Расчёт параметров выходного каскада

С выходов задающих генераторов 1 и 2 импульсы поступают на вход логического элемента И-НЕ, выполняющего роль модулятора. На выходе модулятора пачки импульсов амплитудой 5В. На VT1 и VT2 собран эмиттерный повторитель, который обеспечит требуемый ток.

Выходной каскад собран на транзисторах VT3 - VT6. VT3, VT6 - управляемые ключи, а VT4, VT5 - источники тока. VT3, VT4 - 2SC103A. VT5, VT6 - 2SC364. [5] Максимальный ток коллектора VT3 80 мА при β = 100, следовательно, ток базы насыщения 0, 8 мА. Трансформатор Т1 ММТИ166 с коэффициентом передачи 1. Напряжение, подаваемое во вторичной обмотке, равно 5В.

R7 = 5В/0, 8мА ≈ 6, 2 кОм. (4)

Для VT6 Ik max = 40мА, β = 100, отсюда Iб нас = 0, 4мА и

R8 = 5В/0, 4мА ≈ 13 кОм. (5)

Для того чтобы открыть VT3, VT6 потребовалась мощность Р2 = 5В*(0, 8мА+0, 4мА)=6мВт. Следовательно, эмиттерный повторитель на VT1, VT2 должен обеспечить мощность Р1 = 7мВт. При питании 5В ток равен 1, 4 мА.

1 2Т301Г Ik max = 10мА, β = 10;

VT1 2Т104Г Ik max = 10мА, β = 10.

 

Для обеспечения выходного тока 1, 4 мА базовый ток на транзисторах

б = Ik / β = 0, 14 мА, (6)

 

где Ik =1, 4мА; β = 10.

На выходе модулятора 5В, следовательно,

6 = 5В/0, 14мА = 36 кОм. (7)

 

Ёмкость С5 предназначена для устранения постоянной составляющей, которая вводила бы сердечник трансформатора в насыщение.

τ = R6*С5 > τ и (8)

 

τ и = 10 мкс

С5=3 нФ.

Для обеспечения постоянного режима работы источников тока необходимо чтобы IVT4, IVT5 были согласованы с длительностью стимулирующих импульсов:

4*tи = IVT5*tп (9)

tи = 4мкс tп = 6мкс.

 

Для того, чтобы напряжение на разделительной ёмкости С6 после переходного процесса было равным нулю должно выполняться условие

4 = 1, 5 IVT5.

 

Т. к. амплитуда тока на выходе электростимулятора 70 мА, то

IVT4 = 42 мА, а IVT5 = 28 мА.

противоболевой электронейростимулятор цепь ток

Uб VT4 = Uб VT5 = Uб

(Uб - 0, 6В)/R13 = IVT4 = 42 мА (10)

 

Возьмём R13 = 100 Ом, тогда для обеспечения тока IVT5 = 28 мА,

R14 = 1, 5*R13 = 150 Ом. Uб = 4, 8 В. Рассчитаем делитель для обеспечения такого напряжения на базе.

 

 (11)

 

При этом должно выполняться условие:

, (12)

13* β = 10000

Рассчитаем напряжение питания в худшем случае, при Rн=1, 2 кОм

п = IVT4 (Rн+R13+R15) (13)

п =42мА(1200Ом+100Ом+ 1000Ом) = 110 В.

R15 - измерительный резистор (выбор его значения будет описан ниже).

Выберем номиналы резисторов на основании уравнений (11) и (12):

R9 = 100 Ом, R12 = 100 Ом, R10 = 4, 3 кОм, R11 = 0 Ом (R11- перестраиваемый резистор и при выходном токе 70 мА его сопротивление должно равняться 0).

Для обеспечения выходного тока IVT4 = 0 необходимо чтобы Uб = 0, 6В. В этом случае из уравнений (11) следует, что R11=30 кОм.

Номинал С6 выбирается из условия неискажённой передачи импульсов в нагрузку.

 

τ = Rн*С6 > τ и (14)

 

τ и =10 мкс

С6=330 нФ (Rн=300 Ом).

Моделирование работы выходного каскада

Проведём проверку работы выходного каскада при помощи пакета Orcad [6]. Соберём схему выходного каскада (рисунок 4). Вторичные обмотки трансформатора заменим на источники импульсного напряжения, генерирующие импульсы заданной длительности и амплитудой 5В. Сопротивление регулирующего резистора R11 = 0 (случай максимального тока в нагрузке на схеме отсутствует). Моделирование проведем для двух случаев: на активной нагрузке и на модели ткани.

Схема моделирования на активной нагрузке (Rн=1, 2 кОм) представлена на рисунке 4.

 

Рисунок 4 - Схема выходного каскада с активной нагрузкой.

Рисунок 5 - Импульсы тока на нагрузке.

 

Рассмотрим работу выходного каскада, когда нагрузкой служит модель ткани. Схема представлена на рисунке 6. Здесь Rэк сопротивление перехода электрод-кожа, Сэк емкость этого перехода, Rвн и Свн соответствуют сопротивлению и емкости глубоко лежащих тканей. Для электродов площадью несколько см2 и постоянной составляющей тока в несколько десятков мА:

Rэк =1 кОм; Сэк =0.05 мкФ; Rвн =1 кОм; Свн =0.01 мкФ.

 

Рисунок 6 - Эквивалентная схема участка ткани

Рисунок 7 - Схема выходного каскада с нагрузкой в виде эквивалентного участка ткани.

Рисунок 8 - Импульсы тока на ткани.

Определение КПД выходного каскада

Для определения КПД схемы необходимо определить мощность, потребляемую схемой от источников питания и мощность, выделяемую в нагрузке.

 

, (15)

 

где Uпит=110В, Rн=1, 2 кОм

Pпот=20, 2Вт

 

Ррас = (IRн)2*Rн*fmin*tи*Nимп*Nпач,

 

Где IRвн=46 мА, Rн=1, 2 кОм;

fmin - минимальная частота следования пачек импульсов;

tи - длительность пачки импульсов;

Nимп - число импульсов в пачке;

Nпач - число пачек (для расчёта примем Nпач =1).

Получим Ррас =8, 4Вт.

 

КПД = (Ррас/Рпот)*100% = 41, 5%

 

Схема измерения тока

 

Измерение тока протекающего в цепи пациента будем проводить при помощи измерительного резистора R15, пикового детектора на высокочастотном диоде VD1, C7 и дифференциального усилителя собранного на ОУ DA1. Ток, протекающий через пациента, будет создавать падение напряжения на измерительном резисторе R15 = 1 кОм. Номинал резистора R15 выбираем, исходя из условия регистрации тока 1мА и выше. При амплитуде 1мА амплитуда положительных импульсов составит 0, 6 мА.

При R15 = 1 кОм падение напряжения составит 0, 6В, которое откроет VD1. Рассмотрим случай, когда через пациента течёт ток 70 мА. В этом случае амплитуда положительных импульсов составит 42 мА, а амплитуда отрицательных 28 мА. Измерение будем производить по положительным импульсам. На измерительном резисторе U = R15*I+ = 34, 4 В. Учитывая падение напряжения 0, 6В на VD1 получим на С7 напряжение 33, 8В.

Рассчитаем параметры пикового детектора. Допустим в некоторый момент ток в цепи пациента 70 мА, значит напряжение на С7 33, 8В. Затем ток резко уменьшается до 1мА, следовательно на С7 0, 6В. Так как диод VD1 открывается, когда напряжение на С7 меньше напряжения на входе на 0, 6 В, а емкость С7 разряжается через входное сопротивление усилителя, то исходя из этих условий мы можем определить значение ёмкости. Возьмём время задержки между изменением тока и индикацией 3с. Необходимо выбрать такое τ, чтобы по истечении 3с напряжение на С7 было 0, 6В. напряжение на ёмкости изменяется по закону:

 = Uз exp(-t/τ ), (16)

 = 0, 6В, Uз = 33, 8В, t = 3с,

отсюда τ = 0, 75с.

Необходимо учесть погрешность измерения. Допустим, стимулятор работает на самой низкой частоте следования пачек импульсов 10Гц. Длительность пауз между пачками составит 98мс. Рассмотрим худший случай, когда на индикацию выводится напряжение на ёмкости в конце паузы между импульсами. Тогда напряжение на С7 составит exp(-t/τ ) = exp(-0, 098/0, 85) = 0, 88 от действительного напряжения на R15.

Напряжение с ёмкости С7 поступает на делитель напряжения на R16 = 3, 3кОм и R17 =100 Ом, уменьшающий напряжения в 34 раза. С R17 снимаем напряжения в диапазоне от 0, 029В до 1В. Для того, чтобы собственные шумы не вносили существенных погрешностей выберем прецизионный, малошумящий ОУ КР140УД14А с Uсм = 2мВ < < минимального сигнала на входе и Iвх=2нА. Коэффициент усиления ДУ выберем 5, максимальное напряжение на выходе 5В, что на 4В меньше напряжения питания 9В, что обеспечит неискажённую передачу [7].

В соответствии с коэффициентом усиления выберем

 

 (17)

21 = R20 = 510кОм, R18 = R19 = 100кОм. При сопротивлениях входных резисторов R18, 19 ток утечки создаст падение напряжения 200мкВ< < минимального сигнала на входе (29мВ).

В соответствии с этими параметрами можем рассчитать С7. Ёмкость разряжается через R16 и параллельное сопротивление (R17+R19)||(R18). Общее сопротивление равно

 

, 3к + 50к = 53кОм,

 

τ = 0, 75с,

С7 = 15мкФ.

Для цифровой индикации тока в нагрузке используем АЦП ICL7137 (рисунок 10) со встроенным источником опорного напряжения, тактовым генератором и схемой управления светодиодными индикаторами. Частота преобразования аналогового сигнала в цифровой и частота вывода данных на индикацию зависит от выбора номиналов R26, C12. Максимальное число, которое может индицироваться 1999. Опорное напряжение равно 5В. Для индикации 70мА, необходимо подать на вход 0, 13В. С выхода ДУ напряжение соответствующее 70мА равно 5В. Делитель напряжения на R22 = 7, 5 кОм и R23 = 200Ом. Для индикации используем светодиодные индикаторы АЛС335А1. Цвет СИД зелёный, высота цифр 12мм. [8]

 

Рисунок 10 - Типовое включение АЦП ICL7137.

Расчёт блока питания

 

Для питания всего устройства применим блок питания для получения напряжений +5 и -5В - рисунок 24.

 

Рисунок 11 - Источник напряжений +5 и -5В.

 

После понижения напряжения силовым трансформатором, оно выпрямляется диодными мостами VD1..VD8 и сглаживается конденсаторами С1, С2. Для стабилизации напряжения применяем интегральные стабилизаторы DA1 на +5В - КР142ЕН5А, DA2 КР1183ЕН5А. Выход стабилизатора зашунтируем емкостями C3, С4 0, 1 мкФ С5, С6 - 10 мкФ (из рекомендуемой схемы включения стабилизаторов).

Напряжение 5В используется для питания импульсного преобразователя напряжения, собранного на ключах VT6, VT7 и R18, C8 (рисунок 12).

Рисунок 12 - Высокочастотный преобразователь питания.

 

Источники 110 В используются для питания выходного каскада на транзисторах VT3..VT6 чтобы получить требуемые величины токов в нагрузке. Источники 9В используются для питания операционного усилителя.

Источники питания 9В собраны на двух мостах VD17-VD20, VD21-VD24, сглаживающих конденсаторах С10, С11 и линейных регуляторах DA3, DA4.

Поскольку высоких требований к качеству источников 110В не предъявляется, то соберем RC фильтр C8, С9, R12, R13.

Применены транзисторы:

VT1, VT2 КТ815

Элементом развязки является трансформатор

Т1 Ти -226-ГОСТ 18685-73 [9].

 

⇐ Предыдущая12

Поделиться: