Ресурсосберегающие технологии в сельскохозяйственном производстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Одним из направлений понижения производительности труда, качества выпускаемой продукции и создания ресурсосберегающих технологий в сельскохозяйственном производстве является использование устройств, созданных на основе достижений современной электронной технологии.

Электронные приборы представляют широкий спектр возможностей для автоматизации сложных и трудоёмких технологических процессов сельскохозяйственного производства. Использование полупроводниковых приборов позволяет создать устройства, обеспечивающие автоматическое управление микроклиматом, автоматизацию систем электрообогрева. Применение электронных устройств в первичных преобразователях измеряемых параметров позволяет повысить прочность обработки (регулирования), надёжности систем, снизить потребляемую мощность и габариты.

Целью данной работы является дальнейшее углубление знаний, освоение принципов работы электронных устройств, получение практических навыков в разработке их принципиальных схем и расчёт параметров элементов.



1. Разработка функциональной схемы

электронный напряжение операционный усилитель

При E=275 лк выходные сигналы делителей датчика и задатчика (E1) равны, тогда выходной сигнал элемента сравнения (E2) равен нулю. При этом формирователь управляющего сигнала (E3) создает такой сигнал, чтобы ключ (E4) находился в разомкнутом состоянии, в результате чего сопротивление нагрузки (E5) отключается от сети. При увеличении освещения относительно порога срабатывания выходные сигналы датчика и задатчика не равны, а элемент сравнения и формирователь управляющего сигнала формируют сигнал на подключение сопротивления нагрузки.

Источник питания выполняем на трансформаторной схеме. Цепочки питания для получения питающих напряжений UП2, UП3 и UП4 состоят из выпрямителя, сглаживающего фильтра и стабилизатора. Напряжение UП1 получаем, используя в качестве исходного напряжения UП2, что позволяет в целом упростить схему источника питания.



2. Расчет входной цепи

В качестве входного усилителя и сравнивающего устройства выбираем операционный усилитель K140 УД6, имеющий следующие параметры: Uпит=±15 В; Iпотр=3 мА; Uвых=±12 В; iвх=50 нА; Rн=1 кОм (/1/, табл. П2.1).

Исходя из задания и схемы включения ОУ типа К140 УД6, схема входной цепи устройства будет иметь следующий вид.

В качестве датчика выбираем фоторезистор типа ФСК-П1, имеющий следующие параметры: среднее значение удельной чувствительности k=8000 мкА/лм·В; площадь сечения окна Sо=30 мм2; допустимая мощность рассеивания Pдоп=150 мВт; темновое сопротивление Rт= 100 МОм (/1/, табл. П1.1).

Чтобы входной ток операционного усилителя не влиял на результат измерения, должно выполняться условие

,	(1)

где - ток делителя, мкА;

- входной ток операционного усилителя, мкА.

.

Принимаем Iд = 0,08 мА.

Напряжение питания делителя определяем из выражения

, В,	(2)



где UП2 - напряжение питания усилителя, UП2 = 15 В.

В.

Принимаем UП1=9,1 В.

Определяем сопротивление фоторезистора из выражения

, Ом,	(3)

где k - удельная чувствительность, ;

E - освещенность, лк;

S - площадь сечения окна, м2.

При освещенности Е = 275 лк сопротивление датчика будет иметь значение

Определяем величину напряжения на датчике при начальных условиях

, В, .	(4)

Значение U0=3,5239 удовлетворяет условию U0 (24) В при UП1=9,1 В. Найдем значение сопротивления R1

	(5)



Из стандартного ряда Е24 с допустимым отклонением примем ближайший номинал R1=68 кОм

Уточняем значение тока делителя

, мкА, .	(6)

Уточняем значение напряжения U0 по формуле (4)

Определяем мощность рассеивания на датчике из выражения

, мВт, .	(7)

Полученное значение не превышает допустимую мощность рассеивания для фоторезистора ФСК-П1, которая составляет .

Определяем мощность рассеивания на сопротивлении R1 из выражения

, мВт, .	(8)

Выбираем R1 типа .



2.1 Расчет делителя задатчика

Находим полное сопротивление в цепи датчика из выражения

, кОм	(9)

Найдем значение R4 из выражения

,кОм кОм	(10)

Из стандартного ряда Е6 с допустимым отклонением примем ближайший номинал R4=22 кОм подстроечный.

Найдем значение R5 из выражения

кОм	(11)

Из стандартного ряда Е24 с допустимым отклонением примем ближайший номинал R5=33 кОм

Найдем значение R3 из выражения

кОм	(12)



Из стандартного ряда Е24 с допустимым отклонением примем ближайший номинал R3=56 кОм

Определяем мощность рассеивания на сопротивлении R3 из выражения

мВт	(13)

Выбираем R3 типа .

Определяем мощность рассеивания на сопротивлении R4 из выражения

мВт	(14)

Выбираем R4 типа .

Определяем мощность рассеивания на сопротивлении R5 из выражения

мВт	(15)

Выбираем R5 типа .

2.2 Расчет полезного сигнала

Определяем значение освещенности с учетом погрешности срабатывания из выражения



, лк,	(16)

где - погрешность срабатывания, %.

Определяем сопротивление датчика при освещенности по формуле (3)

.

Определяем напряжение на датчике при по формуле

, В, .	(17)

Находим величину приращения напряжения

, В, В.	(18)

2.3 Расчет усилителя

При изменении напряжения на величину ДU операционный усилитель выходит в режим насыщения Uвых=Uвых.оу.max. Определяем коэффициент усиления операционного усилителя



,	(19)

где - максимальное выходное напряжение ОУ. При разбалансе ОУ переходит в режим насыщения, поэтому .

.

Значение сопротивления R9 для ОУ серии К140 УД входит в диапазон Зададим значения резисторов , тогда

.	(20)

Для надежного вывода ОУ в режим насыщения примем величину меньше на 30%: из стандартного ряда Е24 с допустимым отклонением примем R6 = R7 = 1,2 кОм

Резисторы и выберем типа . Резисторы и выберем типа .

При использовании ОУ типа К140 УД6 цепочку установки нуля можно не рассчитывать, т.к. у него предусмотрено подключение резистора . Выберем R10 типа .

3. Составление алгоритма и программы расчета зависимости выходного напряжения ОУ от входного параметра

Требуется составить алгоритм и программу расчета зависимости выходного напряжения ОУ от освещенности при его изменении в диапазоне лк с шагом 0,55 лк.

При расчете выходного напряжения будем использовать формулу

, В.	(21)

Ниже приведен текст программы на языке Basic, составленный на основе разработанного алгоритма, представленного в виде блок-схемы на рисунке.

10 CLS

20 INPUT "Минимальное значение освещенности, лк:", EN

30 INPUT "Максимальное значение освещенности, лк:", EK

40 INPUT "Напряжение питания делителя, В:", UP

50 INPUT "Напряжение на датчике при начальных условиях, В:", U2

60 INPUT "Шаг, с которым изменяется освещенность, лк:", DE

70 INPUT "Значение сопротивления R1, Ом:", R1

80 INPUT "Значение сопротивления R6, Ом:", R6

90 INPUT "Значение сопротивления R9, Ом:", R9

100 INPUT "Удельная чувствительность, А/лм*В:", K

110 INPUT "Площадь сечения окна, m^2:", S

120 FОR E = EN TO EK STEP DE

130 R = 1 / (K * (E ^ .81) * S)

140 U1 = (UP * R) / (R1 + R)

150 U = (U2 - U1) * R9 / R6

160 IF U > =12 THEN U = 12

170 IF U <= -12 THEN U = -12

180 PRINT E, U

190 NEXT E

200 END

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок Блок-схема



При выполнении программы будем использовать следующие значения: EN = 269,5 лк; EK = 280,5 лк; UP = 9,1 В; U2 = 3,5767 В; DE = 0,55 лк; R1 = 68000 Ом; R6 = 1200 Ом; R9 = 680000 Ом; K = 0,008 ; S = 0,00003 м2. Результаты расчетов программы сведем в таблицу 1.

Таблица 1. Результаты работы программы

Е, лк	U,B
269,5	-12
270,05	-12
270,6	-12
271,15	-12
271,7	-12
272,25	-10,41137
272,7999	-8,39684
273,3499	-6,388116
273,8999	-4,38277
274,4499	-2,382557
274,9999	-0,3877481
275,5499	1,603683
276,0999	3,588899
276,6499	5,570873
277,1998	7,547307
277,7498	9,518878
278,2998	11,48694
278,8498	12
279,3998	12
279,9498	12
280,4998	12

На основании данных таблицы 1 построим график зависимости выходного напряжения ОУ от освещенности.



