Регулируемый источник тока на основе операционного усилителя

 

План

1. Вступление
2. Техническое задание
3. Выбор решения
4. Расчеты параметров
5. Моделирование
6. Изготовление
7. Технология наладки
8. Заключение
9. Список использованной литературы

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Вступление 

   В создании регулируемого источника  тока непосредственно используется операционный усилитель который  выполняет важную функцию. В данный курсовой проект помещено обобщенное описание ОУ, материал приведенный  в следующих главах должен детально показать все нюансы связанные с разработкой, изготовлением и наладкой ОУ. Наведении графики и схемы, а также подробные объяснения, относительно процесса изготовления устройства, должны помочь лучшему пониманию материала. Вся работа разделения на восемь частей. В части «Техническое задание», будут указанны параметры ОУ, которые он должен иметь после его изготовления. Глава «Расчет параметров» включает в себя расчеты номиналов элементов, которые будут использованы в схеме. В пункте «Моделирование» показано моделирование характеристик ОУ благодаря программному пакету. «Технология наладки» содержит в себе рекомендации, относительно непосредственного изготовления платы и т.д.

   Описание  операционного усилителя.

   

   Операционный  усилитель — это электронное  устройство, предназначенное для усиления напряжения постоянного тока. Название «операционный» ему присвоена из-за того, что он может использоваться для выполнения математических операций. Но для выполнения таких функций необходимо,чтобы усилитель имел большой коэффициент усиления в широком частотном диапазоне, начиная с 0 Герц, а также ряд вспомогательных свойств, которые необходимы для обеспечения гибкости и широты их использования. 
Традиционное построение таких усилителей на основе многокаскадных схем связана со значительными трудностями, обусловленными наличием гальванической связи между каскадами. Это трудности обеспечения достаточной температурной стабилизации, необходимой разности потенциалов между базой и эмиттером для второго и последующих каскадов, необходимого коэффициента усиления этих каскадов. Поэтому в 

   

     

     транзисторной схемотехнике разработчики пошли на использование дифференциальных каскадов усиления.

   Операционные  усилители содержат в себе 2-4 каскады. Первые каскады является дифференциальных усилителями, которые обеспечивают заданный 
коэффициент усиления ОУ. Необходимые входные характеристики заложенных в первом каскаде.

   Современные технологии дают возможность построения ОУ с техническими характеристиками,которые  являются близкими к идеальным. Поэтому  в практике изучения схемотехники с использованием ОУ широко применяется идеализация ОУ как прибора, имеет следующие параметры: 
• коэффициент усиления по напряжению близок к бесконечности для дифференциального сигнала (дифференциальный коэффициент усиления KU) и в ноль для синфазного сигнала; 
• скорость нарастания выходного напряжения приближается к бесконечности;

• входное сопротивление приближается к бесконечности как для дифференцированного, так и для синфазного сигналов, и, соответственно, входные токи 
отсутствуют; 
• разница напряжений между входами равняется нулю; 
• выходное сопротивление близкое к нулю; 
• при отсутствии входного напряжения выходное напряжение равняется 
нулю.

   Промышленностью выпускаются сотни типов ОУ с  различными техническими характеристиками, которые обеспечивают те или иные преимущества перед другими. ОУ производятся большим количеством 
фирм, среди которых такие известные, как Analog Devices, Burr Brown, Harris, Hitachi, NEC, National semiconductor, Motorolla, Zilog и другие. Назови фирм отображаются в первых буквах типа ОП. В отечественной практике названия фирм-изготовителей в обозначениях типа ОУ не  
 
 

отображаются.

   В практике использования ОУ их разделяют  на прецизионные, микромощные, ОУ с  малым уровнем шумов,  быстродействующие, ОУ широкого использования.

   Входной ток смещения i_см - это ток на входах усилителя, 
который необходим для работы его входного каскада. Фактически, это ток базы транзистора дифференциального каскада, необходим для нормальной его работы в активном режиме. Для входных каскадов на биполярных транзисторах он оценивается величинами от десятых долей наноампер до сотен микроампер. Если же в ОУ используются полевые транзисторы, то величины i_см примерно в 10² ÷ 10³  раз меньше.

   

   Входной ток сдвига I_сд - это разность токов смещения, которая появляется в результате неточного согласования коэффициентов усиления входных транзисторов по величине тока. Величина I_сд приблизительно на порядок

меньше, чем ток смещения.

   Входное напряжение сдвига U_сд обусловлена появлением небольших напряжений между элементами схемы и их неидентичность и проявляется в виде небольшой напряжения на выходе ОУ при отсутствии напряжений на входах. Считается, что U_сд является следствием неточного согласования напряжений между эмиттером и базой входных транзисторов, а потому называется - входным напряжением.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   

   

   Техническое задание

   Источники тока, управляемые напряжением, предназначены  для питания нагрузки током, сила которого не зависит от выходного  напряжения ОУ и регулируется только входным напряжением схемы.

   В своём курсовом проекте моя задача создать источник регулируемого  постоянного тока для питания  полупроводникового твердотельного лазера.

   Выходные  характеристики источника тока:

   I_вых=0.4 А;     U_вых=12 В. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Выбор решения

   В основу схемы положен операционный усилитель,  с отрицательной обратной связью, и полевой транзистор, открытие\закрытие которого регулируется этим самым операционным усилителем. Принцип состоит в  том, что чем большее напряжение подается на затвор транзистора – тем меньший ток протекает на выходе схемы. Обратная связь в данном случае служит стабилизирующим фактором для обеспечения неизменного тока на выходе. На схеме (рис.1), приведенной ниже, можно подробнее рассмотреть принцип работы источника:

   

   

   Рис.1

   За счет переменного резистора R₄, мы устанавливаем напряжение неинвертирующего входа усилителя. В итоге на затворе транзистора возникает напряжение, которое в какой-то степени отпирает транзистор, и по нему начинает течь ток. За счёт обратной связи по току, с помощью резистора R₅, который создает в узле 5 потенциал, пропорциональный выходному току,  на инвертирующий вход усилителя подается напряжение, равное значению этого потенциала.  Если R_н увеличивается, то ток, соответственно, уменьшается, тем самым уменьшается потенциал в узле 5, и 
 
 
 

тем самым разница инвертирующего и  неинвертирующего входов увеличивается, и напряжение, подаваемое на транзистор – тоже увеличивается, отпирая транзистор до нужного нам значения выходного  тока. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   

   

   

     

   Расчет  параметров

   Для начала выберем диод, который обеспечит  нам стабильное падение напряжения, и соответственно опорный потенциал  в узле 2.

   Я выбрал диод 1N4148, падение напряжения на нем равно 0.6 В.

   Для расчета резистора R₁, необходимо определить ток, протекающий через диод. Учитывая ВАХ диода (рис.2), ток, протекающий по нему примерно 5mA. 

   Рис.2

                                                     

   Резисторы R₂, R₄ являются регулируемым резистивным делителем и предназначены для установки задающего опорного напряжения на операционном усилителе U₁.

   Порядок их номинала выбран из расчета (R₂+R₄) >> Rэкв (эквивалентное сопротивление делителя напряжения построенного на элементах диод D₁ и резистор R₁). 

   Сотни КОм будут удовлетворять этому  условию. Резистор R₄ ограничивает максимум напряжения U1.3(неинвертирующий вход). 
 
 
 

  При номинале 110КОм максимальное напряжение на U1.3 будет ~0,32 В     (а следовательно и максимальный выходной ток 0.32А).

   Резистор R₃ предназначен для ограничения начального тока заряда паразитной емкости затвора транзистора Q₁. Учитывая то что транзистор управляется линейно, номинал R₃ не существенен.

   

   Транзистор Q₁ выбран исходя из расчета максимального тока стока, напряжения сток-исток и тепловых потерь. Напряжение сток-исток не будет превышать 9В (так как 3 В падает на светодиоде). Ток - не выше 0,32А. По этим двум параметрам транзистор IRL630 подходит. (его номинальные параметры: V_dds=200 V; I_d=17 A.)

   Рассчитаем  тепловые потери. При максимальном токе (0.32А) на транзисторе Q₃ будет рассеиваться мощность ~2,8Вт. Учитывая температуру окр. среды 25 гр. цельсия, транзистор без радиатора нагреется до температуры: 2,8*62+25 = 198,6 градусов, что недопустимо. Соответственно необходимо устанавливать радиатор. Тепловое сопротивление перехода Кристалл-корпус: 1,7; Корпус-радиатор: 0,5. Учтем это в расчетах. Рассчитаем необходимое тепловое сопротивление кристалл-окружающая среда с установленным радиатором (считаем 130 гр. допустимой температурой) (130-25)/2,8 = 37,5. Вычтем сопротивления переходов кристалл-корпус и корпус радиатор: 37,5-1,7-0,5 = 35,3. Нам необходимо установить радиатор с тепловым сопротивлением 35,3 Градус/Вт. Из справочных данных определяем что нам необходим радиатор площадью не менее 110 см2.

   Резистор R₄ - токовый сенсор. Номинал 1 Ом выбран для удобства расчета выходного тока. Максимальная рассеиваемая мощность на резисторе R₄ будет 0,32Вт, соответственно мощность этого резистора следует брать 0,5Вт. 1% точность резистора необходима для более точной регулировки величины выходного тока. Операционный усилитель U₁ - ОУ общего назначения - особых требований к нему нет. 
 
 

   Моделирование

   На  рисунке (рис.3) изображена модель источника тока , в среде специальной программы Multisim 11.0. 

   Рис.3 

   Конденсаторы C₁, С₂, С₄ предназначены для сглаживания пульсаций напряжения питания +12В. Конденсатор С₃ предназначен для сглаживания пульсаций напряжения вследствие дребезга контактов резистора R₂. Для этих целей обычно используют номиналы 1..100нФ.

   Присоединив вольтметр к изменяемому сопротивлению можно проследить за поведением выходного тока: