Навчальний стенд для вивчення операційного підсилювача

Вступ

операційний підсилювач електроніка напруга

Останнім часом в електроніці виникло і швидко розвинувся новий напрям — цифрова обробка сигналів.

Цифрові методи, що ґрунтуються на використанні мікропроцесорів, проникли в безліч областей радіоелектроніки та привели до створення абсолютно нових способів обробки сигналів. Одночасно розвивалася нова технологія створення монолітних інтегральних схем, що поєднують на одному кристалі аналогові і цифрові пристрої.

Такі комбіновані мікросхеми і гнучкі системи цифрової обробки виявилися виключно перспективними завдяки своїй дешевизні, відносній простоті і гнучкості. При цьому власне аналогова електроніка, незважаючи на вдосконалення технології операційних підсилювачів, якось йшла в тінь. Зараз же хороше знання аналогової електроніки набуває більшого значення, оскільки в міру розвитку систем цифрової обробки підвищуються вимоги до якості вхідних і вихідних аналогових сигналів.

Як і раніше необхідно і апаратне макетування нових розробок незалежно від того, чи виробляється воно в конструкторському бюро досвідченим інженером або в інститутській лабораторії студентами, що знаходяться тільки на початку свого інженерного шляху. Програмне моделювання аналогових схем, безумовно корисне і інженерам, і студентам, не замінить того безпосереднього досвіду, який дають експериментальні дослідження.

Операційні підсилювачі (ОП), що є практично ідеальними підсилювачами напруги, знаходять широке застосування в аналоговій схемотехніці. Незважаючи на ряд обмежень, властивих реальним ОУ, при аналізі та синтезі більшості схем використовують ідеальні моделі операційних підсилювачів, вважаючи, що: коефіцієнт підсилення диференціального напруги нескінченно великий і не залежить від частоти сигналу, коефіцієнт посилення синфазного сигналу дорівнює нулю; опір по обом входам нескінченно велике; відсутня напруга зсуву нуля і його дрейф; швидкість зміни вихідної напруги нескінченно велика.

Аналітичний огляд літератури

Операційний підсилювач — це електронний підсилювач напруги з високим коефіцієнтом посилення, що має диференціальний вхід і зазвичай один вихід. Напруга на виході може перевищувати різницю напруг на входах в сотні або навіть тисячі разів. Призначений для виконання різноманітних операцій над аналоговими сигналами, переважно, в схемах з від'ємним зворотним зв’язком (ВЗЗ). Операційні підсилювачі застосовуються в різноманітних схемах радіотехніки, автоматики, інформаційно-вимірювальної техніки, — там, де необхідно підсилювати сигнали, в яких є постійна складова.

Операційний підсилювач спочатку був спроектований для виконання математичних операцій, шляхом використання напруги як аналогової величини. Такий підхід лежить в основі аналогових комп’ютерів, в яких ОП використовувалися для моделювання базових математичних операцій (додавання, віднімання, інтегрування, диференціювання і т. д.). Проте, ідеальний ОП є багатофункціональним схемотехнічним рішенням, окрім застосування для виконання математичних операцій, він має безліч інших застосувань. Реальні ОП є наближенням до ідеальних, базуються на транзисторах, електронних лампах, інших активних компонентах, і виготовляються у вигляді дискретних або інтегральних схем.

Рисунок 1 — Позначення операційного підсилювача на схемах де:

— V+ - неінвертуючий вхід;

— V- - інвертуючий вхід;

— Vout — вихід;

— Vs+ - плюс джерела живлення (також може позначатися як VDD, VCC, або VCC+)

— Vs-: мінус джерела живлення (також може позначатися як VSS, VEE, або VCC-).

Вказані п’ять виводів, має будь-який ОП, вони абсолютно необхідні для його функціонування. Окрім вказаних, деякі ОП можуть мати додаткові виводи, призначені для:

— встановлення струму спокою;

— частотної корекції;

— балансування (корекції зсуву) нуля;

і ряду інших функцій.

Рисунок 2 — Позначення операційного підсилювача на схемах за ДСТУ У загальному випадку, ОП використовує біполярне живлення, тобто джерело живлення, що має три виводи, з потенціалами: U+ (до нього підключається Vs+), 0, і U- (до нього підключається Vs-).

Вивід джерела живлення з нульовим потенціалом, безпосередньо до ОП, зазвичай, не підключається, але, як правило, є загальною точкою схеми і використовується для створення зворотного зв’язку. Тому, часто, замість біполярного, використовується простіше, однополярне, джерело живлення, а загальна точка створюється штучно.

ОП здатні працювати в широкому діапазоні напруги джерела живлення, типове значення, для ОП загального застосування: від ±1,5 В до ±15 В (тобто U+=1,5…15 В, U-=-1,5…-15 В).

Ідеальний операційний підсилювач

Ідеальний ОП описується формулою (1) і має такі параметри:

1) нескінченно великий коефіцієнт підсилення з розімкненою петлею зворотного зв’язку Gopen-loop ;

2) нескінченний великий вхідний опір входів Vі V+ (іншими словами, струм, що протікає через ці входи, рівний нулю);

3) нульовий вихідний опір виходу ОП;

4) нескінченно велика швидкість наростання напруги на виході ОП;

5) смуга пропускання: від постійного струму до безкінечності.

З перерахованих параметрів випливає властивість ідеального ОП, яка спрощує розгляд схем з його використанням: ідеальний ОП, охоплений негативним зворотним зв’язком, підтримує однакову напругу на своїх входах. Тобто виконується рівність:

(2)

Просте включення ОП зображене на рисунку 3.

Рисунок 3 — Схема, просте включення ОП Схема підключення ОП без зворотного зв’язку (з розімкненим зворотнім зв’язком). При такому підключенні, ОП працює як перемикач. До інвертуючого входу, через резистор, підключають землю (0 В). В результаті, якщо на вході Vin позитивна напруга, то на виході буде максимально підсилена позитивна напруга; якщо ж на вході Vin від'ємна напруга, то на виході буде максимально підсилена від'ємна напруга. Схема зображена на рисунку 4.

Рисунок 4 — Схема підключення ОП без зворотного зв’язку При створенні від'ємного зворотного зв’язку, коефіцієнт підсилення зменшується. При цьому, для регулювання коефіцієнта підсилення використовують подільник з опорів Rf і Rg. Так, якщо Rf = Rg, а Vin = 1, то Vout = Vin * 2 = 1 * 2 = 2 В.

Розглянемо роботу ОП, як окремого диференційного підсилювача, тобто без включення в розгляд яких-небудь зовнішніх компонентів. В цьому випадку, ОП поводиться як звичайний підсилювач з диференційним входом, тобто його поведінка описується рівнянням:

(1)

де:

— Vout — напруга на виході;

— V+ - напруга на неінвертуючому вході;

— V- - напруга на інвертючому вході;

— Gopen-loop — коефіцієнт підсилення, при розімкнененій петлі зворотного зв’язку;

Всі напруги вимірюються відносно загальної точки схеми. Цей спосіб включення ОП (без зворотного зв’язку) практично не використовується, через властиві йому серйозні недоліки:

— коефіцієнт підсилення з розімкненим колом зворотного зв’язку Gopen-loop нормується в дуже широких межах і може змінюватися в тисячі разів (найбільше залежить від частоти сигналу і температури);

— коефіцієнт підсилення дуже великий (типове значення 106, на постійному струмі) і не піддається регулюванню;

Параметри ОП, що характеризують його неідеальність, можна розбити на групи.

Параметри за постійним струмом

— обмежене посилення: коефіцієнт Gopen-loop не нескінченний (типове значення 105 — 106, на постійному струмі). Цей ефект помітно виявляється лише у випадках, коли коефіцієнт передачі каскаду з ОП відрізняється від параметра Gopen-loop в невелике число разів (посилення каскаду відрізняється від Gopen-loop на 1 — 2 порядки, або ще менше) ;

— ненульовий вхідний струм (або, що майже те ж саме, обмежений вхідний опір): типові значення вхідного струму становлять 10−9 — 10−12А. Це накладає обмеження на максимальне значення опорів в ланцюзі зворотного зв’язку, а також на можливості узгодження по напрузі з джерелом сигналу. Деякі ОП, мають на вході додаткові кола, для захисту входу від надмірної напруги — ці кола, можуть значно погіршувати вхідний опір. Тому деякі ОП випускаються в захищеній і незахищеній версіях;

— ненульовий вихідний опір. Дане обмеження не має великого значення, оскільки наявність зворотного зв’язку, ефективно зменшує вихідний опір каскаду на ОП (практично, до скільки завгодно малих значень);

— ненульова напруга зсуву: вимога, про рівність вхідної напруги в активному стані, для реальних ОП виконується не зовсім точно — ОП прагне підтримувати між своїми входами не точно нуль вольт, а деяку невелику напругу (напруга зсуву). Іншими словами, реальний ОП поводиться як ідеальний ОП, у якого всередині, послідовно з одним із входів, включений генератор напруги, з ЕРС Uзм. Напруга зсуву — дуже важливий параметр, він обмежує точність ОП, наприклад, при порівнянні двох напруг. Типові значення Uзм становлять 10−3 — 10−6 В;

— ненульове підсилення синфазного сигналу. Ідеальний ОП підсилює лише різницю вхідної напруги, сама напруга значення не має. В реальних ОП, значення вхідної синфазної напруги має деякий вплив на вихідну напругу. Цей ефект визначається таким параметром, як коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу (КОСС, англ. common-mode rejection ratio, CMRR), який показує, в скільки разів приріст напруги на виході менший, ніж приріст синфазної напруги на вході, що його викликала. Типові значення: 104 — 106;

Параметри за змінним струмом:

— обмежена смуга пропускання. Будь-який підсилювач має обмежену смугу пропускання, але чинник смуги особливо значущий для ОП, оскільки вони мають внутрішню частотну корекцію, для збільшення запасу по фазі;

— ненульова вхідна ємність. Утворює паразитний фільтр низьких частот;

Нелінійні ефекти

Насичення — обмеження діапазону можливих значень вихідної напруги. Звичайна вихідна напруга не може вийти за межі напруги живлення. Насичення має місце у разі, коли вихідна напруга «повинна бути» більше максимальної, або меншою від мінімальної вихідної напруги. ОП не може вийти за межі, і виступаючі частини вихідного сигналу «зрізаються» (тобто обмежуються).

Обмежена швидкість наростання. Вихідна напруга ОП не може змінитися миттєво. Швидкість зміни вихідної напруги вимірюється у вольтах за мікросекунду, типові значення 1 — 100 В/мкс. Параметр обумовлений часом, необхідним для перезаряджання внутрішніх ємностей ОП.

Обмеження, обумовлені живленням Обмежений вихідний струм. Більшість ОП широкого застосування, мають вбудований захист від перевищення вихідного струму. Типове значення максимального струму — 25 мА. Захист запобігає перегріву, і виходу ОП з ладу.

Обмежена вихідна потужність. Більшість ОП призначені для застосувань не вимогливих до потужності: опір навантаження не повинен бути меншим 2 кОм.

Класифікація ОП За типом елементної бази

— на біполярних транзисторах;

— на польових транзисторах;

За галузю застосування Операційні підсилювачі, що випускаються промисловістю, постійно удосконалюються, параметри ОП наближаються до ідеальних. Проте, поліпшити всі параметри одночасно технічно неможливо, або недоцільно через дорожнечу отриманого чипа. Для того, щоб розширити область застосування ОП, випускаються різні їх типи, в кожному з яких один або декілька параметрів є видатними, а інші на звичайному рівні (або навіть трохи гірші). Це виправдано, оскільки, залежно від сфери застосування, від ОП потрібне високе значення того або іншого параметра, а не всіх їх відразу. Звідси випливає класифікація ОП по областях застосування.

— індустріальний стандарт. Так називають широко вживані, дуже дешеві ОП загального застосування з середніми характеристиками. Приклад: Lm324;

— прецизійні ОП мають дуже малу напругу зсуву, застосовуються в точних вимірювальних схемах. Зазвичай ОП на біполярних транзисторах по цьому показнику дещо кращі, ніж на польових. Також, від прецизійних ОП потрібна довготривала стабільність параметрів. Виключно малими зсувами володіють стабілізовані перериванням ОП. Приклад: Ad707, у якого напруга зсуву становить 15 мкВ;

— ОП з малим вхідним струмом. Всі ОП, що мають польові транзистори на вході, мають малий вхідний струм. Але серед них існують спеціальні ОП, — з виключно малим вхідним струмом. Щоб повністю реалізувати їхні переваги, при проектуванні пристроїв з їх використанням, необхідно навіть враховувати витік струму по друкованій платі. Приклад: Ad549, у якого вхідний струмом становить 6 * 10−14 А;

— мікропотужні і програмовані ОП мають малий струм споживання. Такі ОП не можуть бути швидкодіючими, оскільки малий споживаний струм і висока швидкодія — взаємовиключні вимоги. Програмованими називаються ОП, для яких всі внутрішні струми спокою можна задати за допомогою зовнішнього струму, що подається на спеціальний вивід ОП;

— потужні (сильнострумні) ОП, можуть віддавати великий струм в навантаження.

— високовольтні ОП. Всі напруги для них (живлення, синфазна вхідна, максимальна вихідна) значно більші, ніж для ОП широкого застосування;

— швидкодіючі ОП. Мають високу швидкість наростання і частоту одиничного підсилення. Такі ОП не можуть бути мікропотужними;

Блок живлення — двохполярний AC/DC перетворювач. Прилад може видавати: +5 В та -5 В.

Користувацький інтерфейс забезпечує вибір потрібного резистора, конденсатора шляхом з'єднання PLS роз'ємів за допомогою перемичок. Прилад немає свого індикатора для виведення тому отримання результату вимагає підключення вольтметра або осцилографа.

Аналіз вихідних даних та розробка структурної схеми стенда

Вихідними даними стенду для вивчення схем включення операційного підсилювача є:

Диференціюючий каскад підсилення зображений на рисунку 5.

Рисунок 5 — Схема диференціюючого підсилювача Дана схема призначення для отримання різниці двох напруг, при цьому кожна з них попередньо помножену на певну константу (константа визначається резисторами).

(3)

Вхідний опір (між вхідними виводами) рівний =

В випадку, коли и, отримаємо:

Інвертуючий підсилювач зображений на рисунку 6.

Рисунок 6 — Схема інвертуючого підсилювача

Інвертує і підсилює напругу (тобто помножує на від'ємну константу).

(5)

(6)

Третій резистор з опором, рівним (опір паралельно з'єднаних резисторів Rf іи Rin), з'єднаним (при необхідності) між неінвертуючим входом і корпусом, зменшує помилку, виникаючою через струм зміщення.

Якщо Rin = 0, то схема реалізує собою лінійний перетворювач струм-напруга. Вхідний опір такої схеми визначається коефіцієнтом підсилення реального ОП і опором зворотнього зв’язку по формулі:

де KA — коефіцієнт підсилення операціного підсилювача. Вихідна напруга обраховується по формулі:

(8)

Неінвертуючий підсилювач зображений на рисунку 7.

Рисунок 7 — Схема неінвертуючого підсилювача Підсилює напругу (множить напругу на констату, більшу одиниці).

(9)

(на практиці - вхідний опір операційного підсилювача: від 1 MОм до 10 TОм) Третій резистор з опором, рівним (опір паралельно з'єднаних резисторів R1 і R2), встановленим (при необхідності) між точкою подачі вхідного сигналу і неінвертуючим входом, зменшує помилку, виникаючою через струм зміщення.

Інтегруючий підсилювач зображений на рисунку 8.

Рисунок 8 — Схема інтегруючого підчилювача

Інтегрує (інвертований) вхідний сигнал по часу.

(10)

де іи — функції часу, — вихідна напруга інтегратора в момент часу t = 0.

Даний чотирьохполюсник можна також розглядати як фільтр низьких частот.

Недоліки:

Зазвичай передбачається, що у вхідної напруги Vin відсутня постійна складова (тобто усереднення Vin за часом дає нуль). Навіть якщо Vin не зміщені, струми зміщення і витоку на входах операційного підсилювача можуть створити небажану постійну добавку до Vin і, таким чином, привести до дрейфу вихідної напруги. Дрейф можна зменшити шляхом балансування вхідних струмів і введенням резистора опором R в ланцюг заземлення неінвертірующего входу.

Ці проблеми можна частково вирішити введенням резистора з великим опором RF, шунтуючого конденсатора. На достатньо високих частотах f >> 1/RFC вплив цього опору пренебрежимо мало; при цьому на низьких частотах, де істотні проблеми ненульового зсуву і дрейфу, резистор забезпечує необхідний зворотний зв’язок по постійному струму. Він знижує посилення інтегратора по постійному струму від, формально кажучи, нескінченності до кінцевого значення RF / R.

