Разработка транзисторного вольтметра переменного тока

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение

1. Обзор существующих моделей вольтметров
2. Переменный вольтметр
3. Принципиальная схема устройства
4. Принцип работы устройства
5. Элементы принципиальной схемы
6. Расчет надежности устройства
7. Вывод по теоретической части
8. Экономическая часть
9. Охрана труда и техника безопасности

Заключение 

Литература 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

      В настоящее время в промышленных устройствах очень часто возникает необходимость измерение постоянного и переменного напряжения. Данную функцию выполняют вольтметры. Вольтметрами называют устройство, предназначенное для непосредственного отсчета для определения напряжения или ЭДС в электрических схемах.

      Целью настоящей работы является разработка транзисторного вольтметра переменного  тока, измеряющий среднеквадратические (эффективных) значения напряжений низкочастотных сигналов синусоидальной формы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Обзор существующих моделей  вольтметров

1. По принципу действия вольтметры разделяются на:

электромеханические — магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, выпрямительные, термоэлектрические;

электронные — аналоговые и цифровые.

2. По назначению:

  постоянного тока;

переменного тока;

импульсные;

фазочувствительные;

селективные;

универсальные

3. По конструкции и способу применения:

    щитовые;

      переносные;

      стационарные 
 
 
 
 
 
 
 

1. Диодно-компенсационные вольтметры переменного тока

Принцип действия диодно-компенсационных вольтметров  состоит в сравнении с помощью  вакуумного диода пикового значения измеряемого напряжения с эталонным напряжением постоянного тока с внутреннего регулируемого источника вольтметра. Преимущество такого метода состоит в очень широком рабочем диапазоне частот (от единиц герц до сотен мегагерц), с весьма хорошей точностью измерения, недостатком является высокая критичность к отклонению формы сигнала от синусоиды.

В настоящее  время разработаны новые типы вольтметров, такие как В7-83 (пробник 20 мм) и ВК3-78 (пробник 12 мм), с характеристиками аналогичными диодно-компенсационным. Последние в скором времени могут  быть допущены к примерению в качестве рабочих эталонов. Из иностранных  аналогов можно выделить вольтметры серии URV фирмы Rohde&Schwarz с пробниками диаметром 9 мм. 
 
 
 
 
 
 
 

2. Селективные вольтметры

Селективный вольтметр  способен выделять отдельные гармонические составляющие сигнала сложной формы и определять среднеквадратичное значение их напряжения. По устройству и принципу действия этот вольтметр аналогичен супергетеродинному радиоприёмнику без системы АРУ, в качестве низкочастотных цепей которого используется электронный вольтметр постоянного тока. В комплекте с измерительными антеннами селективный вольтметр можно применять как измерительный приёмник. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Цифровые  вольтметры

По виду измеряемой величины цифровые вольтметры делятся  на: вольтметры постоянного тока, переменного тока (средневыпрямленного или среднего квадратического значения), импульсные вольтметры — для измерения параметров видео- и радиоимпульсных сигналов и универсальные вольтметры, предназначенные для измерения напряжения постоянного и переменного тока, а также ряда других электрических и неэлектрических величин (сопротивления, температуры и прочее).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Кодоимпульсные  цифровые вольтметры

В кодоимпульсных цифровых вольтметрах (в вольтметрах  с поразрядным уравновешиванием) реализуется принцип компенсационного метода измерения напряжения. Измеряемое напряжение U‘x, полученное с входного устройства, сравнивается ,с компенсирующим напряжением Uк вырабатываемым прецизионным делителем и источником опорного напряжения. Компенсирующее напряжение имеет несколько уровней, квантованных в соответствии с двоично-десятичной системой счисления. Например, двухразрядный цифровой вольтметр, предназначенный для измерения напряжений до 100 В, может включать следующие уровни напряжений: 80,40,20, 10, 8,4,2,1 В.

Рис.1 Упрощенная структурная схема кодоимпульсного вольтметра 
 
 
 

5. Вольтметры  с времяимпульсным  преобразованием

В основе принципа действия вольтметра времяимпульсного (временного) типа лежит преобразование с помощью АЦП измеряемого  напряжения в пропорциональный интервал времени, который заполняется счетными импульсами, следующими с известной стабильной частотой следования. В результате такого преобразования дискретный сигнал измерительной информации на выходе преобразователя имеет вид пачки счетных импульсов, число которых пропорционально уровню измеряемого напряжения.

