, (2.2)

де – ЕРС ланцюга;

I – сила струму в ланцюзі;

R – опір всіх елементів ланцюга;

r – внутрішній опір джерела живлення.

Якщо ланцюг містить не лише активні, але і реактивні компоненти (ємності, індуктивності), а струм являється синусоїдальним з циклічною частотою ω, то закон узагальнюється: величини, що входять в нього стають комплексними

 (2.3)

де U = U0eiωt – напруга чи різниця потенціалів;

I – сила струму;

Z = Re–iδ – комплексний опір;

R = (Ra2+Rr2)1/2 – повний опір;

Rr = ωL – 1/ωC – реактивний опір (різниця індуктивного і ємнісного);

Rа – активний опір, що не залежить від частоти;

Δ = arctg Rr/Ra – зсув фаз між напругою і силою струму.

Імпульсні генератори – призначені для одержання сигналів, форма яких суттєво відрізняється від синусоїдальної. Такі сигнали характеризуються наявністю ділянок з відносно повільною зміною амплітуди і її стрибковою зміною. Імпульсні генератори мають внутрішній або зовнішній позитивний зворотній зв’язок.

Особливість роботи активних елементів: вони періодично, дуже швидко змінюють свій стан з одного крайнього положення в інше.

Основні режими імпульсних генераторів:

– автоколивальний – після збудження генерується послідовність імпульсів, характеристики яких визначаються лише параметрами елементів схеми;

– очікування – генератори імпульсів відбуваються лише за наявності зовнішнього сигналу запуску;

– синхронізації – частота вихідних імпульсів рівна чи кратна частоті зовнішнього синхронізуючого сигналу.

Формувачі імпульсів – пристрої, які виробляють імпульси необхідної тривалості з інших імпульсів чи з перепаду напруг (фронту).

Формувачі імпульсів бувають:

– на логічних елементах;

– з інтегруючим ланцюгом;

– з емітерним повторювачем;

– на мікросхемах.

2.2 Розробка структурної схеми перетворювача

На рисунку 2.1 наведена спрощена структурної схеми перетворювача.

Рисунок 2.1 – Спрощена структурна схема перетворювача

АМВ – автоколивальний мультивібратор, використовується для того, щоб сформувати імпульси вхідного сигналу з певною частотою. Межі частоти зазначені в умові f = 15 кГц;

ПП – первинний перетворювач на основі ОП, призначений для перетворення струму у напругу;

К – компаратор, що формує вихідні сигнали;

ПК – проміжний каскад;

ПП – підсилювач потужності, використовується для забезпечення потужності на навантаженні

2.3 Попередній розрахунок АМВ

Даний каскад використовується для генерування імпульсів зі сталою напругою і частотою. Особливих вимог до даного генератора не висувається.

Задана частота перетворення 15 кГц та напругу на виході 15 В.

Напруга на виході генератора не повинна бути висока для зменшення похибки. Нехай Uвих= 15 В, тоді =(1,2…1,4) Uвих = (7–9) В.

Задамося =В.

Гранична частота на виході ОП має бути досить висока.

Визначимо напругу живлення за заданою амплітудою вихідних імпульсів:

, (2.4)

,

, (2.5)

Виберемо ОП К554УД2А.

Основні параметри:

В вхідна напруга;

В максимальна вихідна напруга;

Ом вихідний опір;

МГц гранична частота.

2.4 Попередній розрахунок первинного перетворювача

Для первинного перетворювача обираємо той же операційний підсилювач, так як напруга живлення в нас не змінюється: =В.

Задамося R5 = R6 =1 кОм.

Напруга на виході перетворювача розраховується наступним чином:

10 мВ…1В,

100 мВ….10В.

Перший діапазон:

Uвх max = 1 В,

Uвих max = 10 В,

Кu = Uвих max/ Uвих max = 10, (2.6)

Кu = (1 + R4 / R3), (2.7)

Задамося R4 > 200 кОм,

R3 = 22,2 кОм.

Другий діапазон:

Кu = 10,

Кu = (1 + R4 / R5), (2.8)

R5 = 22,2 кОм.

2.5 Попередній розрахунок компаратора

Перетворення напруги Ux, що прямо пропорційна струму Іx, здійснюється за допомогою порівнювального пристрою – компаратора напруги. На один вхід компаратора поступає перетворювана напруга Ux, а на другий – пиловидна напруга. В момент збігу миттєвого значення пиловидної напруги з величиною напруги Ux, змінюється вихідний стан компаратора, який зберігається до закінчення пиловидної напруги. З цього слідує, що на виході компаратора формується імпульс, що пропорційний напрузі Ux, і, відповідно, значенню струму Іx. Мінімальна тривалість імпульсу на виході компаратора для чіткої її фіксації має бути не менше 1 мкс.

