UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCURESTI FACULTATEA de TRANSPORTURI SECŢIA TET
MASURARI ELECTRONICE SI SPECIALE
PROIECT VOLTMETRU ELECTRONIC DE CURENT ALTERNATIV
Îndrumător:
Student:
CUPRINS: 1. 2.
3. 4. 5. 6. 7. 8.
Tema proiectului Memoriu tehnic 2.1 Masurarea tensiunilor cu ajutorul voltmetrelor 2.2 Curentii si tensiunile alternative 2.3 Voltmetre magnetoelectrice cu redresoare 2.4 Dioda redresoare 1N4001 2.5 Dioda Zener 2.6 Alimentarea voltmetrului 2.7 Divizor de tensiune 2.8 Amplificator repetor 2.9 Etaj diferential 2.10 Comparator 2.11 Convertor Analog Numeric ( C520D ) 2.12 Generalitati - Voltmetru electronic de curent alternativ Breviar de calcul Calculul economic Schema bloc Schema detaliata Cablajul imprimat – voltmetru electronic construit pe baza kit-ului ICL 7107 Bibliografie
1. Tema Proiectului : Sa se proiecteze un instrument numeric de masura capabil sa indeplineasca functia de voltmetru electronic de curent alternativ cu gamele de masura 1;10;20;200 V - rezistenta specifica de intrare rs = 300 kohmi/v - aparatul va avea la intrare rezistente universale - va fi folosit un Convertor Analog Numeric ( CAN ) - C520D 2. Memoriu tehnic : 2.1 Masurarea tensiunilor cu ajutorul voltmetrelor. In circuitele de curent continuu si de curen alternativ tensiunile care depasesc 1/10000 V cu voltmetre. Voltmetrele se leaga in circuitele de masurare in paralel cu punctele intre care se masoara tensiunea.
In functie de valorea tensiunii de masurat voltmetrele se conecteaza direct sau in serie cu o rezistenta aditionala. Legarea directa in circuit a voltmetrelor este posibila numai daca curentul de masurat poate trece inegral prin dispozitivul de masurat fara sa-l deterioreze. Curentii si tensiunile foarte mari se masoar cu ampermetrele si voltmetrele prin intermediul transformatoarelor de masurat. Prin conectarea lor in circuitele de masurare voltmetrele datorita consumului propriu de putere, modifica regimul de lucru al circuitelor si ca urmare valoarea marimii de masurat, introducand astfel o eroare sistematica de metoda. Intre valoarea marimii indicate de aparatele de masurat si cea adevarata, care exista inainte de conectarea acestora in circuitul de masurare, exista o diferenta determinata de faptul ca rezistenta voltmetrelor nu este infinita. Aceasta diferenta este cu atat mai mare cu cat consumul de putere al aparatelor de masurat este mai mare in comparatie cu puterea din circuitul in care se face masurarea. Pentru ca influenta consumului aparatelor de masurat si ca urmare eroarea sistematica de metoda sa fie cat mai mici, rezistenta voltmetrului trebuie sa fie cat mai mare in comparatie cu rezistenta circuitului de masurare. Ca ampermetru sau ca voltmetru poate fi folosit oricare din dispozitivele de masurat, cu exceptia dispozitivelor electrostatice care nu pot fi folosite decat ca voltmetre.
2.2 Curentii si tensiunile alternative * se masoara cu aparate diferite dupa valoarea marimii de masurat. Curentii si tensiunile mici (de ordinul miliamperilor, amperilor, milivoltilor si voltilor ) se masoara in general cu aparate magnetoelectrice cu redresor sau cu termocuplu. Curentii de ordinul amperilor si zecilor de amperi (pana la cca. 80-100 A) si tensiunile de ordinul zecilor si sutelor de volti ( pana la cca. 600-750V ) se masoara cu aparate feromagnetice, electrodinamice si termice cu fir cald. Curentii de intensitati mari (peste 100A) se masoara prin intermediul transformatoarelor de masurat care reduc de obicei curentul de masurat la 5 amperi sau in anumite cazuri la 1 A. Tensiunile inalte ( peste 750 V ) se masoara cu ajutorul transformatoarelor de masurat sau cu voltmetre electrostatice. Transformatoarele de masurat se folosesc in general pentru masurari de tensiuni de pana la 100 kV. Peste aceasta tensiune masurarile cu transformatoare devin costisitoare si de aceea este indicata folosirea voltmetrelor electrostatice.
