Разработка усилительного устройства для автоматического компенсатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки, молодёжи и спорта Украины

Курсовая работа

по предмету: Информационно-измерительные устройства

на тему: Разработка усилительного устройства для автоматического компенсатора

Харьков 2015

Введение

Компенсационный метод является одним из наиболее точных методов измерения. Этим обусловлено его широкое применение при измерении различных величин. В данном курсовом проекте этот метод используется для измерения и регулировании температуры с помощью термопар. Процессы регулирования и управления происходят при наличии сведений о значении температуры в каждый момент времени. Таким образом, определенная измеряемая температура, в определенный момент времени, поступает на датчик температуры, где и преобразовывается в измеряемое напряжение.

Проектирование усилительного устройства следует начинать с изучения функциональной схемы и технических условий всей системы автоматического управления.

В технических условиях на проектирование усилителя должны быть указаны следующие данные: характер и величина входного сигнала и сопротивления нагрузки; величина выходного напряжения и выходной мощности усилителя; общий коэффициент усиления, если не заданы входной и выходной сигналы; габарит и вес усилителя; условия и работы усилителя; допустимый фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями.

1. Теоретические сведения

Рис.1.1 Схема автоматического компенсатора

Компенсационные схемы используются для измерения неэлектрических величин, которые преобразуются датчиками в ЭДС или напряжение. Сигнал датчиков сравнивается с компенсирующим напряжением, вырабатываемый потенциометром. Подбор компенсирующего напряжения выполняется вручную или автоматически.

Компенсирующий метод измерения применяется в целях как постоянного, так и переменного токов. Однако потенциометры переменного тока дают меньшую точность измерения сложнее, поскольку необходимо компенсировать падение напряжения не только по абсолютной величине, но и по фазе. Это требует одновременно регулирования не менее двух параметров для обеспечения полной компенсации. На практике стремятся упростить мост переменного тока, выполняя одну пару плеч моста чисто активными, а другую пару - из однотипных элементов.

Принцип компенсационного метода заключается в том, что измеряемую ЭДС (или напряжение) уравновешивают равным и противоположным по знаку падением напряжений, снимаемым с реохорда. При неизменном постоянном токе в реохорде угол отклонения движка реохорда пропорционален измеряемому напряжению U_x. На рис.1.1 показана упрощенная схема автоматического компенсатора. Метод компенсации фиксируется по отсутствию сигнала на входе усилительного устройства и, следовательно, по остановке двигателя. Из-за наличия момента трения в элементах схемы измерение компенсации происходит с некоторой ошибкой.

2. Разработка функциональной схемы УУ

Функциональная схема устройства, приведенная на рис. 2 состоит из датчика (термопары), вычитающего устройства (операционного усилителя), усилитель, исполнительного устройства (двигателя), потенциометрический датчик и инвертор.

Рис.2. Функциональная схема устройства

Коэффициент передачи УУ рассчитывается основываясь на допустимую статическую ошибку от измеряемого напряжения, диапазон измеряемого напряжения, U_x, мВ и напряжения трогания U_тр, В.

, где:

К_перУУ - коэффициент передачи УУ;

U_тр - напряжение трогания;

U_со - допускаемая статическая ошибка от U_x;

мВ = 0,00045 В;

К_пер.УУ=

Входом предварительного усилителя является постоянный сигнал, равный разнице двух сигналов U_x и U_к. С выхода ПУ сигнал с коэффициентом передачи равным 40, подается на АИМ, где он преобразуется в последовательность импульсов, благодаря введению в схему трансформатора. Модулируемый сигнал поступает на УМ, где он усиливается до напряжения В (напряжение трогания двигателя).

Блок питания включает в себя трансформатор, который выдает нужное переменное напряжение на амплитудно-импульсный модулятор.

2.1 Выбор датчика

В данном курсовом проекте в качестве датчика, преобразующего температуру в напряжение, используется термоэлектрический датчик (термопара), так как данный тип преобразователя применяется для измерения температур и основывается на принципе Зеебека. Суть принципа заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединенных разных проводников, возникает термо ЭДС, при условии, что на контактах проводников поддерживается разная температура. Отрицательный заряд на холодном конце нарастает до момента достижения динамического равновесия между числом электронов с большой энергией, диффундирующих от горячего конца к холодному под действием градиента потенциала электрического поля. Этот градиент потенциала существует пока есть градиент температуры и называется термоэлектрической ЭДС.

