Проектирование электронного регулятора бортового генератора напряжения летательного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Исходные данные

электронный эмиттерный амплитудный

Спроектировать электронный регулятор бортового генератора напряжения летательного аппарата. Бортовое напряжение постоянного тока 27В ± 2 %, рабочий диапазон температуры от минус 60°С до плюс 60°С, максимальный ток обмотки возбуждения генератора - 8 А.

2. Выбор структурной схемы

Электронный регулятор напряжения предназначен для стабилизации напряжения в бортовой сети посредством регулирования тока в обмотке возбуждения (ОВ) электронного генератора напряжения. При этом может использоваться непрерывное или импульсное регулирование. Импульсный способ предпочтительнее за счет меньшей мощности, рассеиваемой на регулирующем элементе, что особенно важно при работе устройства в плохих условиях охлаждения в широком температурном диапазоне и в условиях помех, генерируемых потребителями электроэнергии. Поэтому выбираем импульсный способ регулирования. Регулятор должен измерить величину напряжения бортовой сети и сравнить ее с опорным (образцовым) (Uоп) и выделить сигнал рассогласования Uрас. Следовательно, проектируемая структура должна содержать датчик напряжения (ДН), источник опорного напряжения (ИОН), устройство сравнения (УС). Далее сигнал рассогласования необходимо усилить по напряжению и по мощности. Поэтому введем в структурную схему усилители напряжения (УН) и мощности (УМ). Последний из них управляет регулирующим элементом (РЭ), коммутирующий ток в обмотке возбуждения ОВ. В результате синтезируем следующую структурную схему:



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Структурная схема регулятора напряжения

3. Выбор принципиальной схемы

А) Выбор датчика напряжения.

Датчиком напряжения может служить резистивный делитель напряжения R1R2, подключенный к бортсети. Такой датчик обладает следующими недостатками: как постоянное напряжение бортсети, так и его изменения передаются на выход с коэффициентом передачи делителя k=R2/(R1+R2), т.е. уменьшаются в несколько (k) раз. Если в верхнее плечо делителя включить стабилитрон, то его сопротивление R1 уменьшится, а величина коэффициента k приближается к единице. Чем ближе напряжение стабилизации Uст к величине разности Uбс - Uоп, тем ближе величина k к единице.

Б) Выбор схемы источника опорного напряжения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2

В качестве источника опорного напряжения может быть параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне. В результате схемы датчика напряжения и ИОН будут иметь вид, приведенный на рисунке 2.

В) Выбор схемы устройства сравнения и усилителя напряжения.

Устройство сравнения предназначено для сравнения напряжения датчика Uд с опорным напряжением Uоп и выделения разностного сигнала Uоп-Uд. Такую функцию выполняет дифференциальный усилительный каскад. Усилитель напряжения предназначен для усиления разностного сигнала по напряжению. Его выходное напряжение должно быть достаточной величины для управления усилителем мощности. Так как напряжение бортсети изменяется относительно медленно, то в качестве УН должен быть выбран усилитель постоянного тока. Функции УС и УН можно совместить, используя операционный усилитель (ОУ). Для устранения “дребезга” в моменты переключения ОУ, используем его включение по схеме триггера Шмитта.

Г) Выбор схем усилителя мощности и регулирующего элемента.

Регулирующий элемент коммутирует ток в обмотке возбуждения генератора. Один вывод ОВ подключается к плюсовой шине бортсети. Следовательно, в качестве РЭ можно выбрать мощный транзистор, включенный по схеме с ОЭ, с ОВ в цепи коллектора. Эмиттерный переход транзистора шунтируем резистором для устойчивости режима отсечки. Для управления регулирующим элементом требуется достаточно большой ток. Для усиления сигнала ОУ по мощности выбираем однокаскадный усилитель по схеме с ОК. Если при расчете параметров окажется, что усиления по мощности недостаточно, схему скорректируем, используя составной транзистор. В цепь коллектора транзистора УМ для ограничения тока включаем резистор. Согласно сделанному выбору отдельных блоков, получаем полную принципиальную схему регулятора напряжения (рис. 3).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Принципиальная схема регулятора напряжения

4. Расчет принципиальной схемы

А) Расчет датчика напряжения и источника опорного напряжения.