Диференцітор зображений на рисунку 9.

Рисунок 9 — Схема диференціатор Диференціює (інвертований) вхідний сигнал по часу.

(11)

де і — функції часу.

Розробка функціональної схеми стенда

На основі структурної схеми розроблена функціональна схема прилада, яка приведена на рисунку 11.

— керуючий операційний підсилювач, який забезпечує роботу стенда;

— двох полярний блок живлення AC/DC, що живить операційний підсилювач;

— модуль для складання диференціюючого підсилювача;

— модуль для складання інвертуючого підсилювача;

— модуль для складання неінвертуючого підсилювача;

— модуль для складання інтегратора, диферанціатора;

— модуль для підключення індикатора виведення, вольтметр або осцилограф;

Прилад доцільно виконати на базі малопотужного чотирьох канального операційного підсилювача.

Рисунок 11 — Схема електрична функціональна стенду для вивчення ОП

Вибір та обґрунтування елементної бази стенда

Вибір елементної бази є важливим питанням у розробці електронного приладу. Від елементної бази залежить швидкість дії приладу, його потужність споживання, розміри, вага і вартість.

Можливі три типи елементної бази: інтегральні мікросхеми (ІМС), дискретні елементи, ІМС і дискретні елементи. Практично будь-який пристрій, побудований на ІМС, має деяку кількість дискретних ЕРЕ. Але всі основні функції виконують ІМС, а дискретні ЕРЕ виконують допоміжні функції (фільтри в колах живлення, узгодження за допомогою потужних транзисторів, тиристорів або оптронів виходів пристроїв з навантаженням і т.п.). На ІМС звичайно будують пристрої, що переробляють інформацію на низькому рівні напруги і потужності. Якщо яка-небудь функціональна частина або всі пристрої можуть бути побудовані на ІМС, то потрібно вибрати саме їх завдяки значним перевагам, які пов’язані з розробкою, виготовленням і експлуатацією мікроелектронної апаратури. Що стосується прилада, що розробляється, то основним його компонентом є чотирьох канальний операційний підсилювач LM324.

Мікросхема LM324 відноситься до операційних підсилювачів загального застосування. Вона призначена для використання в портативній апаратурі з автономним живленням. Операційний підсилювач LM324 відрізняється дуже високими параметрами по вхідному струмі і шумів. Мікросхема випускається в двох типах корпусів: DIP і SOIC. Структура мікросхеми містить чотири незалежні канали, що працюють в діапазоні напруг від 3 В до 32 В, при низькому вихідному струмі до 10мА. Відзначимо, що мікросхема може працювати як однополярному, так і при двополярного джерела живлення. Схема чудово працює від стабілізованого джерела живлення 5 В, при максимальному струмі споживання до 10мА.

Рисунок 12 — Умовне графічне зображення мікросхеми LM324

Призначення виводів операційного підсилювача LM324 приведено в таблиці 1.

Таблиця 1 — Призначення виводів LM324ОП К140УД7

Головною умовою використання мікросхем є суворе дотримання режимів роботи, рекомендованих в технічних умовах на вибрану мікросхему. Це відноситься в першу чергу до величини напруги живлення, опору навантаження і діапазону температури. Основні характеристики LM324 занесені до таблиці 2.

Таблиця 2 — Основні параметри IMC LM324.

Лінійний стабілізатор напруги мікросхема LM7805.

Основні характеристики мікросхеми LM 7805:

— напруга стабілізації - +5V;

— максимальний струм навантаження 800 мА;

— максимальна вхідна напруга 30V.

Зовнішній вигляд мікросхеми зображений на рисунку 13.

Рисунок 13 — Умовне зображення мікросхеми LM7805 в корпусі TO-220

Лінійний стабілізатор напруги мікросхема LM7905.

Основні характеристики мікросхеми LM 7905:

— напруга стабілізації - -5V;

— максимальний струм навантаження 800 мА;

— максимальна вхідна напруга 30V.

Зовнішній вигляд мікросхеми зображений на рисунку 14.

Рисунок 14 — Умовне зображення мікросхеми LM7905 в корпусі TO-220

За живлення стенду відповідає транформатор на 2 вторинні обмотки для забезпечення живлення оперційного підсилювача.

