4. Выбор и расчет демодулятора

Необходимо преобразовать переменный сигнал в постоянный. Для этого используется устройство под названием демодулятор. В основном он используется в системах для включения корректирующих звеньев, которые обычно работают на постоянном токе. Для его работы необходимо наличие коммутатора. В качестве коммутаторов используются транзисторы. Выходное напряжение демодулятора пропорционально величине амплитуды входного сигнала, а его полярность определяется фазой входного и опорного напряжений.

Схема модулятора–демодулятора на операционных усилителях приведена на рисунке 5:

Рисунок 5 Схема демодулятора.

В качестве транзистора VT1 возьмём биполярный транзистор КТ203А(М):

• Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер (импульсное) Uкэо (и) = 50 В

• Максимально допустимый постоянный (импульсный) ток коллектора Iк max = 200 мА

• Максимально допустимый постоянный ток коллектора Iк max = 20 мА

• Статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в

схеме с общим эмиттером h21э ≥ 9

• Граничная частота коэф. передачи в схеме с общим эмиттером

fгр ≥ 5 МГц

• Напряжение насыщения коллектор-эмиттер при Iк = 10 мА, Iб = 1 мА

𝑈кэм = 0,5 В

Номинальные значения резисторов R8 и R9 рассчитаем из условия существования транзисторного ключа

И з условий открытия и закрытия транзисторного ключа рассчитаем значения резисторов R4-R7:

𝐾₁ = −1, откуда R4 = R6 = 20 кОм

𝐾₂ = 1, откуда R5 = ∞

R7 возьмём так, чтобы R7 + R8 = R6 , откуда R7 = R6-R8 =20 - 2 = 18 кОм

Схема получения опорного напряжения питается от той же сети, что и

СКВТ, поэтому для согласования демодулятора с опорным напряжением используем следующую схему(ОУ - К153УД2):

П араметры резисторов R10, R11, R12: R10 = 150 кОм, R11 = 30 кОм,

R12 = 15 кОм

Рисунок 6 Компаратор для получения опорного напряжения.

5. Выбор и расчет усилителей мощности

Усилители являются одним из основных элементов следящих систем и служат для усиления сигнала рассогласования по напряжению и мощности до величины, достаточной для управления исполнительным двигателем.

На практике принято разделять усилители на предварительные и усилители мощности. В качестве предварительных усилителей и устройств согласования чувствительных элементов и корректирующих цепей широкое распространение получили операционные усилители.

Рисунок 7 – Предварительный усилитель

Коэффициент усиления определяется из соотношения резисторов = − 𝑅14. 𝑅13 Данный коэффициент будет определен позже, исходя из добротности системы. В маломощных следящих системах для импульсного управления двигателями постоянного тока используются широтно-импульсные преобразователи (ШИП). Свойство транзисторов работать в ключевом режиме позволяет достаточно просто осуществлять импульсное управление с помощью ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Среднее значение напряжения на якоре двигателя регулируется за счёт изменения ширины импульса. Частота импульсов обычно выбирается в пределах 1-5 кГц (для уменьшения пульсации скорости). В основу работы ШИМ заложен принцип сравнения на компараторе линейно-изменяющегося опорного напряжения (“пилы”) 𝑈оп и сигнала управления 𝑈у Схема реализации реверсивного ШИМ с двигателем постоянного тока показана на рис. 8 и рис. 9.

Рисунок 8 Схема генератора пилообразного напряжения.

Так как DA7 представляет собой ОУ без обратной связи (компаратор), то выходное напряжение будет равно напряжению питания операционного усилителя, т.е. 15 В

С инвертирующего входа DA5 снимается пилообразное опорное напряжение 𝑈_оп с частотой

Уровни срабатывания триггера Шмитта схемы, которые определяют высоту «пилы», составляют

Где 𝑈вых 𝑚𝑎𝑥 и 𝑈вых 𝑚𝑖𝑛 – уровни насыщения ОУ.

Так как емкость С1 заряжается и разряжается по экспоненте то рекомендуется выбирать начальный линейный участок кривой заряда конденсатора, что соответствует уровню (0.1…0.2) 𝑈вых max(min)

В качестве C1 возьмём конденсатор 594-S202K39Y5PN63L6R 2000 пФ

Номиналы резисторов возьмём:

R15 = 50 кОм, R16 = R17 = 200 кОм

Тогда частота опорного напряжения будет:

Тогда R19 = 20 кОм, R18 = 5 кОм

Выходное напряжение 𝑈_шим компаратора DA7 формируется сравнением 𝑈_оп («пила») и 𝑈_у (от демодулятора)

Резисторы R20 и R21 выберем одинаковыми по номиналу R20 = R21 = 10 кОм.

Так как DA7 представляет собой ОУ без обратной связи (компаратор), то выходное напряжение будет равно напряжению питания операционного усилителя.

Выходное напряжение 𝑈_шим гальванически развязано с силовыми транзисторными ключами ТК1–ТК4 за счет введения диодных оптопар. ТК1– ТК4 – представляют собой однотипные усилители мощности импульсов. Выходные каскады ТК1, ТК3 и ТК2, ТК4 выполнены на транзисторах с разным типом проводимости.

Рисунок 9. реверсивный ШИП с двигателем постоянного тока

Благодаря обратному диодному мосту VD1-VD4 схемы ШИП ток нагрузки может замыкаться в двух направлениях.

Коэффициент усиления ШИП определяется как:

где 𝑈_{кэ нас} – напряжение насыщения транзисторов VT6, VT7, VT9, VT11

Характеристики микросхемы К249ЛП:

• Входное напряжение питания 𝑈_{вх 𝑚𝑎𝑥} = 5 В

• Входной ток срабатывания 𝐼_вх ⩾ 5 мА

• Выходное напряжение низкого уровня 𝑈_{вых 𝑚𝑎𝑥} = 0,3 В

• Выходное напряжение высокого уровня 𝑈_{вых 𝑚𝑖𝑛} = 2,3 В

Диоды VD1-VD4 и транзисторы VT4-VT11 выбираются исходя из того, что напряжение питания двигателя 𝐸 = 110 В. Номинальный ток якоря двигателя 𝐼_я = 1,1 А

Возьмём 4 диода 2Д231Б, характеристики:

• 𝑈_{обр имп} = 200 В

• 𝐼_{пр 𝑚𝑎𝑥} = 10 А

• 𝐼_{обр 𝑚𝑎𝑥} = 200 мкА

В качестве VT4, VT5, VT8, VT9 возьмём транзистор C4381. В качестве VT6, VT7, VT10, VT11 возьмём транзистор А1668, который является комплементарной парой к транзистору C4381.

	VT4, VT5, VT8, VT9	VT6, VT7, VT10, VT11
Название	А1668	C4381
Тип	p-n-p	n-p-n
𝑈кб 𝑚𝑎𝑥	200 В	200 В
𝑈кэ 𝑚𝑎𝑥	200 В	200 В
𝐼к 𝑚𝑎𝑥	2 А	2 А
𝑃к 𝑚𝑎𝑥	26 Вт	26 Вт
ℎ21э	⩾ 60	⩾ 60

Номиналы резисторов выбираем из условий существования транзисторного ключа:

Так как ключи ТК1 – ТК4 идентичны, то достаточно рассмотреть только один из них, например, ТК2.

Аналогичным образом получаем значения сопротивлений

R27 = R29 = R31 = R25 = 560 Ом

R28 = R30 = R32 = R26 = 220 Ом

	VT3	VT2
Название	TIP32C	TIP31C
Тип	p-n-p	n-p-n
𝑈кб 𝑚𝑎𝑥	100 В	100 В
𝑈кэ 𝑚𝑎𝑥	100 В	100 В
𝐼к 𝑚𝑎𝑥	3 А	3 А
𝑓гр	≥ 3 МГц	≥ 3 МГц
ℎ21э	10…50	10…50

Пара транзисторов VT2 и VT3 также является комплементарной парой, выберем эти транзисторы исходя из того, что к каждому транзистору через коллектор-эмиттер приложено напряжение 15 В, ток надо брать исходя из того, что ток должен открыть оптопару.