Выбор элементной базы.

В качестве операционного усилителя для реализации преобразователя «напряжение – ток» выберем микросхему К 140 УД14 с типовой схемой включения. Этот операционный усилитель имеет малую ЭДС смещения, что уменьшает погрешность преобразования. Микросхема имеет следующие параметры:

±U_п=5…20В (напряжение питания);

I_п=1мА (потребляемый ток);

R_н=2кОм (минимальное сопротивление нагрузки);

R_вх=1МоМ (входное сопротивление);

±Е_см=0,5мВ (ЭДС смещения);

ТК_Есм=2мкВ/К (температурный коэффициент ЭДС смещения)

Токозадающие резисторы R₀ b R_огр. (смотри схему функциональную) выберем типа С5-60 с допуском ±0,005% (такой допуск уменьшит погрешность преобразования).

В качестве оптической развязки входа и выхода выбираем диодные оптопары АоД 107В. Нагрузочная характеристика оптопары изображена на рисунке:

Так как максимальный выходной ток должен составлять 5мА, то необходимо “установить” на каждое выходное “плечо” 5 параллельных оптопар. По характеристике видно, что при выходном токе оптопары I_вых.=1мА входной ток равен I_вх.=13,4мА.

Разработка полной принципиальной схемы, расчет ее элементов и энергопотребления.

1. Расчет и выбор сопротивления r0.

Сопротивление R₀ (см. схему функциональную) выбираем из расчета, что при максимальном входном напряжении в нагрузку “пойдет” максимальный выходной ток.

Величина сопротивления R₀:

R₀=U_{вх max}/I_{вых max}=10В/5*10^-3А=2*10³ Ом.

Мощность, рассеиваемая на сопротивлении:

P_R0=I_{вых max}²*R₀=0,005²*2000=0,05Вт.

2. Расчет и выбор сопротивления Rогр.

Суммарный входной ток пяти оптопар:

I_вхΣ=I_вх*5=13,4*5=67мА.

Сопротивление R_огр (см. схему функциональную) выбираем из расчета, что при максимальном входном напряжении входной ток оптопары будет максимальным.

Величина сопротивления R_огр:

R_огр=U_{вх max}/I_вхΣ=10/(67*10^-3)=149 Ом.

Мощность, рассеиваемая на сопротивлении:

P_Rогр=I_вхΣ²*R_огр=0,067²*149=0,67 Вт.

Выбираем сопротивление R_огр типа C5-60-2-149 Ом ±0,005%.

3. Расчет и выбор элементов токового бустера.

Схема токового бустера изображена на рисунке:

Схема состоит из транзисторов VT1 и VT2, которые должны быть комплементарными. Такой бустер имеет ряд достоинств. Высокое входное сопротивление, коэффициент передачи по напряжению K_U=1. Выбираем 2-х полярное напряжение источника питания U_п=±18 В.

Соотношение для выбора транзисторов VT1 и VT2:

U_{кэ доп} ≥ 2U_п=2*18=36 В;

I_{к доп} ≥ 1,2*I_вхΣ=1,2*67=80,4 мА;

P_{к доп} ≥ (U_п-U_{вх max})*I_вхΣ=(18-15)*0,067=0,201 Вт.

В качестве VT1 выбираем транзистор KT 503 В, а в качестве VT2 – транзистор KT 502 В с параметрами:

U_{кэ max}=60 В;

I_{к max}=350 мА;

P_{к max}=0,35 Вт.

4. Расчет источника питания собственных нужд.

Выходные параметры источника питания:

U_пит=±18 В;

I_пит=I_вхΣ+I_пот=0,067+0,001=0,068 А.

Схема источника питания собственных нужд изображена на рисунке:

Стабилизация напряжения ±18 В осуществляется за счет стабилитронов VD2 и VD3. Стабилизируются потенциалы баз транзисторов VT1 и VT2 соответственно, через которые протекает ток нагрузки. Токи стабилитронов VD2 и VD3 ограничиваются резисторами R2 и R3. Конденсаторы C1 и C2 фильтруют пульсации выпрямленного напряжения, а диодный мост VD1 превращает переменное напряжение в постоянное. Трансформатор TV1 понижает сетевое напряжение. Чтобы выпрямленное напряжение было 2-х полярным, трансформатор имеет вывод средней точки на вторичной обмотке.

Лампа HL1 используется для индикации сетевого напряжения, а гасящий резистор R1 ограничивает напряжение, подаваемое на лампу.

При отключении переключателя SA1 сетевое напряжение подается на первичную обмотку трансформатора, включая проектируемое устройство.

Плавкие вставки FV1 и FV2 защищают питающую сеть от коротких замыканий источника питания.

Примем |U_вх+|=|U_вх-|=28 В.

Тогда при изменении сетевого напряжения на ±20% напряжения U_вх+ и U_вх- будут изменяться от ±|U_вх+|*0,8=±28*0,8=±22,4 В, до ±|U_вх+|*1,2=±28*1,2=±33,6 В, что допустимо.

Стабилитроны VD2 и VD3 выберем типа Д815Ж с параметрами:

U_ст=18 В (напряжение стабилизации);

I_ст=30 мА (средний ток стабилизации).

Определим сопротивления резисторов R2 и R3:

R2=R3=(|U_вх+|-U_ст)/I_ст=(28-18)/0,03=333,(3) Ом.

Мощность, рассеиваемая на резисторах:

P_R2=I_ст²*R2=0,03²*333,(3)=0,3 Вт.

Выбираем резисторы R2 и R3 типа C2-23-0,5-330 Ом ±5%.

Соотношения для выбора транзисторов VT1 и VT2:

U_{кэ доп}=|U_вх+|_max*√2=33,6*√2=47,52 В;

I_{к доп}=1,2*I_пит=1,2*0,068=81,6 мА;

P_{к доп}=(|U_вх+|_max - U_ст)*I_пит = (33,6-18)*0,0816=1,273 Вт.

В качестве VT1 выбираем транзистор КТ815Г, а в качестве VT2 – транзистор КТ814Г с параметрами:

U_{кэ max}=100 В;

I_{к max}=1,5 А;

P_{к max}=10 Вт.

Рассчитываем фильтровые конденсаторы C1 и C2 из расчета требуемого коэффициента пульсаций q=2%=0,02.

Емкость конденсаторов:

C1≥(I_пит+I_ст)/2π*φ_c*|U_вх+|*q=(0,068+0,03)/2π*50*28*0,02=5,55*10^-4 Ф.

Напряжение конденсаторов:

U_с1≥|U_вх+|_max*√2=33,6*√2=47,52 B.

В качестве фильтровых выбираем конденсаторы типа К50-22-50В- 680мкФ ±20%.

По лит.3 определим требования по мостовому выпрямителю VD1 и трансформатору TV1. Для этого сначала определим параметр А (по лит.3), зависящий от угла отсечки:

А=I₀*π*r/(U₀*m), где I₀=I_пит+I_ст=0,068+0,03=0,098 А;

U₀=|U_вх+|+|U_вх-|=28+28=56 В;

m=2 (пульсность схемы);

r=2r_пр+r_тр, где r_пр – сопротивление диода выпрямительного моста в прямом направлении:

r_пр=U_пр/I₀=0,5В(ориентировочно)/0,098А = 5,102 Ом.

r_тр – сопротивление обмоток трансформатора.

r_{тр =} K_r*n₀* / (I₀*φ_c*B_n) (лит.3)

По таблицам и графикам (лит.3) определим параметры, необходимые для расчета сопротивления обмоток трансформатора.

K_r=3,5 (коэффициент сопротивления для однофазной мостовой схемы выпрямления), B_m=1,5 Tл (амплитуда магнитной индукции), s – число стержней трансформатора, несущих обмотки.

Выбираем стержневую конструкцию трансформатора с числом стержней, несущих обмотки s=2.

r_тр=(3,5*56* ) / (0,098*50*1,5) = 60,973 Ом.

r=2*5,102+60,973=71,177 Ом.

Определяем параметр A:

А=0,098*π*71,177/(56*2)=0,196.

В зависимости от параметра А определяем требования к диодам выпрямителя VD1:

U_{обр доп} ≥ 1,2*1,41*B*U₀ = 1,2*1,41*0,996*56 = 94,373 В, где B=φ(А) (по графику) = 0,996.

I_{пр доп} ≥ 0,5*F*I₀=0,5*6,4*0,098 = 0,3136 А, где F = φ(А) (по графику) = 6,4.

В качестве мостового выпрямителя VD1 выберем диодную сборку КЦ412Б с параметрами:

I_{пр ср} = 1 А;

U_{обр max} = 100 В.

Определяем требования к трансформатору TV1 по лит.3.

Габаритная мощность: S_тр =0,707*B*D*U₀*I₀, где D = φ(А) (по графику) =2,3.

S_тр = 0,707*0,996*2,3*56*0,098 = 8,89 ВА;

Напряжение вторичной обмотки:

U₂=B*U₀=0,996*56=55,776 В;

Ток вторичной обмотки:

I₂=0,707*D*I₀=0,707*2,3*0,098=0,16 А.

По таблицам и графикам лит.3 определяем остальные параметры, необходимые для расчета трансформатора TV1:

КПД трансформатора η=0,67;

Коэффициент заполнения сталью К_с = 0,96;

Коэффициент заполнения окна медью обмоток К_м = 0,21;

Допустимая плотность тока в обмотках трансформатора j = 3,8А/мм².