Розробка двовходового інвертуючого суматора на ОП

Електрична принципова схема  інвертуючого суматора з параметрами, отриманими за даними розрахунку і побудованого на ОП 140УД7, наведена у КР. КЕ. 07190/12.00.00.000 ЕЗ.

Звернемо увагу на те: оскільки, підсилювач призначений для підсилення сигналу напруги постійного струму, то коригуючий конденсатор С не встановлюємо.

Оскільки, ми використали мікросхему типу К140УД7, то нам потрібно забезпечити її живлення для цього нам потрібно розрахувати блок живлення.

Вихідні дані при застосуванні стабілізатора  з фіксованою напругою стабілізації:

1. напруга на виході U_вих = 15 В;
2. мінімальна вхідна напруга U_{вх min} = 17,5 В;
3. максимальна вхідна напруга U_{вх max} = 35 В;
4. потужність навантаження Р_н = 0,052 Вт.

Вихідні дані при застосуванні універсального стабілізатора КР142ЕН8В:

1. напруга на виході U_вих = 15 В;
2. мінімальна вхідна напруга U_{вх min} = 18,5 В;
3. максимальна вхідна напруга U_{вх max} = 35 В;
4. потужність навантаження Р_н = 0,052 Вт.

 

Порядок розрахунку

1) При побудові стабілізатора  напруги на основі ІМС стабілізатора  з фіксованим значенням вихідної  напруги, необхідно вибрати відповідну  ІМС (для даного варіанту завдання - за табл. 3.8 - це КР142ЕН8В з U_вих = 15 В) і перевірити її на можливість застосування за напругою та на неперевищення допустимого значення розсіюваної потужності у заданих умовах.

За напругою необхідно  забезпечувати виконання умов:

U_{вх max} < U_{вх max доп},     

де U_{вх max доп} - максимально допустима вхідна напруга ІМС;

U_{вх min} - U_вих > U_{ІМС min}.    

Оскільки:

U_{вх max} = 35 В ≥35 В = U_{вх max доп},   

18,5 - 15 = 2,5 В ≥2,5 В = U_{ІМС min},

то за напругою дана ІМС  відповідає умовам завдання.

Перевіримо можливість застосування ІМС КР142ЕН8В за потужністю, якщо її струм навантаження становить:

І_н = Р_Н / U_вих = 0,052 / 15 = 0,0035 А,

а максимальне падіння  напруги на ній за формулою дорівнює:

ΔU = 35 - 15 = 20 В.

Тоді,   Р_ІМС = 20·0,0035 = 0,007 Вт.

Оскільки                    Р_ІМС = 0,007 Вт < 1 Вт,                         

то ІМС у даному разі можна використовувати без тепловідводу.

2) Електричну принципову  схему отриманого стабілізатора  з фіксованою вихідною напругою наведено на рис. 2.2.

 

 

Рисунок 2. 2 - Стабілізатор напруги на ІМС КР142ЕН8В. 

Схема електрична принципова

 

2.2 Розрахунок однофазного мостового випрямляча з ємнісним фільтром.

 

Вихідні дані:

1. середнє значення випрямленої напруги за номінального опору навантаження U_d = 20 В;
2. струм навантаження I_d = 0,0035 А;
3. коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги К_n = 2,5 %;
4. напруга мережі живлення U_м = 220 В;
5. частота мережі живлення ƒ_м = 50 Гц.

Необхідно визначити:

1. тип і параметри вентилів;
2. режими роботи схеми (значення струмів в елементах та напруг на них);
3. ККД випрямляча;
4. ємність та тип конденсатора фільтра.

Порядок розрахунку

1. Обчислимо орієнтовні значення параметрів вентилів та габаритну потужність трансформатора.

Для цього необхідно, задати значення допоміжних коефіцієнтів B, D i F. Для мостової схеми їх вибирають у інтервалах:

 

B = 0,95...1,1; D = 2,1...2,2; F = 6,8...7,2 .

 

Нехай, B = 1,06; D = 2,15; F = 7,0.              

Тоді амплітуда зворотної  напруги на вентилі становитиме:

 

U_вт = l,5U_d = 1,5 · 20 = 30 В.

 

2) Середнє та амплітудне значення струму через вентиль буде мати вигляд:

I_am = I_d · 0,5F.

Отже , А;

І_am = 0,0035 · 0,5 · 7 = 0.01 А.

 

1. Габаритну потужність трансформатора визначимо як:

 

S_TР = U_d I_d · 0,707 BD = 20· 0,0035 · 0,707 · 1,06 · 2,15 = 0.11 В А.

 

За визначеним значенням  габаритної потужності з таблиці вибираємо трансформатор     ТА1,

S_T  = 10 ВА.

4) Вибираємо тип вентилів за таблицею. При цьому необхідно прослідкувати за виконанням всіх умов:

U_{зв max} > U_вm; I_{a max} > I_a; I_{aт max} = πI_a > I_aт.

У якості вентилів вибираємо  кремнієві діоди типу КД205Д, що мають такі параметри:

U_{зв max} = 100 В > 30 В;

I_{а max} = 0,5 А > 0,0035 А;

I_{aт max} = πI_am = π · 0,5 = 1,57 А >0,0035 А;

U_np = 1 В.

5) Знаходимо опір  діода у провідному стані:

  Ом.

6) Діюче значення напруги  вторинної обмотки трансформатора  становить:

U₂ = BU_d; U₂ = 1,06·20 = 21,2 В.

7) Діюче значення струму  вторинної обмотки трансформатора:

I₂ = 0,707DI_d = 0,707·2,57·0,0035 = 0,006 А.

8) Повна потужність вторинної  обмотки трансформатора:

S₂ = 0,707BDI_dU_d = 0,707·1,06·2,57·0,0035·20 = 0,12 ВА.

9) Діюче значення струму  первинної обмотки трансформатора:

I₁ = I₂n,

де n = U₂/ U₁ - коефіцієнт трансформації трансформатора (U₁ = U_м).

I₁ = 0,006·0,096= 0,0005 А.

10) Повна потужність первинної  обмотки трансформатора:

S₁ = 0,707BDI_dU_d = U₁I₁ = 220·0,0005 = 0,11 ВА.

11) Уточнимо повну (габаритну)  потужність трансформатора:

= 0,11 Вт < 10 Вт .

12) Уточнимо значення параметрів  діода:

U_вm = 1,41BU_d;

U_вm = 1,41·1,06·20 = 29,8 В < 100 В;

I_a = I_d/2 = 0,0035 / 2 = 0,001 А < 0,5 А;

I_am = 0,5FI_d = 0,5·7,25·0,0035 = 0,01 А < 1,57 А.

Отже, тип діода вибрано  правильно.

13) Знайдемо величину ємності конденсатора фільтра:

= 686 мкФ.

З даних таблиці вибираємо конденсатор типу К50-7 ємністю 1000 мкФ і на напругу U = 50 В > U₂ = 1,41·21,2 = 29,89 В.

14) Обчислюємо значення напруги холостого ходу випрямляча:

U_dX.X. = U_2m = U₂

= 1,41·29,89 = 29,89 B.

15) Знайдемо величину активного  опору обмоток трансформатора:

де k_r - коефіцієнт, що залежить від схеми випрямлення: для мостової схеми k_r = 3,5; B_m - амплітуда магнітної індукції у магнітопроводі трансформатора, Тл; S - число стержнів трансформатора, на яких розміщено обмотки: для броньового трансформатора із Ш-подібними пластинами магнітопроводу S=1.

Ом.

У загальному випадку:

r = r_Т + n_q r_пр

де n_q - кількість послідовно увімкнених і одночасно працюючих вентилів, для мостової схеми n_q = 2;  r_пр - опір діода у провідному стані:

  Ом.

r = 773 + 2·2 = 777 Ом.

16) Величина струму короткого замикання становить:

А.

Величина внутрішнього опору  випрямляча становить:

Ом.

Проведемо розрахунки для  обчислення величини ККД випрямляча:

де Р_T - втрати потужності у трансформаторі з ККД. η_T = 0,86; Р_B - втрати потужності у одночасно працюючих діодах: n_q = 2.

Втрати потужності у трансформаторі:

Р_T = S_T(1 - η_T) = 0,11(1 - 0,85) = 0,016 ВА.

Втрати потужності у діодах:

P_В = I_аU_прn_q = 0,15·1·2 = 0,3 ВА.