2.3 Voltmetre magnetoelectrice cu redresoare Aparatele magnetoelectrice caracterizandu-se printr-o mare sensibilitate si precizie si printr-un consum de putere foarte mic, calitati pe care nu le au celelalte tipuri de aparate de masurat electrice, se folosesc din ce in ce mai mult si la masurari in curen alternativ, in asociatie cu un dispozitiv redresor. Dupa dispozitivul redresor cu care se asociaza aparatul magnetoelectric se deosebesc: aparate cu redresoare, aparate cu termocuplu, aparate electronice. Aparatele cu redreso constau dintr-un aparat magnetoelectric si unul sau mai multe redresoare cu semiconductoare ( diode cu germaniu, cu siliciu sau cu cuproxid ) . a). Elementele redresoare semiconductoare sunt elemente conductoare neliniare; curentul care le strabate este functie de valoarea si sensul tensiunii aplicate, datorita variatie rezistentei interne cu tensiunea aplicata. Ca urmare caracteristica lor curent-tensiune este neliniara. Dupa sensul tensiunii aplicate elementul redresor lasa curentul sa treaca usor intr-un sens si foarte greu in celalalt. Rezistenta interna a elementului redresor in directia trecerii usoare a curentului este foarte mica si se numeste rezistenta directa Rd , iar cea in sens contrar este foarte mare si se numeste rezistenta inversa Ri. Curentul care trece prin elementul redresor in sensul rezistentei directe are o valoare mare si se numeste curent direct Id, iar cel in sensul rezistentei inverse este foarte mic, practic zero, si se numeste curent invers Ii. In mod analog tensiunea aplicata se numeste tensiune directa Ud si tensiune inversa Ui. Peste o anumita valoare a tensiunii inverse , denumita tensiune de strapungere elementul redresor isi pierde proprietatea de redresare , curentu invers crescand brusc. Tensiunea maxima care se redreseaza trebuie sa fie mai mica tensuinea de strapungere.
Rpaortul dintre curentul direct Id si cel invers Ii caracterizeaza din punct de vedere calitativ elementele redresoare; el se numeste coaficient de redresare K:
Un redresor perfec ar fi acela care ar avea rezistenta inversa infinita si rezistenta directa egala cu zero, si deci un coeficient de redresare infinit. In realitate, rezistenta directa nu poate fi nula si nici rezistenta inversa nu este infinita, asa incat coeficientul de redresare are valori finite foarte mari. Dioda cu germaniu : 1- cristal de germaniu 2- soclu metalic 3- tub portelan 4- conductor elastic wolfram 5- soclu
Elementu redresor cu cuproxid: 1- strat subtire de oxid cupros (Cu2O) 3- placa de plumb
2- placa de cupru
b).Circuitele redresoare sunt alcatuite din unul sau mai multe elemente redresoare legate intre ele in diferite moduri, in scopul de a transforma curentul alternativ in curent redresat, pulsatoriu. Dupa numarul alternantelor curentului alternativ redresate se deosebesc circuite redresoare cu simpla redresare si cir. red. cu dubla redresare.