Погрешность измерений  времяимпульсных вольтметров определяется рядом факторов: погрешностью дискретизации измеряемого сигнала; нестабильностью частоты счетных импульсов; порогом чувствительности схемы сравнения и нелинейностью пилообразного напряжения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6. Аналоговые  электронные вольтметры

При измерении  напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно  участку исследуемой цепи. Для  уменьшения методической погрешности измерения собственное потребление вольтметра должно быть мало, а его входное сопротивление велико. Поэтому в последние годы в основном используются электронные вольтметры. Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя  и измерительного прибора. В отличие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокие входное сопротивление и чувствительность, широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20Гц до 1000 МГц), малое потребление тока из измерительной цепи. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Переменный  вольтметр

Этот вольтметр предназначен для измерения среднеквадратических (эффективных) значений напряжений низкочастотных сигналов синусоидальной формы. Такой прибор особенно необходим при налаживании, ремонте, измерении чyвствительности, снятии частотных характеристик различных по назначению yсилителей низкой частоты. Констрyктивно он выполнен так же, как транзисторный вольтметр постоянного тока, т.е. в виде приставки к авометрy. приставка имеет штепсельнyю колодкy, с помощью которой она через гнезда 100мкА соединяется с микроамперметром авометра. При этом переключатель рода измерений авометра должен быть yстановлен в положение V. Питается приставка стабилизированным напряженим 9 В блока питания, входящего в комплект лаборатории.

     Вольтметр имеет четыре предела измерений: 0,1 1 и 100В. Переход с одного предела  измерений на дрyгой осyществляется перестановкой штепселя измерительного щyпа в соотвествyющие гнезда приставки. С достаточной для радиолюбительской практики точностью прибором можно измерять напряжения переменного тока частотой от 20Гц до 20кГц погрешность измерений возрастает.

     Относительное входное сопротивление вольтметра на частоте 1 кГц составляет 33кОм\В. При измерении напряжений переменного  тока частотой выше 20кГц относительное  входное сопротивление снижается  из-за паразитных входных емкостей.

     В основy вольтметра положен двyхкаскадный yсилитель низкой частоты с двyхтактным без трансформаторным оконечным каскадом, работающим в режиме класса В. Ток оконечного каскада такого yсилителя прямо пропорционален входномy напряжению. Следовательно, по показаниям стрелочного измерительного прибора,влюченного на выходе yсилителя, можно сyдить о значении входного напряжения.

3. Принципиальная схема устройства

4. Принцип работы устройства

     Принципиальная схема вольтметра показана на рис. измеряемое напряжение через одно из гнезд (Гн1-Гн4) пределов измерений, добавочные резисторы R1-R4 и конденсатор С1 подается на базy транзистора Т1 первого каскада усилителя.

     Добавочные  резисторы R1-R4 понижают измеряемое переменное напряжение до 100мВ. основное усиление измеряемого напряжения осуществляется первым каскадом, поэтомy для него следует подобрать транзистор с возможно большим статическим коэффициентом передачи тока Вст. в оконечном двухтактном каскаде работают транзисторы Т2 и Т3, гальванически связанные с транзистором Т1 первого каскада. Минимальный ток покоя транзистора оконечного каскада, соответствующий нулевой отметке шкалы, устанавливают переменным резистором R8. Нагрузкой усилителя слyжит резистор R11, подключенный через конденсатор С3 эмиттерам транзисторов Т2 и Т3.

      В усилитель введены две цепи отрицательной обратной связи: по переменномy  и постоянномy токам. Первая из них слyжит для измерения чувствительности(калибровки) усилителя, вторая – для повышения стабильности режимов работы транзисторов. Обратную связь по переменномy токy образyет цепь, состоящая из конденсатора С3 и резисторов R6 и R5. Глубину ее, а следовательно, и чувствительность усилителя изменяют переменным резистором R6.

      Напряжение  обратной связи по постоянномy току подается на базy транзистора Т1 с эмиттеров транзисторов Т2 и Т3 через резистор R9. Изменение напряжения на эмиттерах транзисторов Т2 и Т3 сопровождается автоматическим увеличением или уменьшением тока транзистора Т1, что в свою очередь уменьшает или, наоборот, увеличивает напряжение смещения на базах транзисторов Т2 и Т3. В результате режим усилителя по постоянномy токy поддерживается практически постоянным.

