Universitatea Politehnica din BucurestiFacultatea de Electronica, Telecomunicatii si Tehnologia InformatieiPROIECT DCE:DETECTOR DE NIVELStudent:433AAn universitar 2005 2006Enuntul temei de proiect:Sa se proiecteze un detector de nivel cu urmatoarele caracteristici:Tensiune de intrare, ui : 14 42V;Pragul de detectie al tensiunii ui, uP : 21V;Fereastra de histerezis uH: 3,5VTensiunea de iesire: uo: U0min = -14 5%[V] pentru ui < 17,5V si U0max=14 5% [V] pentru ui> 21VSarcina la iesire, RL: 28?;Rezistenta de intrare ri > 0,71M?;Rezistenta de iesire ro< 1,4?Circuitul va fi alimentat de la un stabilizator cu reactie si element regulator serie.IntroducereCircuitele detectoare de nivel sunt dispozitive ce au n practic numeroase aplicatii,de la automatizri si multimetre electronice,pan la convertoarele analog-numerice. Implementarea detectoarelor de nivel se poate face folosind circuite integrate comparatoare de tensiune specializate(de tipul ?M339,?M2904 etc.), n care caz caracteristica de transfer nu prezint histerezis, sau folosind circuite integrate detectoare de nivel cu fereastr de histerezis. Acestea din urm contin un circuit basculant tip trigger Schmitt, care prezint o caracteristic de transfer cu o zon de histerezis.In lucrarea de fat este necesar 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 Figura 1:Fig.1 - Caracteristica de transfer a circuitului detector de nivelSchema-bloc a circuitului este prezentat n figura 2.Fig. 2 Schema bloc2. Stabilizatorul de tensiuneFolosim schema: Fig.3 Stabilizatorul de tensiuneStabilizatorul de tensiune este realizat pe baza a 2 C.I. ?A723, dup o schem cu reactie si ERS, si cuprinde 2 surse de alimentare:- o surs pozitiv de 8V, necesar alimentrii tuturor etajelor, proiectat pentru un curent maxim de 5A;- o surs negativ de -8V, necesar alimentrii etajului de intrare si etajului de iesire, proiectat pentru un curent maxim de 100mA.Protectiile la supracurenti se fac prin limitarea cu ntoarcere a caracteristicii curent-tensiune.Acest stabilizator s-a implementat pentru a asigura o tensiune de alimentare pentru etajul de intrare si etajul comparator.Sursa pozitivaRelatiile de proiectare, pentru sursa pozitiv, sunt: ; (2.1) ;(2.2) (2.3)Alegem:E = 8VR1=5,1k?R2=7,5k?Efectuand calculele din (2.1), obtinem: R6=3,6k?, R7=1,5k?.R5 se alege astfel ncat PR5
Iomax<10W: PR5=IOM2R5<10W ? R5<0,4?; practic se ia R5=0,33? la o putere de 10W.Introducand R5 in (2.3) si alegand R4=1,8k? ? R3=14,7k?. Folosind (2.2) ? ISC?223mA.Tranzistoarele Q1,2 suport fiecare cate un curent ICmax?2,5A, deci se aleg de tip 2N3055 (?=20... ...100, Pmax=117W, Ic max=15A).Q3 suport un curent maxim egal cu 2.5A/20= 125mA, deci se alege de tip BD139/25 (?=170...300, Pmax=12,5W, Ic max=1A).Rezistoarele R8,9=0,33?/10W servesc la compensarea diferentei de tensiune B-E ce poate s apar ntre Q1 si Q2.Toate rezistoarele se aleg de tip RCG1025, clas de toleranta E24 (5%), cu exceptia R5,8,9 care se aleg de tipul RBE 1010, clas de toleranta E12(10%).Puntea redresoare este format din diode de tipul 6Si2P (IFRM=10A, VRRM=200V), iar C1,3 sunt de capacitate 1000?F/16V (seria EG6800, ?20%). Transformatorul are secundarul de 2x8Vef.Pentru alimentarea etajului de iesire se va folosi un stabilizator de tensiune folosind CI 7815 si 7915 cuprinzand doua surse de alimentare:-o sursa pozitiva de 15V-o sursa engativa de -15VSchema electronica este cea din anexa A.Sursa negativaTensiunea la iesire si curentul maxim sunt date de relatiile: (2.4) (2.5)Alegem:-E = 8V,R10=7,5k? ,R11=6,1k?.Efectuand calculele din (2.4) alegem: rezult R12=12k? si R13=5,1k?.Luam IOM=100mA si alegand R17 astfel ncat PR17<0,5W (R17=50?/0,5W), din (2.5) ?R15=11,7k? si R16=1,6k?.Q5 este de tip BC107 (?=125...400, Pmax=1W, Icmax=500mA).Q4 alegem de tip BD140/25 (?=170...300, Pmax=12,5W, Ic max=1A) ce suport IOM=100mARezistorul R14=2k?, are rolul de a polariza baza lui Q5.Toate rezistoarele se aleg de tipul RCG1025, exceptand R17, care e de tipul RMG1050. Clasa de tolerant este E24 (5%).3. Etajul comparatorPentru realizarea caractesristicii de histerezis se va folosi un trigger Schmitt cu reactie pozitiv cu tipul celui din figura: Fig. 4 Etajul comparatorTriggerul Schmitt poate fi considerat un CBB cu structur asimetric. Circuitul se compune din dou tranzistoare cu cuplaj n emitor (prin rezistenta R5). Circuitul prezint particularitatea c starea bistabilului e determinat de valoarea tensiunii aplicate la intrare.Considerand ui =0 ??Q1 este blocat si Q2 este in conductie (RAN). Tensiunea perezistenta R5 are expresia: = Crescand tensiunea ui, Q1 se va mentine blocat pana cand ui atinge valoarea de prag ui1.Tensiunea la iesire are valoarea:u0 = E - UR5 ui1= UR5 + VBE1 = E Atingerea acestei tensiuni declaseaz procesul de basculare pentru Q1 si Q2 . Dup depsirea acestui prag starea iesirii nu se mai schimb oricat de mult am ceste tensiunea ui. Tensiunea u0 are valoare U02max = E (Q2 este blocat).Micsorand tensiunea de la intrare ui circuitul va bascula din nou atunci cand tensiunea UR4 -UR5 ? VBE:UR4 = (E - R1IC1)Valoarea curentului de colector pentru Q1 este:IC1? Tinand seama de relatiile de mai sus avem:ui2=E Din datele proiectului avem: ui1 = 2,1V si ui2 = 1,75V.Putem scrie ui2 = ui1 ? = ? = ? = -1 = 0,2Alegem R1 = R3 = 2,4k?, R2 = 6,8k?, R4 = 3,7k? si R5 = 3,6k? din clasa de toleranta E24 (5%) de tipul RCG 1025.Tensiunea la iesire va fi:Uiesmin= = 1,42VUiesmax ? 8VTensiunea maxim de intrare e dat de intrarea n saturatie a lui Q1:Ui max= ?4,8V.Aceasta tensiune nu este atins niciodat n practic, deoarece, prin divizarea cu 10 a plajei de tensiune de la intrare, se obtine o plaj de tensiune de 1,44,2V.Condensatorul C are rolul de a accelera procesul de comutatie,valoarea sa se alege astfel ncat
XC
<
= U0max=14VPentru aceata E2=-15V si E1=15V.Din catalog se alege T3,4 de tip 2N5872 (?=20...100,VECsat max=1V la Ic=4A, Pmax=117W, Ic max=15A). Se justific astfel de ce am ales: E1=u0max+ VECsat max=7V si E2=u0min - VECsat max=-15V.R5 si R6 au rolul de a stabili exact u0max si u0min.