Преобразователь напряжения в унифицированный токовый сигнал
Министерство
образования и науки, молодежи и спорта
Украины
Национальный технический университет
«Харьковский
политехнический институт»
Кафедра
«Информационно-измерительные технологии
и системы»
Курсовой проект
на тему:
«Преобразователь напряжения в унифицированный токовый сигнал»
по дисциплине
«Основы электроники»
Выполнила: ст. гр. АП-49а
Крип Ю. Т.
Проверил:
Балев В. Н.
Харьков 2011
Техническое задание
Разработать
преобразователь напряжения, изменяющийся
в диапазоне
, в унифицированный токовый сигнал
в диапазоне
. Погрешность преобразователя не должна
превышать 2%.
Содержание
Сокращения……………………………………………………
Введение…………………………………………………………
- Обзор методов преобразования напряжения в токовый сигнал………...7
- Структурная схема………………………………………………………..11
- Принципиальная схема…………………..……………………………….13
- Выбор элементной базы………………………………………………….14
- Расчет погрешности…………………………………………………
……16
Заключение……………………………………………………
Список
литературы……………………………………………………
Сокращения
ИП – инвертирующий преобразователь;
НП – неинвертирующий преобразователь;
ОУ – операционный усилитель;
ПНТ
– преобразователь напряжения в ток;
Введение
Современная техника радиоприема, обеспечивая высокое качество воспроизведения радиовещательных и телевизионных передач, связана с почти неизбежным усложнением схемы, а следовательно, с увеличением числа ламп и введением в схему ряда дополнительных устройств.
К числу вспомогательных схем, улучшающих качество работы приемного устройства и главным образом упрощающих управления им, относятся, в первую очередь, схемы автоматического регулирования.
Наиболее распространенным видом автоматического регулирования являются стабилизаторы напряжения и тока1.
Наличие стабильного (устойчивого по величине) напряжения и тока не только желательно, но во многих случаях необходимо. При отсутствии стабильного источника питания могут понизиться экономичность и срок службы устройства, а в некоторых случаях нарушиться его нормальная работа. Большинство стабилизаторов напряжения и тока практически безинерционно и одинаково хорошо работает как при медленных, так и при быстрых изменениях напряжения сети и сопротивления нагрузки. В первую очередь стабилизаторы должны быть использованы для питания тех цепей, изменение режима которых влияет на устойчивость и качество приема.
Стабилизаторы тока обладают способностью поддерживать неизмененным ток нагрузки при изменениях напряжения питающей сети и сопротивления нагрузки. Они применяются для питания фокусирующих катушек электронно–лучевых трубок с магнитным отклонением, нитей ламп, чувствительных к изменениям тока накала, обмоток специальных электромагнитов, обмоток возбуждения тахогенераторов, выходное напряжение которых должно быть строго пропорционально числу обмоток, и т. д. В некоторых типах магнитных усилителей одну из обмоток, ампервитки которой не должны изменяться, также целесообразно питать от стабилизатора тока.
1 Преобразователь напряжения в ток также называют стабилизатором тока
Сигнал тока иногда может обеспечивать более качественное решение задачи в измерительных системах, системах обработки сигналов (например АЦП), для передачи сигналов по длинным линиям, для работы ОУ на индуктивную нагрузку и т.д. Для построения точных источников тока используются ОУ, охваченные глубокой отрицательной обратной связью.
Обзор методов преобразования напряжения в токовый сигнал
Преобразователь напряжения в токовый сигнал на одном ОУ.
Достоинства такого преобразователя:
- Биполярный выходной ток;
- Возможен контроль напряжения на нагрузке по выходному напряжению ОУ.
Недостатки:
- Нагрузка или источник должны быть изолированными.
|
Инвертирующий |
Неинвертирующий |
Рис.1 Два варианта схем ПНТ
На рис.1 показан простой вариант преобразователя в токовый сигнал всего на одном ОУ. Благодаря действию обратной связи входное напряжение и падение напряжения на резисторе R1 равны. Через нагрузку течет тот же самый ток, что и через резистор R1, поэтому . Ток в нагрузке не зависит от Rн при условии, что ОУ работает в линейном режиме (не насыщается).
