Проектирование усилительного устройства

                                                                                                                                              Исходные данные

     Усилительная  часть

     Вариант – 6 

     E_г = 0, 6 В;

     R_г = 0, 1 О_м;

     R_н. = 10 O_м;

     P = 1.5 B_т; 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Введение 

     Курсовая  работа по электронике выполняется  по разделу курса "Промышленная электроника". Она включает в себя разработку и  расчёт законченного промышленного  электронного устройства с целью  закрепления теоретических знаний по ряду разделов курса электроники.

     Назначение  усилительного устройства и его  структура определены техническим заданием. Задача выбрать оптимальный вариант реализации заданной структуры и рассчитать его элементы.

     Структура и характеристики блока питания  определяют после разработки усилительной и цифровой частей устройства.

     Методика  выполнения курсового проекта должна отражать тот путь, которым практически используются все разработчики электронных схем.

     Во-первых. Получив задание, надо попытаться подобрать  готовую схему, предназначенную для решения аналогичных задач.

     Во-вторых, если готовое решение найти невозможно, а это часто случается, так  как задачи. Встающие перед разработчиками электронных устройств, весьма разнообразны, то необходимо, моделировать существующие технические решения.

     В-третьих, даже если схема определена. Надо уметь  рассчитывать её параметры, совершенно чётко представлять себе её работу.

     Необходимо отметить, что из-за большого технологического разброса параметров у компонентов электронных устройств, в особенности полупроводниковых элементов, конденсаторов большой ёмкости, точность расчётов в электроники не велика. 
 
 

^{1. Основная часть}

^{1.1 Проектирование усилительного устройства}

1.1.1 Структурная схема усилителя

Исходными данными для разработки усилителя  являются: ЭДС источника сигнала - Е_Г; его внутреннее сопротивление - R_Г; сопротивление нагрузки усилителя - R_H ; мощность в нагрузки - Р_H ; наличие в составе усилительного устройства фильтра заданного порядка и аппроксимации с требуемыми частотными характеристиками.

Входной каскад (ВК) предназначен для согласования источника сигнала с усилительным устройством. Усилитель напряжения (УН) усиливает входной сигнал до необходимого уровня. Активный фильтр формирует заданную частотную характеристику устройства. Усилитель мощности служит для создания в нагрузке требуемой мощности усиливаемого сигнала.

      

     

Рисунок 1.1- Структурная схема усилительного  устройства 

1.2 Определение основных  параметров усилителя

Входное сопротивление усилителя выбирают так, чтобы R_BX ^>> R_Г

Практически R_BX =(10-100) R_Г : R_BX=(10-100)* 10=200 кОм.

Действующее значение напряжения: 
 
 

 следовательно, усилитель напряжения из схемы исключить нельзя.

  1.3 Выбор схемы входного  каскада

  Для выбора схемы ВК необходимо учитывать два  основных фактора: требуемое входное сопротивление и частотную характеристику всего усилителя, которая зависит от фильтра.

  Если задан  фильтр низких частот, усилительное устройство должно представлять собой усилитель постоянного тока и не содержать разделяющих конденсаторов.

       В этом случае ВК выполняется только на операционном усилителе. При R_Г ≤ 10кОм возможно использование инвертирующего усилителя.

       Так как , выбираем инвертирующий операционный усилитель (ОУ) 

         
 
 
 
 
 
 

Рисунок 1.2- Инвертирующий усилитель напряжения на ОУ. 

Каскад  УН строим на базе инвертирующего усилителя. Коэффициент усиления, которого: 
 
 

где К_u - коэффициент усиления УН

Входное сопротивление  каскада:

R_вх=R₁ (причем в R₁ входит также сопротивление источника сигнала). 

Для уменьшения температуры дрейфа каскадную величину резистора R₃ выбираем равной: 
 

Сопротивление R₁, R₂, и R₃  выбираем из ряда номинальных сопротивлений и емкостей, индексом ряда Е24. 

1.4 Выбор схемы и расчет усилителя мощности

В промышленной электронике очень часто возникает  необходимость получения в нагрузочном  устройстве максимальной мощности усилительного сигнала. Усилительные каскады, обеспечивающие выполнение этого условия, называются усилителями мощности (УМ).

Нагрузочными  устройствами усилителей нередко являются обмотки электродвигателей, реле, громкоговорителей  и другие элементы электрических цепей. Основным параметром, характеризующий работы усилителя мощности, являются коэффициент усиления по мощности К".

Получение требуемой мощности в нагрузочном  устройстве обеспечивается, прежде всего, выбором соответствующего транзистора. Получение максимальной мощности в нагрузочном устройстве возможно лишь тогда, когда его сопротивление равно выходному сопротивлению усилительного каскада, т. е. при равенстве сопротивление генерирующего и приемного устройств.  
 

