Блок источников опорного напряжения

Министерство образования и науки РФ

«ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Автоматизированные системы обработки информации и управления»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему «Блок источников опорного напряжения»

по дисциплине «Электроника»

Студента группы ИВТ-249

Тагильцева Михаила Юрьевича

Зав. каф., д.т.н., проф.А.В. Никонов

Омск 2011

Реферат

НАПРЯЖЕНИЕ, ДИОД, Код выбора, стабилизаторы, сопративление, Стабильность выходного напряжения

Объектом выполнения работы является блок источников опорного напряжения.

Цель работы – является разработка функционального электрического устройства блока источников опорного напряжения.

В процессе работы были разработаны функциональная и электрическая схемы проектируемого устройства.

В результате работы разработано устройство соответствующее всем требованиям ТЗ.

Степень внедрения – учебное проектирование.

Введение

Задачей данного курсового проекта является разработка блока источников опорного напряжения, для создания положительного и отрицательного напряжений высокой точности, при малом выходном сопротивлении.

Источники опорного напряжения являются важной составной частью цифрового оборудования. Параметры этого прибора напрямую влияют на уровень рабочих характеристик конечной продукции.

Первыми полупроводниковыми источниками опорного напряжения (ИОН) были стабилитроны, для которых характерны большой разброс напряжения стабилизации от образца к образцу, значительный температурный дрейф, довольно большое динамическое сопротивление, особенно при малых токах стабилизации. Даже прецизионные стабилитроны, предназначенные для применения в измерительной технике, не лишены многих из этих недостатков и обеспечивают заявленные характеристики только при поддержании стабильного тока через стабилитрон, в большинстве случаев довольно значительного — до 10 мА.

С появлением интегральных ИОН ситуация коренным образом изменилась. Особо следует отметить, что отличные характеристики обеспечиваются при низких значениях выходного напряжения, что дает интегральным ИОН абсолютное преимущество в современной аппаратуре, имеющей, как правило, низкие напряжения питания. По схемотехническому построению распространенные ИОН делятся на три группы: на стабилитронах, на ширине запрещенной зоны и на XFET-ячейке. Подробнее о вариантах исполнения ИОН можно узнать из специальной литературы [1]. По способу включения в схему ИОН делятся на две группы: параллельные и последовательные.

Последовательные ИОН включаются аналогично последовательным стабилизаторам напряжения. Существенным отличием для большинства микросхем последовательных ИОН является работоспособность не только при вытекающем, но и при втекающем токе нагрузки. Последовательные ИОН существенно экономичнее параллельных при большой разнице между напряжением питания и выходным напряжением. Дополнительные возможности по снижению энергопотребления дает наличие в ИОН (ADR318, LT1461) вывода отключения.

1. Анализ современного состояния научного – технического уровня по тематике проектирования

В ходе обзора и анализа информационных материалов были выделены аналоги разрабатываемого устройства, которые выполняют схожие функции.

БП-98-7

БП-98-7 предназначен для преобразования сетевого напряжения 220 В в стабилизированное напряжения. Номинальное выходное напряжение 5, 6, 9, 12, 15, 18, 24, 36 В. Нестабильность выходного напряжения:

при изменении напряжения сети от номинального в допускаемых пределах не более 1%.

при изменении тока нагрузки от нуля до максимального не более 0,3В.

Питание от сети постоянного или переменного тока 100…250 В, 47…63 Гц.

К достоинствам этого прибора относятся широкий диапазон выходных напряжений. Недостатки:

не обеспечен выбор источника со стороны ЭВМ

высокая нестабильность выходного напряжения

отсутствие источника отрицательного напряжения

Универсальный преобразователь напряжения УПН-03.

Преобразователь напряжения «УПН – 03» предназначен для преобразования нестабилизированного входного напряжения в диапазоне от 39 до 72 В выходное стабилизированное напряжение 12 В 15 В и 24 В постоянного тока в выходное стабилизированное напряжение до 24В постоянного тока. Выбор необходимого значения выходного напряжения осуществляет пользователь, посредством переключателя выходного напряжения.

Источник постоянного напряжения Б5-70.

Источник напряжения Б5-70 применяется для лабораторных исследований, ремонта и обслуживания радиоаппаратуры. Источник Б5-70 имеет цифровую индикацию выходного напряжения и тока. Б5-70 содержит дополнительную функцию: измеряет внешнее напряжение до 100 В, обеспечивает защиту от нагрузки, от превышения величины напряжения. Источник Б5-70 надежен в эксплуатации. Основные технические характеристики источника Б5-70:

-выходное напряжение 0..30 В

-нестабильность при изменении напряжения сети на 10% напряжения ±0,001%

нестабильность напряжения при изменении нагрузки от 0 до 0,9Rмакс ±0,02 %

Питание от сети в 50 Гц.

К достоинствам этого прибора относятся широкий диапазон выходных напряжений, высокая стабильность выходного напряжения. Питание от сети 50 Гц.

Недостатки:

не обеспечен выбор источника со стороны ЭВМ

высокая нестабильность выходного напряжения

отсутствие источника отрицательного напряжения

Третий прибор подходит по основным параметрам разрабатываемого устройства, поэтому его можно принять за прототип. Далее необходимо добавить отрицательный источник напряжения, обеспечить выбор одного из источников со стороны ЭВМ.

2. Выбор и обоснование направления проектирования

Рассмотрим прототип, его функциональные возможности нуждаются в доработке. В замене нуждается регулятор напряжения, вместо него будут использованы отдельные источники заданной величины. Также необходимо обеспечить отрицательное напряжение на одном из источников и выбор одного со стороны ЭВМ.

С учетом выше изложенных требований разработана, функциональная схема проектируемого блока источников опорного напряжения. Схема приведена на рисунке 1.

Питание устройства осуществляется от источника переменного тока, значит необходимо ввести устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный ток – мостовой выпрямитель. Основное свойство: сохранение направления протекания тока при изменении полярности входного напряжения. Принцип выпрямления основывается на получении с помощью диодной схемы из двуполярной синусоидальной кривой напряжения однополярных полуволн напряжения.

Полученный на выходе сигнал является однополярным, но низкого качества, так как содержит большую переменную (пульсирующую) составляющую, и его нельзя использовать в таком виде. Для дальнейшего преобразования сигнала применяется сглаживающий фильтр, который подключается к выходу мостового выпрямителя.

Между сглаживающим фильтром и нагрузкой, устанавливается стабилизатор напряжения, который обеспечивает поддержание с необходимой точностью требуемой величины постоянного напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения питающей сети и тока нагрузки. Величина пульсаций уменьшается в число раз, равное коэффициенту стабилизации применяемого стабилизатора. После стабилизации напряжения можно устанавливать ИОН, причем необходимо обеспечить питание на три направления, при этом разного знака.

Для обеспечения контроля со стороны внешней ЭВМ необходимо преобразовать аналоговый сигнал напряжения в его цифровой сигнал.

Рисунок 1 – Функциональная схема БИОН

3. Расчет на структурном уровне

блок источник опорное напряжение

Проведем назначение требований узлам функциональной схемы (рисунок 1) в соответствии с ТЗ.

Согласно ТЗ источники опорного напряжения должны выдавать стабильное напряжение минус 12,6 В, 10 В и 6 В. Для этого используются ИОН на стабилизаторах. Основными параметрами стабилизаторов является выходное сопротивление и нестабильность выходного напряжения. Разность между входным и выходным напряжением должна быть не менее 4 В [7]. Таким образом, так как самое высокое напряжение равно минус 12,6 В, напряжение питания источников должно быть не менее 16 В.

Выходное сопротивление источников рассчитывалось по формуле (1) [6]

Rвых = Uвых / Iн (1)

где КI – коэффициент нестабильности по току стабилизатора;

U вых – напряжение на выходе ИОН.

Нестабильность напряжения ИОН, рассчитывается по формуле (2) [3]:

, (2)

где Кu – коэффициент нестабильности по напряжению стабилизатора;

U вых – напряжение на выходе ИОН.

Согласно ТЗ нестабильность выходного напряжения не более 0,5 %, выходное сопротивление не более 0,1 Ом.

Так как питание блока осуществляется от сети переменного тока, для получения постоянного требуется использование мостового выпрямителя. Для уменьшения пульсации понадобится сглаживающий фильтр. На выходе фильтра должно быть напряжение 17 В так как это напряжение питания стабилизатора. Учитывая, что конденсатор фильтра увеличивает напряжение в 1,47 раза [2], то на выходе выпрямителя должно быть напряжение 12 В.

Теперь, нужно учесть, что на выпрямительном мосту теряется 1,5 – 2 В, поэтому напряжение питания берется 14 В.

Для обеспечения выбора источника со стороны ЭВМ понадобится регистр с тремя состояниями и дешифратор.

