UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURETIFACULTATEA DE ELECTRONIC I TELECOMUNICAIIPROIECT D.C.E.DETECTOR DE NIVELStudent: Indrumator proiect:Grupa: 433 AFlorin DRAGHICI TEMA PROIECTULUI:DETECTOR DE NIVELSa se proiecteze un detector de nivel cu urmatoarele caracteristici:Semnal de intrare, ui, n gama 1236V;Pragul de detectie al tensiunii ui, uP =18VFereastra de histerezis, uH=3VTensiunea de iesire, uO: uo=Uomin= -12 5% V pentru ui< 15 V si uo=Uomax= 12 5% V pentru ui > 18 V;Sarcina la iesire, RL=24 ;Rezistenta de intrare ri>0,833M ;Rezistenta de iesire ro<1.2 .Circuitul va fi alimentat de la un stabilizator cu reactie si element regulator serie.Observatie: Se pot folosi numai tranzistoare bipolare TEC - MOS si A 723.IntroducereCircuitele detectoare de nivel sunt dispozitive ce au n practica numeroase aplicatii, de la automatizari si multimetre electronice, pna la convertoarele analog-numerice. Implementarea detectoarelor de nivel se poate face folosind circuite integrate comparatoare de tensiune specializate (de tipul M339, M2904 etc.), caz in care caracteristica de transfer nu prezinta histerezis, sau folosind circuite integrate detectoare de nivel cu fereastra de histerezis. Acestea din urma contin un circuit basculant de tip trigger Schmitt, care prezinta o caracteristica de transfer cu o zona de histerezis.In lucrarea de fata este necesara obtinerea unei ferestre de histerezis, deci s-a folosit un circuit tip trigger Schmitt. 1. Caracteristica de transfer in tensiuneConforma datelor de proiectare circuitul va avea o caracteristica de transfer (uo = f(ui)) de tipul celei din Fig. 1.Fig. 1 - Caracteristica de transfer a circuitului detector de nivel. Schema bloc este de forma: Fig. 2 - Schema bloc a implementarii propuse.Tinind seama de aceasta posibila impartire functionala, algoritmul de proiectare va continua cu proiectarea fiecarui bloc in parte.2. Etajul comparatorPentru realizarea caracteristicii de histerezis se va folosi un trigger Schmitt cu reactie pozitiva de tipul celui din Fig. 3. (Pentru simplitate s-au notat in acest subcapitol: ui2=uo1=ui si uo2=ui3=uo , unde ui2=uo1 respectiv uo2=ui3 au semnificatiile din Fig.2). Fig. 3 - Trigger Schmitt cu reactie pozitiva.1. Functionarea circuitului si relatii de proiectareConsiderand ui =0 => Q1 este blocat si Q2 este in conductie (RAN). Tensiunea pe rezistenta R5 are expresia:UR5=E[R4/(R1+R3+R4)]-VBE2Crescand tensiunea ui, Q1 se va mentine blocat pana cand ui atinge valoarea de prag ui1 (Fig.1). Tensiunea la iesire are valoarea:U0=E-UR5*(R2/R5)Ui1=UR5+VBE1= E[R4/(R1+R3+R4)]Atingerea acestei tensiune declanseaza procesul de basculare pentru Q1 si Q2 (Q1 in conductie forteaza blocarea lui Q2 si invers). Dupa depasirea acestui prag starea iesirii nu se mai schimba oricat de mult am creste tensiunea ui. Tensiuna uo are valoarea Uo2max = E (Q2 este blocat).Micsorand valoarea lui ui circuitul va bascula din nou atunci cand tensiunea UR4-UR5 VBE:UR4=R4/(R1+R3+R4)*(E-R1IC1)Valoarea curentului de colector pentru Q1 este:Ic1 ui/R5Rezulta urmatoarele expresii pentru pragurile de basculare:Ui2= Ui1= Pentru atingerea pragurilor de comutare se aleg urmatoarele valori de rezistente in clasa de toleranta E24 (5%), de tip 30BJ250.R1=820 , R2=470 R3=620 R4=3.3K , R5=2.4K Daca se doreste o ajustare fina pentru valorile pragurilor, rezistentele R3, R5 se pot inlocui cu rezistente ajustabile. Schema din figura 3 va deveni astfel: Figura 4: Trigger