Датчик напряжения состоит из резисторов R1, R2 и стабилитрона VD1, а источник опорного напряжения - из резистора R3 и стабилитрона VD2 (рис. 3). В связи с тем, что устройство работает при изменении температуры окружающей среды на 120 °С, то для ИОН необходимо выбрать стабилитрон с малым температурным коэффициентом напряжения ТКН.

При выборе стабилитрона учтем, что его напряжение стабилизации подается на неинвертирующий вход ОУ и является синфазным напряжением ОУ. Вторым критерием выбора стабилитрона является его температурный коэффициент напряжения ТКН. В связи с тем, что напряжение в бортсети прямо пропорционально зависит от напряжения стабилизации, оставим на его изменение один процент из двух заданных. Тогда ТКН будет равен

Следовательно, ТКН выбранного стабилитрона должен быть не более 0,0083%/C. Среди выпускаемых отечественной промышленностью термокомпенсированными являются стабилитроны Д818Г-Е, КС190Б-Д, КС191М-Ф, КС 211. Большинство ОУ допускают синфазное напряжение до 10 Вольт. В качестве стабилитрона VD1 выбираем КС211Д, а VD2 - КС191С со следующими параметрами:

Таблица 1. Параметры стабилитронов

Параметры	КС211Д	КС 191С
Uст,В	11	9,1
ТКН,%/C	0,005	0,005
Iст.мин., мA	5	3
Iст.макс., мA	33	20
Rст., Ом	30	70

Задаемся током стабилизации VD2 - 7,5 мA и найдем сопротивление резистора R3:

Из ряда Е24 выбираем номинал 2,4 кОм. Рассеиваемая мощность на R3 равна:

Выбираем резистор R3 типа МЛТ-0,25-2,4 кОм ± 10%. Задаемся током стабилизации стабилитрона VD1 5 мA и находим общее сопротивление R_Д делителя R1R2:



Для возможности подстройки напряжения бортсети в качестве резистора R1 возьмем подстрочный резистор, средний вывод которого подключаем к инвертирующему входу DA1, а напряжение на нем равно U_СТ.2 в номинальном режиме. Диапазон регулировки по сопротивлению примем 20%. Тогда:

Выбираем ближайший номинал 1,5 кОм. Сопротивление резистора R1 равно:

Выбираем номинал 1,8 кОм.

Мощности, рассеиваемые на резисторах R1 и R2 равны:

Резистор R1 выбираем типа СП5-39-1,8 кОм ± 10%, а резистор R2-типа МЛТ_0,125 - 1,5кОм ± 10%.

Б) Расчет устройства сравнения и усилителя напряжения.

В качестве УС и УН выбран триггер Шмитта (ТШ) на основе ОУ. Для расчета его параметров необходимо выбрать операционный усилитель. Критериями выбора являются: синфазное напряжение U_СФ, равное U_СТ.2, суммарное напряжение питания, равное U_БС, скорость нарастания выходного напряжения ОУ V_UВЫХ. Для снижения динамических потерь в РЭ необходимо, чтобы фронт и срез выходных импульсов ОУ не превышал 1-2 мкс. Ориентировочно необходимую величину V_Uвых можно определить по формуле:

Указанным требованиям удовлетворят ОУ типа КР554УД2А с параметрами:

К_U = 20000; U_СФ, В = 10;

±U_ПИТ, В = 15; V_UВЫХ, В/мкс = 20;

I_ПОТР, мA = 7; R_Н, кОм ? 2;

±U_ВЫХ, В ? ±10; R_ВХ, МОм = 10.

