Проектирование усилительной части устройства

Введение

Техническое задание.

1. Проектирование усилительного устройства.

1.1 Структурная схема усилителя.

1.2 Определение основных параметров усилителя.

1.3 Выбор схемы входного каскада.

1.4Выбор и расчет параметров усилителя напряжения.

1.5 Выбор схемы и расчет параметров активного фильтра.

1.6 Выбор схемы и расчет усилителя мощности.

2. Проектирование источника питания Список источников.

Введение

Курсовая работа включает в себя проектирование усилительной части устройства с активным фильтром и усилителем мощности, выбор и расчет блока питания всей схемы, с целью закрепления теоретических знаний по ряду разделов по курсу электротехники. Назначение усилительного устройства и его структура определены техническим заданием. Задача — выбрать оптимальный вариант реализации заданной структуры и рассчитать его элементы. Структуру и характеристики блока питания определяют после разработки усилительной части устройства.

Техническое задание.

1. Ег = 0,06 В;

2. Rг = 0,1 кОм;

3. Rн = 100 Ом;

4. Рн = 0,4 Вт;

5. Тип фильтра — ФВЧ;

6. Тип аппроксимации фильтра — Баттерворта;

7. Порядок фильтра — 4;

8. Fс = 100 Гц;

1. Проектирование усилительного устройства.

1.1 Структурная схема усилителя Исходными данными для разработки усилителя являются: ЭДС источника сигнала — Ег = 0,06 В, его внутреннее сопротивление — Rг = 0,1 кОм, сопротивление нагрузки усилителя — Rн = 100 Ом, мощность в нагрузке — Рн = 0,4 Вт, наличие в составе усилительного устройства фильтра высоких частот 4 порядка и аппроксимации — Баттерворта с требуемой частотной характеристикой Fc = 100 Гц.

Усилительное устройство выполняют по схеме, изображенной на рис. 1, где ВК — входной каскад, предназначенный для согласования источника сигнала с усилительным устройством; УН — усилитель напряжения, усиливающий входной сигнал до необходимого уровня;

1.2 Определение основных параметров усилителя Определяем основные параметры усилительного устройства:

a). Входное сопротивление усилителя Rвх, которое нужно оптимальным образом согласовать с источником сигнала:

(1);

b). Действующее значение напряжения в нагрузке:

(2);

c). Общий коэффициент усиления устройства по напряжению:

(3);

1.3 Выбор схемы входного каскада усилительный устройство фильтр сопротивление Для правильного выбора схемы ВК нужно учитывать два основных фактора: требуемое входное сопротивление и частотную характеристику всего усилителя, которая зависит от фильтра.

Входной каскад будет объединен с усилителем напряжения.

1.4 Выбор и расчет параметров усилителя напряжения Каскады УН будем строить на основе схемы инвертирующего усилителя (рис.2), так как у входное сопротивление Rвх ?10 кОм.

Коэффициент усиления такого усилителя:

(4);

1.5 Выбор схемы и расчет параметров активного фильтра Фильтры — это электрические устройства, предназначенные для передачи сигналов в определенной области частот. Все они характеризуются амплитудно — частотными характеристиками (АЧХ) коэффициента пропускания или обратной величиной a (f) -коэффициента затухания.

В данной работе дан:

— фильтр высоких частот (ФВЧ) — пропускает все сигналы с чатотами от fc до ?.Причем на частоте среза fc коэффициент передачи фильтра составляет 0,707 от установившегося значения, А при f =? и далее с ростом частоты асимптотически приближается к нему;

— фильтр Баттерворта — он имеет достаточную кривизну скатов кривой затухания и приемлемо пропускают импульсные сигналы (рис.3).

Для расчета ФВЧ понадобятся следующие данные:

a). Частота среза fc = 100 Гц;

b). Коэффициент усиления фильтра А=1 в полосе пропускания;

c). Порядок передаточной функции фильтра = 4;

d). Тип аппроксимации, т. е. коэффициенты b, c.

Схема фильтра верхних частот показана на рис. 4.Расчетные формулы принимают вид:

Так как порядок фильтра равен 4, то получается 2 звена:

(5);

a). При b = 0.7564 и с = 1,0000.

b). При b = 1.8478 и с = 1,0000.

1.6 Выбор схемы и расчет усилителя мощности Воспользуемся схемой, представленной на рис. 5, для расчета усилителя мощности. При расчете УМ заданными величинами являются:

a). Номинальная мощность в нагрузке Рн = 0,4 Вт;

b). Сопротивление нагрузки Rн = 100 Ом.

В результате расчета должны быть определены напряжение источника питания Uн оконечного каскада и потребляемый от него ток Iпотр, типы транзисторов, параметры элементов и выбран ОУ.

— Используя УМ по схеме, представленной на рис. 5, учитываю, что расчетная мощность больше Рн на величину потерь в эмиттерных резисторах:

(6);

— напряжение источника питания Uип:

(7);

— Амплитуда тока коллектора транзисторов оконечного каскада:

(8);

— Среднее значение тока, потребляемого от источника питания:

(9);

— Мощность, рассеиваемая на коллекторе выходного транзистора:

(10);

— Выбор оконечных транзисторов проводят с учетом условий:

(11);

С учетом этих условий выбрала транзистор КТ610А (КТ610Б).

— Предоконечный каскад на ОУ должен обеспечивать ток Iвых оу, равный амплитуде тока базы оконечных транзисторов:

(12);

Имея ток нагрузки Iвых оу и напряжение источника питания Uип по справочнику выбраем ОУ для предоконечного каскада — 153УД1 (рис.6).

— Определяем ток делителя:

(13);

— Допустимый прямой ток диода больше ток делителя:

(14);

Выберем диод смещения выходных транзисторов из выше указанного условия — диод кремниевый сплавный Д219С [2].

2. Проектирование источника питания Источник питания состоит из силового трансформатора, выпрямителей, сглаживающих фильтров и во многих случаях — стабилизаторов напряжения (или тока). Расчет начнем с конечного элемента — со стабилизатора, а затем рассчитаем трансформатор.

1. Начнем с расчета стабилизатора:

Исходные данные для расчета стабилизатора напряжения: номинальное выходное напряжение — Uвых, В; ток нагрузки — Iвых, А; относительное отклонение напряжения сети в сторону понижения амин.

(15);

— Выбираем стабилизатор, исходя из Uвых и Iвых: К142ЕН2А (рис 11) [5];

— Определяем минимальное входное напряжение стабилизатора:

(16);

С учетом возможного уменьшения напряжения в сети:

(17);

2. Затем проводим расчет выпрямителя:

Исходные данные для расчета выпрямителя: номинальное выпрямленное напряжение Uо, В; ток нагрузки Iо стабилизатора, А; номинальное напряжение сети UI, В; частота сети fc, Гц; допустимый коэффициент пульсаций Кп.

(16);

— Для расчета схемы выпрямителя возьмем тип схемы — «Удвоения напряжения», она представлена на рис. 7.

— Определяем сопротивление трансформатора rтр, вентиля ri и по их значениям находим сопротивление фазы выпрямителя rв .

a). Находим сопротивление трансформатора rтр:

(17);

b). Выберем выпрямительный диод из справочника по среднему току через вентиль Iов и амплитуде обратного напряжения на вентиле Uобр.:

(18); отсюда следует диод — Д229 В [4].

c). Находим сопротивление вентиля ri:

(19);

— Определяем по формуле коэффициент А. Вспомогательные коэффициенты Вo, Do, Fo нахожу по графикам на рис. 8.

(20);

Во=1,25, Do=1,9, Fo=4,8.

— Емкость фильтра определяется по приближенной формуле:

(21);

3. Расчет силового трансформатора:

— Определяем ток первичной обмотки:

(22);

— Определяем габаритную мощность трансформатора:

По рис. 9 определяем габаритную мощность, значение которого находится в пределах КПД =0,75−0,95.Возьму =0,82.

Получила Ртр=150ВА.

— По габаритной мощности трансформатора выбираем магнитопровод:

Сечение стержня сердечника:

(23);

Находим произведение сечения стержня сердечника на площадь окна:

(24);

Для данного случая подходит магнитопровод — ШЛ2550, его чертеж представлен на рис. 10.

— Определяем число витков в обмотках:

(25);

— Находим диаметры проводов обмоток трансформатора по действующему значению тока In в обмотке n и заданной плотности тока J:

(26);

Округляем d1 до 0,125 мм, а d2 до 0,450 мм, соответственно диаметр с изоляцией для d1=0.150(ПЭВ-1) и 0,155(ПЭВ-2), для d2=0.490(ПЭВ-1) и 0,510(ПЭВ-2).

Список источников:

1 Промышленная электроника: Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальностей и направлений 2103, 5502, 0305 дневной и заочной формы обучения. — Красноярск: КГТА, 1995. — 48 с.

2 Лурье М. С. Промышленная электроника. Аналоговые устройства промышленной электроники: Учебное пособие к курсовому проектированию для студентов специальностей 21.02.01, 21.02.14, 03.05.28, 54.04.59. — Красноярск: КГТА, 1996. — 180 с.

3 Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам / Горюнов Н. Н., Клейман А. Ю., Комков Н. Н. и др.; Под общ. ред. Н. Н. Горюнов: — 4-е изд., перераб. и доп. : — М.: Энергия, 1978. — 744 с.: ил.

4 Справочник по полупроводниковым диодам и транзисторам. Изд. 2-е М., «Энергия», 1968.

5 Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / С. В. Якубовский, Л. И. Никельсон, В. Н. Кулешова и др; Под ред. С. В. Якубовского: — М.: Радио и связь, 1990. — 496 с.: ил.