Усилители следящих систем

Балтийский Государственный Технический Университет

" Военмех" им. Д.Ф. Устинова

Кафедра Н1 «Мехатроника и робототехника»

Курсовой проект Усилители следящих систем Выполнил: Данилов А. Е Группа: Н 182

Проверил: Логинов А.В.

Санкт-Петербург 2011г

В курсовом проекте разрабатывается полупроводниковый усилитель для управления приводным двигателем следящей системы.

Расчет усилителя начинается с оконечного каскада.

Оконечный каскад, нагруженный на обмотку управления двигателя, обычно выполняют двухтактным. В основу расчета оконечного каскада положено требование обеспечения заданной мощности в нагрузке, поэтому одним из основных параметров оконечного каскада является коэффициент усиления по мощности, потребляемой обмоткой управления.

Число остальных каскадов определяется коэффициентом усиления по напряжению, требуемым техническим заданием.

Предоконечный каскад, должен обеспечивать на выходе расчетное значение входного сигнала оконечного каскада. Расчет предоконечного каскада основан на достижении максимального значения выходного сигнала во всем диапазоне рабочих температур.

Схема входного каскада выбирается с учетом обеспечения заданного входного сопротивления усилителя. В настоящее время входные каскады выполняются на интегральных операционных усилителях. При этом гарантируется стабильность работы устройства в широком диапазоне температур, а охват обмотки управления глубокой отрицательной обратной связью по переменному току определяет высокую стабильность усилительных параметров.

Техническое задание

Вид нагрузкиАДП-123Б

Чувствительность5 мВ Входное сопротивление5 кОм Входной сигналпеременный ток Напряжение питания.20 В

Диапазон рабочих температур-10…+60С

Примечание

Фазовый сдвиг, вносимый усилителем, не должен превышать 15 градусов

Нестабильность коэффициента усиления, вызванная технологическим разбросом параметров транзисторов, не более 20%

При мощности нагрузки более 5 Вт выходное сопротивление усилителя должно составлять не более 20% от сопротивления нагрузки.

Основные характеристики двигателя АДП-123Б

Напряжение на обмотке управления110 В

Потребляемая мощность обмотки управления13,5 Вт Ток в обмотке управления0,23 А Частота цепи400 Гц

Расчет оконечного каскада

Тип оконечного каскада выбирается по мощности, потребляемой обмоткой управления. При мощности управления более 5 Вт, оконечный каскад должен обеспечивать низкое входное сопротивление (Rвых не более 0.2Rн), поэтому выбираем такой усилительный каскад:

Обмотка управления асинхронного двигателя представляет собой активно-индуктивную нагрузку для оконечного каскада усилителя. С целью уменьшения мощности потребляемой обмоткой управления, а также для улучшения условий пуска, индуктивная составляющая сопротивления обычно компенсируется включением конденсатора параллельно обмотке управления.

896,3 Ом

Ом

здесь: U_у, I_у, P_у — напряжение, ток в ОУ и мощность, потребляемая ОУ

R_а, R_L — активная и индуктивная составляющая сопротивления ОУ

мкФ

(выбираем конденсатор К73−11−250В-0.68мкФ) необходимость в наличии выходного трансформатора определяется следующим выражением

где

Е_П — напряжение источника питания 20 В

U_Кэмин — минимально допустимое напряжение на транзисторе

U_Кэмин = (2…3)U_Кэнас

U_КЭнас — падение напряжения на транзисторе в режиме насыщения

U_Э — падение напряжения на эмиттерном сопротивлении R₁₂, R₁₃

U _КЭ нас = 1 В

U _КЭ мин = 2 В

U _Э = 0,5 Е _К = 2 В

E _К = 20 В

2(E _К — U _КЭ мин — U _Э) = 44 В

В Неравенство не выполняется, следовательно, необходим трансформатор. Для согласования с нагрузкой применяют выходной трансформатор с коэффициентом трансформации:

=0,85- к.п.д трансформатора

Выбираем транзисторы V5, V8:

Приведенное сопротивление нагрузки:

Ом Максимальная амплитуда напряжения между коллектором и эмиттером: U _{КЭ макс}=2Е_П=40 В

Максимальная амплитуда коллекторного тока:

А

С учетом того, что транзистор может перегреваться во время пиков мгновенной мощности, достигающей 0,5 Р_НП, максимальная средняя мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе каждого транзистора:

Р_max=Р_НП, где

Вт

Полученным значениям U_{КЭ макс}, I_К макс, P_К выберем транзистор, параметры которого удовлетворяют условиям: P_kдоп>P_K, I_kдоп>I_kmax, U_kдоп>U_Kэmax

Выбираю транзистор КТ819В

P _kдоп = 1.5 (60) Вт — без и © теплоотводом,

I _К доп =10 А

U _К доп =60 В

Диапазон рабочих температур: −40…−100 ?С

Статический коэффициент передачи тока в ОЭ

-средний статический коэффициент передачи тока в ОЭ

— находиться по входной характеристике транзистора при

— напряжение эмиттер-база в режиме покоя

h_{11э 3,6}=

Расчет теплового режима транзистора:

здесь R_ПС=41.6 — тепловое сопротивление переход-среда транзистора

t_П=125С предельно допустимая температура перехода

t_С=60С максимальная температура среды

P_k=5,4 Вт.

Т.к. неравенство не выполняется, необходим радиатор с поверхностью охлаждения:

здесь

— коэффициент теплоотдачи,

— тепловое сопротивление перехода-корпус транзистора

— тепловое сопротивление корпус-радиатор

Выбор транзисторов V4, V7

Uкэ _{v2 max}=U_{кэ v3 max}=2E_к=40 В

Где

Выбираю транзистор КТ815Б

Uкэ _{v2 доп}=50Вт

I_{к v2 доп}=1,5А

P_{к v2 доп}=10Вт — с теплоотводом

P_{к v2 доп}=1Вт — без теплоотвода.

h_{11э 2,5}=300 Ом

в_min=40

в_max=120

в₂₅=0,5(40+120)=80

диапазон рабочих температур: от -40 до 100? С

Выбор транзисторов V3 V6:

U_{кэ max}=E_к(1±=20(1+)=26,6В

где K_u=(1…3) коэффициент усиления по напряжению ОК

I_{к1 max}=

P_к1=Вт

По этим параметрам выбираю транзистор КТ361Д который имеет следующие характеристики.

I_{к v1 доп}=50мА

U_{кэ v1 доп}=35В

P_v1=150 мВт без теплоотвода

Диапазон рабочих температур −60…+100С

Статический коэффициент передачи тока в ОЭ в_min=10

в_max=90

в₁₄=40

I_{б max}=

I_б =A

U_эбmax=0,3В

U_эб=0,27В

h_{11 14 э}=

Расчет резисторов оконечного каскада:

Резисторы эмитерных цепей R₁₃, R₂₀:

R_э=

Где S_max=

— максимальная крутизна транзисторов в партии дI^|=1,05…1,15 — допустимая разбалансировка коллекторных токов

дI=

— технологический разброс мощность, рассеиваемая не каждом резисторе

P_Rэ=0,25I²_кmax*R_э=0,25*2,5²*0,8=1,25 Вт

Выбираю резисторы С2−23−2-1Ом 5%

Остальные резисторы выбираются из условия трех-пятикратного превышения входных сопротивлений транзисторов V2, V3 и V5, V6:

R11=R18=(3…5)h_{11 14}=5*947=4,7кОм

Выбираю резистор С2−23 — 4,7 кОм

R12=R19=(3…5)h_{11 25}=5*300=1,5 кОм

Выбираю резистор С2−23 560 Ом

С2−23−110 Ом

Минимальная величина R4 и R7 ограничена следующим неравенством:

R14+R₁₅5R_нп

Неравенство выполняется на резисторах R4… R7 рассеивается не более 10% выходной мощности.

Характеристики оконечного каскада

Коэффициент усиления по напряжению:

Входное сопротивление:

Нестабильность коэффициента усиления по напряжению:

где

Максимальная амплитуда входного сигнала ОК:

Мощность потребляемая оконечным каскадом от источника сигнала:

Расчет предоконечного каскада

Мощность, необходимая для управления двигателем, обеспечивается оконечным каскадом; входное сопротивление усилителя — входным каскадом. Предоконечный каскад должен обеспечить на входе расчетное значение мощности входного сигнала оконечного каскада и, что самое главное, максимальный коэффициент усиления:

R_к==10 кОм

Где, R_нп=

— амплитуда выходного сигнала

P_н— входная мощность оконечного каскада

U_кэ— напряжение коллектор — эмиттер в режиме покоя

U_кэ— допустимое температурное смещение рабочей точки

I_{к min}— минимально допустимое значение коллекторного тока.

гдеU_КЭ1=(0,3…0,4)E_к=0,3^*20=6 В

U_КЭ1=(0,1…0,2)E_к =0,1^*20=2 В

U_э=(0,1…0,2)E_к=0,1*20=2В

I_{к min}=(0,5…1)мА= 1мА

U_км=8−2-2=4В

I_к2=

I_{к2 max}=

U_{кэ max}=E_к=20В

P_к2=U_кэ*I_к2=6*1,97*10^-3=12 мВт

Выбираю транзистор V2 КТ312Б

Uкэ=35 В

P_к=225 мВт

I_к=30 мА

Диапазон рабочих температур от -60 до +100С

в_min=25

в_max=100

в₂=60

h_{11 э1}=400 Ом

Выбор транзистора V1

Коллекторный резистор

=156 кОм

R₁₄=

I_э2=I_{э2 min}+=0,77 мА, Где

I_{э2 min}=(0,5…1)мА=0,75мА

P₁₄=0,25*(I_э2)²R₁₄=0,4 мВт

Выбор резистора R₁₄

C2−33- 2,7 кОм±10% P=0,125 Вт

I_к1=

I_{к1 max}=

R_к1=R₁₁==5243 Ом

Выбор резистора R₁₁

Uкэ _max=E_к=20В

P₁₁=U_кэ*I_к1=20*1,7*10³=0,034 Вт

С2 — 33 — 5,6 кОм±10% P=0,125 Вт

Выбираю транзистор V2 КТ312Б

Uкэ=35 В

P_к=225 мВт

I_к=30 мА

Диапазон рабочих температур от -60 до +100С

в_min=25

в_max=100

в₂=60

h_{11 э1}=400 Ом

Коэффициент трансформации согласующего трансформатора:

R_н=R_вх сопротивление последующего каскада

n=

где W₂ - число витков вторичной обмотки

W₁ - число витков первичной обмотки Расчет элементов в цепи смещения:

R_э=R₁₂+R₁₃=

где

U_эб1=-2T мВ=-2*80*10^-3=0,16В

I_к0

R_б7,6 кОм

R_б удволетворяет

R₉=

P9=

Выбираю С2−33 470 кОм±10% P=0,125 Вт

R₁₀=

P₁₀=

Выбираю С2−33 51 кОм±10% P=0,125 Вт Рассмотрим стабилизацию коэффициента усиления по напряжению введением ООС по переменному току. Зададимся нестабильностью коэффициента усиления каждого каскада равным k_U = 0.05, тогда требуемый коэффициент стабилизации, где — относительный разброс коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ

тогда

R_ос=R₁₂=

P₁₂=R₁₂=(1,7*=0,7 мВт

Выбираю R₁₂ C2−33−240Ом±10% P=0,125Вт

R13=R_э-R₁₂=1,2кОм-240Ом=960 Ом

P₁₃=R₁₃=(1,7*

Выбираю R₁₃ C2−33−1кОм±10% P=0,125Вт

коэффициент усиления по напряжению каскада охваченного ОС

Входное сопротивление каскада:

Ом

Выходное сопротивление:

Ом

Расчет входного каскада

Коэффициент усиления всего усилительного устройства:

где S = 0.005 В

S — чувствительность

Коэффициент усиления ОУ:

Для обеспечения заданного К_UОУ и входного сопротивления необходимо выбрать входной каскад на ОУ.

Но так как питание усилителя однополярное, а ОУ требует двухполярного питания, то используем схему с параметрическим стабилизатором.

Основные параметры К140УД7:

В;

;

Ом;

mA.

Ом

Выбираем резистор С2−33Н-0.125−5,1кОм +10%

Ом

Выбираем резистор С2−33Н-0.125−120кОм +10%

Ом

Выбираем резистор С2−33Н-0.125−4,7кОм +10%

Для обеспечения питания ОУ применим два стабилитрона для обеспечения средней точки. Выбираем стабилитроны КС121А.

С2−33Н-0.125−6,8кОм +10%

Расчет реактивных элементов

Выбор трансформатора обуславливается передаваемой мощностью, коэффициентом трансформации и индуктивностью первичной обмотки, необходимо, так же, принимать во внимание, что действующие значения напряжений на обмотках должны быть меньше паспортных, а для реализации необходимого КПД, сопротивления обмоток должны быть меньше расчетных.

Расчет трансформатора Тр2:

пусть _С = 0,122 рад, тогда

мГн

Ом

Расчет емкостей реактивных элементов.

Выбираю:

С0- К52−18−16 В 220 мкФ С1-К53−18−16В-220 мкФ

C2- К53−18−16В-220 мкФ

C3-К53−4А-16В-150 мкФ

С4 — К73−17 1 мкФ х 400 В ±5%

Используемая литература

1). Логинов А. В. «Усилители следящих систем», учебное пособие по курсовому проектированию, 1981 г.

2.) Логинов А. В «Аналоговые усилительно-преобразовательные устройства», учебное пособие, 2008.

3). И. И. Четвертков, В. М. Терехов, «Резисторы» справочник, 1991

4). Справочник по электрическим конденсаторам под ред. И. И. Четветкова и В. Ф. Смирнова, 1983

5). В. Ф. Лярский, О. Б. Мурадян, «Электрические соединители», справочник, 1988

6). С. Т. Усатенко, Т. К. Каченюк, М. В. Терехова «Выполнение электрических схем по ЕСКД», справочник, 1989.

7).Н. Н. Горюнов «Полупроводниковые приборы: транзисторы», справочник, 1985

8).Б. Л. Перельман «Транзисторы для аппаратуры широкого применения», справочник, 1981

9). А. В. Голомедов «Мощные полупроводниковые приборы: транзисторы», справочник, 1985