.

В простейшем случае цепь образуется двумя проводниками и называется термопарой.

2.2 Разработка вычитающего устройства

Рисунок 3. - принципиальная схема вычитающего устройства на базе ОУ типа 14ОУД13

Для того чтобы сигнал на выходе с датчика и при входе в последний конструктивно не изменялся, необходимо, чтобы входное сопротивление вычитателя было больше сопротивления термопары. Сопротивление термопары равно 100 Ом. Для упрощения функциональной и структурной схемы прибора коэффициент передачи сделаем равным 10, как результат мы пренебрегаем предварительным усилителем, который предназначен для усиления сигнала, подаваемого на АИМ. Поэтому принимаем: R₁=R₂ =1 кОм, а R_oc=R₃=10 кОм.

Вычитатель в данном курсовом проекте применяется для вычитания двух напряжений (измеряемого и компенсирующего). Он построен на базе ОУ типа 140УД13(рис. 4.2.1.), который имеет следующие характеристики:

1) обладает малым напряжением смещения;

2) большим входным и малым выходным сопротивлением;

3) сравнительно низким коэффициентом усиления по напряжению;

4) U_ВХсм=20 мкВ; I_ВХсм=0.1 мА; I_ВХсд=0.03 мА; R_вх=100 Мом; R_вых=5 кОм; к_и=15

Расчет данного вычитателя начнем с определения входных условий:

U_A=U_B; R₁=R₂=1 кОм; R_oc=R₃=10 кОм. Из этого следует:

, а , откуда следует:

=.

Коэффициент усиления усилителя данной схемы равен К=R_OC / R₁=10.

С помощью модулятора, представленного на Рис. 4.3.1 можно преобразовать полученный сигнал постоянного тока в необходимый сигнал переменного тока. В режиме модулятора схема преобразует медленно меняющийся сигнал в последовательность импульсов, частота которых соответствует частоте опорного напряжения. Данный модулятор строится на базе ОУ, т.к. последний имеет следующие характеристики: АИМ

В режиме модулятора схема преобразует медленно меняющийся сигнал в последовательность импульсов. Модулированный высокочастотный сигнал не содержит низкочастотных составляющих, но, тем не менее, несет в себе информацию о низкочастотном входном сигнале, которая заложена в изменениях амплитуды выходного сигнала модулятора.

В схеме данного АИМ используются интегральный ОУ. В зависимости от состояния транзистора ОУ работает в режиме инвертирующего (VT насыщен) или в режиме вычитателя (VT закрыт).

При положительной полярности напряжений и связь между входным и выходным сигналами модулятора можно получить из соотношения:

, при

В следующий полупериод напряжений и :

.

Ограничим максимальное выходное напряжение на выходе схемы значением .

Действующее напряжение на нагрузку равно:

Допустимое напряжение на транзисторе:

Значения резисторов рекомендуется выбирать в пределах 10…50 кОм. Выбираем = 10 кОм. Тогда = 20 кОм.

Мощность рассеивания на резисторах:

,

тогда тип резисторов С2-23-0,125-10 кОм

Мощность рассеивания на резисторах:

,

тогда тип резисторов С2-23-0,125-20 кОм

Находим максимальный ток нагрузки, а из него максимальные токи, протекающие в транзисторе:

,

Для того, чтобы транзистор находился в открытом состоянии достаточно иметь с частотой 400 Гц. Отсюда:

Входное сопротивление транзистора:

По стандартному ряду выбираем .

Мощность рассеивания на резисторе:

,

тогда тип резистора С2-23-1,0-1,2 кОм

В качестве транзистора VТ1 можно использовать транзистор типа КТ815Г, параметрами которого являются:

2.3 Расчет и выбор элементов усилителя мощности

Подключение на выходе ОУ каскадах на дискретных транзисторах позволяет значительно повысить отдаваемую усилителем мощности, представленным на рис.4.4.1. В целом такой учитель сохраняет свойства ОУ. Однако полоса пропускания и скорость нарастания U_вых его снижается по сравнению с параметрами ОУ.

Необходимо рассчитать усилитель с выходными данными: U_н=24 В,

A.