Тоді,

Електрична принципова схема, однофазного мостового  випрямляча з ємнісним фільтром представлена на рис. 2.3.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.3 – Однофазний мостовий випрямляч з ємнісним фільтром. Схема електрична принципова

 

 

 

 

 

 

 

 

3. МОДЕЛЮВАННЯ ПРИСТРОЮ

 

3.1 Вибір програмного забезпечення.

 

Після всіх розрахунків ми почали  моделювання нашої схеми. Моделювання ми проводили в середовищі програми Multisim 11.0 ми в точності склали електричну принципову схему, також задали потрібні номінали резисторів, діодів, конденсаторів. Для створення сигналів на вхід операційного підсилювача ми за допомогою генератора задали струм з напругою 0,2В та частотою 1кГц (для того щоб можна було чітко побачити графік) на виході ми приєднали осцилограф, до каналів якого приєднали вхідний сигнал і вихідний, щоб можна було побачити конкретні їхні зміни. Перевіривши правильність зібраної схеми ми її ввімкнули і розглядаючи побудований графік (рис.1)ми побачили що схема працює правильно.

 

3.2. Розробка моделі.

Рисунок 3.1 – Електрична принципова схема модельованого суматора на К140УД7

 

Для побудови даної схеми  ми використовували середовище Multisim 11.0. Для побудови електричної принципової схеми модельованого підсилювача на К140УД7 ми обрали такі елементи:

• Резистори опорами: R1=1кОм, R2=1,5кОм, R3=1,6кОм, R4=2кОм.
• Операційний підсилювач LM741H, який є аналогом до К140УД7.
• Генератор функцій XFG1, XFG2.
• Осцилограф XSC1.

 

3.3 Результати моделювання.

 

Провівши дане моделювання  за схемою , яку ми представили на рисунку 3.1. Ми отримали зображення трьох  синусоїд, на яких показала нам робота інвертуючого суматора. Для того, щоб  побачити результати даної схеми  ми використовували осцилограф XSC1.

 

Рисунок 3.2 -  Графік роботи суматора на К140УД7

 

Висновок

 

Отже, в цій курсовій роботі ми розраховували двоходовий інвертуючий суматор на ОП дослідили їхні основні параметри, за якими вони вибираються. Розрахувавши представлені у варіанті дані ми вибрали потрібну мікросхему ОП, побачивши що їй потрібне додаткове живлення ми обрахували блок живлення. Побудували структурну і принципову схему даного суматора. Забезпечили певну покращену схему даного приладу поставивши резистор зворотного зв’язку змінним, тим самим забезпечили ручну зміну підсилення вхідного сигналу.

Зробили моделювання приладу  і переконалися, що розраховані параметри  вихідного сигналу співпадають  з дійсними параметрами проектованого  підсилювача.

Спроектований суматор повністю задовольняє вимоги технічного завдання й конструктивно може бути виконаний на друкованій платі.

 

Список використаних джерел

1. Колонтаєвський Ю.П.., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікро схемотехніка: теорія і практикум: Навч. посіб./за ред. А.Г.Соскова. – К.:Каравела, 2004.- 432с
2. Бабич М.П., Жуков І.А. Комп’ютерна схемотехніка: Навчальний посібник.- К.:МК-Прес, 2004.-412с
3. Схемотехніка електронних систем. Цифрова схемотехніка. Підручник / В.І. Бойко, А.М. Гуржій, В.Я Жуйкою та ін.-К.:Вища школа, 2004.-423с.
4. Буняк  А.М. Електроніка та мікро схемотехніка. Навчальний посібник.- Київ -Тернопіль: СМП ”Астон”,2001.- 382с.
5. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, комутационные устройства РЭА: Справочник./ Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. – Мн.:Беларусь, 1994.- 591с.
6. Стахів П. Г., Коруд В. І., Гамола О. Є. Основи електроніки: функціональні елементи та їх застосування. Підручник для студентів неелектротехнічних спеціальностей вищих навчальних закладів. — Львів: «Новий Світ—2000»; «Магнолія плюс».—2003. —208 с.
7. Гусев В.Г. Гусев Ю.М. Электроника. – М,: Высшая школа, 1991.
8. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 2 т. – М.: Мир, 1984.
9. Скаржепа В.А., Луценко А.Н.  Электроника и микросхемотехника. - В 2т. - К.: Выща школа, 1989.
10. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника.- М.: Мир, 1993.
11. Токхейм Р. Основы цифровой электроники.- Мир, 1989.