Курсовая работа (т): Комплекс электронных стрелочных измерительных приборов

Для выпрямления измеряемых переменных сигналов в приборе используем прецизионный выпрямитель, схема которого изображена на рис 2.3.

Рис 2.3 Схема прецизионного выпрямителя.

Примем R=10кОм, тогда R/2=5кОм.

Объединив схемы выпрямителя и амперметра постоянного тока, мы получим схему амперметра переменного тока, которая изображена на рис 2.4. Параметры амперметра переменного тока остаются такими же, как и для амперметра постоянного тока.

Рис 2.4 Функциональная схема электронного амперметра переменного тока .

Ток, потребляемый амперметром переменного тока, составляет [3]:

Так как  ОУ очень мал, то его значением можно пренебречь

3. Электронный омметр

Если на вход преобразователя ток-напряжение поступает постоянный ток, то его выходное напряжение пропорционально сопротивлению резистора Roc обратной связи (рис 3.1.), [4]:

.

Здесь  и  - соответственно выходное и входное напряжение инвертирующего усилителя;  и  - сопротивления, образующие цепи обратной связи.

Рис 3.1 ОУ с обратной связью.

Следовательно, преобразователь на ОУ можно легко приспособить для измерения сопротивлений.

В соответствии с законом Ома входной ток преобразователя [4]:

 А,

где RХМ - максимальное измеряемое сопротивление (0,1 кОм).

Поскольку потенциал инвертирующего входа фактически равен нулю, этот ток определяется э.д.с. источника питания ЕХ и сопротивлением резистора R1. Выбрав ЕХ = 15В, можно определить сопротивление резистора [4]:

 Ом

Рис 3.2 Схема электронного омметра.

Ток, потребляемый омметром, составляет [3]:

4. Источник питания

Подавляющее большинство электронных устройств требует стабилизированного питания от источников постоянного тока.

В полном смысле источниками постоянного тока являются только химические источники, т.е. аккумуляторные батареи и гальванические элементы. Их использование в электронных приборах не всегда возможно и целесообразно из-за ограниченной энергоёмкости и высокой стоимости.

Поэтому постоянное напряжение для питания электронных устройств наиболее часто получают путем трансформирования и последующего выпрямления переменного напряжения сети. Полученное таким образом напряжение, как правило, имеет значительные пульсации и изменяется в зависимости от нагрузки и колебаний напряжения сети. Для снижения колебаний и пульсаций напряжения используются специальные стабилизаторы напряжения, которые компенсируют эти изменения напряжения.

Наиболее часто источники питания электронных устройств получают питание от однофазной или трехфазной сети переменного тока с номинальным напряжением 220÷380 В. Иногда для питания измерительных приборов используется оперативная сеть переменного тока с номинальным напряжением 100 В.

Структурная схема стабилизированного источника питания показана на рис 4.1. Преобразование уровня напряжения и гальваническое разделение питающей сети и выходных цепей источника осуществляется, как правило, с помощью понижающих трансформаторов.

Рис 4.1 Структурная схема источника питания.

Для получения постоянного напряжения используются полупроводниковые выпрямители на основе полупроводниковых диодов и сглаживающие ёмкостные фильтры.

Сглаживающие фильтры при правильном выборе параметров позволяют существенно снизить пульсации выходного напряжения, но не позволяют избавиться от медленных колебаний выходного напряжения при изменении нагрузки и колебаниях напряжения в питающей сети. Стабильное напряжение на выходе источника питания можно получить с помощью стабилизатора.

.1 Расчет трансформатора

Расчет трансформаторов источника питания начинается с определения его вторичной мощности [4]:

= k3 * (U2,1 * I2,1+ U2,2 * I2,2)=18*0,5+18*0,5=18 ВА.

Здесь U2,1,U2,2 и I2,1,I2,2 - вторичные напряжения и вторичные токи трансформатора; k3 - коэффициент запаса.

По известной вторичной мощности определяется первичная мощность трансформатора [4]:

измерительный вольтметр усилитель трансформатор

S1 = S2 / η = 18/0.835=21.55 ВА,

где η - к.п.д. трансформатора.

Площадь поперечного сечения сердечника (мм2) трансформатора стержневого типа можно определить по следующей эмпирической формуле [4]:

 мм2

где k - постоянный коэффициент, который принимается равным 6÷8; f - частота тока в сети. С учетом изоляции листов стали сердечника, которая увеличивает площадь сечения сердечника на 10%, будем иметь [4]:

С = 1,1*278,532 = 306,385 мм2

Площадь поперечного сечения сердечника трансформатора может быть выражена через его размеры [4]:

= а * b,

где а - ширина пластин; b - толщина пакета пластин. Высоту стержня сердечника трансформатора обычно связывают с шириной пластины [4]:

HC=(2,5÷3,5) * а.

Соотношение размеров сердечника должно быть таким:

/а = 1,2÷1,8.

Ширина окна сердечника принимается, исходя из расчетов по формуле:

с = HC/m ,

где m - коэффициент, определяющий наивыгоднейшие размеры окна сердечника (m = 2,5÷3).

Подставив численные значения в формулы (4.6) - (4.8) получим:

а = 15 мм;

НС = 3 * 15= 45мм;

с = 45 / 3 = 15мм;= 21 мм.

Тогда, фактическое значение площади поперечного сечения сердечника по формуле (4.5):

= а * b = 15 * 21= 315 мм2.

Площадь поперечного сечения ярма сердечника QЯ принимается равной

(1,0÷1,15)QC:Я=1,1QC=1,1*315=346,5 мм2

Площадь поперечного сечения проводов для первичной и вторичной обмоток определяется в зависимости от тока в соответствующей обмотке и допустимой плотности тока:

I1= S1 /U1;= I1/ j;,1 = I2,1/j;,2 = I2,2/j.

Здесь I1,. s1, s2,1, s2,2 - соответственно, ток и сечения проводов первичной и вторичной обмоток; j - плотность тока в обмотке.

Подставив численные значения в формулы (4.10) - (4.13) получим:

= S1 /U1=21,55/220=0,098 А;

Рассчитывается площадь поперечного сечения провода первичной и вторичных обмоток при плотности тока 4,35 А/мм2

s1 = I1/ j=0,098 /4,35=0,022 мм2;,1= I2,1/j=0,5/4,35=0,115 мм2;

Для обмоток выбирается обмоточный провод марки ПЭВ-1 круглого сечения по справочной таблице 2.2[1]. Диаметры проводов без учета изоляции: первичной обмотки - 0,17 мм; вторичной -0,4 мм. Диаметры проводов с учетом изоляции: первичной обмотки -0,2 мм; вторичной -0,44 мм.

Число витков соответствующих обмоток можно определить так [4]:

,

где Вс - максимальное значение индукции в сердечнике трансформатора. Для компенсации потерь напряжения в проводниках обмоток необходимо

увеличить число витков вторичных обмоток на 5÷10% относительно расчетного значения.

,1= 1,05w2,1=1,05*219=230 витков;,2= 1,05w2,2=1,05*219=230 витков.

После определения основных параметров трансформаторов необходимо проверить возможность размещения обмотки в окне сердечника трансформатора. Эта возможность может быть оценена по коэффициенту заполнения окна сердечника трансформатора [4]:

= QОБМ / QО ,

гдеОБМ =dП12 *w1 + dП2,12 *w2,1+ dП2,22 *w2,2

площадь окна, занимаемая обмоткой; dП1, dП2,1 и dП2,2 -диаметры проводов первичной и вторичной обмоток с учетом изоляции; QО -площадь окна сердечника трансформатора [4]:

О= НС*с=45*15=675 мм2 .

Подставив численные значения в формулы (4.19) - (4.21) получим:

ОБМ=0,22*2678 + 0,442 *230+0,442 *230=196,176 мм2 ;

Коэффициент заполнения окна сердечника для трансформаторов небольшой мощности должен составлять 0,2÷0,4.

= 196,176/675=0,29.

Это допустимое значение коэффициента заполнения окна сердечника подтверждает возможность размещения обмоток

.2 Сглаживающие фильтры.

В источниках питания для электронных измерительных приборов, как правило, используются однофазные мостовые выпрямители, которые могут выполняться как на основе дискретных элементов, так и на основе диодных сборок.

В большинстве случаев переменная составляющая выпрямленного напряжения (пульсация), действующая на выходе выпрямителя, недопустимо велика для потребителей. Для уменьшения пульсаций между выходом выпрямителя и нагрузкой включается сглаживающий фильтр.

Наиболее широко применяются сглаживающие фильтры, состоящие из резистора и конденсатора - типа RC (рис 4.2).

Рис 4.2 Схема сглаживающего фильтра

Сглаживающие фильтры характеризуются коэффициентом сглаживания q, который можно представить как отношение амплитуды первой гармоники пульсации на входе фильтра UФВХ к амплитуде первой гармоники пульсации на выходе фильтра [2]:

ФВЫХ: q = UФВХ / UФВЫХ.

Для однозвенных фильтров q = 3÷16.

Сглаживающие RC-фильтры имеют приемлемые для электронной техники малые габаритные размеры, массу и стоимость, но низкий к п.д. (обычно составляет 0,6÷0,8), что делает их применение целесообразным при небольших выпрямленных токах.

Сопротивлением резистора R обычно задаются в пределах 0,15÷0,5 сопротивления нагрузки.

При расчете параметров, зная коэффициент сглаживания фильтра q, определяют произведение R*С и из него находят емкость конденсатора. При частоте питающей сети 50 Гц R*С =3 * 103 * q/m. Тогда, С = (3 * 103 * q) /(m * R), где С - емкость конденсатора в микрофарадах; m - число пульсаций за период, которое принимается равным 2 для однофазных мостовых схем выпрямления [2]:

R* С =3 * 103 * q/m=3 * 103 * 5/ 2= 7500 Ом * мкФ;=2* (a + b) * w2,1=2(15+21) * 230=1,656 * 10-4 м; =ρ * l/S=1,75 * 10-8 * 1,656 * 10-4/ 0,115 * 10-6= 2,52 Ом;

С = R* С / R =7500/2,52 =2976 мкФ.

Значение емкости конденсатора выбирают по справочнику из стандартного ряда. Можно выбрать конденсатор типа К50-24 3000 мкФ с номинальным напряжением 16 В.

.3 Стабилизатор напряжения

Основой стабилизаторов постоянного напряжения, как правило, являются полупроводниковые стабилитроны. Благодаря особой форме их вольтамперных характеристик удается получить стабильное выходное напряжение в достаточно широком диапазоне изменения тока стабилитрона.

Для обеспечения допустимого режима работы стабилитрона последовательно с ним включается ограничительное сопротивление RО. Его выбирают исходя из условия: ток стабилитрона во всех режимах работы стабилизатора не должен выходить за пределы рабочего диапазона стабилитрона - от минимального тока стабилизации IСТMIN до максимального тока стабилизации стабилитрона IСТMAX.

Иногда с целью уменьшения влияния температуры окружающей среды на выходное напряжение стабилизатора последовательно со стабилитроном включают диод VD3 или точно такой же стабилитрон, но включенный в противоположном направлении (VD2). В последнем случае стабилитрон работает на прямой ветви вольтамперной характеристики (т.е. как диод).

Сопротивление нагрузки стабилизатора RН должно быть много меньше ограничительного сопротивления.

Ограничительное сопротивление можно определить так [4]:

=( UВХ- UСТ)/[( IСТMAX- IСТMIN)/2].

Здесь UВХ и UСТ - входное и среднее выходное напряжения стабилизатора.

Если сопротивление нагрузки соизмеримо с ограничительным сопротивлением, то ограничительное сопротивление выбирается с учетом тока в нагрузке.

Качество работы стабилизаторов оценивается количественно по коэффициенту стабилизации, который представляет собой отношение относительного значения диапазона отклонения входного напряжения и соответствующего относительного значения изменения напряжения на выходе стабилизатора [4]:

СТ = (ΔUВХ / UВХ)/( ΔUВЫХ / UСТ),

где ΔUВХ и ΔUВЫХ - отклонение напряжения на входе и выходе стабилизатора

Для увеличения стабилизируемого напряжения стабилитроны могут быть включены последовательно. Параллельное включение стабилитронов недопустимо.

Нагрузочные характеристики стабилизатора можно улучшить, если параметрический стабилизатор дополнить электронным повторителем напряжения (рис 4.3).

Рис 4.3 Параметрический стабилизатор с электронным повторителем напряжения

В этом стабилизаторе ток нагрузки отделен от тока ограничительного сопротивления, поэтому при изменении нагрузки режим работы стабилитрона не изменяется и напряжение на базе транзистора остается практически неизменным. Следовательно, напряжение на эмиттере транзистора (т.е. выходное напряжение эмиттерного повторителя) также практически не изменяется, что обеспечивает значительное повышение коэффициента стабилизации.

Исходные данные для расчёта:

номинальное значение выходного напряжения Uвых=15 В;

минимальный ток нагрузки Iнmin=50мА;

максимальный ток нагрузки Iнmax=150 мА;

коэффициент стабилизации kст=3;

коэффициент пульсации на входе стабилизатора kпвх=0,05

относительное отклонение напряжения сети в сторону понижения amin=0,09;

относительное отклонение напряжения сети в сторону повышения amax=0,1;

Выбираем стабилитрон VD1 - KC509A со следующими параметрами:

напряжение стабилизации Uст=15В;

предельные токи стабилизации Iстmin=0.5 мА; Iстmax=150 мА;

дифференциальное сопротивление rст=15 Ом;

Уточняем выходное напряжение стабилизации Uвых=Uст=15 В.

Определяем максимальный коэффициент стабилизации [4]:

.

Определяем номинальное, минимальное и максимальное значения входного напряжения стабилизатора [4]:

Теоретически оба рассчитанных значения должны совпадать. В нашем случае

принимаем Uвх=50 В, получаем [4]:

;вхmax=50*(1+0,1) =55 В.

Определяем сопротивление резистора R0 [4]:

;

.

Определяем мощность, рассеиваемую на резисторе R0 [4]:= Iстmax2*R=0.15*0.15*180=4 Вт.

Выбираем резистор с ближайшим меньшим номиналом на
соответствующую мощность: МЛТ-5 140 Ом.         

Находим максимальный ток стабилитрона [3]:

;ст max = 0.2 А.

Убеждаемся, что рассчитанное значение тока меньше предельного значения, указанного в справочнике для данного типа стабилитрона.