Для триггера Шмитта справедливо выражение

где динамическое сопротивление стабилитрона, откуда задавшись шириной зоны гистерезиса U_Г в 0,1 В, что составляет 0,37% от напряжения U_БС, можно найти величину коэффицента передачи цепи ПОС:

ж =U_Г/2U_ВЫХ =0,1/2·10 = 0,005

и величину сопротивления резистора R4:

R4 = r_ст/ ж - r_ст;

R4 = 70/0,005 - 70 = 13930 Ом.

C целью точной настройки триггера Шмитта в качестве резистора R4 выберем последовательно соединенные постоянный резистор типа МЛТ-0,125-10 кОм ± 10% и подстроечный типа СП5 -39 - 10 кОм ±10%.

Ограничение выходного тока ОУ DA1 осуществляется резистором R5, который в сумме с током цепи ПОС не должен превышать 5 миллиампер.

Тогда ток через резистор R5 не должен превышать величины

I_R5 5 - 1,79 = 3,21 мА.

В) Расчет схемы регулирующего элемента и усилителя мощности.

Согласно заданию выходной ток РЭ составляет восемь ампер, т.е. ток Iк₂=8 А. Тогда ток базы VT2:

I_Б2 = I_К2·S₂/_2,

где S₂- коэффициент насыщения VT2.

Пренебрегая отличием токов эмиттера и коллектора, а также частью тока, ответвляющего в резистор R6, можно записать:

I _К1 ? I_Э1 ? I_Б2.

Ток базы транзистора VT1 равен:

С целью уменьшения длительности среза выходного импульса тока РЭ примем величину коэффициентов насыщения транзисторов VT1 и VT2 равными S₁ = S₂ = S = 1,5. Тогда коэффициент усиления по току РЭ и УМ равен:

В качестве ключевого элемента РЭ необходим транзистор с допустимым напряжением коллектор-эмиттер:

U_КЭ.ДОП.? 1,5·U_БС;

U_КЭ.ДОП.? 1,5·27 = 40,5 В.

Выбираем транзистор типа КТ908Б с параметрами /15 по всем темам/:

Uкэmax=60 В, h21э=20-60,

Iкmax=10 A, Cк?700 нФ,

Iкэс?50 мA, fгр?30 МГц,

Uкэнас=0,25-1,0 В, Ркmax=50 Вт,

Uбэнас=1,2-2,3 В.

Определяем средний коэффициент передачи по току:

Найдем постоянную времени в области высоких частот _в

RК = U_БС/I_ОВ = 27/8 = 3,38 Ом.

Тогда длительность фронта импульса напряжения на коллекторе равна:

t_Ф 0,35 мкс.

что вполне приемлемо. Длительность среза, как правило, значительно меньше длительности фронта.

Найдем тепловой ток I_КБО2

Коэффициент передачи по току транзистора VT1 должен быть не менее:

В качестве усилителя мощности выберем транзистор КТ630Е с параметрами /15 по всем темам/:

U_КЭMAX=60 B, h_21Э=160-480,

Iнmax=1 A, Cк ? 15 пФ,

Iкбо ? 1 мкА, fгр ? 50 МГц,

Uкэнас=0,11 В, Ркmах=0,8 Вт,

Uбэнас=0,85 В.

Найдем ток I_кэс1 транзистора VT1:

I_КЭС1 = I_КБО1·(в_1СР +1);

в_1СР = (160 + 480)/2 = 320;

I_КЭС1 = 1·10 ^-6·(320+1) = 0,321·10^-3 А.

Определим сопротивление резистора R7:

R7 < U_{БЭ.НАС.2}/(I_КБО2 + I_КЭС1);

U_{БЭ.НАС.2} = (U _{БЭ.НАС.2min}+U _{БЭ.НАС.2max})/2;

U_{БЭ.НАС.2}=(1,2 +2,3)/2 = 1,75 В;

R7 < 1,75/(1,22·10^-3 +0,321·10^-3) = 1,44·10³ Ом.

Выберем величину сопротивления R7 в 680 Ом. Мощность, рассеиваемая в нем, равна:

P_R7 = I_R7²·R7;

P_R7 = (1,541·10^-3)²·680 ? 2 мВт.