4. Расчет выходной цепи

Исполнительный элемент выполнен на четырех диодах и тринисторе.

С учетом того, что мощность нагрузки находим действующий ток нагрузки

, А, .	(22)

Определяем напряжение в закрытом состоянии из выражения

, В, .	(23)
Определяем средний ток диода из выражения , А, А.	(24)

Определяем средний ток тринистора из выражения

А	(25)

С учетом того, что и выберем диоды VD3 - VD6 типа Д122 - 40 - 4, у которых , /4/.

По параметрам Uз.с.=345,35 В, IVS1ср=65,46 А выбираем тринистор Т10 - 80 - 4, у которого Iо.с.max=80 А, Uз.с.=400 В, Iупр.=150 мА, Uупр.=4 В.

Т. к. Iу.>100 мА, то принимаем минимальный оптотиристор ТО125 - 10 - 4 с параметрами Iо.с.=10 А, Uз.с.=400 В, Iупр.=80 мА, Uупр.=2,5 В, Uо.с.вых.=1,4 В.

На основе параметров Uобр.=Uз.с.=345,35 В, Iпр.=Iупр.VS1=150 мА выбираем диод VD2 КД 105 Б с параметрами Uобр.=400 В, Iпр.=300 мА.

Определяем значение сопротивления R3 из выражения

, Ом Ом	(26)

Из стандартного ряда выбираем ближайший номинал .

Находим мощность рассеивания на сопротивлении R3 из выражения

, Вт Вт	(27)

Выбираем R3 типа МЛТ - 0,5 - 12 Ом±5%

Определяем значение сопротивления R2 из выражения

, Ом	(28)

Зададимся напряжением питания формирователя .

Тогда значение сопротивления R2 по формуле (28)

, Ом

Из стандартного ряда выбираем ближайший номинал .

Находим мощность рассеивания на сопротивлении R2 из выражения

, Вт Вт	(29)

Выбираем R2 типа МЛТ - 1 - 150 Ом±5%

Рассчитаем ток коллектора

, А , А	(30)

Выбираем транзистор типа КT503Б, который имеет следующие параметры: ток коллектора ;допустимый ток базы Iб=12 мА; статический коэффициент передачи тока . Тогда предварительное значение тока базы найдем из выражения

, А , А	(31)



Принимаем среднее значение тока базы Iб=0,0024 А

Тогда значение сопротивления R1 найдем из выражения

, кОм кОм	(32)

Из стандартного ряда выбираем ближайший номинал .

Находим мощность рассеивания на сопротивлении R1 из выражения

, Вт Вт	()

Выберем R1 типа МЛТ - 0,125 - 5,1 кОм±5%.

Уточняем ток базы

, А А	(33)

Полученное значение меньше допустимого тока базы: (2,35<12) мА

С учетом того, что и выберем диод типа Д9В, у которого и /6/.



5. Расчет источника питания

5.1 Расчет цепи питания делителя

Определяем исходные данные для расчета:

Напряжение нагрузки .

Ток нагрузки мА.

Напряжение входа .

Напряжение сети Uc = 220 В

Нестабильность сетевого напряжения .

Нестабильность питающего напряжения

, .	(27)

Коэффициент пульсации питающего напряжения .

Коэффициент пульсации входного напряжения (/1/, табл. 5.1).

Сопротивление нагрузки .

Цепочку питания выполняем на параметрическом стабилизаторе и R-C фильтре.

По и (; ) выбираем стабилитрон типа КС191Ж, который имеет следующие параметры , , , .



Определяем минимальный входной ток стабилитрона

, мА, .	(28)

Определяем значение сопротивления R1

, кОм, .	(29)

Из стандартного ряда Е24 выбираем ближайший номинал в меньшую сторону .

Определяем значение коэффициента стабилизации

, .	(30)

Определяем нестабильность входного напряжения

, .	(31)

Определяем граничные значения входного напряжения

, В, , , В, .	(32) (33)

Определяем предельные токи через стабилитрон

, А, , , А, .	(34) (35)

По предельным токам стабилитрон удовлетворяет требованиям.

Определяем номинальный входной ток стабилизатора

, А, .	(36)

Определяем мощность рассеивания на сопротивлении R1

, Вт, Вт.	(37)



Выбираем R1 типа .

Определяем коэффициент сглаживания фильтра

, .	(38)

Определяем значение емкости С1

, мкФ,	(39)

где m - число фаз выпрямителя (для нулевой схемы выпрямления m=2, /1/,табл.5.2)

мкФ.

Напряжение на С1 определяем из соотношения

, .	(40)

Выбираем С1 типа .



5.2 Расчет цепи питания операционного усилителя

Определяем исходные данные для расчета:

;

;

;

;

(/1/, табл. 5.1);

(/1/, табл. 5.1);

;

Uc = 220 В

;

Из анализа исходных данных следует, что достаточно рассчитать схему только по плюсовой шине, так как к ней предъявляются более жесткие требования, элементы по минусовой шине примем аналогичные.

В качестве стабилизатора компенсационного типа выбираем микросхему , которая имеет следующие параметры: , ,, ,, Iвых=200 мА, .

Определяем входное напряжение стабилизатора

, .	(41)

Определяем величину максимального входного напряжения



, .	(42)

Определяем максимальный входной ток стабилизатора

, .	(43)

Определяем рассеиваемую мощность

, .	(44)

Определяем требуемый коэффициент стабилизации

.	(45)

Определяем коэффициент стабилизации микросхемы

.	(46)



Стабилизатор обеспечит требуемую нестабильность, так как .

Переводим табличное значение коэффициента сглаживания из децибелов в относительные единицы

.	(47)

Определяем коэффициент пульсации нагрузки фильтра

.	(48)

Определяем мощность нагрузки фильтра

.,Вт Вт	(49)
В	(50)

Определяем напряжение на выходе выпрямителя

В,	(51)

где - падение напряжения на фильтре.

Определяем мощность, потребляемую стабилизатором

Вт где I0 = Iвх = 24,23 мА .	(52)

Определяем сопротивление нагрузки выпрямителя

, Ом, .	(53)

Ориентировочно определяем расчетную мощность трансформатора

, ВА, .	(54)

По таблице 5.3 /1/ определяем .

Определяем сопротивление вентиля

, Ом, .	(55)



Рассчитываем сопротивление фазы выпрямителя

, Ом, .	(56)

Рассчитываем вспомогательный коэффициент А

, .	(57)

По формулам таблицы 5.2 /1/ определяем требования к диодам и трансформаторам.

Действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора

, В, .	(58)

Амплитуда обратного напряжения на вентилях

, В, .	(59)

Действующее значение тока вентиля

, А, .	(60)

Амплитудное значение тока вентиля

, А, .	(61)

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

, , .	(62)

Расчетная мощность трансформатора

, ВА, .	(63)

По данным Iв.д.=26,653 мА, Iв.m=79,959 мА, Uв.обр.=58,699 В выбираем диод типа КД105Д, у которого Uобр=100 В, Iдоп=300 мА.

Задаемся коэффициентом пульсации КП1=0,25.

Рассчитываем значение емкости фильтра С1

, мкФ, . Принимаем С1 = 10 мкФ по ряду Е6 и уточняем значение KП1 из выражения (64) .	(64)

Определяем напряжение на емкости

.

Выбираем С1 типа

Определяем коэффициент сглаживания R-C фильтра

, .	(65)

Определяем значение сопротивления фильтра R1

, .	(66)

Определяем мощность рассеивания на R1

, Вт, .	(67)

Выбираем R1 типа .

Определяем значение емкости С2

, мкФ. мкФ	(68)

Выбираем С2 типа .

Емкости С5, С6 и С7,С8 принимаем по справочнику: С5=С6=0,01 - 1 мкФ, выбираем конденсатор К53 - 1 - 30В - 0,043 мкФ;С7=С8 0,01 - 15 мкФ, выбираем конденсатор К50 - 16 - 25В - 11 мкФ.

5.3 Расчет цепи питания формирователя

Определяем исходные данные для расчета:

;

;

(/1/, табл. 5.1);

(/1/, табл. 5.1);

Uс=220 В

;

;

В качестве стабилизатора компенсационного типа выбираем микросхему , которая имеет следующие параметры: , , , , , , ?.

В соответствии с заданием и типовой схемой включения, составим схему цепей питания.

Определяем входное напряжение стабилизатора по формуле (41)

.

Определяем величину максимального входного напряжения по формуле (42)

.

Определяем входной ток стабилизатора по формуле (43)

.

Определяем рассеиваемую мощность по формуле (44)

.

Определяем требуемый коэффициент стабилизации по формуле (45)

Определяем коэффициент стабилизации микросхемы по формуле (46)

.

Стабилизатор обеспечит требуемую нестабильность, так как Кст.>Кст.треб. (), Ррасс.>Pмс (8>0,825)

Переводим табличное значение коэффициента сглаживания из децибелов в относительные единицы по формуле (47)

.

Определяем коэффициент пульсации нагрузки фильтра по формуле (48)

.

Определяем мощность нагрузки фильтра по формуле (49)

По графику на рисунке 5.8 /1/ определяем , тогда

В

Определяем напряжение на выходе выпрямителя при по вормуле (51)

В

Определяем мощность, потребляемую стабилизатором по формуле (52) при I0 = Iвх. = 93,3 мА

.

Определяем сопротивление нагрузки выпрямителя по формуле (53)

Ом.

Ориентировочно определяем расчетную мощность трансформатора по формуле (54)

Вт.

По таблице 5.3 /1/ определяем ,тогда.

, Ом

Ом

Определяем сопротивление вентиля по формуле (55)

Ом.

Рассчитываем сопротивление фазы выпрямителя по формуле (56)

Ом.

Рассчитываем вспомогательный коэффициент А по формуле (57)

По графикам (/1/, рис.5.7) определяем значения коэффициентов:

По формулам таблицы 5.2 /1/ определяем требования к диодам и трансформаторам:

В;

В;

;

;

;

;

По данным Iв.д.=102,63 мА, Iв.m=307,89 мА, Uв.обр.=57,778 В выбираем диод типа КД208А, у которого Uобр=100 В, Iдоп=1 А.

Задаемся коэффициентом пульсации КП1=0,35.

Рассчитываем значение емкости С1 по формуле (64)

мкФ.

Принимаем С1 = 33 мкФ по ряду Е6 и уточняем значение KП1 из выражения (64)

.

Определяем напряжение на емкости

.

Выбираем С1 типа

Определяем коэффициент сглаживания R-C фильтра по формуле (65)

.

Определяем значение сопротивления фильтра R1 по формуле (66)

.

Определяем мощность рассеивания на R1 по формуле (67)

Выбираем R1 типа .

Определяем значение емкости С2 по формуле (68)

мкФ.

Выбираем С2 типа .

Принимаем емкость С3 по спавочнику: С3=1 мкФ, выбираем конденсатор К53 - 1А - 30В - 1 мкФ.

5.4 Расчет трансформатора

Определяем суммарную мощность:

, ВА ВА	(69)

Изходя из можно рассчитать:

, см4 , см4	(70)

Выбираем магнитопровод ШЛМ16?25, у которого:

9,36 см4

4 см2

Число витков первичной обмотки определяем по формуле:

, [витков] витков	(71)

Число витков вторичной обмотки определяем по формуле:

, [витков] виток витков	(72)

Определяем действительное значение тока первичной обмотки:

, мА	(73)

Определяем диаметр обмоточного провода:

, мм	(74)

где Д - плотность тока,

Выбираем обмоточный провод типа ПЭВ-1. Принимаем значения диаметров из стандартного ряда:

, ,.

5.5 Расчет цепи подачи сетевого напряжения

Для индикации напряжения используем неоновую сигнальную лампу типа ИН-3В с параметрами: напряжение зажигания 60 В, напряжение горения Uгор.=55 В, ток лампы 0,8 мА.

Сопротивление резистора R1 определяем из выражения:

, кОм	(75)

Определяем мощность рассеивания на R1:



, Вт	(76)

Примем R1.

Определяем ток вставки плавкого предохранителя

, мА	(77)

Для защиты регулятора выбираем предохранитель типа ПМ 205, у которого

Для коммутации напряжения используем тумблер типа МТ-1 с параметрами Uк = 250 В, Iк = 1 А.



Список используемой литературы

1) Методические указания к выполнению курсовой работы «Расчет электронного релейного элемента»./ Шустов В. И. Зерноград - 55 с.

2) Краткий справочник конструктора радиоэлектронной аппаратуры./ Р. Г. Варламов. М., 1972.

3) Радиоэлементы: справочник./ А. И. Кизлюк - М.: Библион, 1998 - 48 с.

4) Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры: справочник./ И. В. Новаченко - М.: Радио и связь, 1989 - 384 с. ил.

5) Элементы индикации: справочник./ Згурский В. С., Лисицын Б. Л. - М.: Энергия, 1980 - 304 с., ил.

Размещено на Allbest.ru