Генератор пилообразного напряжения

 

2.2.2 Расчет симметричного  мультивибратора на ОУ (СМВ).

Исходя из формулы (2.1.9) находим  частоту следования   импульсов  пилообразного напряжения

f = 1/T, T=2t_пр,

где t_пр – длительность рабочего хода равная  длительности управляющего импульса. Период колебаний мультивибратора равен 2t_пр т.к. мультивибратор симметричный, подставив значения получим:

f=5Гц.

 Резистор ПОС R3 обычно выбирают порядка 100кОм, резистор ООС R2=R1=50кОм, тогда коэффициент ОС æ будет определяться по формуле

æ =R1/R1+R3

æ =0,33<< æ_доп,

где æ_доп – допустимый коэффициент обратной связи в СМВ;

æ_доп≤ U_диф/2U_выхmax=11/24=0,45

Рассчитаем скорость нарастания сигнала  на выходе ОУ. Приняв t_ф=0,1·t_и, тогда

V_UВЫХ =2U_выхmax/t_ф = 24/10=2,4В/мс=0,0024В/мкс

К рассчитанным параметрам выбираем ОУ К140УД6А параметры, которого даны в таблице 1.

Из формулы (2.1.13) найдем емкость конденсатора С1 времязадающей  цепи

                              С1= = 5,77мкФ                                                  

находим ближайший номинал С1=5,6мкФ  серии К73-16. Сопротивление нагрузки R4 возьмем 10кОм,  при напряжении   U_вых=12В выходной ток не превышает допустимого тока для данного ОУ (п.2.2.1).

2.2.3 Расчет ключевого  устройства (КУ)

Ключевое устройство реализовано  на биполярном транзисторе n-p-n структуры управляемый импульсами положительной полярности. Из выходной цепи СМВ выходят импульсы как положительной так и отрицательной полярности. Транзистор КУ будет насыщен (открыт) при положительных полупериодах U_вх, а при отрицательных находится в режиме отсечки (закрыт), при этом фронт пилообразного напряжения будет формироваться в момент времени действия отрицательного импульса на входе КУ. Поскольку коллекторная нагрузка R6=39кОм, необходимо рассчитать сопротивление R5 в базовой цепи транзистора VT1. Найдем его значение из формулы (2.1.7).

R5≤( U¹_вх –U_{б нас})/I_{б нас},

где  I_{б нас} = I_{к нас}/β_min;

I_{к нас}≈E_и.п./R_к.

U_{Б нас}=0,7В для кремниевых планарных транзисторов

I_{к нас}=15/39000==0,38 мА.

Выберем из справочника /3/ n-p-n транзистор серии КТ315А с параметрами, приведенными в таблице 2.

 

 

Таблица 2 - Параметры транзистора  КТ315А

 

Максимальный ток коллектора  Iкmax, мА	100
Максимальная рассеиваемая мощность Ркmaх, мВт	150
Структура	n-p-n
Напряжение коллектор-эмиттер  Uкэ, В	25
Коэффициент усиления потоку β	20..90

 

Подставив данные получим:

I_{б нас}=0,38/20=0,019мА.

R5≤(12-0,8)/0,019 =589 Ом.

 

Выберем номинал резистора  R5=560 Ом.

P_R5 = I_R5²·R5; I_R5= U_{Б нас}/R5;

I_R5=0,7/560=0,00125А;

 P_R5 = (0,00125)²·560 ≈0,88мВт.

Выбираем резистор R5 типа МЛТ-0,125-560 Ом ± 10%.

2.2.4 Расчет эмиттерного  повторителя (ЭП)

 

 

Транзистор VT2 включен по схеме с общим коллектором (ОК), имеющий коэффициент усиления по напряжению примерно равную единице, и значительно меньшее по сравнению со входным выходное сопротивление. Нагрузка повторителя R8=15 Ом включена в эмиттерную цепь VT2. Транзистор VT2 p-n-p структуры открывается он при отрицательном входном напряжении.

Входное сопротивление  ЭП рассчитаем по формуле описанной в /1/

R_вх=(β+1)/(R_н+1/g_m),

где β – коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ; g_m – крутизна усилительной характеристики транзистора.

g_m= I_э/φ_т, где φ_т≈0,025В  - изменение напряжения (не критично).

Определим ток эмиттера, имеем:

γ= β+1,

где γ – коэффициент усиление по току в схеме с ОК; β –  коэффициент усиления по току в схеме  с ОЭ. При U_вых.max = 12В и R_н=15 Ом ток в нагрузке I_н=0,8А. Таким образом I_э=I_н=0,8А. Отсюда находим необходимый коэффициент усиления по току γ в схеме с ОК:

γ = 800/5=160

коэффициент усиления потоку с ОЭ:

β=(160-1)=159

подставив значения получаем:

R_вх=(159+1)(15+1/(0,8/0,025))=2405Ом

т.е. входное сопротивление ЭП примерно равно сопротивлению нагрузки ОУ (R7).

