Датчик мишенного типа

2. Напряжение смещения ОУ, есм. Должно быть существенно меньше входного сигнала. Так при усилении сигнала от усилителя 0…10 В напряжение смещения должно быть хотя бы в 100 раз меньше, т. е. eсм< 0,1 В.

3. Скорость нарастания в холодного напряжения v. Она определяет верхнюю рабочую частоту фильтра:

В нашем случае рабочая частота большая, и это условие выполняется даже для выходного напряжения 10 В. Вычислим минимальное необходимую скорость нарастания выходного напряжения:

4. Входной ток iвх. Входной ток ОУ создаёт дополнительную погрешность, которая должна быть существенно меньше полезного сигнала.

Перечисленным условиям удовлетворяют многое ОУ, например: К140УД6, со следующими параметрами (рисунок 8):

1. Кус = 50 · 103

2. eсм = 8 мВ;

3. iвх = 0.05 мк

А;

4. v = 2 В/мкс;

5. Uпит = ±(5…20) В.

Рисунок 8 — Схема ФНЧ с частотой среза 100 000

Гц

4. Проектирование преобразователя напряжение-ток.

Преобразователи напряжение-ток обеспечивают в измерительных системах передачу сигналов по длинным линиям.

Согласно заданию, требуется обеспечить выходной ток 4…20 мА. В таком случае используются усилители, в которых нагрузка включается непосредственно в цепь обратной связи ОУ. Простейшие усилители данного типа: инвертирующий и неинвертирующий.

Если в этих усилителях включить нагрузку вместо резистора обратной связи R2, то ток в нагрузке будет равен по модулю:

I=-U/R2-=18/2000=0,009 A.

Усилитель с токовым выходом приведён на рисунке 9. Схема представляет собой усилитель с Т-образным трехполюсником в цепи обратной связи и транзисторным усилителем тока на выходе ОУ. Транзисторы VT1 и VT2 позволяют увеличить выходной ток ОУв h21эраз. Выбор их осуществляется из комплементарных пар (КТ3102 и КТ3107, КТ502 и КТ503 КТ814 и КТ815 и т. д.).

По справочнику выбираем транзисторы КТ814А и КТ815А типа n-p-n со следующими характеристиками:

Uкэ.нас ≤ 0,6 В; Uкэ. нас ≤ 0,6 В;

Iкбо ≤ 0,05 мА; Iкбо ≤ 0,05 мА;

h21э = 40; h21э = 40…70;

Uкб.max = —-; Uкб. max = —-;

Uэб.max = 5 В; Uэб. max = 5 В;

Iк.max = 1,5 А; Iк. max = 1,5 А;

Pк.max = 10 Вт; Pк. max = 10 Вт;

Операционный усилитель выбирается по напряжению питания (Uпит = ±36 В) и максимальному выходному току (не менее 20 мА). Этим условиям удовлетворяет ОУ К140УД6, со следующими параметрами:

1. коэффициент усиления КU= 50 · 103

2. напряжение смещения eсм = 8 мВ;

3. входной ток iвх = 0.05 мк

А;

4. скорость нарастания выходного напряжения v = 2 В/мкс;

5. напряжение питания Uпит =±(5…20) В;

6. диапазон входного синфазного напряжения Uвх. синф = ±11 В;

7. минимальное сопротивление нагрузки Rн. min= 1кОм

8. максимальное выходное напряжение Uвых. max = ±12 В;

9. максимальный выходной ток В схеме рисунка 9 сопротивление резистора R2 определяет величину тока в зависимости от входного напряжения. Резистор R1 лучше выбрать того же номинала (для уменьшения влияния входного тока ОУ). Резисторы R3 и Rн тоже должны быть одинаковы, падение напряжения на них не должно сказываться на формировании выходного тока, т. е. оно не должно быть более Uп — Uвх. max — UКЭ.нас. .Так при Uпит =20 Вследует выбрать Uп = 15 В, напряжение насыщения коллекторэмиттер можно для большинства транзисторов принять 1…2 В и тогда при Uвх. max =10 В падение напряжения на резисторах R3 и R4 не должно превышать 15 — 10 — 1 = 4 В. Если выходной ток 5 мА, то R3 = Rн=4 /0,005 = 800 Ом.

6. Расчёт стабилизатора напряжения

Так как в нашем случае источник первичного электропитания постоянный, то необходим только стабилизатор напряжения.

Расчёт элементов будем вести для источника +36 В.

