Измерительный преобразователь переменного тока

 

 

 

По току нагрузки определяется максимальный ток, текущий через каждый диод выпрямительного моста:

 

(5.14)

 

где – ток через диод;

 – максимальный ток нагрузки;

С – коэффициент, зависящий от тока нагрузки (таблица 5.3).

 

 

 

Обратное напряжение, которое будет приложено к каждому диоду выпрямителя: [6]

 

(5.15)

 

 

 

Исходя из расчётов, выбираются диоды. Значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения могут быть равны или превышать расчетные.

Выбираем диоды марки  BAV99 компании FairchildSemiconductor. Максимальные значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения у них составляет 200 мА и 70 В соответственно.

Определяем емкость конденсатора фильтра:

 

(5.16)

 

где Сф – емкость конденсатора фильтра;

Iн – максимальный ток нагрузки;

Uн – напряжение на нагрузке;

Kп – коэффициент пульсации выпрямленного напряжения. Коэффициент пульсации – это отношение амплитудного значения переменной составляющей на выходе выпрямителя к среднему значению выпрямленного напряжения.

 

(5.17)

 

Величина амплитуды пульсации  приблизительно равна 2 В.

 

 

 

 

 

Учитывая, что со временем характеристики конденсатора ухудшаются, необходимо обеспечить запас емкости, чтобы сохранить работоспособность элемента на весь срок работы прибора. Для этого расчётную ёмкость увеличим в 3 раза. Номинал конденсатора выберем номинального ряда Е6. Номинал фактического конденсатора будет равен 470 мкФ.

5.1.3 Выбор стабилизатора

 

В качестве стабилизатора  используется интегральная микросхема. При выборе микросхемы необходимо учитывать  такие параметры, как: номинальное  выходное напряжение, максимальный выходной ток,  максимальное входное напряжение и диапазон температур, так как стабильная работа микросхемы напрямую зависит от температуры самой микросхемы и температуры внешней среды.

Из представленных технических  требований и расчетов известно, что  выходное напряжение должно быть двух видов: двухполярное ± 15 В и однополярное + 5 В, максимальный выходной ток – 100 мА, максимальное входное напряжение – + 22 В, для ± 15 В и + 15 В для однополярного питания напряжением + 5 В. Диапазон рабочих температур должен быть в приделах от – 30 до + 55°C.

Исходя из представленных требований, выбираются микросхемы серии L78Lxx, компании STMicroelectronics.

Данные микросхемы имеют следующие параметры:

• максимальное входное напряжение, В

при выходном напряжении в диапазоне  от 3.3 до 9В 30

при выходном напряжении в диапазоне  от 12 до 15В 35

• максимальный выходной ток, мА 100
• диапазон рабочих температур, °C от - 40 до 150

В качестве стабилизаторов с  выходным напряжением + 15 В используется микросхема L78L15AB.

Внешний вид и расположение выводов микросхемы L78L15ABD выглядит в соответствии с рисунком 4.1

 

 

Рисунок 5.1 – Внешний вид микросхемы L78L15ABD

 

Обозначения на рисунке5.1:

V_IN – вход;

V_OUT – выход;

NC – не используется;

GND – заземляющий вывод.

Характеристики микросхемы:

• входное напряжение, В  30
• максимальное выходное напряжение, В 15.6
• выходной ток, мА 100
• диапазон рабочих температур, °C от - 40 до +125
• падение напряжения, В 1.7

Для получения напряжения – 15 В выход микросхемы DA4 соединяется с общим выводом микросхемы DA5. Такое решение обусловлено вопросами унификации и экономической выгоды.

В качестве стабилизатора  для выходного напряжения + 5 В используется микросхема L78L05ABUTR.

Внешний вид и расположение выводов микросхемы L78L05ABUTR выглядит в соответствии с рисунком 5.2.

 

 

Рисунок 5.2 – Внешний вид микросхемы L78L05ABUTR

Обозначения на рисунке5.2:

V_IN – вход;

V_OUT – выход;

GND – заземляющий вывод.

Микросхема имеет следующие  характеристики:

• входное напряжение, В  20
• максимальное выходное напряжение, В  5.25
• выходной ток, мА 100
• диапазон рабочих температур, °C от – 40 до + 125
• падение напряжения, В 1.7 [7].

Микросхема питается от источника  напряжения + 15 В, которое проходит через гасящий резистор. Расчёт величины гасящего резистора происходит следующим образом:

• определяется величина напряжения, которое должно быть погашено:

 

(5.18)

 

где U_Г – напряжение на гасящем резисторе;

U_И – напряжение источника;

U_П – напряжение потребителя.

• определяется величина гасящего сопротивления

 

(5.19)

 

где R_Г – сопротивление гасящего резистора;

I – ток от источника.

 

 

 

 

 

Фактическое значение сопротивления  выберем из ряда Е24 и оно составит 51 Ом.

КонденсаторыС8 и С10 необходимы для сглаживания амплитуды выходного напряжения. Емкость этих конденсаторов имеет более низкое значение чем конденсаторы С5 и С6. Таким образом, зададим для них значения емкости в два раза меньше.

5.2 Входная цепь

5.2.1 Выбор входного трансформатора тока

 

Для получения необходимого значения токаиспользуем трансформатор тока.

Для реализации трансформации  входных значений тока в приделах 0 – 5 А в необходимые для измерения 0 – 5 мА по электрическим параметрам и экономической стоимости был выбран трансформатор NCR03 компании NCR Industrial.

NCR03 – трансформатор тока, предназначенный для уменьшения первичного тока до значений, наиболее удобных для проектируемого измерительного прибора.

Основные параметры трансформатора представлены в таблице 5.4.

 

Таблица 5.4 – Основные параметры трансформатора

 

Параметры	Единица изменения	Значения
Номинальный входной ток	А	10
Максимальный входной ток	А	100
Номинальный вторичный ток	мА	10
Коэффициент трансформации		1:1000
Сопротивление нагрузки	Ом	20
Класс точности		0,2

 

[8].

5.2.2 Выбор и описание усилителя напряжения

 

Для обеспечения необходимых  коэффициентов усиления используются операционные усилители в микроэлектронном исполнении. Каждый усилитель имеет свой коэффициент усиления.

Для реализации каскада усиления по электрическим параметрам и стоимости была выбрана микросхема MCP6004.

Микросхема MCP6004–операционный усилитель общего назначения, разработанный для многоцелевого использования. Данная микросхема имеет полосу пропускания1 МГц. Питание микросхемы осуществляется от однополярного источника питания, напряжением + 5 В. Типичный ток потребления составляет 100 мкА. Микросхема MCP6004 работает по принципу rail-to-rail.

Данный усилитель имеет  следующие особенности:

• полоса пропускания составляет 1 МГц;
• расширенный диапазон срабатывания по входу и выходу;
• напряжение питания от 1.8 до 5.5 В;
• ток потребления 100 мкА;
• диапазон рабочих температур от – 40 до + 85°С.

Назначение выводов микросхемы MCP6004 представлено на рисунке5.3.

 

 

Рисунок 5.3 – Назначение выводов микросхемы MCP6004

 

Обозначения на рисунке5.3:

V_INA+, V_INB+, V_INC+, V_IND+ – неинвертирующие входы;

V_INA–, V_INB–, V_INC–, V_IND– – инвертирующие входы;

V_DD – отрицательное напряжение питания;

V_SS – положительное напряжение питания;

V_OUTA, V_OUTB, V_OUTC, V_OUTD – выходы.

Типичная схема включения микросхемы MCP6004 по неинвертирующей схеме включения операционных усилителей выглядит в соответствии с рисунком 5.4. [9].

 

 

Рисунок 5.4 – Типичная схема включения микросхемы MCP6004

 

На микросхеме выполнены  три усилителя и повторитель. Использование трёх усилителей необходимо для разделения всего широкого диапазона входного сигнала на уровни, которые обеспечат необходимую разрешающую способность на нижних границах каждого поддиапазона.

Чтобы рассчитать коэффициент усиления усилителя, необходимо узнать амплитудное значение для максимального сигнала цепи обратной связи и значение дифференциального коэффициента усиления усилителя.

Для нахождения амплитудного значения вцепи обратной связи усилителя, необходимо задать уровень допустимой перегрузки. Зададим уровень перегрузки в 130%, для обеспечения необходимого запаса по мощности.

Зная максимальный ток, после трансформации, и номинал шунтирующего резистораR1, используя закон Ома, можно найти номинальное входное напряжение на датчике тока.

 

(5.20)

 

 

 

Имея максимально допустимый уровень перегрузки и номинальное входное напряжение на датчике тока, находим максимальное выходное напряжение.

 

(5.21)

 

 

 

Найдём амплитудное значение напряжения для максимального сигнала в цепи обратной связи:

 

(5.22)

 

 

 

Теперь необходимо определить амплитудное значение напряжения усилительного элемента.

Номинальное напряжение питания  усилительного элемента 1.25 В. Минимально допустимый уровень напряжения равен 0.3 В. Таким образом определим значение дифференциального коэффициента усиления усилителя как разность номинального и минимального значений.

 

 

 

Имея известные амплитудные  значения напряжений цепи обратной связи и дифференциальный коэффициент усиления, можно найти расчётный коэффициент усиления первого усилителя по формуле:

 

(5.23)

 

 

 

Найдя расчётный коэффициент усиления, можно определить номиналы резисторов.

Номинал входного резистора выбирается из номинального ряда Е96 для обеспечения необходимой точности. Выбирая резистор, необходимо учитывать максимальную нагрузку повторителя по току. Исходя из этого, для первого усилителя выбираем входной резистор номиналом 5.62 кОм.

Номинал резистора цепи обратной связи выводиться из формулы:

 

(5.24)

 

где K – коэффициент усиления;

R_N – сопротивление цепи обратной связи;

R₁ – входное сопротивление.

 

(5.25)

 

 

 

Опираясь на расчётное  значение номинала резистора, выбираем реальный резистор из ряда Е96 номиналом  38.3 кОм.

Определим фактический коэффициент усиления по формуле (5.24).

 

 

 

Рассчитаем относительную  погрешность в расчётах коэффициента усиления для первого усилителя [10]:

 

(5.26)

 

 

 

Рассчитаем величину амплитудного значения напряжения в цепи обратной связи второго усилителя, но примем во внимание, что диапазон номинального входного напряжение для второго усилителя составляет 20% от номинального значения, и равен 15 мВ.

По формуле (5.21) рассчитаем максимальное выходное напряжение для второго усилителя.

 

 

 

Амплитудное значение для максимального сигнала найдём по формуле (5.22).

 

 

 

Дифференциальный коэффициент  усиления усилителя остаётся прежним. Расчётный коэффициент усиления второго усилителя находим из формулы (5.23).

 

 

Номинал входного резистора  для второго усилителя выбираем из того же ряда Е96 равный 1 кОм.

Из выражения (5.25) определим расчётный номинал резистора цепи обратной связи.

 

 

 

Из номинального ряда Е96 выбираем реальный резистор, номиналом 34 кОм.

Фактический коэффициент  усиления второго транзистора определяется по формуле (5.24).

 

 

 

Рассчитаем относительную  погрешность в расчётах коэффициента усиления для второго усилителя  по формуле (5.26).

 

 

 

Рассчитаем величину амплитудного значения напряжения в цепи обратной связи третьего усилителя, но примем во внимание, что диапазон номинального входного напряжение для него составляет 5% от номинального значения, и равняется 3.75 мВ.

По формуле (5.21) рассчитаем максимальное выходное напряжение для второго усилителя.

 

 

 

Амплитудное значение для максимального сигнала найдём по формуле (5.22).

 

 

 

Дифференциальный коэффициент  усиления усилителя остаётся прежним. Расчётный коэффициент усиления третьего усилителя находим из формулы (5.23).

 

Номинал входного резистора  для третьего усилителя выбираем из того же ряда Е96, как и в первых двух случаях, равный 681 Ом.

Из выражения (5.25) определим расчётный номинал резистора цепи обратной связи.

 

 

 

Из номинального ряда Е96 выбираем реальный резистор, номиналом 93.1 кОм.

Фактический коэффициент  усиления третьего усилителя определяется по формуле (5.24).

 

 

 

Рассчитаем относительную  погрешность в расчётах коэффициента усиления для третьего усилителя по формуле (5.26).