- Коэффициент преобразования
| для ИП: |
для НП: |
- Входное сопротивление
| для ИП: |
для НП: |
где – входное сопротивление для синфазного сигнала ОУ.
- Выходное сопротивление ИП и НП:
- Выходной ток смещения ИП и НП
где – входное напряжение смещения ОУ,
– входной ток смещения ОУ.
- Максимальный выходной ток ограничивается напряжением питания ОУ и импедансом нагрузки
| для ИП: |
для НП: |
Максимальный выходной ток может ограничиваться и встроенной защитой самого ОУ. В этом случае для увеличения тока к выходу ОУ можно подключить усилитель мощности.
Неинвертирующая
схема рис.1 имеет высокое входное
сопротивление, так как входной
сигнал подается непосредственно на
вход ОУ. Входное сопротивление
Однополярный источник тока.
Достоинства:
- Могут отдавать большие токи при больших выходных напряжениях.
Недостатки:
- Однополярные выходные токи.
- Нагрузка, как правило, должна быть изолированной.
Рис.2 Однополярный источник тока
Эту
схему можно использовать только
при положительных входных
- Выходной ток:
- Коэффициент преобразования:
где – коэффициент передачи тока коллектора транзистора.
- Выходной импеданс равен импедансу коллектор – база транзистора:
где – выходное сопротивление транзистора;
– емкость коллектор – база.
- Напряжение смещения, приведенное к входу:
Коэффициент преобразования ПНТ определяется резистором R1, и в соответствии с этим выбирается его сопротивление. Транзистор должен выдерживать максимальный ток, максимальное напряжение и максимальную мощность, которые должна обеспечить схема. Для биполярных транзисторов паспортные значения мощности рассеяния для больших напряжений коллектор–база использовать нельзя из–за возникающих локальных перегревов кристалла. Чтобы исключить перегрузку ОУ, уменьшить нелинейность и погрешности коэффициента передачи, транзистор должен иметь большой коэффициент передачи тока базы h21E.
Максимальный выходной ток зависит от нагрузки и питания напряжения. Обычно при больших сопротивлениях нагрузки или больших токах ее можно питать от отдельного источника Uпит, и напряжение Uпит следует выбирать так, чтобы можно было получить максимальный ток нагрузки . При использовании биполярных транзисторов возникает погрешность преобразования, связанная с отличием транзистора от 1. эту погрешность можно скорректировать подбором резистора R1. Появляется также нелинейность, но ее можно значительно уменьшить, применяя транзисторов с большим значением h21E.
В дальнейшем для разработки преобразователя воспользуемся схемой однополярного источника тока, потому что нагрузка подключена к силовому источнику питания.
Структурная схема
Преобразователь имеет в своем составе: сумматор и преобразователь напряжения в ток.
Рис.3 Структурная схема ПНТ
В
качестве сумматора выбираю
Недостатком этой схемы является отсутствие точки нулевого потенциала, в связи с этим коэффициенты усиления по различным входам не являются не зависимыми. Этот недостаток особенно сильно сказывается, если внутреннее сопротивление источников входных напряжений, или по крайней мере одного из них, известно только приближенно или меняется в процессе работы.
Рис.4 Неинвертирующий сумматор
Входная цепь неинвертирующего суммирующего ОУ является для него незначительной нагрузкой, так как входной импеданс очень высокий. Поэтому выходное напряжение будет:
где – потенциал точки А, который может быть определен:
Если , то коэффициент усиления неивертирующего усилителя будет равен 2 ( ). С этим учетом выходное напряжение схемы будет равным сумме входных напряжений: .
Принципиальная схема ПНТ
Напряжение, подающее на преобразователь, меняется от 2,5В до 12,5В, а выходной ток должен получаться, при этом, в диапазоне от 4мА до 20мА. Исходя из уравнения выходного тока преобразователя ( ) найдем R5.
Поскольку нет такого сопротивления с таким номиналом ни в каком ряду, то разбиваем его на два сопротивления и это будет , .
