Спроектировать преобразователь температура - напряжение с использованием операционных усилителей

Методические указания по выполнению курсовой работы

Курсовая работа предполагает выполнение одной из двух тем: проектирование преобразователя «температура-напряжение» на операционном усилителе или расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе.

Тема 1.

Спроектировать преобразователь температура - напряжение с использованием операционных усилителей.

1. Схемы преобразования.

Преобразователи данного типа используются для измерения температуры в системах контроля и автоматического управления технологическими процессами. Преобразователь, как правило, состоит из двух элементов: первичного преобразователя (датчика) и вторичного. В первичном преобразователе под действием какого либо физического параметра изменяются его параметры, например сопротивление, геометрические размеры и т.д. Далее сигнал первичной информации преобразуется вторичным преобразователем в сигнал измерительной информации – напряжение, ток, частоту. В качестве датчиков температуры в настоящее время наибольшее распространение получили полупроводниковые терморезисторы: термисторы и позисторы. Это обусловлено высокой стабильностью их характеристик, малой потребляемой мощностью, малыми геометрическими размерами и низкой стоимостью. В качестве вторичных преобразователей распространение получили мостовые схемы Уитстона с термистором в одном из плеч измерительного моста и дифференциальным усилителем (рис.1, 2) или схемы, построенные с использованием мостовых усилителей на операционных усилителях (рис. 3, 4).

 

Для схемы рис. 1 при выполнении условия R1Rt = R3R2 напряжение в диагонали моста

U_м = U2 – U1 равно нулю. Это условие носит название условия балансировки. Балансировку выполняют, помещая датчик в среду с определенной температурой (температурой балансировки Т_б), при которой известно сопротивление датчика R_б. Регулировкой сопротивления R3 добиваются выполнения условия U_м = 0. При изменении сопротивления датчика Rt, напряжение, подаваемое на вход дифференциального усилителя (ДУ):

U_м = E [R1 / (R1+R2) - R3 / (R3+Rt)].

Далее это напряжение усиливается ДУ (см.[5], раздел 5.4.3.3) до необходимого значения U_ВЫХ.

Схема рис. 2 используется, когда датчик удален от вторичного преобразователя на большие расстояния (десятки метров).

 

 

В этом случае к мосту Уитстона датчик подсоединяется с помощью трехпроводной линии связи, что позволяет скомпенсировать длину соединительных проводов, поскольку для измерительного резистивного моста при условии баланса выполняется соотношение:

R1 (Rt+R_L) = R3 (R2+R_L),

где R_L - сопротивление линии (соединительного проводника).

Поскольку сопротивления R_L включаются в противоположные плечи моста, то условие баланса не зависит от длины соединительной линии.

В схемах рис.1 и 2 сопротивления R1 и R2 обычно задают несколько кОм, сопротивление R3 определяется номиналом терморезистора R_t при температуре балансировки. Величина напряжения питания Е и его полярность определяют величину напряжения на выходе измерительного моста U_м (обычно это несколько вольт). Далее это напряжение усиливается схемой дифференциального усилителя (см. [5], раздел 5.4.3) до заданного значения U_ВЫХ.

Другой способ преобразования сопротивления термодатчика в напряжение – использование схем мостовых усилителей на операционных усилителях (ОУ) (рис. 3, 4).

В схеме рис. 3 датчик включается в цепь обратной связи. Его сопротивление представлено как R_Б + dR, где R_Б – сопротивление датчика при температуре балансировки, а dR - изменение сопротивления при изменении температуры относительно температуры балансировки: dR = R_T – R_Б. Балансировку мостового усилителя осуществляют с помощью резистора R*, сопротивление которого должно быть R* = R_Б.

 

 

 

С целью упрощения расчета выходного напряжения, обычно сопротивления R1 = R2. Для ОУ, используемых в курсовой работе, их значения рекомендуются ≤ 10 кОм. Тогда выходное напряжение преобразователя определяется соотношением [1]:

U_ВЫХ = – (E dR) / (R1 + R_Б).

 

Схему рис. 4 используют, когда датчик температуры должен быть заземлен.

 

 

 

 

Для данной схемы выходное напряжение преобразователя определяется соотношением [1]:

U_ВЫХ = (E dR) / (R1+R_Б+dR).

Для работы измерительных схем необходим источник питания с напряжением питания Е. Наиболее просто для получения напряжения Е можно использовать двухполярное питание операционного усилителя ± U_п и повторитель напряжения на ОУ (рис.5). При номиналах резисторов, указанных на схеме и напряжениях питания ОУ U_п = ± 15 В, напряжение Е можно изменять с помощью резистора R2 в диапазоне ± 5 В.

 

Для получения напряжения питания Е фиксированной величины и полярности в место делителя из трех резисторов можно использовать более простой резистивный делитель, состоящий из двух сопротивлений и однополярного напряжения питания +U_п или -U_п.

При проектировании преобразователей необходимо соблюдать определенное требование – максимальное значение величины выходного напряжения должно находиться в стандартном диапазоне для заданного диапазона измерения параметра. Для напряжения постоянного тока стандартными являются диапазоны выходного напряжения преобразователя:

0 ¸ 2,5 В, 0 ¸ 5 В, –5 В ¸ +5 В, 0 ¸ 10 В.

 

 

2. Источник питания преобразователя.

Питание операционного усилителя осуществляется от двухполярного источника питания. Для большинства ОУ стандартным является напряжение ± 15 В. Для его получения можно использовать типовую схему, состоящую из мостового выпрямителя VD1 –VD4, сглаживающего фильтра C1 – C2 и серийного двухканального стабилизатора постоянного напряжения DA1 с выходным напряжением ± 15 В (рис. 6). В качестве мостового выпрямителя целесообразно использовать не дискретные диоды, а выпрямительные блоки, например КЦ407 или их зарубежные аналоги.

 

 

Емкости С1 и С2 кроме фильтрации переменной составляющей выпрямленного напряжения обеспечивают получение общей точки двухполярного источника питания. Двухканальные стабилизаторы постоянного напряжения DA1 с выходным напряжением ± 15 В выпускаются серийно в интегральном исполнении и имеют большое значение интегрального коэффициента стабилизации (сотни единиц и более). Параметры некоторых типов интегральных стабилизаторов серии К142 и их зарубежных аналогов приведены в таблице 1, а схемы включения на рис. 7.

 

Стабилизаторы напряжения. Таблица 1.

Тип	UВЫХ, В	IВЫХ, А	UВХ.min., В	UВХ.max., В	Ток потребления, mA
КР142ЕН5А	4,9-5,1	1,5
КР142ЕН8В	14,55-15,45	1,5
КР142ЕН6A,Б	±15	0,2	±20	±40
КР142ЕН6В,Г	±15	0,2	±18	±30
78L05	+ 5	0,1	-	+9
79L05	- 5	0,1	-	+9

 

При работе выпрямителя на емкостной фильтр, выпрямительные диоды работают в режиме отсечки (прерывания тока). Поэтому расчет емкостей достаточно сложен. Производители стабилизаторов напряжений рекомендуют пользователям расчетные значения емкостей элек-

 

тролитических конденсаторов для заявленных значений выходных токов.

Для стабилизаторов, приведенных в таблице 1, рекомендуемые значения емкостей электролитических конденсаторов сглаживающего фильтра С1 = С2 = 200 мкФ. При работе выпрямителя на емкостную нагрузку, каждый из конденсаторов С1 и С2 заряжается до половины амплитудного значения напряжения вторичной обмотки трансформатора U_С1 = U_С2 = U_2m /2. Эти напряжения являются входными напряжениями + U_ВХ и – U_ВХ для стабилизатора. Таким образом, расчет выпрямителя фактически сводится к выбору сетевого трансформатора по действующим значениям тока I₂ и напряжения U₂ на его вторичной обмотке. Поскольку на входное напряжение стабилизатора накладываются ограничения по минимальному и максимальному значению, примем, что ± U_ВХ = [(± U_{ВХ min}) + (± U_{ВХ max})] / 2 (см. табл. 1). Тогда действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора можно определить как:

U₂ = U_2m / √2 = 2 |U_ВХ | / √2,

где |U_ВХ | - модуль входного напряжения + U_ВХ и – U_ВХ.

Для нахождения действующих значений токов первичной I₁ и вторичной I₂ обмоток трансформатора сначала необходимо определить ток нагрузки I_Н , который потребляет схема. Он складывается из тока потребления схемой стабилизатора напряжения, выходного тока операционных усилителей, задействованных в схеме, а так же токов, протекающих в измерительной части схем (моста Уитстона или цепи обратной связи ОУ при минимальных значениях сопротивления терморезистора). Поскольку среднее значение тока выпрямительной схемы I_СР ≥ I_Н, то используя понятие коэффициента формы тока D = I₂ / I_СР , можно определить действующее значение тока вторичной обмотки I₂ . Для мостовой схемы D = I₂ / I_СР = I₂ / I_Н = 1,11. Тогда действующее значение тока вторичной обмотки I₂ = 1,11 I_Н.

Через коэффициент трансформации n = U₁ / U₂ можно определить действующее значение тока первичной обмотки I₁ = I₂ / n.

Типовая мощность трансформатора для мостовой схемы определяется соотношением

S_T = (S₁ + S₂) / 2, где S₁ и S₂ - мощности первичной и вторичной обмоток трансформатора:

S₂ = I₂ U_2, S₁ = I₁ U₁ = (I₂ / n) U₂ n = I₂ U₂.

Таким образом, типовая мощность трансформатора для мостовой схемы S_T = I₂ U₂.

По найденным значениям I₁, I_2, U₂ и S_T выбирается унифицированный сетевой трансформатор [4].