Точный выпрямитель

Снежинский физико-технический институт -  филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального  образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (СФТИ НИЯУ МИФИ)

 

 

 

 

 

Кафедра АИВС

 

Пояснительная записка к курсовому  проекту

на тему: “Точный выпрямитель”

По курсу  «Электроника и микропроцессорная техника »

 

 

 

 

                     специальность: 200106

                              Руководитель курсового проекта: Скороходов В.Ф. ______

                              выполнил студент группы: ИТ-30Д  …...  ______

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Снежинск

2012 г.

Задание:

 

Разработать схему точного выпрямителя, а так же источник питания для схемы.

N(номер по журналу)=3.

R_н= 0,5N=1,5  кОм

Точность 3-0,1N=2,7  %

f =  1000+100N=1300 Гц

Схема будет  питаться от источника питания U=15В

10%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Точные выпрямители, называемые также  схемами получения абсолютной величины, обеспечивают выходной сигнал, равный абсолютной величине входного, но без  потери напряжения, возникающей при  смещении выпрямительного диода  в прямом направлении.

Точные выпрямители используются в вольтметрах переменного тока, при измерении мощности и в  других измерительных схемах. Они  также применяются при демодуляции  амплитудно-модулированных колебаний  со сравнительно низкой частотой несущей.

Схема работает следующим образом. Положите R1 = R2 = R3 = R4 = R5- Когда на входе возрастает положительное напряжение Uвх, на выходе усилителя У1 возрастает отрицательное напряжение. Д1 получает смещение в прямом направлении, а Д2 - в обратном. Напряжение в точке а схемы тогда становится равным –Uвx. Так как неинвертирующий вход У2 присоединен через резистор к инвертирующему входу У1 (потенциально заземленной точке), то У2 оказывается в режиме инвертирующего усилителя с Ку2 = -1 (напоминаем, что R4  = R5 ). Напряжение Uвых при этом равно Uвx.

Если Uвx становится отрицательным и возрастает по абсолютной величине, то напряжение на выходе У1, будет положительным и вызывает смещение Д1 в обратном направлении, а Д2-в прямом. Усилитель У2 теперь становится неинвертирующим усилителем, так как его инвертирующий вход присоединяется через R2 и R4 к потенциально заземленному инвертирующему входу усилителя У1. Коэффициент усиления У2 теперь определяется выражением

 

 

 

 

 

Так как все резисторы  имеют  одинаковое сопротивление, то Ку2 = 1,5. Коэффициент усиления инвертирующего усилителя У1 при этом больше не равняется единице, так как не весь ток, протекающий через R1, теперь протекает через R₃. Напряжение в точке в равняется напряжению в точке б, так как Uд усилителя У₂ практически равно нулю. При R2 = R3 =R4, R1 + R4=2R3 одна треть входного тока протекает через R2 и R₄ и 2/3 - через R3. Напряжение в точке б поэтому составляет 2/3 Uвх. Так как точки в и б имеют одинаковый потенциал, то можно убедиться, что при всех одинаковых резисторах

              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Анализ технического задания.

Выпрямители служат для преобразования переменного напряжения питающей сети в постоянное. Основными компонентами выпрямителей служат вентили – элементы с явно выраженной нелинейной вольтамперной характеристикой. В качестве таких элементов используют кремниевые диоды.

Однополупериодный выпрямитель. Простейшим является однополупериодный выпрямитель (рис. 1.1.2). Напряжение и ток нагрузки имеют форму, показанную на рис. 1.1.3. Выходное напряжение меньше входного на величину падения напряжения на открытом диоде.

 

 
Рис. 1.1.2

 

 
Рис. 1.1.3

 
Важным параметром выпрямителя является коэффициент пульсаций выпрямленного  напряжения, равный отношению максимального  и среднего напряжений. Для однополупериодного выпрямителя коэффициент пульсаций

 

. 

