Генератор линейно изменяющегося напряжения3

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра технической кибернетики
Генератор линейно изменяющегося напряжения
Пояснительная записка
по дисциплине ‘Электроника’
Выполнил:
студент группы Т28-219
Хамидуллин Р.Р.
Проверила:
Алексеева А.Н.
г. Уфа 2003г.
1. Техническое задание
Спроектировать генератор линейно – изменяющегося напряжения со
следующими параметрами:
Амплитуда
Umax
В
Длительность
прямого хода
8

tо
tр
мкс
Коэффициент
нелинейности
Длительность
обратного хода
мкс
60
%
10
0,25
В результате расчетов определить параметры элементов схемы генератора.
2
2. Содержание
Техническое задание
Содержание
Вводная часть
.Проработка научно – технической литературы и
обоснование
выбора
5. Разработка и описание принципиальной схемы генератора
линейно- изменяющегося напряжения (ГЛИН)
6. Расчет принципиальной схемы ГЛИН
7. Заключение
8. Список литературы
9. Приложение 1
10. Приложение 2
1.
2.
3.
4.
3
3. Вводная часть
Генераторы линейно – изменяющегося напряжения называют иногда
генераторами развёртки, хотя этот термин не отражает их гораздо более
широкого применения. Из области разверток заимствованы названия двух
основных частей пилообразного импульса: прямой ход (главный, почти
линейный участок t п ) и обратный ход (сравнительно короткий участок t о,
форма которого обычно несущественна).
Пилообразное напряжение это такое напряжение, которое нарастает
или спадает линейно в течение некоторого отрезка времени, называемого
временем рабочего хода tо достигает первоначального значения. Такое
напряжение используется устройствах сравнения, для горизонтальной
развёртки электронного луча в электронно-лучевой трубке в других
устройствах. Возврат луча в исходное положение должен происходить,
возможно, быстрее, вследствие чего спадающий участок пилообразного
напряжения должен иметь большую крутизну и малую продолжительность.
Пилообразные импульсы можно получить с помощью любого
релаксатора: мультивибратора, одно вибратора или блокинг-генератора.
Поэтому генераторы пилообразного напряжения составляют особый класс
импульсных устройств и заслуживают специального рассмотрения.
В тексте имеется две иллюстрации, поясняющие излагаемый материал.
При проектировании было использовано восемь источников.
4
4. Проработка научно-технической литературы и обоснование
выбора
Существующая литература по генераторам линейно-изменяющегося
напряжения весьма многочисленна и может быть разделена на три группы.
Во-первых, это учебно-справочная литература по импульсной технике, в
которой описаны лишь основные классические схемы генераторов линейноизменяющегося напряжения чаще всего ориентированные в основном на
устаревшую элементную базу и характеризующуюся узкими
функциональными возможностями. Во-вторых – это научно - техническая
литература в которой в которой рассматриваются генераторы линейноизменяющегося напряжения специального применения, например, в
телевидении. К третьей группе можно отнести периодическую печать,
описания к авторским свидетельствам и патентам, другие узко
специализированные издания, пользование которыми затруднено.
Одним из наиболее полезных источников при рассмотрении данной темы
является справочник Б. С. Гершунский “Справочник по расчету
электронных схем ”, в котором приведены сведения о расчете наиболее
распространенных современных схем генераторов линейно-изменяющегося
напряжения, а также изложены основные этапы проектирования электронных
устройств.
В учебном пособии для вузов “Электроника ” есть широкий выбор схем,
рассмотрены основы теории электронных схем, но этот источник
характеризуется достаточно строгим изложением основных положений
электроники.
Бондарь В А “Генераторы линейно-изменяющегося напряжения ”. В этой
книге приводится классификация генераторов линейно изменяющегося
напряжения . Рассмотрены генераторы с положительной, отрицательной и
5
комбинированными обратными связями, а также схемы с независимой
компенсацией нелинейности , выполненные на современной элементной
базе. Излагается методика инженерного расчета, даются рекомендации по
выбору типов используемых элементов.
В следующем источнике – Хоровиц П., Хилл У.”Искусство схемотехники
”приведены наиболее интересные технические решения, внимание читателя
сосредотачивается на тонких аспектах проектирования и применения
электронных схем. Он посвящен быстро развивающимся областям
электроники и характеризуется многообразием электронных схем.
Справочник Четвертков, Дубровский, Иванов “Резисторы” 1991г содержит
основные электрические и эксплуатационные характеристики резисторов.
Даны рекомендации по выбору и применению резисторов в аппаратуре.
Основное внимание уделено новым типам резисторов, представляющих
широкие серии по диапазонам номинальных сопротивлений, мощностей и
другим параметрам.
Справочное пособие А. И. Аксенов, А В Нефедов “Резисторы.
Конденсаторы ”; 2000г представляет собой систематизированные в
табличной форме информационно–справочные материалы по параметрам и
характеристикам резисторов и конденсаторов от условного обозначения до
иллюстраций корпуса прибора. Для удобства поиска конкретного типа
изделия справочник содержит алфавитный указатель всех изделий с
указанием страниц, где размещена информация на указанное изделие.
В справочном пособии А. И Аксенова, А В Нефедова “Отечественные
полупроводниковые приборы ” 2000г данные систематизированы в
табличной форме в алфавитно-цифровой последовательности по основным
электрическим параметрам и конструкторскому исполнению на
6
отечественные транзисторы. Характеризуется удобной формой поиска и
восприятия информации.
При оформлении курсового проекта были использованы “Методические
указания по оформлению курсовых и дипломных проектов для студентов
специальностей 210300 – “Роботы и робототехнические системы”, 220200–
“Автоматизированные системы обработки информации и управления”,
210100- “Управление и информатика в технических системах”/УГАТУ,
Валеева Р. Г, Старцев Ю В, 1997.
Названы далеко не все источники литературы по генераторам линейноизменяющегося напряжения. Но даже этот список дает возможность
представить широкий спектр литературы по данному вопросу.
7
5. Разработка и описание принципиальной схемы генератора линейноизменяющегося напряжения
Генератор пилообразного напряжения построим по схеме, приведенной
на рисунке 1.
-EК
R7
VD1
R5
VT4
Uвых
C3
VT3
C4
R6
Рис. 1
Схема электрическая принципиальная генератора пилообразного напряжения
Данная схема отличается тем, что в ней коэффициент нелинейности будет
минимальным, так как стабилитрон VD1 фиксирует напряжение база-эмиттер
транзистора VT4. В связи с этим ток коллектор-эмиттер транзистора VT4
будет постоянным.
6. Расчет принципиальной схемы генератора линейно - изменяющегося
напряжения
В качестве разделительного конденсатора С3 возьмем алюминиевый
оксидно-электролитический конденсатор К50-9-30В-10 мкФ.
В качестве элемента VT3 возьмем транзистор КТ3108Б p n p, ВЧ, со
следующими параметрами:
 = 50 – 100;
8
Iкmax = 200 мА;
Uкбmax = 45 В;
Uкэmax = 45 В;
Uбэн = 0,6 В;
I кбо = 0,2 мкА.
Рассчитаем конденсатор С4 в генераторе пилообразного напряжения.
Ток разряда конденсатора С4 равен:
i разр  С 4 
dU
U
 С 4  max ; (1)
dt
tо
Максимальный ток разряда конденсатора С4:
i разр max  200 мА;
Емкость конденсатора С4:
C4 
C4 
i разр max  t о
U max
; (2)
200 10 3 10 *10 6
 0,25 мкФ.
8
В качестве С4 возьмем керамический монолитный конденсатор К10-47-100В0,25 мкФ.
Ток заряда конденсатора С4 вычисляется по формуле:
i зар  С 4 
i зар 
U max
; (3)
tр
0,25  10  6  8
=0,03 А.
60  10  6
9
Для того чтобы конденсатор C4 успевал разрядиться за время обратного хода
to сопротивление транзистора VT3 должно быть равно:
R
VT 3
RVT 3 

tO
; (4)
3 C4
10  10 6
=13,3 Ом.
3  0,25  10 6
Конденсатор С4 успеет разрядиться, так как транзистор VT3 во время
разряда С4 находится в насыщенном состоянии, в котором сопротивление
транзистора равно единицам Ом.
Расчет резистора R5 осуществляется следующим образом:
R5 
Ек
; (5)
i R5
Ток IR5 протекающий через резистор R5:
i R5 
i R5 
i разр  S

; (6)
200  10  3  2
 8 мА.
50
Из формулы (5) находим значение резистора R5:
R5 
12
8 10  3
 1,5 кОм.
Из ряда номиналов Е 6 выбираем значение R5=1,5 кОм.
10
Мощность, рассеиваемая на резисторе R5:
P R5 max 
P R5 max 
(U R5) 2
; (7)
R5
(12) 2
=0,096 Вт.
1500
В качестве элемента R5 возьмем резистор МЛТ-0,125-1,5к0,5.
В качестве VT4 выбираем транзистор КТ315А npn , ВЧ со следующими
параметрами:
 = 50-350;
I кmax = 100 мА;
U кэmax = 25 В;
U кэн = 0,4 В;
U бэн = 1,1 В.
Для поддержания транзистора VT4 в открытом состоянии необходимо чтобы
напряжение Uкэ было больше Uкэн. Амплитуда напряжения на конденсаторе
С4 UС4 = 6 В. Возьмем напряжение Uкэ = 2 В, тогда напряжение на резисторе
R7 равно:
UR7=Е к – (Uкэ +UС4); (8)
UR7=12- (2 + 6) = 4 В.
Произведем расчет резистора R7:
R7 
U R7
;
i зар
11
(9)
R7 
4
 133.3 Oм.
0,03
Из ряда номиналов Е24 выбираем резистор R7= 150 Ом.
Мощность, рассеиваемая на резисторе R7:
(U R7) 2
;
P R7 max 
R7
P R7 max 
(10)
(4)2
 0,1 Вт.
150
В качестве элемента R7 выбираем резистор МЛТ-0,125-1500,5% .
Транзистор VT4 будет открыт, если U БЭ  U БЭН в схеме U БЭVT4= 1,5 В.
Напряжение стабилизации стабилитрона V1 находим из условия:
U ст= U R7 + U БЭVT4; (11)
U ст= 4+1,5=5,5 В.
Выберем стабилитрон 2С156А со следующими параметрами:
U ст = 5,04 - 6,16;
I стmin=3 мА;
I стmax=45 мА;
r д= 60 Ом;
I ст= 10 мА.
12
Расчет резистора R6 осуществляется следующим образом:
R6 
U R6
I
; (12)
СТ
Напряжение UR6 определяется как разность напряжения питания ЕК и
напряжения стабилизации UСТ:
UR6 = ЕК - UСТ;
(13)
UR6 =12-5,5= 6,5 В.
Из формулы (12) найдем значение R6:
R6 
6,5
10  10 3
= 650 Ом.
Из ряда номиналов Е6 резистор R6=680 Ом.
Мощность, рассеиваемая на R6:
P R 6 max 
P R6 max 
(U R 6) 2
R6
; (14)
(6,5) 2
=0,065 Вт.
650
Выбираем резистор МЛТ-0,125-680- 0,5% .
13
Расчет коэффициента нелинейности генератора пилообразного напряжения
осуществляется из следующего условия:
 R6
  U КБVT 4
*100%;
U СТ    R ВЫХЭ
(15)
Для расчета Rвыхэ построим схему замещения транзистора VT4.
>>
rк
rЭ
rБ
R7
rд
R6
Рисунок 2 – схема замещения транзистора.
Расчет схемы замещения транзистора произведем по h-параметрам.
h11б = 40 Ом;
h22б = 0,3 мкСм;
h12б = 45.
Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода:
rк 
1
h 22 Б
14
; (16)
rк 
1
 3,3 106 Ом.
0,3 10 6
Сопротивление коллекторного перехода:
r

К
r
К
 1
; (17)
  3,3 106 =65359 Ом.
rК
51
Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода:
rэ 
где

T

Т
Iэ

0,026
Iэ
;
(18)
- тепловой потенциал;
rэ 
0,026
=2,7 Ом.
9,6 10 3
Сопротивление базы транзистора:
rб 
h
h
12б
; (19)
22б
rб 
45
 150 Ом.
0,3
RВЫХЭ = (R7+ r э ) (r б +(r д R6))r* к; (20)
15
RВЫХЭ = 4930,1 Ом.
Из формулы (15) рассчитаем коэффициент нелинейности генератора
пилообразного напряжения:

0,5  650
*100%  0,024 %.
5,5  50  4930,1
Полученный коэффициент нелинейности генератора намного меньше
данного  = 0,25 % .
16
Заключение
Спроектированное и рассчитанное выше устройство имеет низкий
коэффициент нелинейности =0,024%, что позволяет получить на выходе
пилообразные импульсы с малой степенью искажений.
Из полученных расчетов следует, что данный генератор линейно –
изменяющегося напряжения с динамической обратной связью обеспечивает
низкий коэффициент нелинейности, а выходные напряжения ограничены
лишь допустимыми параметрами транзистора.
17
Список литературы
1. Четвертков А Р, Дубровский С С, Иванов А В “Резисторы” :
Справочник, Москва 1991г.
2. Аксенов А И, Нефедов А В “Резисторы Конденсаторы” : Справочное
пособие, Москва 2000г.
3. Аксенов А И, Нефедов А В “Отечественные полупроводниковые
приборы” : Справочное пособие, Москва 2000г.
4. Бондарь В А “Генератор линейно – изменяющегося напряжения ”,
1988г.
5.
Гусев В Г, Гусев Ю М “Электроника”: Учебное пособие для вузов,
Москва 1982.
6. Гершунский Б С “Справочник по расчету электронных схем”, Киев
1983.
7. Хоровиц П , Хилл У ”Искусство схемотехники” : Москва 2001г.
8. Валеева Р. Г, Старцев Ю В “Методические указания по оформлению
курсовых и дипломных проектов для студентов специальностей
210300 – “Роботы и робототехнические системы”, 220200–
“Автоматизированные системы обработки информации и управления”,
210100- “Управление и информатика в технических системах”/УГАТУ,
1997.
11. 9.В.Г.Герасимова «Основы промышленной
электроники», Москва <Высшая школа> 1986
18
Приложение 1
Название элемента
Характеристики
С3
конденсатор К50-9-30В-10 мкФ.
С4
конденсатор К10-57-100В-0.25 мкФ
R5
резистор МЛТ-0,125-1,5к0,5
R6
резистор МЛТ-0,125-680- 0,5%
R7
резистор МЛТ-0,125-1500,5%
VT3
транзистор КТ3108Б p n p
VT4
транзистор КТ315А n p n
VD1
стабилитрон 2С156А
19
Приложение 2
Структурная схема генератора пилообразного напряжения
Согласно принципам построения генераторов пилообразного напряжения
структурная схема должна состоять из следующих элементов:
—
токостабилизирующий элемент (ТСЭ), обеспечивающий постоянный во
времени ток заряда конденсатора C.
—
конденсатор С, на котором формируется линейно изменяющиеся
напряжение.
—
ключевое устройство (КУ), с помощью которого осуществляется
переключение формирования прямого и обратного хода выходного напряжения.
—
формирователь импульсов (ФИ), обеспечивающий импульсные сигналы
управления ключевым устройством (задающий длительность рабочего хода и частоту
следования выходных импульсов пилообразного напряжения).
—
эмиттерный повторитель, согласующий большое сопротивление нагрузки
ОУ с малым сопротивлением нагрузки генератора.
20