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:UR3=E1-E2-VD-VCEsat2 = 28,7V ? R3=1,2k?.Rezistenta R2 trebuie dimensionata astfel incat IC1 sa produca saturarea lui T3.UR2=E++E--VBE3-VCEsat1= 14,7V ? R2=750?.Curentul prin R1 trebuie sa fie mult mai mic decat IB3. Se ia IR1=IB3/100=0.25mA ? R1=VBE3/IR1=2.4k?. R4 se calculeaza analog cu R1. ? R4=R1 = 2.4k?.Puterea disipata de T4 este egala cu puterea disipata de T3: PD=VCesat*ICesat=0.5WAlegem T1 si T2 de mica putere (BC174), cu urmatoarele caracteristici: VCE0=45V, ICM=300mA, PDM=0.3W, VCesat=0.6V.Se aleg R1...R4 cu valorile precizate, din clasa E24 (5%), de tip RCG1025, iar R5,6 din aceeasi clas, dar de tip RMG1100.D se alege de tip 1N4148 care la ID=3mA are VD=0,50,7V.5. Etajul de intrareSchema functionala a etajului de intrare este urmatoarea:Figura 6. Schema electrica a blocului de intrareCircuitul este un amplificator cu reactie negativ, a crui amplificare a fost fixat la unitate prin bucla de reactie tip Serie-Paralel, format din componentele R2,R8 si Q2.Amplificatorul de baza este compus din patru etaje polarizate prin intermediul unor surse de curent continuu dupa cum urmeaza:- Q1 si Q2 etaj diferential de intrare (polarizat de sursa de curent constant: Q3+R7);- Q4 etaj intermediar (de castig in tensiune), EC (polarizat de Q5 si R4);- Q6 etaj intermediar,n conexiune CC, polarizat de Q9+R9;- Q7 si Q8 etaj final n clas B, polarizat cu un curent de repaus dat de D1...D3, R6 si R7.Se aleg Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 de tip BF256 cu parametri de catalog IDSS=610mA, VT=-1-3V, VDSmax=30V.Tranzistoarele din etajul diferential de intrare Q1,2 vor functiona in mod simetric la uncurent mai mic decat IDSS / 2 pentru a putea permite maximum excursiei asimetrice in curent intre tranzistoare.Suma curentilor de drena ai Q1,2 este:ID1?ID2?ID3Curentul ID3 este dat de ecuatiiile:ID3= si ID3=IDSS(1- )2 .Se alege R3=150? de tip RPM conform cu clasa de toleranta E24 (5%).Se presupune pentru parametru lui Q3 valori tipice: IDSS=8mA, VT=-2V.Folosind relatia: =IDSS(1- )2Obtinem: VGS3=- 0,6V.Rezistoarele R1,2 se aleg astfel ncat cderile de tensiune pe ele s fie egale cu VCB4 + VDG5, iar Q4 si Q5 s fie plasate n regiunile utile:- Q4? n RAN ? VCB4 > 0;- Q5? saturat ? VDS5 >
VGS5-VT
.In regim static, tensiunea de iesire e nul, deci VA=-2VEB - R7Ir ? -1,2V - 0,6V = -1,8V ? VCE4=VA + E=6,2V (Ir este curentul de repaus al etajului final) ? VCB4=5,6V.Q4 lucreaz la IC4=4mA, pentru a avea un ? stabil, deci ID5=4mA ? c VGS5=-0,6V si R4=150?.Rezult VDS5>2V - 0,6V = 1,4V.Alegem VDS5=2V. Vom obtine:UR1,2=VDS5 + R4IC4 + VCB4= 2V + 0,15*4 + 6,2V = 8,2V;R1,2 = UR1,2/ID1,2 = 4,1k? ? R1,2 = 4,1k?.In regim static, tensiunea pe R5 este: UR5=E-VBE7=7,4V; Q6 lucreaz la curentul impus de Q9: IC6= 4mA, deci R5=UR5/IC6 =1,8k? ? R5=1,8k?. Q9 este tot de tip BF256, iar R9=150?.Etajul final lucreaz 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? ? R6,7 = 30k?.R10 si R11 reprezinta un divizor rezistiv. Datorita faptului ca tensiunile de alimentare sunt de ?8V, iar tensiunea de intrare este de 14...42V, alegem R10 = 1M? si R11= 9M? obtinand o divizare a tensiunii de intrare cu 10. Astfel vom avea un interval de tensiuni de 1,4...4,2V, n loc de 14...42V. Prin urmare si pragurile de tensiune de 17,5V si 21V devin 1,75V, respectiv 2,1V.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 RCG 1025. Exceptie fac R3.4.9, care se aleg de tipul RMG 1025 din aceeasi clas de toleranta. Condensatorul C este din seria EG 6800 (?20%), si are valoarea 100?F/16V. D1,2,3 se aleg de tip 1N4148 care la ID=3mA au VD=0,50,7V si Dz de tipul PL 3V3Z cu urmtorii parametrii : VZ=3,13,5V ;IZmax=285mA. Anexa A.Stabilizatorul de tensiune folosit in etajul de iesire:
