Контрольная работа по электронике и микросхемотехнике студентки ФЗИДО БГУИР специальности 530107 «ИТиУвТС»
222228, Минская обл., Смолевичский район, п/о д.Алесино, ул.Садовая, 25
Задание
Вариант 17.17.15.1 – Модулятор – ШИМ
1. Датчик: ТСП-175, градуировка 22, температурный диапазон +200…-500оС. 2. Двигатель: ДМП-20Н3-01. 3. Температурный диапазон для проектируемого электронного устройства: +15…+50оС. 4. Режим работы выходных каскадов: по выбору разработчика. 5. Вид системы: астатическая. 6. Напряжение питания: сеть 220В, 50 Гц.
Таблица 1
Основные технические данные микродвигателей постоянного тока с постоянными магнитами серии ДПМ исполнения НЗ с одним выходным концом вала и встроенным центробежным стабилизатором частоты вращения
Тип двигателя UН, В МН, мНм n, об/мин IН, А Rя, Ом МП, мНм … ДПМ-20-Н3-01 … 27 1 9000 0,2 19,3 7
Таблица 2
Основные технические данные термометров сопротивления
Термо-метр со-противле-ния Гра-дуи-ровка Предел измере-ния в оС Материал за-щитной арма-туры Монтажная длина в мм инер-цион-ность условное давление в кгс/см2 устой-чивость к механ. воздей-ствиям область применения особен-ности конст-рукции ТСП-175 21 или 22 (-50) – (+500) стали Х18Н10Т Х17Н13М2Т ОХ18Н12Б ОХ18Н10Т 80, 100, 120, 180, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3200 20 250 для длин 250 мм, 100 для длин 630 мм, 25 для длин св. 360 ьь обык-новен-ная среды, не разру-шающие защитную арматуру крепле-ние не-под-вижным штуце-ром М27Х2 1. Функциональная схема астатической системы
На рисунке 1.1 изображена функциональная схема астатической системы, содержащая два двигателя Д1 и д2, причем первый двигатель Д1 является интегратором.
Рисунок 1.1 - Функциональная схема астатической системы
Система действует следующим образом: при подаче сигнала на вход от задатчика начинает вращаться вал двигателя Д1, перемещая движок реостата R. В связи с этим возрастает ток двигателя Д2, вращение вала последнего через компрессор увеличивает подачу топлива в объект (печь). По мере нарастания сигнала Хос рассогласование уменьшается до нуля, вал двигателя Д1 останавливается, а двигатель Д2 продолжает действовать, поддерживая Хвых на уровне, установленном задатчиком. Таким образом, в астатической системе в отличие от статической в ус-тановившемся режиме сигнал =0, вал двигателя Д1 неподвижен. Отсюда вытекают особенности проектирования электронного блока: в астатической системе мощный каскад в первую очередь должен рассчитываться на пусковой режим двигателя с возможностью реверса, т.е. изменения направления вращения вала. В связи с этим для расчета выберем интегральный широко-импульсный модулятор.
2. Интегральная ШИМ
Схема модулятора изображена на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Схема интегральной ШИМ
Схема состоит из интегратора, компаратора, инвертора и двух D-триггеров ТМ2. Временные диаграммы ее работы изображены на рисунке 2.2. Эта схема обладает высокой помехоустойчивостью, т.к. и сигнал управления Uy и сигнал обратной связи проходят через интегратор, который является фильтром. При отрицательном знаке Uy на выходе интегратора формируется положительное напряжение Uc и в такт с ГТИ переключается только триггер DD1, при смене знака Uy - триггер DD2, что обеспечит движение якоря двигателя в ту или иную сторону. Таким образом, триггер DD1 должен управлять одной парой транзисторов VT1, VT2, другой – транзисторами VT3, VT4 выходного каскада. Когда на двигатель не подается управление, то Uoc = 0 и напряжение на выходе интегратора . (2.1) Когда двигатель запитан, то , (2.2)
а полярность напряжений Uy и Uoc должна быть противоположной. Двигатель снова будет обесточен, когда Uс2 = 0 в момент времени t = T. Расчет будем вести для Uy = Uy max, тогда tи = tи max. Uy
Для схемы интегратора выберем универсальный биполярно-полевой операционный усилитель К140УД18, так как он имеется на складе предприятия, для которого разрабатывается модулятор. Он имеет следующие характеристики: Тип микросхемы КyU×103 Uсм, мВ ∆Uсм, мкВ/оС Iвх, нА ∆Iвх, нА f1, МГц υUиых, В/мкс Кос сф, дБ Uвх, В Uвх сф, В Uвых, В Iвых, мА (Rн , кОм) UИП, В IПОТ, мА КР140УД18 50 10 - 1 0,2 - 2 - 10 10 11,5 (2) ±15 4
Примем Uy max ¬¬ ≤ 0,8 U+(-)y max . Рассчитаем схему так, чтобы интегратор не заходил в насыщение, т.е. зададимся напряжением Uc1 исходя из следующего условия: Uc1 ≤ U+(-)y max. С целью однотипности элементной базы электронного блока, принимает, что источником сигнала для первого каскада модулятора принят такой же операционный усилитель, что и в схеме модулятора. Исходя из этого, рассчитаем величину резистора R1 по формуле: . (3.1) Рассчитаем значения T и tи. Зададимся 10% уровнем пульсации. Эквивалентную схему якоря представим в виде рисунка 3.1. jωLя
R2
Рисунок 3.1 - Эквивалентная схема цепи якоря
Сопротивление этой цепи равно: , (3.2) где . Индуктивность цепи якоря рассчитаем по формуле:
Гн, (3.3)
где β – коэффициент, который для двигателей без компенсации принимается равным 0,6-0,8; U – напряжение питания двигателя; ρ – число полюсов, принимаем равным 2; ωн – угловая скорость вращения, рад/с ( об/мин); Iя – номинальный ток в цепи якоря.
Длительность ШИМ импульсов рассчитаем по формуле: , (3.4) где Iнач = 0,95 0,2 = 0,19 А; Iкон = 1,05 0,2 = 0,21 А; I = 10 Iнач = 10 0,2 = 2 А. Тогда . (3.5) Подставляя значение R1 в формулу (2.1) найдем значение величины С. При этом принимаем Uc1 не более половины допустимой величины для гарантии работы в активной области, т.е. Uc1 = 5,5 В: (3.6) Затем в (2.2) принимаем, что напряжение Uc2 в конце периода равно нулю. После этого, зададимся напряжением UOC = 5В, получим значение R2: (3.7) Значение R3 рассчитаем как параллельное соединение R1 и R2: (3.8) Значения R4 и R5 без расчетов примем равными 1 кОм. Резистор R6 зададим в тех же пределах (он необходим, так как компаратор типа САЗ имеет открытый коллектор). С целью однотипности элементной базы электронного блока возьмем металлодиэлектрические резисторы общего назначения типа С2-33Н, которые имеются на складе предприятия. Для увеличения чувствительности, входного сопротивления, а также снижения потребляемой мощности пороговых устройств возьмем универ-сальный компаратор К554СА3.Он имеет два выхода: открытый коллектор (вывод 9) и эммитерный (вывод 2). Из-за этих особенностей он пригоден для обслуживания любых цифровых микросхем умеренного быстродействия. В качестве генератора тактовых импульсов (ГТИ) возьмем любой, частота которого fГТИ будет равной и который будет иметь на выходе крутые фронты, т.к. пологие фронты не опрокинут триггер. Когда Uy меньше Uy max, то напряжение на выходе интегратора Uc1 max будет понижаться по абсолютной величине, и этим определяется более ко-роткий промежуток tи¬. Сигналы Q1 и , Q2 и должны управлять транзисторами мощного каскада. Схема интегральной ШИМ изображена на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 - Схема интегральной ШИМ Литература
1. Захаров В.К., Лыпарь Ю.И. Электронные устройства автоматики и телемеханики: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1984. – 432 с., ил.
2. А.Р.Решетилов, Н.И.Ольшевский. Методическое пособие по курсовому проектированию по курсу «Электроника и микросхемотехника» для сту-дентов специальности «Автоматическое управление в технических систе-мах». - Изд. 2-е, перераб. и доп. – Мн.: УО «БГУИР», 2002.
3. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / С.В.Якубовский, Л.И.Ниссельсон, В.И.Кулешова и др.; Под ред. СюВюЯкубовского. – М.: Радио и связь, 1989. – 496 с.: ил.
4. Резисторы: Справочник / В.В.Дубровский, Д.М.Иванов, Н.Я.Пратусевич и др.; Под ред. И.И.Четверткова и В.М.Терехова. – 2-у изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1991. – 528 с.: ил.
5. Конденсаторы: Справочник / И.И.Четвертков, М.Н.Дьяконов и др. – М.: Радио и связь, 1993.