Для обеспечения управления ИОН используются аналоговые ключи, реализованные на МОП транзисторах. Результаты расчета занесены в таблицу 1.

Таблица 1 – Данные расчета функциональной схемы

4. Выбор и расчет элементов электрической схемы

Мостовой выпрямитель

Рисунок 2 – Схема мостового выпрямителя

Для выбора диодов мостового выпрямителя необходимо знать две величины – максимальный ток и максимальное обратное напряжение, текущие через один диод.

Максимально допустимое обратное напряжение:

U max обр = 2.Uн = 2. 17 = 34 В (3)

где Umax обр – максимальное обратное напряжение;

Uн – напряжение нагрузки.

Максимальный ток одного диода должен быть больше или равен току нагрузки. В нашем случае ток нагрузки 0,15 А (максимальный ток для выбранных стабилизаторов). В данной схеме целесообразно использовать диоды типа Д9Г, у которых Uобр max = 100 В, Iпр max = 0,4 мА [2]. Схема включения мостового выпрямителя представлена на рисунке 2.

Сглаживающий фильтр

Рисунок 3 – Схема включения сглаживающего фильтра

Определим ёмкость конденсатора [2]:

Cф = 3200. Iн / Uн. Kн = 3200. 0,15/ 17. 0,01 = 2823 мкФ (4)

где Iн – максимальный ток нагрузки;

Uн – напряжение нагрузки;

Kн – коэффициент пульсации.

В работе будут использоваться конденсаторы К50. Схема включения представлена на рисунке 3.

Источник опорного напряжения

В данном проекте используются стабилизаторы серий 142ЕН. Основными критериями выборов данных стабилизаторов, послужили их номинальные значения, приведенные в таблице 1 и коэффициент нестабильности по напряжению стабилизатора, влияющий на нестабильность напряжения всего ИОН, которая должна соответствовать ТЗ. Так же микросхемы К142ЕН1 и К142ЕН2 имеют выходы для выключения стабилизатора управляющим сигналом, за счет чего осуществляется выбор источника опорного напряжения со стороны ЭВМ. Так как минимальный необходимый ток срабатывания микросхемы 0,5 мА, а напряжение подаваемое с ключа 17 В, то сопротивление резистора R1 = 34 кОм

Емкость конденсаторов С2 и C4 должна быть не менее 0,1 мкФ, а емкость выходных конденсаторов С5 = 10 мкФ и С3 = 5 мкФ [4].

Резистор R4 служит защитой от короткого замыкания [7] и рассчитывается по формуле:

R4 = 1,25 – 0,5. Iпор – 0,023. (Uвх – Uвых)/ Iпор (5) где Iпор – пороговый ток при котором срабатывает защита.

Для источника минус 12,6 В К защиты равно:

R4 = 1,25 – 0,5. 0,0001 – 0,023. 4,4 / 0,0001 = 8,2 кОм

Для источника 6 В:

R4 = 1,25 – 0,5. 0,0001 – 0,023. 4,4 / 0,0001 = 7,1 кОм

Для источника 10 В:

R4 = 1,25 – 0,5. 0,0001 – 0,023. 4,4 / 0,0001 = 7,8 кОм

Источник опорного напряжения минус 12,6 В

Рисунок 4 – Схема включения стабилизатора К142ЕН2

Требуемый уровень выходного напряжения, указанного в задании, устанавливается резисторами R1 и R2 [2]. Для первого источника выходное напряжение должно быть минус 12,6 В. Для стабилизатора серии 142ЕН2 Uвых рассчитывается по формуле 6 [2].

(6)

Следовательно:

(7)

Uобр – образцовое напряжение, формируемое внутренним источником микросхемы, для данного стабилизатора Uобр = -1,25 В, а резистор R7 = 300 Ом [2]. Подставив значения в формулу 7, получим:

R8 = 300. (-12,6 / -1,25 – 1) = 2580 Ом.

Схема включения показана на рисунке 4.

Источники опорного напряжения 10 В и 6 В

Рисунок 6 – Схема включения стабилизатора К142ЕН1

Для стабилизатора К142ЕН2 при данном включении, сопротивление резистора R8 вычисляется по формуле 10 [2].

Для стабилизатора серии К142ЕН1 Uвых рассчитывается по формуле 6 [2].

Следовательно, сопротивление резистора R8 рассчитывается по формуле 7.

Uобр – образцовое напряжение, формируемое внутренним источником микросхемы, для данного стабилизатора Uобр = 1,25 В, а резистор R7 = 300 Ом [4].