Основні характеристики трансформатора:

— вхідна напруга — ~ 220 V;

— максимальний струм обмотки — 3 А;

— вихідна напруга — 5 V;

— кількість вторинних обмоток — 2;

Також, до вибраних елементів слід віднести:

— конденсатори неполярні керамічні типу SMD 0805 С3-С8;

— конденсатори електролітичні С1 — 470 мкФ, С2 — 470мкФ;

— постійні резистори типу SMD 1206 опорами 4,7 кОм, 2кОм, 10кОм, 6.8кОм ;

— роз'єми типу SPL;

Розробка вузлів та розрахунок елементів принципової схеми

Розробка принципової схеми стенда виконується по вузлам функціональної схеми з використанням елементної бази, вибраної в попередньому підрозділі. Власне принципова схема стенда приведена в графічній частині курсового проекта на кресленні КП 4.10 КС92.02.00.Е3.

Керування режимами роботи здійснюється за допомогою перемичок, а відображення результатів відбувається шляхом підключення зовнішнього вимірювального пристрою, вольтметром або осцилографом. Живлення здійснюється від вбудованого джерела живлення напругою 5 В.

Розрахунок елементів принципової схеми зводиться до розрахунку номіналів резисторів та конденсаторів. У моєму випадку номінали резисторів і конденсаторів, величини їх опорів та ємностей відповідно приведені в розділі «Вибір елементної бази».

Основним критерієм при виборі ОП є малий температурний дрейф ОП, великий вхідний опір та частотні властивості.

Вибираємо ОП типу lm324.

Основні параметри ОП:

— напруга живлення, ємність конденсатора;

— напруга зміщення;

— максимальний вхідний струм;

— різниця вхідних струмів;

— вхідний опір;

— напруга зсуву;

— швидкість наростання вихідної напруги;

— частота одиничного посилення.

Розрахунок потужності споживання

Потужність, що споживається блоком, дорівнює сумі потужностей, що споживаються активними елементами схеми — інтегральними мікросхемами.

Загальна активна потужність, що споживається блоком, Рз, Вт, обчислюється по формулі.

де Рз — загальна потужність споживання, Вт;

Рі - потужність, що споживається і-тим елементом, Вт;

N — кількість різних типів елементів, шт;

n — кількість однотипних елементів, шт.

Потужність, яку споживає IМС можна знайти за формулою Рм = Iсп ср.* Uж, (13)

де Рм — потужність, що споживає IМС, мВт;

Iсп ср. — середній струм споживання мікросхеми, мА;

Uдж — напруга джерела живлення, В.

Дані для розрахунку загальної потужності споживання мікросхем стенду зведені в таблицю 3.

Таблиця 3 — Потужності споживання ІМС стенда

Загальна потужність споживання буде складатися з одної мікросхеми операційного підсилювача:

Рз = 200 мВт Таким чином, потужність споживання блоком від джерел живлення складає близько 1 Вт.

Розрахунок надійності

Надійністю називається властивість апаратури виконувати покладені на неї функції, при збереженні експлуатаційних показників в заданих межах і режимах роботи, встановлених в технічному завданні і стандартними технічними умовами. Надійність є комплексною властивістю апаратури, що характеризується безвідмовністю і ремонтоздатністю. Однією із основних понять теорії надійності є відмова.

Відмова — це подія, при якій об'єкт повністю або частково втрачає працездатність. При повній втраті працездатності виникає повна відмова, при частковій — часткова.

Відмови можуть бути раптовими і поступовими. Ці відмови різні по характеристикам роботи апаратури. Небезпека збоїв полягає в тому, що їх важко, а часто навіть неможливо виявити в процесі роботи апаратури, але вони можуть спотворити інформацію настільки, що це призведе до відмов при виконанні заданої функції.

Основними показниками надійності є: інтенсивність відмов, напрацювання на відмову, функція надійності. В даному підрозділі виконаний розрахунок надійності навчального стенду щодо часткових і повних відмов.

Послідовність приведеного розрахунку така.

а) згруповуються усі елементи пристрою з приблизно однаковими значеннями інтенсивності відмов /і, 1/год;

б) для кожної групи визначають добуток /іNі, 1/год;

в) розраховують інтенсивність відмов пристрою, як суму добутків /іNі, 1/год, за формулою

(14)

г) визначають середній час безвідмовної роботи (середній час до першої відмови) Тс, год

(15)

знаходять ймовірність безвідмовної роботи СТЕНДА для інтервалу часу t.

Інтенсивність відмов елементів, їх кількість і результати розрахунку загальної інтенсивності відмов СТЕНДА приведені в таблиці 4.

Таблиця 4 — Параметри надійності радіоелементів навчального стенда для вивчення операційного підсилювача.

Методика розрахунку показників надійності за раптовими відмовами:

— згруповуємо елементи з приблизно однаковими значеннями інтенсивності відмов;

— записуємо значення інтенсивностей відмов для відповідних груп;

— записуємо кількості елементів в групах;

знаходимо сумарну інтенсивність відмов за формулою 17:

л, де: n — кількість елементів в групі, шт.;

л — інтенсивність відмов елементів, 1/год;

m — кількість груп елементів, шт.

л=0,5*10+30*10+8*10+1,2*10+65*10+1*10+4*10+1*10+1*10+7,5*10=119,2*10(1/год.)

знаходимо середній час безвідмовної роботи за формулою 18:

T

де: л — сумарну інтенсивність відмов, 1/год;

T= 8389,26 (год.)

Необхідно також врахувати умови експлуатації пристрою. Так як розроблений пристрій буде експлуатуватись виключно лабораторних умовах, то Клаб=1, тому середній час безвідмовної роботи пристрою не зміниться.

Ймовірність безвідмовної роботи протягом певного інтервалу часу відображено на рисунку 15.

Рисунок 15 — Графік залежності P (t)

З графіка, зображеного на рисунку 15, видно, що з часом ймовірність безвідмовної роботи зменшується і на певному етапі вона майже досягає нульового значення.

Щодо залежності інтенсивності відмов від часу, то ця залежність наступна. В момент виготовлення пристрою ймовірність того, що він вийде з ладу є максимальною. Якщо пристрій не вийшов з ладу, то наступає невеликий початковий проміжок часу, який називають періодом припрацювання. В реальних умовах експлуатації цей період складає декілька місяців. Для його скорочення проводиться так званий «прогон» виробів в умовах, більш жорстких, ніж при реальній експлуатації (термокамери, вібростенди тощо). Тим самим вдається швидко виявити найменш надійні компоненти і замінити їх. При цьому початковий період скорочується до кількох днів.

Після початкового періоду наступає термін експлуатації, протягом якого пристрій виконує всі покладені на нього функції.

Останнім є проміжок часу, який наступає після закінчення терміну експлуатації. Це період старіння, що характеризується появою поступових відмов.

Висновки

В результатi роботи над курсовим проектом був навчальний стенд для вивчення оперційного підсилювача.

Під час розробки були пройдені всі основні етапи проектування цифрових пристроїв: від аналізу вихідних даних та огляду існуючих рішень до побудови структурної та функціональної схеми, вибору елементної бази та розробки принципової схеми пристрою. Був проведений розрахунок елементів принципової схеми трьох канального таймера.

Блок має такі технічні характеристики:

— дозволяє скласти одночасно 4 різних схеми включення операційного підсилювача;

схеми, що можна скласти: диференціюючий каскад підсилення, інвертуючий, не інвертуючий підсилювач, диференціатор та інтегратор;

джерело живлення — 220 В;

потужність споживання від джерела живлення — до 1 Вт;

час напрацювання на відмову — 8389 год.

Прилад є простим у керуванні, водночас він є багатофункціональним. В графiчнiй частинi представленi креслення схеми електричної принципової. Технiчнi характеристики стенда, отриманi в розрахунках, вiдповiдають завданню на курсовий проект.

Література

1.Гуржій А.М., Поворознюк Н.І. Електричні і радіотехнічні вимірювання:Посіб.для пед. працівників та учнів проф.-техн.навч.закл.-К.:Навчальна книга, 2002.-287 с.:іл.

2.http://habrahabr.ru/post/112 665/ - Операционные усилители (на основе простейших примеров)

3.http://cxem.net/beginner/beginner96.php — Операционный усилитель? Это очень просто!

4.http://icmicro.narod.ru/info_ru/opamp/opamp.htm — Обратная связь и операционные усилители.