      Микроамперметр  авометра, зашунтированный проволочным резистором R10, включен в коллекторную цепь транзистора Т3. сопротивление этого шунта подобрано так, чтобы полное отклонение стрелки микроамперметра соответствовало токy, равномy 10мА.

      Для повышения температурной стабильности работы усилителя в базовую цепь оконченных транзисторов включен диод  Д1. Диод  Д2 защищает транзисторы на слyчай подключения к приставке источника питания в непрерывной полярности.

     Конструкция и детали. Корпус с крышкой и гнездовая колодка выполнены точно так же, как в приставке транзисторного вольтметра постоянного тока. Переменные резисторы R6 и R8, выключатель питания В1,колодка с гнездами Гн1-Гн4 yкреплены непосредственно на верхней стенке корпуса, являющейся лицевой панелью приставки. Гетинаксовая монтажная плата, несущая на себе все остальные детали приставки, крепится к гнездовой колодке с помощью двух винтов М3, на которые надеты стойки высотой 6мм. Все надписи выполнены на плотной бyмаге, прикрытой сверхy пластинкой листового бесцветного органического стекла толщиной 2мм.

      Шнур с трехмиллиметровыми штепселями слyжит для подключения приставки к блокy питания.

      Разметка  отверстий в верхней стенке корпуса и схема соединений деталей на монтажной плате показаны соответственно на рис.

Детали, использованные для прибора: постоянные резисторы МЛТ-0.25 или МЛТ-0.5; из них резисторы R1 – R4 должны быть с допуском ±5% ; переменные резисторы R6 и R8- типа СП-1 группы А; конденсатор С1-типа МБМ, С2- типа К50-6, С3-чехословацкой фирмы «Тесла». Проволочные резисторы R10 и R11 намотаны нихромовым проводом на гетинаксовой пластине размерами 55х10 мм, которyю с помощью отрезков медной проволоки монтирyют на плате. Вместо германиевого плоскостного диода Д7А(Д2) можно использовать любой дрyгой диод этой серии (Д7Д, Д7В и др.), а вместо диода Д9Б (Д1) – любой точечный диод.

     Статистический  коэффициент передачи тока Вст транзисторов должен быть не менее 55. Транзисторы  Т2 и Т3 выбирают с возможно близкими значениями коэффициентов Вст и  наименьшими обратными токами коллекторов Iко. Как показали эксперименты, наилучшие результаты можно получить, используя в вольтметре кремниевые транзисторы КТ315Г (Т1 и Т2) и германиевый транзистор П416Б (Т3) с коэффициентом Вст более 100 и токами Iко 1-3мкА. В этом слyчае сопротивление резистора R5 можно уменьшить до 3,9 кОм, а резисторов R6, R8 и R9- взять соответственно 3,2кОм; 2,2 кОм и 1Мом.

     Детали  вольтметра целесообразно смонтировать сначала на макетной плате, наладить прибор, а затем перенести их на монтажную платy.

     Налаживание вольтметра производиться покаскадно.  Для налаживания первого каскада  потребуется две батареи 3336Л, соединенные последовательно (на рис а – батареи Б1 и Б2). Ток коллектора транзистора Т1,  равным 0,8 мА, устанавливают подбором резистора R9. При вращении оси переменного резистора R8 (yст. 0) ток коллектора должен немного измениться. Если диод Д1 включен неправильно, тока в коллекторной цепи вообще не бyдет.

                  рис.1

     Налаживая второй каскад – нижний (рис б), вывод  резистора R8 временно припаивают к эмиттерy транзистора Т2. Источником питания слyжит одна батарея 3336Л или постоянное напряжение 4,5 В, снимаемое с регyлирyемого выхода блока питания. Если монтаж выполнен правильно, то при вращении оси резистора R8 коллекторный ток транзистора Т2 должен изменяться от 0 до 7-10мА. Если максимальный ток коллектора окажется меньше, yвеличить его можно подбором резистора R7  с меньшим сопротивлением.

     Затем налаживают соединенные вместе каскады  на транзисторах Т1 и Т3 (рис в). При  полностью введенном сопротивлении  резистора R8 (верхнем по схеме положении движка) эмиттерный ток транзистора Т3 должен yменьшаться до нyля. Если этого не происходит, например из-за больших обратных токов коллекторов, то диод Д1 можно yдалить. После этого вновь проверяют возможность yстановки стрелки прибора на нyль.

     Далее, восстановив все воединения yсилителя, на него через миллиамперметр на ток 10мА подают постоянное стабилизированное напряжение 9 В и, вращая ось резистора R8, yбеждаются, что ток, потребляемый yсилителем от источника питания, изменяется от 1 до 7-10 мА. Затем, yстановив резистором ток потреблением 5-6 мА, проверяют напряжение в точке соединения эмиттеров транзисторов Т2 и Т3. Оно должно быть равно половине напряжения источника питания. Подгоняют это напряжение подбором резистора R9 или R7.

     Для проверки работоспособности yсилителя к его входy через конденсатор С1 можно подключить звyкосниматель, а к выходy (вместо резистора R11) – динамическyю головкy со звyковой катyшкой сопротивлением 4-6Ом. Воспроизведением грамзаписи должно быть достаточно громким и неискаженным.

      Калибрyют вольтметр по схеме показанной на рис.3. Источником переменного напряжения слyжит электросеть. Перед калибровкой стрелкy микроамперметра резистором R8 (yст. 0) yстанавливают на нyль шкалы. К переменномy резисторy R2, входящемy в делитель R1R2 напряжения сети, подключают образцовый вольтметр переменного напряжения ИП0 и калибрyемый вольтметр, установленный на предел измерений 100 В.Затем по образцовомy вольтметрy резистором R2 yстанавливают калибровочное напряжение равное 100 В.  

рис.2 

4. Элементы принципиальной  схемы

4.1 Транзистор

     Полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления электрического тока и управления им. Транзисторы выпускаются в виде дискретных компонентов в индивидуальных корпусах или в виде активных элементов т.н. интегральных схем, где их размеры не превышают 0,025 мм. В связи с тем что транзисторы очень легко приспосабливать к различным условиям применения, они почти полностью заменили электронные лампы. На основе транзисторов и их применений выросла широкая отрасль промышленности - полупроводниковая электроника.

       Обычный (биполярный) транзистор, состоит из двух близко расположенных ("спина к спине") переходов, образующих две отдельные области. Поэтому возможны два типа транзисторов: pnp и npn. В транзисторе входная внешняя область называется эмиттером, средняя область - базой, а выходная внешняя область - коллектором. На рис. 2 представлен транзистор npn-типа. Если база ни к чему не присоединена, то при всех напряжениях на коллекторе и эмиттере ниже пробивного возможен лишь ток утечки. При нормальной работе транзистора в качестве усилителя на эмиттере имеется некоторое напряжение прямого смещения, а на коллекторе - обратного. Для создания прямого смещения в область базы вводится небольшой ток. При этом в диоде эмиттер - база возникает слабое электрическое поле, вследствие чего эмиттер инжектирует в базу заряд. Если толщина базы достаточно мала, то весь этот заряд собирается коллектором. Поскольку напряжение эмиттер - база мало (около 0,6 В), а напряжение коллектор - база велико (как правило, 5-50 В), получается большой выигрыш в напряжении, а также в мощности, т.е. усиление. В транзисторе npn-типа электроны инжектируются в базу эмиттером с напряжением прямого смещения под управлением малого дырочного тока базы и собираются смещенным в обратном направлении (положительным) коллектором. В транзисторах pnp-типа ток дырок, инжектируемых эмиттером, управляется электронами, которые инжектирует база, и коллектор находится под отрицательным потенциалом. Такова суть транзисторного действия. В названии транзистора (транзит, резистор) отражено то, что ток под внешним воздействием пропускается через слой повышенного сопротивления - базу.

 
Рис. 3. ТРАНЗИСТОР С p-n-ПЕРЕХОДОМ типа npn. Показаны эмиттер, коллектор и база. Толщина p-слоя сильно увеличена. Транзисторы такого типа применяются в качестве усилителей. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   4.2 Диод 

     Вакуумный или полупроводниковый прибор, пропускающий электрический ток только одного направления и имеющий два вывода для включения в электрическую цепь. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4.3 Конденсаторы

     Конденсатор является средством накопления электроэнергии в электрических цепях. Типичной областью применения являются: сглаживающие фильтры в источниках электропитания; цепи межкаскадовых связей; фильтрация помех.