Подставив в формулу (6) численные значения, получим, что во втором источнике опорного напряжения сопротивление резистора

R8 = 300. (10 / 1,25 – 1) = 2100 Ом.

Для третьего ИОН

R8 = 300. (6 / 1,25 – 1) = 1140 Ом.

Схема включения показана на рисунке 5.

Ключ

Управление источника опорного напряжения осуществляется с помощью аналогового ключа серии КР590К1. Эта микросхема имеет встроенный дешифратор, что позволяет оптимизировать принципиальную схему. В данном случае понадобится два ключа, так как нужно выключить два ИОН. Схема включения показана на рисунке 6.

Рисунок 6 – Микросхема КР590КН1

Регистр

В качестве регистра используется микросхема 1533ИР33, которая является 8 разрядным параллельным регистром с тремя состояниями. Схема показана на рисунке 8

Рисунок 8 – ИС регистра 1533ИР33

5. Электрическое моделирование

Проведем электрическое моделирование мостового выпрямителя и сглаживающего фильтра с помощью пакета Micro-Cap 9 с целью оценки получаемого входного напряжения и коэффициента пульсации после прохождения сглаживающего фильтра. За критерий оценки примем значение напряжения на выходе выпрямителя и пульсацию напряжения на нагрузке. Для этого воспользуемся электрической схемой выпрямителя, приведенной на рисунке 9. В качестве нагрузки используется резистивный делитель второго ИОН.

Рисунок 9 – Электрическая схема мостового выпрямителя со сглаживающим фильтром

Параметры генератора сигнала частотой 50 Гц представлены на рисунке 10

Рисунок 10 – Параметры генератора сигнала

Рисунок 11 – Напряжение на выходе выпрямителя

На рисунке 11 представлен график значений напряжения на выходе выпрямителя. Полученное значение напряжения в ходе моделирования совпадают с расчетными представленными в таблице 1.

Рисунок 12 – Пульсация выходного напряжения фильтра

Как видно из графика на рисунке 12 значение пульсации напряжения на конденсаторе не превышает расчетной величины.

Анализ метрологических характеристик

Для подтверждения работоспособности и оценке параметров разработанного блока источников опорного напряжения и соответствия его характеристик требованиям ТЗ определим его основные параметры.

Требуемые выходные напряжения минус 12,6 В, 10 В, 6 В обеспечиваются микросхемными стабилизаторами и резистивными делителями напряжения (подраздел. 4.3)

Нестабильность выходного напряжения не более 0,5% и выходное сопротивление не более 0,1 Ом обеспечивается стабилизаторами серии 142ЕН (раздел 3).

Максимальный ток берем исходя из условий, что ток максимальный ток нагрузки на стабилизаторе равен 0,15 мА, ток потребления равен 4 мА [7]. Следовательно, Iмакс = 4,15 мА.

Заключение

Результатом данного курсового проекта является проект электрического функционального устройства «Блок источников опорного напряжения».

В процессе работы был проведен анализ современного состояния научно-технического уровня по тематике проектирования, было выбрано направление проектирования и произведено его обоснование, а также разработаны: функциональная и электрическая схемы проектируемого устройства.

Кроме того, было проведено электрическое моделирование мостового выпрямителя со сглаживающим фильтром.

В процессе анализа метрологических характеристик проверялось соответствие всех характеристик разработанного устройства требованиям, указанным в ТЗ.

Список использованных источников

1 Пушкарев М. Интегральные источники опорного напряжения // Компоненты и технологии. 2007. № 6.

2 Материал с сайта Телетехника. Блок питания начинающего радиолюбителя [Электронный ресурс] / Материал с сайта Телетехника. – Режим доступа: http://teletehnika.info/radio-nachinayschim/250-blok-pitaniya-nachinayushhego-radio-lyubitelya.html. – Загл. с экрана.

3 Щербинина А. Микросхемные стабилизаторы серии 142, К142, КР142 // Радио. 1990. № 8.

4 Нефедов А. В. Элементы схем бытовой радиоаппаратуры. Микросхемы. Часть 1: Справочник. – М.: Радио и связь. 1993. – 240 с.

5 Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-CAP. 6. – М.: ТОО “СЛОН”, 1997. – 273 с.

6 Гершунский Б. Справочник по расчету электронных схем. – Киев.: Изд – во «Вища школа», 1983. – 240 с.

7. Гутников В. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Изд – во Энергоатомиздат, 1988. – 304 с.