Schmitt cu reactie pozitivaAnaliza PSPICE a circuitului de mai sus arata astfel: Figura 4a: Cand tensiunea creste, comutarea se face la 18V Figura4b: Cand tensiunea scade, comutarea se face la 15VNivelul de iesire se va ajusta corespunzator din etajul de iesire.Tranzistorii Q1 si Q2 se aleg de tipul BC556 ( =125...475,Vcesatmax=0,65V la Ic=100mA, Pmax=0.5W, Icmax=200mA).3. Etajul de intrare3.1. Schema functionala a etajului de intrareAsa cum s-a aratat in subcapitolul 1.2. se doreste evitarea intrarii in saturatie atranzistorului Q1 din etajul comparator. Pentru a indeplini acest deziderat s-a propus intercalarea unui limitator ( vezi * in 1.2.) intre etajul de intrare si comparator.In consecinta, schema functionala a etajului de intrare (incluzind si limitatorul) este ceaprezentata in Fig. 5:Fig. 5 - Schema functionala a etajului de intrare.(Din nou s-a utilizat simplificarea de notatie: uo1=ui2=uo unde uo1=ui2 sint tensiunile din Fig. 2.)Aceasta schema contine un amplificator repetor cu impedanta foarte mare de intrare urmat de limitatorul de tensiune.Dintre datele de proiectare, etajul de intrare este responsabil de obtinerea:- domeniului tensiunii de intrare ui : 12 36 V;- rezistentei de intrare ri > 0,833 M .Suplimentar, pentru o corecta functionare se adauga conditia de interfatare cu etajul comparator: ro1 R << rezistenta de intrare in etajul comparator (ri2).3.2. Proiectarea amplificatorului repetorO implementare posibila (cu dispozitive discrete) a amplificatorului repetor din Fig. 5 este prezentata in Fig. 6. Schema este tipica pt. amplificatoarele operationale: etaj diferential cu TECJ pe intrare si etaj de iesire in clasa B. Impedanta de intrare > 0,833 M , impedanta de iesire << R (fig 4).Fig. 6 Schema blocului de intrare Figura 6a Rezultatul simularii circuitului de intrare in PSPICE in gama de tensiuni 12V 36VCircuitul este un amplificator cu reactie negativa, a carui amplificare a fost fixata la unitate prin bucla de reactie tip Serie-Paralel, formata din componentele R2,R8 si Q2.Amplificatorul de baza e compus din 4 etaje polarizate prin intermediul unor surse de curent constant:- Q1 si Q2 etaj diferential de intrare, polarizat de sursa de curent constant Q3+R7;- Q4 etaj intermediar,n conexiune EC, polarizat de Q5+R4;- Q6 etaj intermediar,n conexiune CC, polarizat de Q9+R9;- Q7 si Q8 etaj final n clasa B, polarizat cu un curent de repaus dat de D1...D3, R6 si R7Tranzistoarele din etajul diferential Q1,2 functioneaza n mod simetric la curenti ID1,2
0;- Q5 saturat VDS5>
VGS5-VT
.In regim static,tensiunea de iesire e nula, deci VA = -2VEB - R7Ir -1,2 - 0,6 = -1,8V VCE4 = VA + E = 6,2V (Ir este curentul de repaus al etajului final) VCB4=5,6V.Q4 lucreaza la IC4=4mA, pentru a avea un stabil, deci ID5=4mA; va rezulta ca VGS5 = -0,6V si R4 = 150 .Rezulta VDS5>2-0,6=1,4V; se alege VDS5=2V. Va rezulta:UR1,2=VDS5+R4IC4+VCB4=2+0,15*4+5,6=8,2V;R1,2= UR1,2/ID1,2=8,2/2=4,1k .In regim static,tensiunea pe R5 este: UR5=E-VBE7=7,4V;Q6 lucreaza la curentul impus de Q9: IC6= = 4mA, deci R5=UR5/IC6=7,4/4=1,8k .Q9 este tot de tip BF256, iar R9=150 .Etajul final lucreaza la un curent de repaus dat de relatia:3VD = 2VBE + (R6 + R7)Ir .Se alege Ir = 10 A si R6 =R7 R6 = R7 = 0,6/(2*10 A) = 30k . Rezistenta R10 fixeaza rezistenta de intrare la un nivel mai mare de 0.833 .Q4,7 se aleg de tipul BC107 ( =125...400,Vcesatmax=0,6V la Ic=100mA, Pmax=1W, Icmax=500mA), iar Q6,8 de tipul BC177 ( =125...400,Vcesatmax=0,6V