Смекни!
smekni.com

Согласующее устройство для измерения четырехполюсных радиоэлементов (стр. 5 из 14)

Использование в виде отдельного модуля позволило упростить настройку и позволяет применить индивидуальную защиту от электромагнитных помех в случае измерения микромощных токов измерительным усилителем (устройство А2 КИУ).

4.4 Выбор и обоснование элементной базы

В разработанном комплексе применены широкораспространенные и дешевые радиоэлементы. Для цифровой части комплекса выбрана серия К1533, т.к. она имеет пониженное энергопотребление и малые входные токи, что позволяет повысить нагрузочную способность микроЭВМ К1816 до 15 (против 1 с серией К155). МикроЭВМ выбрана серии К1816 как наиболее доступная и отвечающая требованиям быстродействия и оптимальной архитектуры.

В качестве операционных усилителей выбран самый дешевый из прецизионных ОУ К140УД17А с малым температурным и временным дрейфами нуля. Высоким входным сопротивлением и коэффициентом ослабления синфазного сигнала.

Блокировочные конденсаторы применены типа КМ и К50-35 как наиболее дешевые и допустимые.

Резисторы применены типа МЛТ с допуском  10% (для измерительного усилителя  1%).


5. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

5.1 Расчет генератора тока управляемого напряжением

Упрощенная схема преобразователя приведена на рис. 10.

Преобразователь напряжение - ток

Рис.10.

Исходные данные для расчета:

Iнmax = 0,1 A, при Uн = 10 В; Uвхmax =  5 B; Епит = 12 В.

Выбираем резисторы R3 (пренебрегая UкэнасVT3 и VT4)

. (27)

В нашем случае R3 = 20 Ом.

Выбираем резисторы R1 и R2:

. (28)

Для Iнmax = 0,1 А, R3 = 20 Ом и Uвхmax = 5 B получим R1/R2 = 2/5. Выбираем R1= 400 Ом, тогда R2 = 1 кОм.

5.2 Расчет преобразователя напряжения

Преобразователь напряжения КД5.192.002 построен по схеме генератора Ройера (рис.11).

Преобразователь напряжения на основе генератора Ройера

Рис.11

Исходные данные для расчета:

напряжение питания U1 - 5B;

выходное напряжение преобразователя U2 - 15B;

максимальный ток вторичной обмотки I2max - 50mA;

частота генерации f - 25000 Гц.

5.2.1 Расчет элементов преобразователя

Определяем ток коллектора открытого транзистора

Iкнас = I2max U2 / U1, (29)

где  - КПД преобразователя.

Принимаем = 0,8 , I2max = 0,05А , U2 = 15В, U1 = 5В. При таких значениях получаем Iкнас = 0,19 А.

Определяем максимальное напряжение на закрытом транзисторе

Uкэmax = 2,4 U1. (30)

При U1 = 5В получаем Uкэmax = 12В.

Выбираем тип транзисторов VT1 и VT2 по значениям Uкэмах и Iкмах, причем

Iкмах = Iкнас 2,5 . (31)

Если Iкнас = 0,19А, то Iкмах = 0,48А. Этим требованиям удовлетворяют широко распространенные транзисторы КТ815А. Для них Iкмах = 1,5А, Uкэmax = 25В, h21Э  40.

Определяем ток базы транзистора

Iбнас = 1,4 Iкнас / h21Эmin, (32)

где h21Эmin - минимальное значение коэффициента передачи тока транзистора в схеме с общим эмиттером.

В нашем случае h21Эmin = 40, а Iбнас = 6,7 10-3 А.

Напряжение базовых обмоток Wб (рис.11) Uб выбираем равным 3В (среднее значение напряжений насыщения база - эмиттер транзисторов большой мощности).

Сопротивления резисторов R1 и R2 равны:

R1 = (Uб - 0,65) / Iбнас, (33)

R2 = U1 R2 / 0,7 . (34)

Исходя из имеющихся данных получаем R1 = 350 Ом и R2 = 2,5 кОм.

5.2.2 Расчет трансформатора

Типоразмер магнитопровода трансформатора выбирается по произведению Sст *Sок

Sст *Sок = Рг .102 / 2 .f.Bs. j. Km. Kc.  , (35)

где Sст - площадь поперечного сечения стержня магнитопровода (см2); Sок - площадь поперечного сечения окна магнитопровода (см2); Рт - габаритная мощность трансформатора Bs - индукция насыщения материала магнипровода; j - плотность тока в проводах обмотки трансформатора; Кm - коэффициент заполнения медью окна сердечника; Кс - коэффициент заполнения площади поперечного сечения стержня магнитопровода материалом магнитопровода.

Рг = Uc.I / . (36)

В нашем случае Рт = 0,94 Вт.

В качестве материала магнитопровода выбираем феррит марки 2000НМ, как самый доступный, а трансформатор тороидальный. Для феррита марки 2000НМ Bs = 0,35 Тл, Кс = 1.

Так как трансформатор тороидальный, то в качестве Кm возьмем оценочное значение 0,2. Плотность тока j выберем равной 5 А/мм2, т.к. трансформатор маломощный.

Таким образом получаем Sст *Sок = 5,4.10-3(см4), или 54 мм4. Из стандартного ряда магнитопроводов нам подходит типоразмер К10х6х2 (рис.11). Для него Sок = 28,27 мм2, Sст = 3,19 мм2, Sст *Sок = 110,5 мм4. Для расчетов Sок  0,28 см2, Sст 0,04 мм2.

Магнитопровод К10х6х2
Рис.12

Число витков коллекторных обмоток

Wк = U1. 104 / 4 . f. Bs. Sст .Kc, (37)

что в нашем случае составляет примерно 36 витков.

Число витков вторичной обмотки

W2 = (U2 / U1) . Wк. (38)

Для нас это составляет 108 витков.

Число витков базовых обмоток

Wб = (Uб / U1) .W1. (39)

При Uб = 3В и U1 = 5В число витков Wб = 22 витка.

Определим токи в обмотках трансформатора

, (40)

. (41)

Исходя из расчетов Iк = 0,27А, а Iб = 9,5 . 10-3 А.

Определим диаметры проводов обмоток

, (42)

где d - диаметр провода (мм);

j - плотность тока (A/мм2);

I - значение тока (А).

Для коллекторных обмоток dкрасч = 0,26 мм, для базовых обмоток обмоток dбрасч = 0,049 мм, для вторичной обмотки d2расч = 0,013 мм.

Исходя из стандартных диаметров проводов и технологических соображений принимаем

dк = 0,25 мм,

dб = 0,1 мм,

d2 = 0,1 мм.

Таким образом, расчет преобразователя напряжения можно считать завершенным.

5.3 Расчет печатной платы

Основные данные для расчета сведены в табл.4.

Таблица 4

Расчет установочной площади ЭРЭ

Наименование Количество Sуст, см2
Резисторы
МЛТ 0.25 70 0,39
МЛТ 0.5 3 0,6
МЛТ 1 2 1,14
СП5-2,2В 12 1,69
Конденсаторы
КМ-1 30 0,18
К50-35 15 0,38
Диоды
КД106 4 0,5
КД521А 12 0,24
Стабилитроны
КС512 4 1,4
Оптотранзисторы
АОТ110А 2 0,64
Транзисторы
КТ972 2 0,35
КТ815 2 0,35
КТ973 1 0,35
КТ3102Е 2 0,2
КТ3107Л 2 0,2
Микросхемы
КР1816ВЕ35 1 5,4
К1533ИР22 10 2,25
К573РФ2 1 4,65
К1533ИД7 1 1,8
К1533ЛН2 1 1,8
МАХ177 1 2,25
КР140УД17А 15 1,44
К572ПА1 3 1,8
К1533ЛП9 3 1,8
Реле РЭС55 2 0,5
Феррит 2000НН 2 3,1
СТФ-2-35 2
ТМ-250 30м
ПЭВТЛК2 40м
Итого 155,1

Площадь платы ТПР S = 660 см2.

Коэффициент заполнения по площади Ks = 155,1 / 660 = 0,235.

5.4 Расчет надежности

Данные для расчета надежности сведены в табл.5.

Таблица 5

Надежность элементов

Наименов. Кол Интенсивн отказовi.1061/ч Коэф.нагр.Кнi Рабочая температТi, oC Интенсивн. отказов с учетом внешних условийi.1061/ч 
Конденсаторы 22 0,15 0,7 20 0,045 0,99
Микросхемы 20 0,013 - 30 0,26 0,26
Резисторы 39 0,03 0,6 20 0,0165 0,6435
Опто- транзисторы 2 4,7 0,5 20 2,35 4,7
Стабилитроны 4 0,157 0,5 20 0,0785 0,314
Транзисторы 20 0,5 0,5 30 0,35 7
Разъемы 4 0,0005 0,8 20 4.10-4 1,6.10-4
Пайка печатная 300 0,01 0,5 20 0,005 1,5
Провода соединители 200 0,015 0,5 20 0,0075 1,5
Плата печатные схемы 1 0,7 0,8 20 0,56 0,56
Всего 17,467

К1мех.возд. = 1