Выбираем резистор R7 типа МЛТ-0,125-680 Ом ± 10%.

Ток базы VT2 равен:

Ток через резистор R7 равен:

I_R7 = U_{БЭ2НАС.СР}/R7;

I_R7 = 1,75/680 = 2,6·10^-3 А,

где U_{БЭ2НАС.СР} - среднее значение напряжения насыщения база-эмиттер VT2.

Так как величина коэффициента ₁ мало отличается от единицы, то можно записать:

I_K1 ? I_Э1 = I_Б2 + I_R7 ? I_Б2;

тогда величину сопротивления R6 можно найти по формуле:

R6 = (U_БС - U_КЭ1НАС - U_КЭ2НАС)/I_K1;

R6 = (27- 0,11 - 1,75)/0,3 = 83,8 Ом.

Амплитудное значение мощности, рассеиваемой на R6, равно:

P_R6m = I_K1²·R6;

P_R6m = (0,3)²·83,8 = 7,54 Вт.

Учитывая потери в обмотке возбуждения принимаем, что ток I_К1 и, соответственно, I_К2 течет в течение 0,7 периода работы регулятора; тогда средняя мощность, рассеиваемая в резисторе R6 равна:

P_R6 = P_R6m·0,7;

P_R6 = 7,54·0,7 = 5,3 Вт.

Выбираем с запасом мощности четыре параллельно соединенных резистора типа МЛТ-2-330 Ом ± 10%.

Сопротивление резистора R5 рассчитаем по формуле:

R5 = (U_{ВЫХ.ОУmax} - U_БЭ1НАС - U_БЭ2НАС)/I_R5,

I_R5 = I_ВЫХ.ОУm - I_ПОС = 5·10^-3 - 1,8·10^-3 = 3,2·10^-3 А;

R5 = (24- 0,11 - 1,75)/3,2·10-³ = 6,92·10³ Ом.

Мощность, рассеиваемая на резисторе R5, равна

P_R5 = I_R5²·R5 = (3,2·10^-3)²·6,92 = 70,9·10^-6 Вт.

В качестве R5 выбираем резистор типа МЛТ-0,125-6,8 к ± 5%.

Список литературы

1. Проектирование усилительных устройств: Учебн. пособие/ Под ред. Терпухова.-М.: Высш. школа, 1982.- 190 с.

2. Усилительные устройства: Учебн. пособие для вузов/ Под ред. О.В. Головина.- М.: Радио и связь, 1993.- 352 с.

3. Цыкина А.В. Проектирование тразисторных усилителей низкой частоты.- М.: Связь, 1968.- 184 с.

4. Цыкина А.В. Электронные усилители: Учеб. пособие для техн. связи. - М.: Радио и связь, 1982.- 288 с.

5. Расчет элементов импульсных и цифровых схем радиотехнических устройств./ Под ред. Ю.М. Казаринова: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. школа, 1976. - 359 с.

6. Расчет импульсных устройств на полупроводниковых приборах/ Агаханян Т.М., Кармазинский А.Н., Мезенцев А.В. и др. - М.: Советское радио, 1975. - 344 с.

7. Браммер Ю.А., Пащук И.Н. Импульсная техника.- М.: Высшая школа, 1985. - 320 с.

8. Гольденберг Л.М. Импульсные устройства.- М.: Радио и связь, 1981.- 224 с.

9. Ерофеев Ю. Импульсная техника.- М.: Высшая школа, 1984.- 391 с.

10. Коломбет Е.А. Таймеры.- М.: Радио и связь, 1983.

11. Белоцерковский В.И. Колебательные контура и фильтры. М.: Радио и связь, 1981. - 196 с.

12. Шитиков Г.Т. Стабильные автогенераторы метровых и дециметровых волн. - М.: Радио и связь, 1983.

13. Калантаров П.Л., ЦейтлинЬ Л.А. Расчет индуктивностей: Справочная книга. - Л.: Энергоатомиздат, 1986.- 487 с.