la Ic=100mA, Pmax=1W, Icmax=500mA).Toate rezistoarele se aleg din clasa E24( 5%), de tipul 30BJ250, cu exceptia R3,4,9,11,14 care se aleg de tipul 30BJ901 si aceeasi clasa. C este din seria ESRL16V100 ( 20%) si are valoarea 100 F/16V. Alegem D1D3 de tip 1N4148 care la ID=3mA au VD=0,50,7V. Dioda Dz o alegem de tipul 1N4752A (33V / 27mA) ce va limita posibilitatea intrarii in saturatie a primului transistor din circuitul comparator si nu va distorsiona semnalele cu amplitudine >33V, suficienti pentru a asigura bascularea comparatorului.4. Etajul de iesire Schema etajului de iesire poate fi cea din figura 7:Figura 7 Schema blocului de iesireFigura 7a - Rezultatul simularii circuitului de iesire in PSPICE4.1 Functionarea etajuluiDaca tensiunea de intrare n acest bloc este mare, u02 = u0max , atunci tranzistorul T1 este blocat. De aici rezulta T3 blocat si T2 saturat (dimensionarea rezistentei R3 urmareste acest lucru). Asta inseamna T4 saturat si tensiunea de iesire atinge valoarea minima u0m = E- + VCE4sat = u0min.Daca tensiunea de intrare n acest bloc este mica, u02 = u0min, atunci T1 se satureaza T3 se va satura si T2 se va bloca T4 este blocat si tensiunea la iesire atinge valoarea maxima: u0M = E+ -
VCE3sat
= u0max.R5 si R6 au rolul de a stabili exact u0M si u0m. 4.2 Dimensionarea circuituluiAcest etaj da urmatoarele caracteristici generale ale detectorului nostru: u0M = 12V, u0m = -12V si RL = 14 Divizorul format din R5 si R6 s-a ales astfel incat pragul de basculare sa fie cuprins in intervalul 22.5 V si 26 V, prag dat de iesirea comparatorului. Tensiunile mai mici de 22.5V se traduc intr-o tensiune de iesire de -12V, iar tensiunile mai mari de 26V se traduce intr-o tensiune de iesire de 12V.Pentru tensiunea maxima de iesire curentul Io = Uomin/RL=0.5A este suportat de tranzistorul T4. Acesta primeste in baza un curent Ib=Ic/ sat=25mA, suportat de T2 care este saturat. Pentru aceasta se dimensioneaza R3 in consecinta (T2 saturat): R3=(E++E--VD-VCesat)/IC2=3k .Rezistenta R2 trebuie dimensionata astfel incat IC1 sa produca saturarea lui T3.R2=(E++E--VBE-VCesat)/IR2=47 .Curentul prin R1 trebuie sa fie mult mai mic decat IB3. Se ia IR1=IB3/100=0.25mA. Rezulta R1=VBE3/IR1=1K . R4 se calculeaza analog cu R1.Rezulta R4=4K .Puterea disipata de T4 este egala cu puterea disipata de T3PD=VCesat*ICesat=0.5WAlegem T3 , T4 complementare de tip BD136, BD135 cu urmatoarele date de catalog: VCE0=45V, ICM=1A, PDM=12,5W, VCesat=0.6V,T1 si T2 sunt de mica putere, BC556 ( =125...475,Vcesatmax=0,65V la Ic=100mA, Pmax=0.5W, Icmax=200mA).5.Stabilizatorul de tensiuneSchema stabilizatorului de tensiune e data n figura 8: Stabilizatorul de tensiune este o sursa dubla, diferentiala, cu tranzistori stabilizatori serie. Aceasta asigura tensiunile necesare diferitelor etaje mentionate mai sus, si anume: 40V, +26V, 13V.Rezistentele R6, R5 si R7 asigura curentul de polarizare a diodelor Zener. Acestea trebuie sa fie de tipul 30BJ901 ( 10%).Rezistentele R3 si R2 sunt de tipul 30BJ250 ( 10%).Alegem Q1 , Q2, Q3 complementare de tip BD136, BD135 cu urmatoarele date de catalog: VCE0=45V, ICM=1A, PDM=12,5W, VCesat=0.6V. Diodele Zener 1N4743A au tensiunea nominala de 13V, iar diodele 1N4747A au tensiunea nominala de 20V si sunt grupate in perechi de cate 2 pentru a asigura o tensiune de 40V. Dioda 1N4750A are o tensiune nominala de 27V. Condensatorii electroltici sunt de tipul 330102U100HP2, 1000 uF, 100Vdc si asigura o buna filtrare.