Circuite redresoare cu simpla redresare folosesc unul sau doua redresoare. Cel mai simplu circuit redresor consta dintr-un redresor legat in serie cu aparatul de masurat (a). Redresorul permite trecera curentului numai intr-un singur sens numai in cursul unei singure perioade, astfel incat prin aparatul de masurat AM circula un curent pulasatoriu. La schimbarea sensului curentului aproape intreaga tensiune a retelei se aplica la bornele redresorului, ceea ce poate duce la strapungerea sa. Pentru limitarea tensiunii inverse si pentru a asigura continuitatea circulatiei curentiului in circuit se untilizeaza inca un redresor care se monteaza cu poalritatea inversa in paralel cu ansamblul primului redresor si al aparatului de masurat (b). In serie cu cel de-al doile redresor se leaga si o rezistenta R egala cu rezistenta Ra a aparatului de masurat, care serveste la egalizarea rezistentelor din cele doua ramuri in paralel. Pentru netezirea pulsatiilor curentului redresat, in paralel cu aparatul de masurat se conecteaza un condensator de capacitate mare.
2.4 Dioda redresoare 1N4001 (date tehnice)
2.5 Dioda Zenner Simbol: AKAK În polarizare directă se comportă ca o diodă obişnuită, iar în polarizare inversă UP rămâne aproape constantă între anumite limite ale curentului invers. Dioda Zenner se foloseşte în polarizare inversă. Caracteristica U-I: IAB [mA] Reglaj: Pentru reglarea fina a voltmetrului se foloseste un poetntiometru cu rezistenta de 200 kΩ.
POTENTIOM'ETRU, potenţiometre, s.n. (Fiz.) 1. Aparat pentru divizarea tensiunii electrice. 2. Aparat pentru măsurarea tensiunii electromotoare. [Pr.: -ţi-o-] - Din fr. potentiom`etre. 2.6 Alimentarea voltmetrului : Voltmetrul este alimentat de la o sursa de current continuu de 9V. La bornele ( + )si ( – ) se pun bornele prin care trece voltajul ( curent alternativ) ce trebuie masurat . In functie de scara de care avem nevoie putem folosi comutatorul de scara pe una din treptele 3, 5, 10 volti pentru un rezultat corect. Curentul alternativ care intra pe la bornele + si – trece printr-un circuit redresor ( punte redresoare ) formata din diode redersoare ( 1N4001 ) pentru a fi transformat in curent continuu si astfel aparatul va putea efectua masurarea voltajului din circuitul ce trebuie masurat. Inainte de intrarea in circuitul redrsor curentul trece prin divizorul de tensiune . ( daca s-ar fi proiectat un ampermetru am fi folosit un divizor de curent ) Dupa redresare curentul de masurat este trece prin circuitul de amplificare (tranzistoare) apoi este convertit din semnal analogic in semnal digital printr-un CAN . 2.7 Divizor de tensiune: Se consideră o porţiune de circuit formată din două rezistoare RA şi RB conectate în serie, reprezentată în figura de mai jos.
Rezistoare în serie; divizor de tensiune ( Fig. 1 ) Cunoscând tensiunea u la bornele elementelor înseriate, cum se repartizează aceasta între cele două rezistoare?
Prin aplicarea teoremei a II-a a lui Kirchhoff se obţine: u = uA + uB Ţinând cont de ecuaţiile caracteristice ale fiecărui rezistor, rezultă: u = rAiA + rBiB Aplicând teorema I a lui Kirchhoff se obţine iA = iB , respectiv:
ceea ce ne permite să afirmăm că două rezistoare în serie sunt echivalente cu un rezistor, a cărui rezistenţă este egală cu suma rezistenţelor celor două rezistoare înseriate. Rezistoare în serie: Expresia (1) este echivalentă cu:
ceea ce ne permite să concluzionăm că tensiunile la bornele fiecărui rezistor vor fi :
Raţionamentul de mai sus se poate generaliza pentru rezistoare conectate în serie, respectiv, tensiunea u la bornele rezistorului Rk este:
Asocierea de rezistoare prezentată în Figura 1 se numeşte divizor de tensiune, deoarece tensiunea dintre bornele conexiunii serie, se divide în mai multe tensiuni, la bornele rezistoarelor înseriate.