 

Таблица 3 – Параметры транзистора КТ826А

 

Максимальный ток коллектора  Iкmax, А	1
Максимальная рассеиваемая мощность Ркmaх, Вт	15
Структура	p-n-p
Напряжение коллектор-эмиттер  Uкэ, В	700
Коэффициент усиления потоку β	160..300

 

 

 

Определим рассеиваемую мощность на резисторе P_R8

P_R8 = I_R8²·R7;

P_R8 = (0,8)²·15 ≈ 9,6 Вт

Выбираем резистор R8 типа ПЭВ-10-15 Ом ± 5%.

 

Мощность рассеиваемая на коллекторе VT2:

P_VT2=U_кэ·I_к=(15-12)·0,795=2,385 Вт

I_к=αI_э; α=β/ β+1=0,993

 I_к=0,993·0,8=0,795А

Параметры транзистора VT2 полностью подходят по рассчитанным величинам (таблица 3).

 

Определим  коэффициент нелинейности по формуле:

ε=

,

где i_нач. – начальный ток; i_конч.- конечный ток.

Подставив значения находим ε

 

ε≈0,02.

 

При данных номиналах элементов получаются следующие параметры устройства: минус 12В; сопротивление нагрузки 15 Ом; коэффициент нелинейности около 2%; частота следования импульсов 5 Гц; длительность линейного участка импульса (фронта) 97·10^-2 с; длительность спада (восстановления) 819·10^-6с;  КПД устройства 80%; напряжение питания двуполярное ±15В;

 

 

 

 

 

2.2.5 Расчет коэффициента  полезного действия

Коэффициент полезного действия генератора пилообразного  напряжения рассчитаем по формуле:

η=

%,

где P_потр- мощность потребляемая всем устройством;  P_вых- выходная мощность устройства.

Рассчитаем потребляемую мощность всего устройства. Потребляемы токи ОУ DA1 и DA2 возьмем из таблицы 1. Токи потребляемые ключевым устройством (КУ) и эмиттерным  повторителем (ЭП) будут равны соответственно токам нагрузок этих каскадов.

 

P_потр=

P_вых=U_вых·I_вых

P_потр=2,8·15+2,8·15+0,38·15+800·15=12089,7мВт≈12Вт

P_вых=15·0,8=9,6Вт

η=80%.

КПД разрабатываемого устройства составило 80%.

 

 

 

 

3 Конструкторская  часть

 

В результате разработки структурной и принципиальной электрической схем генератора пилообразного напряжения была дополнительно разработана печатная плата с 70×110 мм с соответствующими навесными радиоэлементами. Резистор нагрузки R8 расположен вне печатной платы поскольку имеет большие габариты. При конструировании печатной платы учитывался ряд особенностей:

1)для уменьшения паразитных  емкостей, индуктивностей и наводок   верхнюю часть фольгированного  медного слоя платы необходимо  подключить к земляной шине;

2) выходной нулевой шиной считать объединенные в одной точке входную и выходную шины;

3)максимальное увеличение площадей  металлических проводников с  большими токами.

Печатная плата выполнена из двустороннего фольгированного  стеклотекстолита толщиной 1,5-2 мм фотохимическим методом. Пайка выводов элементов выполнена припоем ПОС-61. Шаг координатной сетки 2,5 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Заключение

 

В данной курсовой работе разработано  устройство генератора линейно спадающего напряжения имеющего следующие параметры: выходное напряжение   около минус 12В; сопротивление нагрузки 15 Ом; коэффициент нелинейности около 2%; частота следования импульсов 5 Гц; длительность линейного участка импульса (фронта) 97·10^-2 с; длительность спада (восстановления) 819·10^-6с;  КПД устройства 80%; напряжение питания двуполярное ±15В.

Достоинством данной схемы является возможность плавного изменения  длительности фронта напряжения пилообразного  сигнала с помощью СМВ частота  управляющих импульсов, которого легко  изменяема резистором ООС, например переменным резистором. Интегрирующий узел при этом остается неизменным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Список использованных источников

 

 

1.  Импульсные устройства ЭВМ, приборов и систем: Учеб. для техникумов.-М.: Энергоатомиздат, 1991.-248 с.
2. Аналоговые интегральные схемы: Справочник/А.Л. Булычев, В.И. Галкин, В.А. Прохоренко.-2-е изд., перераб. и доп.-Мн.: Беларусь, 1994.-382 с.
3. В помощь радиолюбителю: Сборник. Вып. 111/В80 Сост. И.Н. Алексеева.-М.: Патриот, 1991.-80 с.
4. Электроника: Учеб. пособие.- Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2001.- 448 с.