14. Расчет импульсных устройств на полупроводниковых приборах/ Агаханян Т.М., Кармазинский А.Н., Мезенцев А.В. -М.: Советское радио, 1975.- 344 с.

15. Голиков В.Ф., Грель И.Н., Десницкий Е.А и др. Простейшие устройства на интегральных микросхемах.- Минск: Беларусь, 1997.- 128 с.

16. Изъюрова Г.И., Кауфман М.С. Приборы и устройства промышленной электроники.- М.: Высшая школа, 1975.- 368 с.

17. Додик С.Д. Полупроводниковые стабилизаторы постоянного напряжения и тока (с непрерывным регулированием).- М.: Сов. радио, 1980.

18. Артамонов Б.И., Бокуняев А.А. Источники электропитания радиоустройств.

19. Вересов Г.П. Стабилизированные источники питания радиоаппаратуры.- М.: Энергия, 1978.- 192 с.

20. Источники вторичного электропитания/ Под ред.Ю.И. Конева.- М.: Радио и связь, 1983.

21. Вересов Г.П., Смуряков Ю.Л. Стабилизированные источники питания радиоаппаратуры.- М.: Энергия, 1978.- 192 с.

22. Белкин В.Г., Бондаренко В.К. Справочник радиолюбителя-конструктора.- М.: Радио и связь, 1983.- 315 с.

23. Богданович М.И., Грель И.Н. Цифровые интегральные микросхемы. - Минск: Беларусь, 1996.-356 с.

24. Бокуняев и др. Справочная книга радиолюбителя -конструктора.

25. Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем.- К.: Вища школа, 1983.- 240 с.

26. Кауфман М., Сидман А.Г. Практическое руководство по расчетам схем в электронике: Справочник. В 2-х т. Пер с англ./ Под ред. Покровского Ф.Н.-М.: Энергоатомиздат, 1991.- 368 с.

27. Конденсаторы: Справочник/ Под ред. И.И. Четверткова и М.Н. Дьяконова.- М.: Радио и связь, 1993.- 392 с.

28. Партала О.Н. Радиокомпоненты и материалы: Справочник. - Киев: Радиоаматор, 1998.- 720 с.

29. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник/ Н.Н. Акимов и др.- Беларусь, 1994.

30. Резисторы: Справочник/ Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова.- М.: Радио и связь, 1991.- 527 с.

31. Справочная книга радиолюбителя-конструктора./ Под ред. Н.И. Чистякова.- М.: Радио и связь, 1993.- 336 с.

32. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем.- М.: Энергия, 1977.- 620 с.

33. Цыкина А.В. Проектирование транзисторных усилителей низкой частоты.- М.: Связь, 1968.- 184 с.

34. Цыкина А.В. Электронные усилители: Уч.пособие для техн. связи. - М.: Радио и связь, 1982.- 288 с.

35. Справочник. Полупроводниковые приборы: транзисторы средней и большой мощности/ Под ред. А.В. Голомедова.- М.: Радио и связь, 1994.- 640 с.

36. Транзисторы для аппаратуры широкого применения//Справочник/ Под ред. Б.Л. Перельмана.- М.: Радио и связь, 1981. - 656 с.

37. Тули М. Карманный справочник по электронике.-М.: Энергоатомиздат, 1993. - 150 с.

38. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.- Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 304 с.

39. Триполев С.В.. Ермилов А.В. Микросхемы, диоды, транзисторы: Справочник. - М.: Машиностроение,1994. - 284 с.

40. Терещук Р.М. Малогабаритная радиоаппаратура.- Киев: Наукова думка., 1976. - 560 с.

41. Бочаров Л.Н., Жебряков С.К., Колесников И.Ф. Расчет электронных устройств на транзисторах.- М.: Энергия, 1978.- 208 с.

42. Справочник по электронным устройствам. Т1 / Под ред.Д.П. Линде.- М.: Энергия, 1978.- 440 с.

Размещено на Allbest.ru

...