2.8 Amplificator repetor
2.9 Etaj diferential:
2.10 Comparator: In electronica, un comparator reprezinta un dispozitiv care compara doua tensiuni sau curenti pentru a indica pe cel cu valoarea cea mai mare.
2.11 Convertor Analog Numeric ( CAN ) CAN sau Convertor Analogic Numeric reprezintă un bloc sau un circuit care poate accepta o mărime analogică (curent, tensiune) la intrare, furnizând la ieşire un număr care constituie o aproximare (mai mult sau mai puţin exactă) a valorii analogice a semnalului de la intrare. Spre deosebire de o mărime analogică ale cărei valori se pot găsi în orice punct din domeniul său de variaţie, mărimea numerică (sau digitală) posedă numai o variaţie în trepte. Astfel, întreg domeniul de variaţie este divizat într-un număr finit de „cuante" (trepte elementare) de mărime determinată de rezoluţia sistemului, în acest mod, diferenţa între cele mai apropiate valori numerice nu poate fi făcută mai mică decât această treaptă elementară, ceea ce face ca, principial, reprezentarea informaţiei sub forma numerică să fie legată de introducerea unei erori, numită de „ eroare cuantificare". Cu toate că un sistem pur analogic este capabil (cel puţin în mod teoretic) de o acurateţe mai bună decât un sistem hibrid (analog/numeric) această acurateţe este rar folosită în mod complet. Acest lucru se datorează formei analogice a semnalului care nu permite o citire, înregistrare sau interpretare de mare exactitate. Pe de-altă parte, datele sub formă numerică reprezintă deja o formă în care se face manipularea, prelucrarea sau memorarea lor, teoretic fără nici o eroare sau practic, cu erori extrem de mici.
Odată transformate în forma numerică, datele pot fi prelucrate matematic, sortate, analizate sau folosite pentru diverse funcţii de control mult mai precis, rapid şi flexibil decât sub formă analogică, în plus, dacă după achiziţia lor este nevoie de un volum mare de prelucrare, forma numerică prezintă din nou avantaj deoarece posibilitatea de acumulare a unor erori prin manipulări succesive este extrem de mică. De asemenea, forma numerică prezintă un avantaj considerabil în cazul păstrării datelor pentru durate mari, prin posibilitatea stocării lor în memorii nevolatile de mare capacitate. Orice mărime electrică, având o formă analogică trebuie transformată în prealabil, într-o formă numerică pentru a putea fi prelucrată sub o formă sau alta de un astfel de sistem de prelucrare. Este evident că un convertor A/N care prelucrează un semnal provenind de la un traductor de temperatură nu poate fi folosit la codificarea unui semnal video produs de o cameră de luat vederi. Cerinţele impuse de fiecare dintre cazurile de mai sus sunt extrem de diferite, ele fiind determinate de caracteristicile diferite de frecvenţă (lăţimea de bandă) ale semnalelor supuse conversiei, precum şi de exactitatea cu care este necesară codificarea numerică a informaţiei analogice. Din acest punct de vedere există o serie întreagă de sisteme de conversie analog/numerică, începând cu cele mai lente, destinate conversiei semnalelor statice, de bandă foarte joasă si ajungând până la sistemele de conversie ultra rapide, folosite la conversia semnalelor de bandă foarte largă (radar, TV etc.). De cele mai multe ori, datele obţinute în urma achiziţiei şi prelucrării numerice trebuie să fie utilizate tot sub forma analogică. Această cerinţă impune transformarea formei lor numerice în formă analogică, proces care se realizează cu convertorul numeric/analogic (CNA). Terminologie şi parametri caracteristici convertoarelor analog-numerice Bit Denumirea din limba engleză a cifrei binare, „bit", se foloseşte în primul rând în legătură cu sistemul de numeraţie binar, cu sensul ei propriu, în conversia de date analog-numerică si numeric-analogică ea este folosită într-un sens mai larg pentru a exprima tot ceea ce este legat de producerea sau conversia unui bit. Astfel se folosesc noţiunile „curent de bit", „tensiune de bit" sau „reţea rezistivă. de N biţi", etc. în fiecare din aceste cazuri această noţiune poartă cu sine proprietăţile cifrei binare - cele două stări, corespunzătoare valorilor binare „0" şi „1" şi ponderea dată de poziţia în număr. Bit de semnificaţie maximă (BSMax, MSB) În sistemul de numeraţie binar, bitul de semnificaţie maximă este cifra poziţionată (de obicei) la scriere în partea de extremă stângă şi care are ponderea maximă în număr.
Bit de semnificaţie minimă(BSMin, LSB) În sistemul de numeraţie binar, cifra cea mai puţin semnificativă este bitul de semnificaţie minimă, amplasat de regulă în extrema dreaptă a numărului. Acest bit poartă într-un sistem
numeric cea mai mică informaţie care are sens, reprezentând deci rezoluţia sistemului respectiv. Din această cauză toate erorile analogice trebuie să reprezinte fracţiuni din valoarea (curent sau tensiune) asociată acestui bit. Codificator În conversia de date un circuit de codificare (ENCODER) reprezintă un convertor analog/numeric. El mai este denumit digitizor sau cuantificator. Cuantificare Divizarea intervalului de variaţie (tensiune, curent) al unei mărimi analogice într-un număr determinat de trepte („cuante") de amplitudine egală, în scopul exprimării valorii analogice sub formă de număr, constituie procesul de cuantificare al unui semnal analogic. Mărimea treptelor rezultate în urma cuantificării este egală cu raportul dintre valoarea intervalului maxim de variaţie şi numărul lor, fiecare astfel de „cuantă" fiind delimitată de două nivele de cuantificare succesive. Caracteristica de transfer Dependenţa dintre mărimea de ieşire a unui convertor şi mărimea sa de intrare reprezintă caracteristica de transfer a convertorului. Deoarece una dintre cele două mărimi are întotdeauna o variaţie analogică iar cealaltă o variaţie numerică, caracteristica de transfer atât a unui CAN cât si a unul CNA are o variaţie în trepte.
Rezoluţia Rezoluţia unui convertor este parametrul care caracterizează numărul de stări (nivele) distincte care pot fi deosebite de convertor. De obicei, rezoluţia se exprimă în biţi, în procente din valoarea diapazonului de ieşire sau intrare sau în număr de nivele de cuantificare (CAN). Rezoluţia unui CAN determină numărul nivelelor (treptelor) de cuantificare ale mărimii analogice de intrare. Deoarece domeniul de intrare are o valoare determinată, rezoluţia unui CAN caracterizează capacitatea acestuia de a „rezolva" (deosebi) două nivele apropiate ca valoare, fiind definită de mărimea variaţiei de intrare necesară pentru a produce la ieşire a convertorului două schimbări de coduri consecutive. Această variaţie este măsurată de la nivelul de intrare la care se face trecerea între treptele Nk-1 - Nk şi până la nivelul care produce schimbarea treptelor Nk = Nk+1. Pentru un convertor având domeniul de intrare Vmax, o rezoluţie de n biţi este echivalentă cu o variaţie a tensiunii de intrare egală cu raportul . Se observa că în acest mod ea este practic aceeaşi cu lăţimea canalului sau treptei de cuantificare a CAN. Spre exemplu, un CAN cu o rezoluţie de 12 biţi, care are deci 4096 de trepte de cuantificare, poate „rezolva" (discrimina) 1/(2^12) din valoarea domeniului de intrare. Pentru un domeniu de 10 V această rezoluţie înseamnă = 2,45 mV, valoarea treptei de cuantificare. În aplicaţiile CAN la multimetrele numerice ce obişnuieşte ca rezoluţia să se exprime în cifre zecimale, în acest caz se foloseşte terminologia 3/(1^2) etc., cifre zecimale (digiţi). Semnificaţia acestei exprimări corespunde numărului 1999 (respectiv sub formă de raport l:2000; rezoluţia digiţi corespunde numărului 19999 (respectiv raportul l: 20.000) etc. Rezoluţia constituie un parametru de proiectare şi nu o performanţă specifică. Această afirmaţie trebuie înţeleasă în sensul că „un anumit convertor a fost proiectat să aibă o rezoluţie de n biţi" şi nu că „un anumit convertor a fost măsurat şi a rezultat că are o rezoluţie de n biţi". In mod normal rezoluţia se consideră a fi limitată numai de numărul biţilor care a fost prevăzut la proiectare. Practic ea este însă limitată de zgomotul din diverse circuite analogice sau numerice sau deriva componentelor. Datorită acestora este posibilă omiterea anumitor trepte de cuantificare de la intrarea CAN. Lăţime de cod sau precizia de măsurare este variaţia minimă detectabilă a semnalului măsurat şi corespunde variaţiei bitului cel mai puţin semnificativ (LSB) din numărul binar generat de către convertorul analog – digital în urma măsurării. Lăţimea de cod poate fi calculată cu formula:
Eroare de cuantificare Pentru un convertor cu N biţi domeniul maxim de variaţie este divizat în 2N intervale (canale) discrete. Toate semnalele care au nivelele cuprinse între valorile care delimitează un astfel de canal vor fi codificate în acelaşi mod (prin acelaşi număr). Principial deci, există o incertitudine (eroare) de cuantificare egală cu ± 1/2 BSMin, care depinde de rezoluţia convertorului. Această eroare apare foarte clar în următoarea figură, care reprezintă funcţia de transfer a CAN, ea fiind diferenţa intre caracteristica ideală de transfer a CAN şi dreapta dusă prin origine si maximul diapazonului. Intuitiv se constată că pe măsură ce rezoluţia creşte,
lăţimea unui canal scade, determinând reducerea corespunzătoare a maximului acestei erori. Evident, un CAN cu o rezoluţie infinită va prezenta o eroare de cuantificare nulă.
2.12 Generalitati - Voltmetru electronic de curent alternativ Aparatele specifice folosite pentru masurarea tensiunilor in circuitele electronice sunt voltmetrele electronice. Voltmetrele de acest tip sunt construite in principiu, dintr-un tub electronic detector, avand in circuitul sau un aparat magnetoelectric care masoara curentul mediu anodic. Deoarece valoarea acestui curent depinde de valoarea medie a tensiunii alternative aplicate, aparatul poate fi etalonat direct in volti.
Voltmetru electronic cu dioda si amplificator Caracteristici de intrare ( sunt legate de eliminarea semnalelor parazite si de tipurile de intrari utilizate ) : Pentru a stabili si mentine tensiunea, intr-un circuit este necesar a stabili un punct de referinta unic fata de care se face masurarea. Acesta se numeste masa. In trecut se folosea pamantul ca referinta de potential, acum insa conectarea la pamant se foloseste aproape numai in scop de protectie a operatorului ( masa de protectie ). Caracteristicile de transfer: Sensibilitate Pragul de sensibilitate Exactitatea Banda de frecventa Caracteristicile de iesire (depind de tipul de afisaj) : Afisarea este de 2 tipuri : Afisare cu ac indicator sau Afisare cu LED
4. Calculul economic Cablaj ~ 3 RON Cositor+colofoniu = 3 RON 4 afisaje led cu anod comun = 10 RON Fludor = 2 RON Componente active : dioda zenner 1N3827 5.6 V = 0.1 RON componenta activa discreta : tranzistorul 2N2222(A) = 0.25 RON tranzistorul MPF102 = 0.5 RON dioda redresoare 1N4001 (4 diode) = 0.2 RON x 4 = 0.8 RON Componente pasive :
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9 = 0.1 RON x 9 = 0.9 RON condensator ceramic (C1,C2) 22nF/63V, X7R, pas = 2.54 mm (2 condensatori) = 0.4 RON x 2 = 0.8 RON potentiometru 1 tura / 300 kOhm = 1.5 RON Electromecanice:
comutator 1xU, montare pe panou, 50Vcc, 0.5 A = 2.6 RON comutator DIP, 4 contacte = 2 RON
Afisor = 9.5 RON CAN = 9 RON Total = 3 + 3 + 10 + 2 + 0.1 + 0.25 + 0.8 + 0.5 + 0.9 + 0.8 + 1.5 + 2.6 + 2 + 9.5 + 9 = 45.95 RON (*) (*) in conditiile in care nu gresim absolut deloc in tot procesul de asamblare / cablare ... si nu se strica nici macar o componenta ; si in cazul in care avem deja o sursa de tensiune cu care sa testam aparatul.
5. Schema bloc :
6. Schema detaliata
CAN - C520D
Part Number = C520D Manufacturer Name = GE Solid State Description = Silicon Controlled Rectifier V(DRM) Max.(V)Rep.Pk.Off Volt. = 400 I(T) Max.(A) On-state Current = 1.1k² @Temp. (°C) (Test Condition) = 150 I(TSM) Max. (A) = 10k I(GT) Max. (A) = 150m V(GT) Max.(V) = 4.0 I(H) Max.(A) Holding Current = 250m I(D) Max. (A) Leakage Current = 25m @Temp. (°C) (Test Condition) = 125 V(T) Max. (V) = 1.2 @I(T) (A) (Test Condition) = 1.1k dv/dt Min. (V/us) = 100 t(q) Typ. (s) = 150u Status = Discontinued Package = TO-200var51 Military = N
7. Cablajul imprimat
Exemplu Voltmetru digital care foloseste kit-ul ICL7107 - Inlocuitor C520D Descriere generala Acest dispozitiv ar trebui sa fie usor de construit, dar in acelasi timp un voltmetru digital foarte precis si folositor. A fost proiectat pentru a fi folosit in sursele de alimentare sau oriunde este necesar a avea o indicatie precisa a voltajului. Circuitul integreaza un convertor analog numeric I.C. CL7107 produs de INTERSIL si aproape identic cu C520D (un convertor foarte bun la vremea lui dar depasit din punct de vedere tehnic). Acest circuit integrat incorporeaza intr-o carcasa de 40 pini toate circuitele necesare pentru a converti semnalul analog in digital ( convertor digital, un comparator, un ceas, un decodor si un segment de afisor cu leduri. Circuitul , dupa cum este descris poate afisa orice voltaj intre 0 – 1999 volti. Specificatii Tehnice: Voltajul de alimentare : +/- % V ( simetric ) Cerintele de putere : 200 mA ( maxim ) Raza de masura : +/- 0-1.999 in 4 clase Precizie : 0.1 % Caracteristici: -
Marime redusa Constructie facila Costuri mici Ajustari simple Usor de citit de la distanta Putine componente externe
Cum functioneaza? Pentru a intelege principiul de functionare al circuitului e necesar sa explicam cum functioneaza convertorul analog numeric. Acest circuit integrat are cateva caracteristici foarte importante: -
Mare precizie Nu e afectat de zgomot Are un ceas interior Nu are nevoie de componente exterioare precise
Ca aplicatii posibile, voltmetrul (montat intr-o cutie) poate fi folosit ca aparat de laborator, ca voltmetru auto sau impreuna cu o sursa de tensiune reglabila indicand tensiunea acesteia. ( In cazul utilizarii ca voltmetru auto, Ua=12V,T04 trebuie montat pe radiator.) Pentru o flexibilitate sporita la asamblarea intr-o cutie oarecare partea de afisare a fost cablata separat de partea de comanda. Componenta de baza o constituie circuitul specializat C520D, un Convertor Analog Numeric ce functioneaza pe principiul pantei duble. “Zero”-ul instrumentului se stabileste cu ajutorul grupului format din R01,R02 si P01. Cu ajutorul lui P02 se ajusteaza capatul de scala, intrucat gama tensiunilor ce pot fi masurate se poate stabili prin dimensionarea corespunzatoare a divizorului format din R11 si R12. Pentru domeniul maxim de masura de 99.9 V relatia dintre cele 2 rezistoare este R12=99R11, precizia masurarii fiind influentata de toleranta rezistoarelor si impedanta de intrare a voltmetrului Zin=R12. La modificarea tensiuniii de alimentare Ua, reglajele “zero”-ului si capatului de scala trebuie refacute. CARACTERISTICI TEHNICE: Domeniul tensiunilor masurabile: 0-99.9V; Tensiunea continua de alimentare 7-10V; (bine filtrata) Consum maxim de curent 160mA; Protectie la supratensiuni la intrare. Acest tip de convertor este preferat in detrimentul celorlalte modele datorita faptului ca ofera o precizie sporita, simplitate in design si nu este afectat de zgomot. Functionarea circuitului este descrisa de 2 etape: Etapa 1 - Voltajul este proportional cu tensiunea de intrare. Etapa 2 – Durata depinde de iesirea integratului din prima etapa astfel : Daca durata primei operatii este fixa si lungimea celei de-a doua este variabila atunci e posibil sa comparam astfel incat tensiunea de intrare este defapt comparata cu scara tensiunii interne si rezultatul este codat si trimis catre afisor.
MOD DE FUNCTIONARE: Poate ca toate acestea par usoare dar defapt implica o serie de procese foarte complexe care sunt folosite de circuitul integrat pentru a veni in ajutorul putinelor componente externe care sunt folosite sa configureze circuitul pentru sarcina respectiva. Circuitul functioneaza astfel: Tensiunea care trebuie masurata se aplica intre punctele 1 si 2 ale circuitului si in circuit – R3, R4 si C4 sunt aplicate la pinii 30 si 31 ai circuituli integrat. Rezistorul R1 impreuna cu capacitorul C1 sunt folositi pentru a seta frecventa ceasului intern care este ~ 48 Hz. Capacitorul C2 este conectat intre pinii 33 si 34 ai circuitului integrat si a fost selectat pentru a compensa eroarea cauzata de tensiunea interna. Capacitorul C3 si rezistorul R5 reprezinta impreuna circuitul care face integrarea tensiunii de intrare. Capacitorul C5 forteaza instrumentul sa afiseze “zero” cand nu apare tensiune de intrare si rezistorul R2 impreuna cu P1 sunt folosite pentru a seta instrumentul ca sa afiseze 0 in momentul in care intrarea este 0. Rezistorul R6 controleaza curentul care alimenteaza afisorul permitandu-i astfel sa fie suficient de luminos fara sa-l strice. Intreg circuitul opereaza la 5 Volti care se aplica la pinii 1 (+5v), 21 (0V) si 26(-5V) ai circuitului integrat.
COMPONENTELE: R1 = 180k P1 = 20k R2 = 22k U1 = ICL 7107 R3 = 12k LD1,2,3,4 = MAN 6960 R4 = 1M R5 = 470k R6 = 560 Ohm C1 = 100pF C2, C6, C7 = 100nF C3 = 47nF C4 = 10nF C5 = 220nF
8. Bibilografie: 1. Materiale pentru proiect ( procurate din platformele pentru laboratoare ) 2. Aparate si metode de masurat si control ( R. Dordea, C. Nitu ) 3. Circuite Integrate Analogice ( Ochirica ) 4. http://www.electronics-lab.com 5. http://www.e-piese.ro/ 6. http://www.intersil.com/ 7. http://www.syscomelco.ro/ 8. http://www.alldatasheet.com/ 9. Pentru proiectarea schemei dataliate s-a folosit Tina PRO