Определим напряжение питания усилителя:

U_п=1,15*U_н=1,15*24=27,6 В

В качестве операционного усилителя выбираем исполнительное устройство типа К14ОУД6 (U_п=15 В, U_{вых оу} =11 В, R_н.оу1 кОм, I_пот4 мА). Транзисторы VT1…VT4 типа КТ814Г (р-п-р), КТ815Г (п-р-п), у которых U_кэ=100 В, h_21э30, R_бэ100 Ом, и Т=233…373 К, I_к=1,5 А при Т=233…373 К, Р_рас=10 Вт с теплоотводом при Т=233…298 К, Р_рас=1 Вт без теплоотвода при Т=233…298 К.

Резисторы R₇, R₈ выбираем из условия, что бы падения на них от тока потребления. ОУ при U_вх=0 не превышало 0,4 В.

Токи I_э1, I_э2 при U_вых.оу=11 В.

I_э1=I_э2=I_потр+U_вых.оу/R_н.оу=4*10^-3+11/1*10³=0,015 А

Пологая, что U_бэ=0,8 В (из параметров транзисторов) в транзисторы VT2,VT3 открыты, находим при этом их базовые токи.



При I_БЭ=7*10^-3 А Транзисторы VT3, VT4 открыты для токов:

Откуда следует, что рассчитываемый усилитель обеспечивает требуемый ток нагрузки I_н=0,038 А.

Максимальное напряжение на коллекторе VT1, VT2

Допустимая мощность рассевания на коллекторах VT3, VT4 при Т=323 К (50 ⁰С)

Р_к.доп=1-(323-298)*0,1=0,75 Вт

Мощность рассевания на коллекторах VT1, VT2:

Где

Ом

R_н - сопротивление обмотки ОУ

Так как Р_к.доп<Р_рас (0,75>0,63), то транзисторы нужно устанавливать без теплоотводов.

Необходимая поверхность охлаждения теплоотвода определяется:

где Т_п - допустимая температура перехода; Т_с - температура окружающей среды -10…+40 ⁰С (323 К); Р_тпк - тепловое сопротивления переход - корпуса. Р_тпк длятранзисторов КТ814, КТ815 не указано, по этому используем значения Р_тпк=10к/Вт транзистора КТ940, корпус которого аналогичен корпусу КТ814, КТ815.

Используя значение П_т, отбираем подходящий (теплоотвод) радиатор.

Определяем базовые токи транзисторов VT1, VT2

Токи делителей R₃, R₅ и R₄, R₆ должны, не менее, чем на порядок, превышать I_б1, I_б2, тогда принимаем I_дел=5*10^-3 А, следовательно

Т.к. U_н.оу=15 В, то R₃ (R₄) находим из соотношения:

R₅=2,52 кОм

R₅ по номинальному ряду принимает значение равное 2,7

Значение R₁₀ принимаем равным

R_н.оу=1 кОм

Конденсатор устраняет вероятность самовозбуждения усилителя. Рекомендуемое значение С=5100 nФ.

В целом полученный усилитель относится к классу инвертирующих операционных усилителей, коэффициент передачи его К_ос=R₉/R₁=4. Тогда подберем сопротивлений R₁₀=10 кОм: В целом полученный усилитель относится к классу инвертирующих устройств ОУ, коэффициент передачи:

Подбираем стандартные номиналы по Е24: R₂=2,7 кОм

Рассеиваемою мощность резистора R₁ найдем при известном входном напряжении усилительного каскада:

тип резистора С2-23-0,125-20 кОм

Максимальная мощность которая может быть рассеяна резистором R₂ равна:

Тип соответствующего резистора: С2-23-0,062-100кОм.

Рассеиваемую мощность резистора R₃ найдем по известному нам U_п:

Тип соответствующего резистора: С2-23-0,15-3 кОм

Рассеиваемую мощность резистора R₄ найдем по известному нам U_п:

Тип соответствующего резистора: С2-23-0,15-3 кОм

Рассеиваемую мощность резистора R₅ найдем по известному нам U_п:

Тип соответствующего резистора: С2-23-0,15-3 кОм

Рассеиваемую мощность резистора R₆ найдем по известному нам U_п:

Тип соответствующего резистора: С2-23-0,15-3 кОм

Так как сопротивление R₇ , R₈ выбираем из условия, что падения на них напряжения равно U=0,4 В, то можем записать:

Тип соответствующего резистора: . С2-23-0,125-100 Ом

Напряжение на резисторе R₉ будет таким же, как и поступающее на двигатель. Следовательно, можем рассчитать рассеиваемую мощность на нем так: усилитель автоматический компенсатор инвертор

Тип соответствующего резистора: . С2-23-0,062-100 кОм.

