Разработка электронного реле

Тольяттинский государственный университет

Кафедра промышленной электроники

















Курсовая работа по дисциплине «Электрические цепи»

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОННОГО РЕЛЕ

Вариант 12.













Студент: Моторин. С.К.

Группа: Э – 306

Преподаватель: Шевцов А.А.













Тольятти 2003


Содержание



ВВЕДЕНИЕ

1. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ.

2. СОСТАВЛЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ.

3. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ.

4. РАСЧЕТ НОМИНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ




ВВЕДЕНИЕ



В настоящее время в промышленности очень часто встает задача коммутации токов, или напряжений. Очень распространенным решением этой задачи является реле. Электромагнитные реле по своим эксплуатационным показателям уступают электронным реле, т.к. в электронном реле нет не контактов, не катушек намагничивания. Полупроводниковые реле более просты при изготовлении, чем электромагнитные. 

Целью данного проекта является проектирование полупроводникового реле тока с заданными параметрами срабатывания и отпускания, а также максимальными значениями коммутируемых токов и напряжений.


1. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ



Разработать электронное реле тока с параметрами заданными в таблице 1.1, рассчитать параметры элементов устройства, выполнить разводку печатной платы. 



Таблица 1.1.

Исходные данные.

Iср,

А

Iотп,

А

Нормальное состояние выходных контактов

Вид коммутируемого тока

Imaxком, А

Umaxком, В

100

150

Разомкнутое

Импульсный

5

15




2. СОСТАВЛЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ



На входе электронного реле ставится шунт, с которого снимается напряжение, так как во входной цепи протекают большие токи выбираем шунт, с маленьким сопротивлением. Далее ставятся два одновибратора которые срабатывают на различные величины входных импульсов. Один одновибратор срабатывает тогда, когда ток во входной цепи становится равным напряжению срабатывания реле, то есть при 100 А и следовательно его напряжение срабатывания будет равно 15 мВ. Второй же одновибратор срабатывает в тот момент когда ток во входной цепи достигает значения 150 А, и следовательно его напряжение срабатывания равно 22,5 мВ. Далее в схему ставится вычитающее устройство, которое представляет собой операционный усилитель на не инвертирующий вход которого подключается первый одновибратор, а на инвертирующий вход подключается второй одновибратор. Если входной ток достиг значения срабатывания то не инвертирующем входе операционного усилителя появляется сигнал, который далее поступает на оптопару и потом на электронный ключ, задачу которого выполняет выходной транзистор. Далее если ток входной цепи увеличился до значения параметра отпускания, то сработает второй одновибратор подающий сигнал на инвертирующий вход операционоого усилителя. Поскольку на выходе одновибраторов сигнал имеет одинаковую величину, то на выходе операционного усилителя сигнала не будет, а следовательно на оптопару сигнал тоже не поступает и электронный ключ заперт. Структурная схема электронного реле изображена на рис. 2.1. Также в данной оптопара выполняет роль гальванической развязки. При отсутствии входного сигнала выходной транзистор заперт, следовательно, контакты разомкнуты. 


Структурная схема электронного реле.





Шунт



Оптопара

Операционный усилитель

 









Одновибратор 2

Одновибратор 1























Электронный

ключ





Рис. 2.1.




3. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ



Шунт Rs выбирали исходя из того, что падение напряжения на нем не должно быть слишком большим для входного транзистора одовибратора. Для одновибраторов применили готовое схемотехническое решение, номиналы элементов которых рассчитываются для значений параметров срабатывания и отпускания реле. Операционный усилитель выбирали из справочника по его выходному току. В данной схеме применена транзисторная оптопара выходной ток, которой не должен быть меньше базового тока выходного транзистора в режиме насыщения. На рис. 3.1. приведена полученная в результате анализа электрическая схема реле. 


 Электрическая схема реле тока.



















































Рис. 3.1.
4. РАСЧЕТ НОМИНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ



Выходной транзистор схемы выбрали из условий, максимальный коллекторный ток не должен быть меньше максимального коммутируемого тока и напряжение насыщения коллектор-эмиттер должно быть как можно меньше иначе будут выделяться значительные тепловые потери, что привело бы к необходимости радиатора. Согласно вышеописанным условиям по справочнику выбрали транзистор КТ808А, его коллекторный ток постоянный Iк – 10 А, а коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером приняли равным h21Э = 55. Резистор R6 является термокомпенсирующим, диапазон его значений от 0,1 до 1МОм, R6 = 0,5 МОм. Далее по формуле 4.1. рассчитали ток базы выходного транзистора для того чтобы выбрать оптопару.