Во время работы блока питания на конденсаторах фильтра напряжение пульсирует от максимального Uнест. max до ≈ 0,9xUнест.max. Часть напряжения (минимум Uкэ. нас) падает на транзисторе стабилизатора, кроме этого надо предусмотреть запас по напряжению на входе стабилизатора на случай уменьшения напряжения в сети. На этом этапе примем напряжение насыщения коллектор-эмиттер транзистора равным 2 В, так как у большинства кремниевых транзисторов оно лежит в диапазоне от 1 до 2 В. Поэтому напряжение на входе стабилизатора оценим так:

Выберем конденсаторы схемы. Для ёмкостного фильтра следует использовать оксидные конденсаторы, как имеющие большую ёмкость. Для них регламентируется максимально допустимая амплитуда переменной составляющей. Обычно она 5…20% от постоянной составляющей. Именно поэтому при оценке входного напряжения стабилизатора был использован коэффициент 0.9 (для пульсаций 10%). Для облегчения подбора конденсатора и увеличения срока его службы примем максимальные пульсации на конденсаторах фильтра равными 5%. Расчёт проведём по формуле:

где I = Iн — ток разряжающий конденсатор, в нашем случае это ток нагрузки;

С — ёмкость конденсатора;

∆U — напряжение разряда конденсатора, у нас 5% от постоянного напряжения на нём;

∆t — время, в течении которого разряжается конденсатор, для двухполупериодного выпрямителя это около 10 мс.

Конденсаторы С1 и С2 предназначены для сглаживания пульсаций тока потребления нагрузки и фильтрации помех. В общем случае их расчёт очень сложен, обычно их принимают 0,01…0,1 от ёмкости конденсаторов фильтра. Примем С3 = С4 = 100 мк

Ф, тип — К50−16, номинальное напряжение — 50 В.

Напряжение на нагрузке больше напряжения на стабилитроне на величину напряжения насыщения база-эмиттер, что составляет около 0,6 В.

Поэтому стабилитрон выберем с напряжением стабилизации 36,6 В Выберем КС536А с параметрами:

номинальное напряжение стабилизации Uст = 36 В;

максимальный ток стабилизации Iст. max = 23 мА;

минимальный ток стабилизации Iст. min = 1 мА.

Значит, максимальный ток базы может составлять

Iб=0,8Iст max-Iст min=0,8*23−1=17,4 мА Ток нагрузки представляет собой сумму токов базы и коллектора, поэтому:

максимальное напряжение коллектор-эмиттер Uкэ. max ≥ 2Uвх ст = 73,2 В;

максимальный ток коллектора Iк. max ≥ Iн = 200 мА;

мощностью рассеяния Pк. max ≥ Pрасс = Uкэ. max x Iн = (Uвх.ст — Uвых) xIн= (36−20)· 0,2 =3,2 Вт;

коэффициент передачи эмиттерного тока h21э ≥ 77,1.

Выбираем полевой транзистор КП801 В.

Оба транзистора выделяют большое количество тепла и требуют установки на радиаторы.

Резисторы R1 и R2 должны иметь сопротивление:

принимаем R1 = 1,6 кОм (из ряда Е24).

Мощность, рассеиваемая R1:

По справочнику выбираем резисторы типа МЛТ с номинальной мощностью рассеяния 0,125 Вт (0,034 Вт < 0,125 Вт).

Разработанная схема представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 — Принципиальная схема стабилизатора напряжения

Заключение

В результате курсового проектирования была разработана схема расходомера мишенного типа с преобразователем тензосопротивление — ток.

Погрешность преобразования схемы не превышает заданной погрешности δпр≤2,0%.

Данная схема полностью удовлетворяет заданным требованиям ТЗ.

Список использованных источников

http://pskgu.ru/ebooks/putilov1/putilov1₀₉_054.pdf

Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. — 2-е изд. перераб. и доп. — Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отд-ние, 1988. — 304 с.

Основы промышленной электроники. Руденко В. С., Сенько В. И., Трифонюк В. В.-К.: Вища шк. Головное изд-во, 1985.-400 с.

Проектирование датчиков для измерения механических величин/ под ред. Е. П. Осадчего. — М.: Машиностроение, 1979. — 480с.

Резисторы: справочник/ В. В. Дубровский, Д. М. Иванов, Н. Я. Пратусевич и д.р.; Под общ. Ред. И. И. Четвертков и В. М. Терехова.

М.: Радио и связь, 1987.-352 с.; ил.

Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 1 — 3. Пер. с англ. — 4-е изд. перераб. и доп. — М.: Мир, 1993.

Рисунок 5