Напряжение на резисторе R₁₀ будет равно выходному напряжению операционного усилителя. Тогда рассеиваемую им мощность можно найти так:

Тип соответствующего резистора: тип резистора С2-23-1,0-1 кОм;

2.4 Расчет и выбор элементов потенциометрического датчика

В качестве датчика можно использовать либо сельсинную пару, либо потенциометрический датчик.

Сельсинная пара может работать в трансформаторном режиме, используемом при измерении разности между угловыми положениями механически не связанных валом.

Потенциометрический датчик представляет собой переменное электрическое сопротивление, величина выходного напряжения которого зависит от положения токосъемного контакта. Они предназначены для преобразования линейных и угловых перемещений в электрический сигнал.

В данной курсовой работе применим потенциометрический датчик по причине простоты конструкции и легкости расчета. Можно использовать датчик типа П-1 со следующими параметрами:

· диапазон измерения угла, град - 180;

· сопротивление реостата, Ом - 3000;

· допустимая мощность, Вт - 10;

· Число витков - 400.

Рис. 4. Схема потенциометрического датчика

Коэффициент передачи датчика определяется выражением:

где U_п=28 В напряжение питания датчика и ц_max=360 град - максимальный угол перемещения датчика.

;

При угле срабатывания имеем:

Выберем напряжение питания для потенциометрического датчика

U = 2 В.

По условию:

Мощность рассеивания на резисторе:

,

тогда тип резистора С2-23-0,5-10 Ом

Выбираем сопротивление из ряда номинальных сопротивлений Е24: =200 Ом

Мощность рассеивания на резисторе:

В, тогда тип резистора С2-23-0,125-390 Ом

Так как информация заключена в разности сигналов, то в схему необходимо ввести вычитатель. Ввиду того, что сигнал недостаточный, его можно совместить с предварительным усилением.

2.4 Расчет и выбор элементов усилителя напряжения

В качестве усилителя напряжения можно использовать инвертирующий усилитель. Схема инвертирующего усилителя приведена на рис. 5

Рис. 5. Схема инвертирующего усилителя

Поскольку ОУ обладает очень большим (почти бесконечным) коэффициентом усиления, то сигнал на его выходе вырабатывается при очень малом входном сигнале. Это означает, что инвертирующий вход ОУ (точку P) можно считать виртуальной (мнимой) землей, т.е. точкой с практически нулевым потенциалом. Для получения коэффициента усиления ОУ требуемого уровня вводится очень глубокая отрицательная связь через резистор обратной связи . Коэффициент усиления инвертирующего усилителя:

Отрицательный знак указывает на инвертирование входного сигнала при его усилении. Коэффициент усиления всей схемы:

; , тогда

Примем , тогда . Из ряда номинальных значений сопротивлений Е24: .

Мощность рассеивания на резисторе :

,

тогда тип резистора С2-23-1,0-1 кОм

Мощность рассеивания на резисторе :

,

тогда тип резистора С2-23-0,25-8,8 кОм

Тогда

По ряду Е24

Мощность рассеивания на резисторе :

,

тогда тип резистора С2-23-0,25-9,1 кОм

Заключение

Современные устройства измерения обеспечивают высокую точность обработки сигналов управления в условиях действия различных возмущений и помех. Для получения надлежащих характеристик таких систем конструктору приходится находить компромиссные решения, так как требования к точности и показателям качества переходных процессов взаимоисключающие. Основной путь к преодолению такого противоречия - применение элементов с большими коэффициентами усиления и корректирующих устройств. Однако с ростом коэффициента усиления возрастает влияние нелинейностей в элементах, что приводит к нарушению принципа суперпозиции и необходимости учета при проектировании управляющих и возмущающих воздействий. С их применением в системах появляются чередующиеся режимы устойчивого, неустойчивого движений и автоколебаний.

В данной курсовой работе было спроектировано усилительное устройство для автоматического компенсатора. В процессе разработки устройства были соблюдены все необходимые требования технического задания. В процессе проектирования в схему были включены такие необходимые устройства, как операционный усилитель, модулятор, усилитель напряжения, без которых добиться необходимого результата было бы невозможно.

Размещено на Allbest.ru

...