Выбор элементной базы
Прецизионные резисторы отличаются высокой стабильностью параметров при эксплуатации и большой точностью изготовления. Применяются они в основном в измерительных приборах, в различных счетно–решающих устройствах, вычислительной технике и системах автоматики. Диапазон их номинальных сопротивлений в ряде случаев шире, чем резисторов общего назначения.
Для всех резисторов выбираем ряд Е192 и тип С2–29В. Этот тип указывает, что резисторы постоянные непроволочные тонкослойные металлодиэлектрические и относятся к изолированным резисторам.
Для
Номинальная мощность – 0,25Вт
Номинальное сопротивление – 1кОм
Допуск – 0,05%
Уровень собственных шумов – 1,0мкВ/В
Группа по температурному коэффициенту сопротивления (ТКС) – Б
Для ;
Номинальная мощность – 0,062Вт
Номинальное сопротивление – 320Ом и 305Ом
Допуск – 0,05%
Уровень собственных шумов – 1,0мкВ/В
Группа по температурному коэффициенту сопротивления (ТКС) – Б
Выбираем для схемы ОУ 140УД17. Это прецизионные усилители с малым напряжением смещения и высоким коэффициентом усиления напряжения. Имеет внутреннюю частотную коррекцию. Обладает отличным сочетанием параметров входных напряжений и тока шума. Предназначен для применения в высокоточных измерительных цепях с большим коэффициентом усиления.
Технические характеристики операционного усилителя 140УД17:
- Работа от двух источников +/-3...+/-18 В
- Ток потребления: 5 мА
- Частота единичного усиления: 0,4 МГц
- Скорость нарастания: 0,1 В/мкс
- Входной ток: 10 нА
- Смещение нуля не более 0,25 мВ
- Входное синфазное напряжение не более 10 В
- Входное дифференциальное напряжение не более 5 В
- Коэффициент усиления 150тыс.
А также выбираем транзистор КТ814 ( кремниевый транзистор типа p-n-p) и его параметры:
- Максимально допустимый постоянный ток коллектора (Iкmax): 1,5А
- Максимально допустимый импульсный ток коллектора (Iкmax и): 3А
- Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер (Uкэо): 25-80В
- Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора без теплоотвода (Pкmax): 10Вт
- Статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (h21э): 30, 40
- Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером (fгр): 3МГц
- Обратный ток коллектора (Iкбо): 0,05мА
Расчет погрешности
При помощи Electronics Workbench, моделируя нашу схему, рассчитаем погрешность.
Изменяя на 0,05 , мы получаем , ,
,
, ,
,
,
,
,
,
,
, ,
, ,
, ,
, .
,
Изменяя на 0,05 , мы получаем , ,
, ,
,
,
,
,
,
,
, .
, ,
, ,
, ,
, .
,
Заключение
Разработали преобразователь напряжения в ток, используя неинвертирующий сумматор и преобразователь с однополярным источником тока. Рассчитали погрешность преобразователя, в первом случае она составляет 1,3%, а во втором – 0,9%. Эти значения погрешностей не превышают заданной погрешности, которая была задана в техническом задании.
Преобразователи напряжения в ток применяются в случае, когда ток в нагрузке должен быть пропорционален входному напряжению и не зависеть от сопротивления нагрузки. В частности, при постоянном входном напряжении ток в нагрузке также будет постоянным, поэтому такие преобразователи иногда условно называют стабилизаторами тока.
Список литературы
- Применение прецизионных аналоговых ИС/А. Г. Алексенко ,
Е. А. Коломбет , Г. И. Стародуб. – М.: Радио и связь, 1981.-224с.
- Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах . – Л.: Энергия, 1988.-304с.
- Мазель К. Б. Стабилизаторы напряжения и тока. – М.: Госэнергоиздат, 1955.-135с.
- Крекрафт Д., Джерджли С. Аналоговая электроника. Схемы, системы, обработка сигнала. Пер. с англ. – М.: Техносфера, 2005.-305с.
- Пейтон А. Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. Пер. с англ. – М.: Бином, 1994.-352с.
- Резисторы: Справочник/В. В. Дубровский, Д. М. Иванов,
Н. Я. Пратусевич и др.; Под ред. И. И. Четверткова и В. М. Терехова. М.: 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1991.-528с.