Чаще  всего в УМ используют усилительные каскады с общим коллектором.

Наибольшее  распространение получили однотактный и двухтактный усилители мощности, а также бестрансформаторный усилитель мощности.

             Однотактный усилитель мощности используется для получения сравнительно небольших мощностей. Двухтактный усилитель мощности состоит из двух симметричных плеч - транзисторов, которые подбирают с максимально близкими характеристиками, работают в одинаковом режиме. Единственным отличием в работе плеч усилителя является противофазность токов и напряжений в коллекторных цепях.

          Преимущества двухтактных УМ - меньшие нелинейные искажения, меньшая чувствительность к пульсациям напряжения питания.

             Бестрансформаторный усилитель мощности, являющийся двухтактным усилителем, собирают из транзисторов разных типов рис. 5: УТ₁ - типа p-n-p и УТ₂ - типа n – p - n.  

             

 

             Рисунок 5 – Усилитель  мощности с ОУ 
 
 

  Расчетная мощность больше номинальной на величину потерь в эмиттерных резисторах: 

  Напряжение  источника питания: 

  Где U_{кэ нас}=5 В для кремниевых транзисторов. 

Амплитуда тока коллектора транзисторов оконечного каскада: 
 

  Среднее значение тока, потребляемого от источника  питания: 
 

  Мощность, рассеиваемая  на коллекторе выходного  транзистора: 
 
 

По справочнику  выбираем транзисторы для схемы  УМ – Кт814 и Кт815. 
 
 

  Характеристики  транзисторов серии КТ502, КТ503:

  Ток базы равен: 
 
 
 
 
 
 

  

1.2.1 Обоснование выбора  схемы блока питания 

Источник  питания состоит из силового трансформатора, выпрямителей, сглаживающих фильтров, и во многих случаях стабилизатора  напряжения или тока. Расчет и проектирование источника питания ведут, начиная  с конечного элемента-стабилизатора или выпрямителя с фильтром, а затем рассчитывает трансформатор.

Расчет  и проектирование источника питания  для разрабатываемого узла следует начинать с определения основных напряжений и соответствующих токов, которые должен вырабатывать блок. Эти данные из предыдущих разделов курсовой работы.

Токи, потребляемые операционных усилителем, берут из справочника.

Ток, потребляемый усилителем мощности, берут  из расчета усилителя мощности.

При этом необходимо определить, какие  напряжения должны стабили зироваться. Обычно стабилизируют питание транзисторных усилительных каскадов, собранных на дискретных элементах. Т. к. они температурной нестабильности. Для питания же операционного усилителя достаточно использовать простые параметрические стабилизаторы. Но при этом нагружать их более тремя операционными усилителями, без развязывающих фильтров нельзя, т. к. может возникнуть самовозбуждение схемы. Выходные каскады усилителя мощности, собраны по двухконтактной схеме, могут питаться нестабилизированным напряжением.

В современных блоках питания широко применяются стабилизаторы напряжения ни интегральных микросхемах, обеспечивающий большие рабочие токи и высокий коэффициент стабилизации при минимуме дополнительных навесных элементов. Поэтому в курсовой работе желательно использовать интегральные стабилизаторы.

 
 

1.2 Проектирование источника  питания 

Стабилизатор  напряжения 

Исходные  данные для расчета стабилизатора  напряжения; номинальное выходное напряжение – U_вых, В; ток нагрузки – I_вых, А; относительное отклонение напряжения сети в сторону понижения а_мин. 

  Выбираем  диоды:

  Кц 402  300 В  3А 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                            

  Основная  схема выпрямителя

Дано:  
 
 
 
 
 

-U₀, В – номинальное выпрямительное напряжение (в случае использования стабилизатора оно равно его входному напряжению);

-I₀, А – ток нагрузки

-f_с, Гц – частота сети;

-К_п – допустимый коэффициент

Определяем  сопротивление трансформатора r_тр, вентиля к r_i, и по их значениям находим сопротивление фазы выпрямителя r_в: 

где:

I – плотность тока в обмотках трансформатора (для трансформаторов до 100 Вт

I = 3…5 А/мм²);

В –  магнитная индукция в сердечнике (принимаем К¹ = 2…2,3). 

Среднее значение тока через винтель: 

Амплитуда обратного напряжения на вентиле: 

По среднему току через вентиль I_ов должен быть меньше максимально допустимого среднего тока диода, указанного в справочнике.

Находим сопротивления вентиля r₁: 
 

  Сопротивление фазы выпрямителя: