Генератор линейно изменяющегося напряжения

Министерство общего и профессионального образования
Российской Федерации
УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Генератор линейно изменяющегося напряжения
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине ‘Электроника’
Выполнили:
студент групп Т28-219
Ямилов К.А.
Уфа 2003
Содержание
Содержание ....................................................................................................................................2
Теоретическая часть ......................................................................................................................3
Проработка научно-технической литературы и обоснование выбора. ....................................7
Техническое задание .....................................................................................................................8
Структурная схема генератора пилообразного напряжения .....................................................9
Выбор принципиальной схемы генератора линейно-изменяющегося напряжения .............10
Расчет принципиальной схемы генератора линейно - изменяющегося напряжения ..........11
Заключение...................................................................................................................................19
Список литературы ......................................................................................................................20
Приложение 1...............................................................................................................................21
Теоретическая 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.
Генераторы линейно-изменяющегося напряжения являются широко
известными устройствами импульсной техники.
Импульсы напряжения пилообразной формы могут быть как
положительной, так и отрицательной полярности. На рисунке 1 показана
реальная форма пилообразного импульса положительной полярности.
Рис. 1 Форма пилообразного импульса положительной полярности
Под генераторами линейно-изменяющегося напряжения обычно
понимают устройства, которые формируют импульс или последовательность
импульсов, имеющих форму неравностороннего прямоугольника. При этом
такая последовательность может не иметь паузу Тп между импульсами или
иметь ее. Для того, чтобы подчеркнуть специфику генераторов данного
класса, принято линейно-изменяющуюся часть импульса называть прямым
ходом импульса Тпр (или рабочим ходом, стадией), короткую часть
импульса – обратным ходом То импульса (или стадией восстановления),
последняя соответствует возвращению генератора линейно-изменяющегося
напряжения в исходное состояние.
Если во время прямого хода импульса напряжение возрастает по
абсолютному значению, формирующее его устройство называют
генератором линейно-растущего напряжения (ГЛРН), если спадает –
генератором линейно-падающего напряжения (ГЛПН). В большинстве
применений требования к линейности изменения напряжения отсутствуют.
Амплитуда импульсов линейно изменяющегося напряжения (ЛИН) Um
определяется разностью напряжений в начале и в конце прямого хода
импульса: Um= |Uo-UTпр|.
По режиму работы ГЛИН подразделяются на ждущие с внешним
запуском, определяющим длительность паузы или длительность прямого
хода импульса(т. е. формирователи импульсов ЛИН), автоколебательные (в
том числе синхронизированные) и ждущие с самовозбуждением,
вырабатывающие импульс ЛИН заданной длительности в ответ на импульс
запуска, длительность которого не определяет длительность и другие
параметры ГЛИН.
По виду формируемого сигнала различают ГЛРН, ГЛПН, ГЛИН с
отрицательным выходным напряжением, ГЛИН с положительным выходным
напряжением, ГЛИН с противофазным выходным напряжением, ГЛИН с
коррекцией формы выходного напряжения (до S-, N-образной и др.).
По функциональным возможностям различают ГЛИН, работающие на
одной фиксированной частоте; перестраиваемые ГЛИН в ограниченном
диапазоне по амплитуде и частоте с ручной регулировкой или с
программным управлением; универсальные ГЛИН, как правило, с
программным управлением формой ЛИН, амплитудой, частотой и
скважностью в очень широких пределах.
Основные параметры ГЛИН:
1.
Коэффициент нелинейности ε.
К высоколинейным и высокочастотным относят ГЛИН с ε<1%
(измерительная техника), к ГЛИН средней линейности относят ГЛИН с ε=110% (телевидение) и к ГЛИН с низкой линейностью - все остальные.
2.
Время восстановления Тв
Оно определяется временем возврата схемы ГЛИН в исходное состояние, т.
е. временем окончания в схеме всех переходных процессов.
Для получения пилообразного напряжения используется процессы заряда и
разряда конденсатора. Для получения периодической последовательности
импульсов ЛИН требуется периодически заряжать конденсатор. При
разомкнутом ключе конденсатор заряжается от источника постоянного тока.
Замыкание ключа приводит к разрядке конденсатора, затем процесс
повторяется. Наиболее простые ГЛИН выполняются на основе транзисторов.
Высококачественные ГЛИН выполняются на основе операционных усилителей.
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.
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.
Техническое задание
Спроектировать генератор линейно – изменяющегося напряжения со
следующими параметрами:
- время прямого хода tр=50 мкс;
- время обратного хода tо =6 мкс;
- амплитуда Umax = 10 В;
-
коэффициент нелинейности  =0,2%
В результате расчетов определить параметры элементов схемы генератора.
Структурная схема генератора пилообразного напряжения
Согласно заданию требуется спроектировать генератор пилообразного
напряжения в ждущем режиме, управляемый входными импульсами. Такого
рода выбор обусловлен возможностью такого генератора достаточно просто
регулировать длительность рабочего хода и частоты следования выходных
импульсов путем изменения параметров управляющего сигнала не затрагивая
схему самого формирователя ЛИН. 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). В разрабатываемом устройстве этот элемент не входит в его
состав.
эмиттерный повторитель, согласующий большое сопротивление нагрузки ОУ
с малым сопротивлением нагрузки генератора.
Рис. 2 Структурная схема пилообразного напряжения
Выбор принципиальной схемы генератора линейно-изменяющегося
напряжения
Генератор пилообразного напряжения построим по схеме, приведенной
на рисунке 3.
-EК
R7
VD1
R5
VT4
C3
Uвых
VT3
C4
R6
Рисунок 3 – схема электрическая принципиальная генератора пилообразного
напряжения
Данная схема отличается тем, что в ней коэффициент нелинейности
будет минимальным, так как стабилитрон VD1 фиксирует напряжение базаэмиттер транзистора VT4. В связи с этим ток коллектор-эмиттер транзистора
VT4 будет постоянным.
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,
следующими параметрами:
 = 50 – 100;
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 ;
dt
tо
(1)
Максимальный ток разряда конденсатора С4:
i разр max  200 мА;
Емкость конденсатора С4:
C4 
i разр max  t о
U max
;
(2)
ВЧ, со
C4 
200  10  3  6 *10  6
 0,12 мкФ.
10
В качестве С4 возьмем керамический монолитный конденсатор К10-47-50В0,12 мкФ.
Ток заряда конденсатора С4 вычисляется по формуле:
i зар  С 4 
i зар 
U max
;
tр
(3)
0,12  10  6  10
=0,024 А.
50  10  6
Для того чтобы конденсатор C4 успевал разрядиться за время обратного хода
to сопротивление транзистора VT3 должно быть равно:
R

tO
;
3 C4
R

6  10  6
=16,66 Ом.
3  0,12  10  6
VT 5
VT 5
(4)
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
;
i R5
(5)
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 
16
8 10  3
 2 кОм.
Из ряда номиналов Е 24 выбираем значение R5=2 кОм.
Мощность, рассеиваемая на резисторе R5:
P R5 max 
(U R5) 2
;
R5
P R5 max 
(16) 2
=0,128 Вт.
2000
(7)
В качестве элемента R5 возьмем резистор МЛТ-0,25-2к0,5.
В качестве VT4 выбираем транзистор КТ315А n-p-n , 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 = 10 В. Возьмем напряжение Uкэ = 2 В, тогда напряжение на резисторе
R7 равно:
UR7=Е к – (Uкэ +UС4);
(8)
UR7=16- (2 + 10) = 4 В.
Произведем расчет резистора R7:
R7 
U R7
;
i зар
R7 
4
 166.66 Oм.
0,024
(9)
Из ряда номиналов Е24 выбираем резистор R7= 170 Ом .
Мощность, рассеиваемая на резисторе R7:
(U R7) 2
;
P R7 max 
R7
(10)
(4) 2

 0,094 Вт.
P R7 max
170
В качестве элемента R7 выбираем резистор МЛТ-0,125-170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 2С210А со следующими параметрами:
U ст = 9 – 10,5;
I стmin=3 мА;
I стmax=15 мА;
r д= 15 Ом;
I ст= 5 мА.
Расчет резистора R6 осуществляется следующим образом:
R6 
U R6
I
;
(12)
СТ
Напряжение UR6
определяется как разность напряжения питания ЕК
напряжения стабилизации UСТ:
UR6 = ЕК - UСТ;
(13)
UR6 =16-5,5= 10,5 В.
Из формулы (12) найдем значение R6:
R6 
10,5
= 2100 Ом.
5 10  3
Из ряда номиналов Е24 резистор R6=2200 Ом.
Мощность, рассеиваемая на R6:
P R 6 max 
(U R 6) 2
;
R6
(10,5) 2

=0,05 Вт.
P R6 max
2200
Выбираем резистор МЛТ-0,125-680- 0,5% .
(14)
и
Расчет коэффициента нелинейности генератора пилообразного напряжения
осуществляется из следующего условия:
 R6
  U КБVT 4
*100%;
(15)
U СТ    R ВЫХЭ
Для расчета Rвыхэ построим схему замещения транзистора VT4.
>>
rк
rЭ
rБ
R7
rд
R6
Рисунок 4 – 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
;
(16)
1
rк 
0,3 10 6
 3,3 106 Ом.
Сопротивление коллекторного перехода:
r
r

К
r
  3,3 106 =65359 Ом.
К
51
К
 1
;
(17)
Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода:
rэ 

Т
Iэ

0,026
Iэ
;
где

rэ 
0,026
=2,7 Ом.
9,6 10 3
T
- тепловой потенциал;
(18)
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;
RВЫХЭ = 4930,1 Ом.
(20)
Из формулы (15) рассчитаем коэффициент нелинейности генератора
пилообразного напряжения:

0,5  650
*100%  0,024 %.
5,5  50  100
Полученный коэффициент нелинейности генератора намного меньше
данного  = 0,3 % .
Заключение
Спроектированное и рассчитанное выше устройство имеет низкий
коэффициент нелинейности =0,024%, что позволяет получить на выходе
пилообразные импульсы с малой степенью искажений.
В данной работе я рассчитал параметры генератора линейноизменяющегося напряжения с динамической обратной связью. Расчеты
показали, что при этом обеспечивается низкий коэффициент нелинейности, а
выходные напряжения ограничены лишь параметрами транзистора.
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.
Приложение 1
Название элемента
С3
С4
R5
R6
R7
VT3
VT4
VD1
Характеристики
алюминиевый оксидно-электролитический
конденсатор К50-9-30В-10 мкФ.
керамический монолитный конденсатор
К10-47-100В-0.12 мкФ
МЛТ-0,125-2к0,5
МЛТ-0,125-680- 0,5%
резистор МЛТ-0,125-1700,5%
транзистор КТ3108Б p n p
транзистор КТ315А n p n
стабилитрон 2С156А