Расчет и проектирование электронного электрического аппарата

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 3
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОННОГО АППАРАТА 4
1.ВХОДНОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОКА 6
2. ВХОДНОЙ РЕЗИСТИВНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ 10
3. АКТИВНЫЙ ЧАСТОТНЫЙ ФИЛЬТР 12
4. АКТИВНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ И СГЛАЖИВАЮЩИЙ 15
ФИЛЬТР 15
5. РЕЛЕЙНЫЙ ЭЛЕМЕНТ 19
5.1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ 19
5.2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РЕЛЕЙНОГО ЭЛЕМЕНТА 19
6. ЛОГИЧЕСКИЙ БЛОК 23
7. АНАЛОГОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ ВЫДЕРЖКИ ВРЕМЕНИ 25
8. ЦИФРОВОЙ ЭЛЕМЕНТ ВЫДЕРЖКИ ВРЕМЕНИ 28
9. ВЫХОДНОЙ КОНТАКТНЫЙ ОРГАН 32
10. БЕСКОНТАКТНЫЙ ВЫХОДНОЙ ОРГАН 34
11. БЛОК СИГНАЛИЗАЦИИ 36
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 38
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 39

1.ВХОДНОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОКА

Выбрать параметры ПТТ (рис.1) с коэффициентом передачи kip = 3 В/А и угловой погрешностью I < = 1.5o (ai < = 0.026) при следующих условиях:
f = 50 Гц, I1дл = 1.0 A, I1max = 20 A, = 2.5 А/мм2, Bп = 1 Тл (Hп = 130 А/м); сердечник типа ШЛ.

Рис.1. Входной преобразователь тока

1) Находим сечение Sпр1 и диаметр dпр1 провода первичной обмотки.

,
,
где I1дл – длительный первичный ток, А;
- допустимая плотность тока, А/мм2.


Принимаем dпр1 = 0.72 мм. Выбираем для первичной обмотки провод типа
ПЭВ-2. С учетом рис.П1.5 /2/, имеем коэффициент заполнения первичной обмотки kз1 = 0.6. Значение технологического диаметра провода вторичной обмотки принимаем dпр2техн = 0.07 мм (Sпр2техн = 0.0038 мм2). Этому диаметру соответствует минимальный коэффициент заполнения kз2 = 0.3, который предварительно и принимаем в расчетах, имея в виду, что при d>0.
...

2. ВХОДНОЙ РЕЗИСТИВНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ

Входной резистивный делитель необходим для обеспечения нормальной работоспособности проектируемого аппарата. Приведенный на рис. 2.1 делитель рассчитан на входные токи заданного диапазона 0.5-2 А.

Рис. 2.1. Входной резистивный делитель
Данный резистивный делитель имеет 31 уставку по току. Коммутации переключателей для получения требуемых уставок производится в соответствии с табл. 2.1.

Таблица 2.1
Iу, А
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
1.0
SB1

+

+

+

+

SB2

+
+

+
+

+
SB3

+
+
+
+

SB4

+
+
SB5

Продолжение табл. 2.1
Iу, А
1.05
1.1
1.15
1.2
1.25
1.3
1.35
1.4
1.45

3. АКТИВНЫЙ ЧАСТОТНЫЙ ФИЛЬТР

Частотным фильтром называется четырехполюсник, амплитуда и фаза выходного напряжения которого по отношению к входному синусоидальному напряжению неизменной амплитуды, имеют различные значения при изменении его частоты.
Свойства частотного фильтра характеризуются его передаточной функцией:

где m < = n и коэффициент передачи k(p) = .
Диапазон частот, передаваемых ЧФ с большими значениями коэффициента k(p), называется полосой пропускания фильтра.
Независимо от вида схемы активные ФНЧ второго порядка описываются следующей передаточной характеристикой:

где А0 - коэффициент передачи активного фильтра на частоте ;
 - коэффициент затухания, определяет форму АЧХ на переходном участке и пульсацию АЧХ в полосе пропускания.

Рис. 3.1. ФНЧ на основе схемы НМОС

Заданы значения: A0 = 5, f0 = 100 Гц,  = 0.5.
...

4. АКТИВНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ И СГЛАЖИВАЮЩИЙ
ФИЛЬТР

В качестве активного выпрямителя используем активный двухполупериодный выпрямитель на основе последовательного включения неинвертирующих ОУ (рис. 4.1).

Рис. 4.1 Двухполупериодный активный выпрямитель на основе
последовательного включения неинвертирующих ОУ

В схеме выпрямление напряжения обеспечивается суммированием с помощью инвертирующего усилителя DA2 сигнала пропорционального Uвх и выпрямленного однополупериодного на основе DA1 сигнала противоположной полярности, пропорционального Uвх. Соотношение между элементами схемы должно быть таким, чтобы соблюдалось условие:
i1 = -0.5*i2 (рис. 4.2).

Рис. 4.2
Для этого необходимо выполнить соотношение:
R11*R14 = 2*R12*R16.
Включение конденсатора C3 обеспечивает при необходимости сглаживание выходного напряжения.
Предварительно определим входное напряжение активного выпрямителя UвхАВ.
...

5.1. Устройство и принцип действия
Релейные элементы представляют собой многокаскадные усилители постоянного тока, охваченные положительной обратной связью. Принцип действия компаратора основан на сравнении двух напряжений.
При достаточно медленно изменяющемся входном сигнале фронт напряжения на выходе компараторов в момент их переключения не будет прямоугольным. Обычно во входном сигнале имеются значительные высокочастотные составляющие (шум), которые при достижении входным сигналом уровня переключения приводят к частым переключениям (вибрации) компаратора. Устранить это явление, т.е. обеспечить релейность компаратора, можно путем введения положительной обратной связи. При этом после переключения компаратора, его порог переключения снижается, т.е. возврат его в предшествующее состояние происходит при меньшем напряжении, что обеспечивает надежность переключения и отсутствие вибрации при наличии высокочастотных помех.
...

5.2. Расчет параметров релейного элемента
На практике характеристика триггера смещается обычно влево или вправо (рис. 5.1). Указанное обеспечивается подведением к инвертирующему входу ОУ смещающего напряжения Eсм. Переключение схемы происходит при равенстве потенциалов входов ОУ U1 и U2, откуда
(5.1)

Рис. 5.2. Релейный элемент на основе схемы
инвертирующего триггера со
смещенной характеристикой
В выражении (5.1) Eсм – алгебраическая величина, т.е. при положительном Eсм петля гистерезиса смещается влево от оси ординат, а при отрицательном – вправо, чему соответствует рис. 5.1.
При проектировании триггера Шмитта необходимо выбрать ток ОУ Iд делителей R19, R20, R21, R22, намного превосходящим входной ток ОУ Iвх, что обеспечивает отсутствие влияния режима работы ОУ на пороги переключения uср, uв. При заданном токе iд справедливы соотношения:

Решение системы уравнений (5.
...

6. ЛОГИЧЕСКИЙ БЛОК

Логический блок предназначен для формирования сигнала на его выходе при определенном, заранее заданном алгоритме входных сигналов. При этом входные и выходные сигналы формируются в виде логического “0” или “1”, а количество их может достигать любого целого числа.
Для построения ЛБ воспользуемся аппаратным принципом. Его сущность заключается в использовании для построения ЛБ дискретных интегральных микросхем (ИМС), монтажно-соединенных между собой определенным образом. Такие ЛБ носят названия устройств с “жесткой логикой”.
Алгоритм работы ЛБ задан в виде таблицы истинности (табл. 6.1), где x1, x2, x3, x4, x5 – входные логические переменные, y – выходная логическая переменная.
Таблица 6.
...

7. АНАЛОГОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ ВЫДЕРЖКИ ВРЕМЕНИ

Рис. 7.1. Элемент выдержки времени с использованием
разряда конденсатора

На рис. 7.1 представлен ЭВВ с использованием разряда конденсатора. В исходном состоянии, когда VT1 открыт, конденсатор через R45 от источника ЭДС +E1 заряжен до напряжения Uc0 > Uоп (R46 >> R45). При закрытии транзистора VT4 конденсатор C6 разряжается по экспоненте через сопротивление R46. При снижении Uc до значения Uср = Uоп сигнал на выходе ОУ скачкообразно изменяется, т.е. ЭВВ срабатывает. Реагирующим элементом является ОУ. Выбираем ОУ типа К140УД7. В качестве исходных данных берем время срабатывания ЭВВ, которое составляет tср = 0,9 с.
Один из входов ОУ подключен к времязадающей цепи R46 – C6, а другой вход – к делителю опорного напряжения Uоп (R47 – R48).
Проведем расчет делителя опорного напряжения.
Ток, ответвляющийся в нуль – индикатор, должен быть намного меньше тока делителя:
.
Принимаем Iд = 10*Iвх2 = 4 мкА.
...

8. ЦИФРОВОЙ ЭЛЕМЕНТ ВЫДЕРЖКИ ВРЕМЕНИ


Рис.8.1. Цифровой элемент выдержки времени

Транзистор VT2 выполняет роль ключевого каскада. На ОУ DA5 реализован ждущий мультивибратор. Четырнадцатиразрядный делитель частоты DS1 осуществляет подсчет импульсов, поступающих на вход C с выхода усилителя DA5. VT2 – это выходной транзисторный ключ, обеспечивающий усиление выходного сигнала двоичного счетчика.
Когда на входе 8В присутствует логическая “1”, транзистор закрыт. На неинвертирующем входе усилителя DA5 с помощью делителя R33 – R34 удерживается напряжение Uср. На выходе усилителя DA5 напряжение Uвых = Us+, диод VD6 заперт, поэтому на вход C микросхемы DS1 поступает напряжение питания +15 В. На выходе Q14 микросхемы DS1 удерживается сигнал логического “0”, который обеспечивает закрытое состояние транзистора VT2.
Когда на вход 8В поступает логический “0”, транзистор VT1 открывается, конденсатор C4 через резисторы R26 – R32 заряжается.
...

9. ВЫХОДНОЙ КОНТАКТНЫЙ ОРГАН

ВО предназначен в схеме данного ЭЭА для усиления сигнала, появляющегося на выходе блока выдержки времени. Данный выходной блок выполнен с применением транзистора. Его схема показана на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Выходной контактный орган
Диод VD7 (КД522А) защищает база – эмиттерный переход транзистора VT3 от перенапряжений, возникающих тогда, когда на выходе МС D4 удерживается напряжение U0вых, при этом на базе транзистора отрицательный потенциал, равный прямому падению напряжения на диоде Uд  1,1 В. Транзистор закрыт, т.е. используется способ закрытия n-p-n транзистора подачей отрицательного напряжения в базовую цепь. Диод VD8 защищает переход коллектор – база от перенапряжений, возникающих при коммутации индуктивной нагрузки, каковой является обмотка реле KL1. Одноконтактное реле РПГ – 2 –220 11У3 с номинальным напряжением 15 В имеет потребляемую мощность 0,15 Вт, т.е. ток, потребляемый реле, составляет 10 мА (сопротивление обмотки Rобм =
= 1500 Ом).
...

10. БЕСКОНТАКТНЫЙ ВЫХОДНОЙ ОРГАН

Бесконтактный ВО в схеме данного аппарата предназначен для усиления сигнала, появляющегося на выходе блока выдержки времени. Данный ВО выполнен с применением оптрона. Его схема показана на рис. 10.1.

Рис. 10.1. Бесконтактный выходной орган
В диагональ выпрямительного моста включена выходная цепь оптопары. При подаче управляющего сигнала на транзистор VT5 оптопара переходит в открытое состояние, и через нагрузку течет переменный ток. При снятии управляющего сигнала оптопара запирается в момент прохождении выходного тока через нуль.
Выбираем элементы VT5 – КТ315Г, VU1 – АОУ103А, V1 – КЦ407А.
При срабатывании VT5 открыт, и по оптрону V1 протекает ток 20 мА, который задается резистором R49

где Uкэs – напряжение коллектор – эмиттер в режиме насыщения,
UVU – падение напряжения на оптроне,
IVU – ток оптрона.

Принимаем R49 = 620 Ом.
R50 найдем из условия, что входной ток Iвх равен току коллектора транзистора VT5: Iвх = IкVT2 = 100 мА.
...

11. БЛОК СИГНАЛИЗАЦИИ

Блок сигнализации (БС) предназначен для предупреждения персонала, обслуживающего ЭА, о его срабатывании. Необходимость в таком предупреждении определяется тем, что срабатывание ЭА, как правило, кратковременно, на время порядка несколько секунд.
Принцип действия БС заключается в фиксации сигнала, появляющегося хотя бы кратковременно, при срабатывании ЭА и запоминании сигнала срабатывания на сколь угодно длительное время. Возврат БС в исходное состояние осуществляется автоматически или в ручную, например по команде обслуживающего персонала. Реализация указанных выше принципов, положенных в основу построения БС, наиболее просто осуществляется с помощью электронных схем, выполненных на базе RS – триггеров.
Воспользуемся таблицей истинности инверсного RS – триггера (табл. 11.1).
Таблица 11.
...