Напруга Ux, що пропорційна Іx, змінюється від 10 мВ до 10 В, тоді амплітуда пиловидної напруги теж має змінюватись від 10 мВ до 10 В. Період повторення складає Т = 100 мкс, тобто швидкість наростання вихідного сигналу складе 0,1 В/мкс. Формування пиловидної напруги здійсним за допомогою генератора на основі очікуваного мультивібратора з періодичним шунтуванням ключових елементів час заданого кола. Амплітуда вихідного імпульсу має бути не менше 15 В на опорі навантаження 5 Ом. Оберемо компаратор СА1. Основними параметрами компаратора є швидкість зростання напруги ρ, і максимальний час фронту tф.

Розрахуємо граничну частоту:

, (2.9)

=1 мкс,

, (2.10)

=1/100 мкс

 (2.11)

2.6 Попередній розрахунок підсилювача потужності

В якості підсилювача потужності використаємо підсилювальний каскад, побудований за схемою спільний колектор. Так як за рахунок від’ємного зворотного зв’язку він має малий вихідний опір та мале спотворення.

Розрахуємо потужність на виході даного каскаду.

Початкові дані:

10 В, Rн = 5 Ом,

Іmax =, (2.12)

Іmax = .

Розрахуємо максимальну вихідну потужність:

Рmax=Umax Imax;, (2.13)

Рmax =10*2=20 (Вт).

Визначимо напругу живлення підсилювача потужності:

Ек=1,2 Umax, (2.14)

Ек= 12 (В).

Визначаємо потужність транзисторів:

Рн =1,1, (2.15)

Рн =11 (Вт).

Така потужність відповідає гармонічному сигналу і тому при розрахунках має бути скорегована для конкретного типу сигналів.

Так як ми використовуємо двотактний каскад, то визначаємо потужність одного транзистора

Рк=, (2.16)

Рк =5,5.

Визначаємо верхню робочу частоту.

Використовуємо наближену формулу

, (2.17)

 МГц.

За даними параметрами з довідника оберемо транзистори КТ850В типу NPN та КТ851В типу PNP (таблиця 2.1).

Таблиця 2.1 – Основні параметри транзистора

2.7 Попередній розрахунок проміжного каскаду

Так як кінцевий каскад виконаний по схемі зі спільним колектором, то . Як правило напруга на виході модулятора близька до напруги живлення , тому може бути, що коефіцієнт передачі по напрузі проміжних каскадів приблизно дорівнює одиниці – .

Визначаємо коефіцієнт підсилення по струму проміжного каскаду:

, (2.18)

, (2.19)

=0,05 (А).

=5,

де - струм колектора кінцевого каскаду;

 – коефіцієнт передачі вибраного резистора;

 – вихідний струм проміжного каскаду.

По значенням вихідного струму проміжного каскаду і іншим параметрам можна вибрати транзистор попереднього каскаду.

>2Ek проміжного каскаду.

 обирається з запасом, так як колекторний струм транзистора проміжного каскаду має забезпечити струм сигналу  і струм базового падіння, і має дорівнювати 4.

Ркдоп = (1,2…1,5) Рвхкк, (2.20)

де Рвхкк=,

.

Вибираємо транзистор типу КТ604АМ NPN і його основні параметри (таблиця 2.2)

Таблиця 2.2 – Параметри транзистора КТ604АМ

2.8 Розробка детальної структури схеми

Детальна структурна схема наведена на рисунку 2.2

Рисунок 2.2 – Детальна структурна схема

АМВ – автоколивальний мультивібратор, використовується для того, щоб сформувати імпульси з напругою 10 В та частотою 15 МГц. Оснований на К544УД2А;

ПП – первинний перетворювач, призначений для перетворення струму в напругу. Схема основана на ОП К544УД2А. Межі вихідної напруги 10В;

К – компаратор, оснований на СА1;

ПК – проміжний каскад, оснований на КТ604АМ;

ПП – підсилювач потужності, використовується для забезпечення потужності на навантаженні. Оснований на КТ850В, КТ851В

Закінчивши попередню розробку структурної схеми, маємо схему, розбиту на декілька каскадів, внаслідок чого, для кожного з каскадів зроблений попередній розрахунок. Тобто визначені динамічні діапазони, коефіцієнти підсилення, максимальні значення струмів, напруг, потужностей, вибрані згідно розрахункам операційні підсилювачі, транзистори.

3. Електричні розрахунки

3.1 Електричний розрахунок підсилювача потужності

Електричний розрахунок виконуємо за допомогою електричної принципової схеми, яка зображена на рисунку 3.1.

Рисунок 3.1 – Схема ПП електрична принципова

Вхідні дані:

= 10 В,

= 10 мВ.

Задаємось Кu = 10,

Кu = (1 + R4 / R5), (3.1)

R5 = 22,2 кОм.

3.2 Електричний розрахунок первинного перетворювача

Проведемо розрахунок первинного перетворювача за допомогою схеми електричної принципової первинного перетворювача (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Схема первинного перетворювача електрична принципова

Вхідні дані:

= 10 В,

= 10 мВ,

, (3.2)

Задаємось =100.

 (3.3)

= 99, = 99 Ом.

3.3 Електричний розрахунок АМВ

На рисунку 3.3 зображена схема АМВ електрична принципова.

Рисунок 3.3 – Схема АМВ електрична принципова

Розрахуємо опір.

Вхідні данні:

Частота модуляції fmax= 50 кГц,

Umax= 10 В.

Визначимо напругу живлення за заданою амплітудою вихідних імпульсів:

=(1,2…1,4)= 10…12 В. (3.4)

Оберемо = 12 В.

Оскільки частота f = 50 кГц, задавшись ємністю конденсатора С1=1000 пФ розрахуємо значення резистора R1:

 (3.5)

R1 С2–23–15 кОм, Р=0,125Вт,.

А також конденсатор:

С1 КМ6М47–100пФ,5%.

4. Моделювання одного з вузлів

Проведемо моделювання одного з вузлів перетворювача з метою впевнитись у його працездатності. Проведемо моделювання автоколивального мультивібратора (рисунок 4.1). Підставимо всі обрані вище номінали. На вхід підсилювача подаємо імпульси прямокутної форми (рисунок 4.2).

Рисунок 4.1 – Автоколивальний мультивібратор

Рисунок 4.2 – Амплітуда вихідної напруги

Висновки

У даному курсовому проекті розроблений імпульсний перетворювач струм – тривалість імпульсу з використанням транзисторів КТ850В та КТ851В, має наступні технічні характеристики: частота модуляції 50кГц; діапазон напруги 10 мВ – 10В; опір навантаження 5 Ом; Схема підсилювача представлена на рисунку 8.

Перетворювач напруга – тривалість імпульсу вимірює напругу при заданій тривалості імпульсу.

Представлені результати розробки, виконаного на основі операційного підсилювача (ОП) та джерела струму. Перетворювач напруга – тривалість імпульсу забезпечує можливість вимірювання напруги, а також тривалості імпульсів і періоду проходження імпульсів. Описаний принцип роботи приладу і окремих його вузлів. Приводяться обґрунтування вибору основних структурних рішень основних вузлів.

В процесі роботи проводився розрахунок параметрів підсилювача, аналіз різних схем, були розраховані еквівалентні моделі транзистора. В результаті роботи одержали принципову готову схему перетворювача напруга – тривалість імпульсу з відомою топологією і відомими номіналами елементів.

Література

1. Харовіц П.Н. Мистецтво схемотехніки. т. 2. – М: "Мир" 1986. – 55 с.

2. Гурин Е.И. Ноніусний вимірник тимчасових інтервалів з обчислюваним коефіцієнтом інтерполяції. – Прилади і техніка експерименту, 1998. – 215 с.

3. Мерзляков С.И., Стрекаловский О.В., Цурин И.П. 4-канальний субнаносекундний перетворювач час-код НО‑251М. – Прилади і техніка експерименту, 1995. – 106 с.

4. Глушковский М.Е. Швидкодійні амплітудні аналізатори в сучасній ядерній фізиці і техніці. – М: Енергоатоміздат, 1986. – 253 с.

5. Міністерство електронної промисловості СРСР "Напівпровідникові прилади". Довідник, том 13. Транзистори. Видання друге. Науково-дослідний інститут, 1988. – 224 с.

6. Пасинків В.В., Чиркин Л.К. Напівпровідникові прилади. – М: Вища школа, 1987. – 432 с.

7. Довідник. "Вживання інтегральних мікросхем в електронній обчислювальній техніці". – М: "Радіо і зв'язок". 1987. – 400 с.

8. Наумов Ю.Е. Інтегральні схеми. М. Сов. радио, 1970. – 112 с.

9. Аналогові і цифрові інтегральні схеми / Під редакцією С.В. Якубовського. – М. Сов. радио, 1979. – 479 с.

10. Мікросхеми і їх вживання / В.А. Батушев, В.Г Вениаминов, В.Г. Ковалев. М.: Енергія, 1978. – 416 с.

Страницы: 1, 2