IБ = Iк / h21Э = 10 / 55 = 0,18 А; (4.1.)



По найденному значению базового тока в справочнике выбрали оптопару. Этому значению удовлетворяла транзисторная оптопара АОТ110А, её максимальный выходной ток равен Iвых = 200 мА. 

Так как сопротивление R6 велико, то ток через резистор R9 будет больше тока через R6, следовательно сопротивление R9 определили по формуле 4.2.: 



R9 = UБЭнасVT3 / (Iвых - IБ) = 1,4103/ (20-18) = 700 Ом; (4.2.) 



где 

UБЭнасVT3 – справочный параметр, В;

Iвых – выходной ток оптопары - справочный параметр, мА; 

IБ – ток базы VT3 – справочный параметр, мА;

R9 выбираем из номинального ряда R9 = 680 Ом. 

Также из справочника взяли данные по входному току Iвх = 20 мА. По входному току оптопары, который является выходным для операционного усилителя выбрали операционный усилитель К140УД9. Выходной ток данного операционного усилителя равен IвыхОУ = 22 мА. Сопротивление резистора R1 определили по формуле 4.3.: 



R1 = (Еп – Uвх) / IвыхОУ = (15 – 2)  103 / 22 = 590 Ом; (4.3.)



где

Еп – напряжение питания - 15 В; 

Uвх – входное напряжение оптопары – справочный параметр, В; 

IвыхОУ – выходной ток операционного усилителя – справочный параметр, мА;

Для расчета одновибраторов выбрали по справочнику транзистор выходной ток которого незначительно превосходит входной ток операционного усилителя. Выбрали транзистор КТ333А. Из условия Iк2 < Iкmax = 20 мА определили коллекторные токи транзисторов VT4 и VT5, получили Iк2 = 10 мА. Исходя из обеспечения режима насыщения приняли Iб2 = 0,2 мА. Рассчитали суммарное сопротивление по формуле 4.4.: 



Rк2 + RЭ = (Еп - UКЭнас) / IR2 = (15-0,2) / 10 10-3 = 1480 Ом; (4.4.)



Из условия Rк2 > RЭ выбрали значения резисторов согласно номинальному ряду Rк2 = 1,2 кОм, RЭ = 300 Ом. Согласно вышеописанному расчету получили сопротивления: R13= R15 = 1,2 кОм и R5 = 300 Ом. Задавшись током делителя Iд = 1 мА по формуле 4.5. рассчитали суммарное сопротивление резисторов R2 и R3: 



R2 + R3 = Uп / Iд = 15 / 10-3 = 15 к Ом; (4.5.) 



При закрытом транзисторе VT1 (VT2 – для второго одновибратора):

 





Выбрали R3 = R8 = 1 кОм;

Тогда R2 рассчитали по формуле 4.6.:



(R3+R2) - R3 = 15 – 1 = 14 кОм; (4.6.) 



Получили: R2 = R7 = 14 кОм;

Сопротивление R1 определили по формуле 4.7.:



 



Получили R10 = R14 = 56 кОм; 

Емкости конденсаторов С1 и С2 выбирали исходя из того, чтобы время восстановления одновибратора было малым. Приняли С1=С2= 0,01 пкФ. Сопротивление резисторов R4 = R11 = 3,75 кОм.

Для одновибратора срабатывающего при входном токе в 150 А сопротивление эмиттера R11 приняли равным 480 Ом.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ



В данной работе было спроектировано реле тока, которое срабатывало при входном токе в 100 А и отключалось при 150 А. В данном реле было одновибраторы были построены на дискретных элементах. Существенно сократить и упростить расчет позволяет применение интегральных микросхем, так как тогда он сводится только к выбору микросхем. По рассчитанным в работе величинам выбрали значения элементов из номинального ряда. Схема электрическая принципиальная полученного по итогам расчетов реле тока приведена в приложении, также приведены печатная плата и сборочный чертеж. 


СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ



1. Быстров Ю. А., Мироненко И.Г. Электронные цепи и устройства: Учебное пособие для электротехнических и энергетических вузов. – М.: Высшая школа., 1989 г. 287 с.

2. Воробьев Н.И Проектирование электронных устройств: Учебное пособие. – М.: Высшая школа., 1989. – 223 с.

3. Аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / Б.П. Кудряшов, Ю.В. Назаров, Б.В. Тарабрин, В.А. Ушибышев. – М.: Радио и связь, 1981.-160 с.

4. Справочник по электронике для молодого рабочего: 4-е издание, переработанное и дополненное. – М.: Высшая школа., 1987. – 272 с.