Выпрямленные напряжение и ток в схеме на рис. 1.1.2 имеют большой уровень пульсаций. Поэтому на практике такую схему применяют в маломощных устройствах в тех случаях, когда не требуется высокая степень сглаживания выпрямленного напряжения.

 
 
Двухполупериодные выпрямители. Меньший уровень пульсаций выпрямленного напряжения можно получить в двухполупериодных выпрямителях. На рис. 1.1.4 показана схема выпрямителя с выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора.

 

  
Рис. 1.1.4

Во вторичной обмотке трансформатора индуцируются напряжения   и  , имеющие противоположную полярность. Диоды проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода. В положительный полупериод открыт диод VD1, а в отрицательный – диод VD2. Ток в нагрузке имеет одинаковое направление в оба полупериода, поэтому напряжение на нагрузке имеет форму, показанную на рис. 1.1.5. Выходное напряжение меньше входного на величину падения напряжения на диоде.

 

  
Рис. 1.1.5

 
В двухполупериодном выпрямителе постоянная составляющая тока и напряжения  увеличивается вдвое по сравнению с однополупериодной схемой:

 
Существенным недостатком схемы  на рис. 1.1.4 является то, что к запертому  диоду приложено обратное напряжение, равное удвоенной амплитуде напряжения одного плеча вторичной обмотки  трансформатора:

Поэтому необходимо выбирать диоды  с большим обратным напряжением. Более рационально используются диоды в мостовом выпрямителе.  Эта схема имеет такие же значения среднего напряжения и коэффициента  пульсаций, что и схема выпрямителя с выводом от средней точки трансформатора. Ее преимущество в том, что обратное напряжения на диодах в два раза меньше. Кроме того, вторичная обмотка трансформатора содержит вдвое меньше витков, чем вторичная обмотка в схеме на рис.  1.1.4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Разработка функциональной  схемы.

Т.е входной сигнал проходит сначала  через 1 ОУ, а затем, после диода через второй. В результате их коэффициенты усиления перемножаются.

Все резисторы принимаются равными. Т.е R1=R2=R3=R4=R5

В случае положительной полуволны:

 

В случае отрицательной  полу волны:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отработка принципиальной схемы

 

Выберем ОУ – К140УД7

Параметры:

Напряжение питания  15 В   10%

Коэффициент усиления 30000

 

Напряжение  смещения нуля при U_п =   15 В, R_н = 2 кОм не более 9 мВ

 

Основные параметры ОУ типа  К140УД7

1. Входной ток, нА 400

2. Входное сопротивление, кОм 400

3. Напряжение смещения нуля, мВ ±9

4. Коэффициент усиления напряжения  >3⋅10^5

5. Коэффициент  ослабления синфазных входных  напряжений, дБ 70

6. Частота  единичного усиления, МГц >0.8

7. Максимальное  выходное напряжение, В ±10.5

8. Выходное  сопротивление, Ом 200

9. Максимальное  синфазное входное напряжение, В  12

10. Напряжение  питания, В ±15

11. Ток потреблений,  мА 3.5

В качестве диодов возьмём  2 высокочастотных КД522.

Поставим на выходе блока питания  кондесаторы для того, что бы убрать шумы : 2 электролитических и 2 керамических.

Т.к ослабление сигнала источника питания у ОУ= 80 Дб, от  10% на питании выходной сигнал изменится только на

, т. е. только на 0,15 мВ, что совсем незначительно и можно не учитывать.

Необходимо поставить компенсирующий резистор на неинвертирующем входе А1.

Он рассчитывается по формуле

 

 Для начала рассмотрим случай, когда на вход подаётся положительное напряжение.

Возьмём резисторы, равные 100 кОм с точностью 0.5 %.              

 

 

 

 

Следовательно, максимально возможная погрешность в этом случае составит  2%, что допустимо. (2 < 2.7)

Рассмотрим случай, когда на вход подаётся отрицательное напряжение.

 

 

 

 

Погрешность = 0,5%, (0,5<2.7) что допустимо.