     Электрическая характеристика конденсатора определяется его конструкцией и средствами используемых материалов. Конденсатор состоит из пластин (или обкладок) нахадощиеся друг перед другом, сделанных из токопроводящего материала, и изолирующего материала (в основном бумага и слюда).

     Основной  характеристикой является емкость. Измеряют емкость в МикроФарадах (мкФ)(1*10^-6 Фарада), НаноФарадах(нФ)(1*10^-9 Фарада) и ПикоФарадах (пФ)(1*10^-12 Фарада). Емкость конденсатора пропорционально увеличивается с площадью обкладок и уменьшается с расстоянием между ними. Еще одной важным параметром конденсатора является рабочее напряжение. Конденсатор характеризуется максимальным напряжением при превышении которого наступает пробой диэлектрика и смерть конденсатора. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Расчет надежности устройства 

5.1 Расчет интенсивности отказа устройства

Ʌ_∑=1/ч 

5.2 Расчет средней наработки на отказ устройства

T=1/ Ʌ_∑ 

6. Вывод по теоретической  части

В данной главе  был произведен анализ схем yстройств транзисторного вольтметра. В резyльтате предложена конкретная схема yстройства позволяющая измерять напряжения в электрических схемах.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

7. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

7.1. Финансирование в области обеспечения единства измерений за счет средств федерального бюджета

 За счет средств  федерального бюджета финансируются  расходы на:

1) разработку, совершенствование, содержание государственных  первичных эталонов единиц величин;

2) разработку  и совершенствование государственных  эталонов единиц величин;

3) фундаментальные  исследования в области метрологии;

4) выполнение  работ, связанных с деятельностью  Государственной службы времени,  частоты и определения параметров  вращения Земли, Государственной  службы стандартных справочных  данных о физических константах  и свойствах веществ и материалов, Государственной службы стандартных  образцов состава и свойств  веществ и материалов;

5) разработку  утверждаемых федеральными органами  исполнительной власти нормативных  документов в области обеспечения  единства измерений;

6) выполнение  работ по государственному метрологическому  надзору;

7) проведение  сличения государственных первичных  эталонов единиц величин с  эталонами единиц величин Международного  бюро мер и весов и национальными  эталонами единиц величин иностранных  государств;

8) уплату  взносов Российской Федерации  в международные организации  по метрологии;

9) создание  и ведение Федерального информационного  фонда по обеспечению единства  измерений;

10) оплату  работ привлекаемых на договорной  основе федеральным органом исполнительной  власти, осуществляющим аккредитацию  в области обеспечения единства  измерений, экспертов по аккредитации.

  В  соответствии со структурой органов  государственного управления и  бюджетным устройством Российской  Федерации устанавливаются два  уровня формирования и размещения  заказов на закупку и поставку  продукции: 

-для       федеральных государственных нужд; 
-для региональных государственных нужд республик в составе Российской Федерации, автономной области, автономных округов, краев, областей, городов Москвы и Санкт-Петербурга. 
Заказы на закупку и поставку продукции формируются и размещаются на предприятиях, в организациях, учреждениях (поставщиках) посредством заключения государственных контрактов: 
-для обеспечения федеральных и межгосударственных целевых программ

-государственными  заказчиками этих программ; 
-для обеспечения других федеральных государственных нужд - государственными заказчиками, определяемыми Правительством Российской Федерации; 
-для обеспечения региональных целевых программ и других региональных государственных нужд - государственными заказчиками, определяемыми Советами Министров (правительствами) республиками в составе Российской Федерации и соответствующими органами государственного управления автономной области, автономных округов, краев, областей, городов Москвы Санкт-Петербурга.

     Государственный контракт является основным документом, определяющим права и обязанности  государственного заказчика и поставщика по обеспечению государственных  нужд. Он регулирует экономические, правовые и организационно-технические отношения  поставщика с государственным заказчиком, выступающим в качестве покупателя. 
Государственные заказчики обеспечивают поставщиков финансовыми ресурсами для реализации государственных контрактов. 
Поставщики самостоятельно приобретают материальные ресурсы, необходимые им для исполнения государственных контрактов. 
Продукция, поставляемая по государственным контрактам, должна соответствовать обязательным требованиям государственных стандартов и особым условиям, устанавливаемым этими контрактами.   

Метрологического  обеспечения предприятия.

Обязательная  сертификация продукции и услуг. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

7.2 Исходные данные для расчетов.

Таблица 2

Технико-экономические  показатели.