивибратора, а на рис. 2.36 диаграммы напряжений.
Рис. 2.35. Модель симметричного мультивибратора в программной среде Electronics Workbench
Частоту выходного сигнала мультивибратора определяем, как
f = 1
T
= 1
1,01×10- 2
= 98,6 Гц.
Полученное при моделировании значение частоты f свидетельст- вует о правильности найденных параметров мультивибратора.
Рис. 2.36. Диаграммы выходного и емкостного напряжений мультивибратора